Riksveginvestering per capita (kroner per capita)
Besvart 7. august 2019 av kommunal- og moderniseringsminister Monica Mæland
Neste trabalho avaliou-se e desenvolveu-se uma inovadora válvula de controlo da abertura e fecho da janela de escape para motores a 2 tempos. Esta válvula controla o ângulo de cambota para o qual ocorre tanto a abertura como o fecho da janela de escape, podendo adiar ou atrasar ambos os eventos, permitindo a implementação da estratégia de sobre-expansão.
Foi desenvolvido um modelo geométrico para calcular o formato da válvula através do input de alguns parâmetros geométricos do motor e dos timings pretendidos. Com este modelo é possível assim saber de imediato se os inputs dados são possíveis de executar e obter as dimensões da válvula pretendida.
Utilizou-se o software Converge para a modelação CFD deste motor utilizando a geometria definida pelo modelo geométrico. Com este software avaliaram-se três casos distintos, sendo o primeiro um motor base sem válvula rotativa no escape; o segundo apresenta uma válvula de uma só haste a atuar na abertura do escape originando sobre-expansão; o último caso estudado dispõe de uma válvula de duas hastes, havendo atuação na abertura e no fecho sem causar sobre-expansão. Pela análise de resultados observou-se um maior rendimento global no motor com válvula atrasando a abertura do escape (o que produzia sobre-expansão) possuindo um incremento no rendimento de 5.6% em relação ao motor base sem válvula mas com um ligeiro decréscimo de produção de trabalho (2.4%). Já no motor com válvula a atuar em ambos os eventos de abertura e fecho do escape se observou um decréscimo de 0.5% do rendimento em relação ao motor base, tendo o trabalho realizado aumentado em 15%.
Como trabalho futuro seria necessário a realização de simulações com alteração dos seguintes parâmetros:
- Diferentes velocidades de rotação do motor; - Diferentes cargas do motor;
- Diferentes geometrias da válvula (determinar as dimensões/timings mais adequadas para cada situação).
Estas simulações deveriam incluir também o escape completo, podendo ser necessário o desenvolvimento deste para aplicação em conjunto com a válvula. Seria também necessário
utilizar uma melhor representação do efeito de compressão dos gases frescos no cárter (pré- admissão).
Relativamente ao sistema de acionamento/controlo da válvula seria necessário um estudo minucioso de modo a otimizar a posição de cada haste em função da velocidade de rotação e da carga do motor.
Bibliografia
[1] Martins, J. J. G., et. al. (2004). Thermodynamic Analysis of an Over-Expanded Engine, SAE Technical Paper Series, nº 2004-01-0617, included in 'Modeling of Spark Ignition Engines', edited by SAE (ISBN Number: 0-7680-1366-6)
[2] Martins, J. J. G. (2009). Process for Efficiency Improvement of a 2-Stroke Engine with Rotary Valve on the Exhaust, Patente Portuguesa nº103663, Junho 9, 2009, (publicado em "Boletim da Propriedade Industrial no. 115/2009", Julho 17, 2009)
[3] Martins, J.J.G. (2013). Motores de combustão interna (4ª edição). Porto: Publindústria, Edições Técnicas.
[4] Blair, G. P. (1996). Design and simulation of two-stroke engines. Warrendale, PA: Society of Automotive Engineers, Inc.
[5] Vissers, A. J. (2007). Port size, geometry and layout design in a Two-Stroke JaqEngine. Tese de mestrado, Eindhoven University of Technology, Eindhoven, Holanda.
[6] Costa, T.J. (2014). Analysis of internal combustion engines towards the improvement of its efficiency. Tese de mestrado, Universidade do Minho, Guimarães, Portugal.
[7] Biancolini, M. E. (2008). Fluid Structure Analysis of a reed valve. Consultado em Abril 6, 2015, em: http://www.torvergata-karting.it/article/articleview/76/1/9/
[8] SSV (2015). Engine Valve. Consultado em Fevereiro 9, 2015, em: http://ssvalves.net/Engine_Valve.aspx
[9] Hooniverse (2011). A two-stroke intake primer. Consultado em Março 3, 2015, em: http://hooniverse.com/2011/07/26/a-two-stroke-intake-primer/
[10] Anderson, S. (1986). Exhaust Power Valves. Cycle World Magazine, April, 89-94.
[11] Yamaha (2009). Yamaha technology 1980: YPVS (Yamaha Power Valve System). Consultado em Março 2, 2015, em http://www.yamaha-motor.eu/designcafe/en/about- design/technology/index.aspx?segment=About%20Design%20-
%20Technology&view=article&id=440980
[12] World Library (2002). Two-stroke power-valve system. Consultado em Outubro 9, 2015, em: http://www.worldlibrary.org/articles/two-stroke_power_valve_system
[13] Lotus (2015). Case study: OMNIVORE research engine. Consultado em Março 21, 2015, em http://www.lotuscars.com/engineering/case-study-omnivore-research-engine
[15] Hale, U. (2005). PV disassembly. Consultado em Março 21, 2015, em: http://www.gasgasrider.org/pv_disassembly_mattr.pdf
[16] Zim. Korn. (2002). Schematics. Consultado em Maio 1, 2015, em: http://www.nsr125.com/schem.htm
[17] Dan (1999). Power valves. Consultado em Abril 6, 2015, em: http://www.dansmc.com/powervalve.htm
[18] Chiodi, M. (2011). An innovative 3D-CFD-Aproach towards virtual development of Internal Combustion Engines. Stuttgart: Springer Fachmedien.
[19] Borgnakke, C., Puzinauskas, P., Xiao, Y. (1986). Spark ignition engine simulation models. Relatório técnico, University of Michigan, Michigan, Estados Unidos.
[20] Heywood, J. B. (1988). Internal combustion engines fundamentals. New York: McGraw-Hill, Inc.
[21] Martins, J. J. G. (2009). Process for Efficiency Improvement of a 2-Stroke Engine with Rotary Valve on the Exhaust, Portuguese Patent nº103663, 9th June, 2009, (published in "Boletim da Propriedade Industrial no. 115/2009", 17th July 2009)
[22] Converge (2014). Converge 2.2.0 Theory Manual. Madison, WI: Convergent Science, Inc. [23] Issa, R. I. (1986). Solution of the Implicitly Discretised Fluid Flow Equations by Operator-
Splitting. Journal of Computational Physics, Volume 62.
[24] Lindemann, F. A., et. al. (1922). Discussion on 'the radiation theory of chemical action', Transaction of the Faraday Society, 17:598.
[25] Han, Z., and Reitz, R. D. (1995). Turbulence Modeling of Internal Combustion Engines Using RNG k-ε Models. Combustion Science and Technology, Volume 106.
[26] Amsden, A. A. (1997). KIVA-3V: A Block Structured KIVA Program for Engines with Vertical or Canted Valves. Los Alamos National Laboratory Report No. LA-13313-MS.
[27] Autodesk (2008). Specifying Turbulence Options. Consultado em Julho 20, 2015, em http://download.autodesk.com/us/algor/userguides/mergedProjects/setting_up_the_anal ysis/Fluid_Flow/Analysis_Parameters/Steady_or_Unsteady_Fluid_Flow_(Turbulence_Optio ns).htm
Anexos
Anexo 1 – Características e condições iniciais das simulações
Tabela 17 - Características da simulação sem válvulaIgnição: 1 vela de ignição (15° APMS)
Abertura de escape (válvula): - Fecho do escape (válvula): -
Combustível: Iso-Octano (C
8H18)
Tipo de mistura: Estequiométrica (AFR=14.6) Taxa de compressão/expansão geométrica: 21.7:1
Taxa de compressão/expansão retida: 11:1 Taxa de compressão geométrica (válvula): - Taxa de expansão geométrica (válvula): -
Tabela 18 - Condições iniciais da simulação sem válvula
Número de ciclos simulados: 3 Pressão de admissão: 1.2 bar
Pressão no escape: 1 bar
Pressão no cilindro: 1 bar
Temperatura de admissão: 383 K Temperatura no cilindro: 900 K Temperatura de escape: 1130 K
Tabela 19 - Características da simulação do motor com válvula atrasando a abertura do escape
Ignição: 1 vela de ignição (15° APMS)
Abertura de escape (válvula): 120° DPMS Fecho do escape (válvula): -
Combustível: Iso-Octano (C
8H18)
Tipo de mistura: Estequiométrica (AFR=14.6) Taxa de compressão/expansão geométrica: 21.7:1
Taxa de compressão/expansão retida: 11:1 Taxa de compressão geométrica (válvula): - Taxa de expansão geométrica (válvula): 17.7:1
Caract er íst icas da válv ula
Distância centro da válvula ao topo do pistão (no PMS):
44 mm Diâmetro médio da válvula: 72 mm Ângulo da haste 1 (expansão): 40° Ângulo da haste 2 (compressão): - Abertura menor entre hastes: -
Tabela 20 - Condições iniciais da simulação do motor com válvula atrasando a abertura do escape
Número de ciclos simulados: 3 Pressão de admissão: 1.2 bar
Pressão no escape: 1 bar
Pressão no cilindro: 1 bar
Temperatura de admissão: 383 K Temperatura no cilindro: 900 K Temperatura de escape: 1130 K
Tabela 21 - Características da simulação do motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape
Ignição: 1 vela de ignição (15° APMS)
Abertura de escape (válvula): 120° DPMS Fecho do escape (válvula): 120° APMS
Combustível: Iso-Octano (C
8H18)
Tipo de mistura: Estequiométrica (AFR=14.6) Taxa de compressão/expansão geométrica: 26.9:1
Taxa de compressão/expansão retida: 7:1 Taxa de compressão geométrica (válvula): 11:1 Taxa de expansão geométrica (válvula): 11:1
Caract er íst icas da válv ula
Distância centro da válvula ao topo do
pistão (no PMS): 44 mm
Diâmetro médio da válvula: 72 mm Ângulo da haste 1 (expansão): 40° Ângulo da haste 2 (compressão): 77.5° Abertura menor entre hastes: 82.5°
Tabela 22 - Condições iniciais da simulação do motor com válvula limitando a abertura e fecho do escape
Número de ciclos simulados: 2 Pressão de admissão: 1.2 bar
Pressão no escape: 1 bar
Pressão no cilindro: 1 bar
Temperatura de admissão: 383 K Temperatura no cilindro: 900 K Temperatura de escape: 1130 K
Anexo 2 – Tutorial Converge
Tutorial Converge motor a 2 tempos com válvula rotativa no escape (com e sem a ferramenta “seals”).
- Modelação da geometria
A modelação pode ser feita em diversos softwares CAD que permitam a conversão para ficheiros STL.
A modelação tem de ser realizada em superfícies de modo a ser possível importá-la para o Converge.
A única parte em que não se modela é o cilindro, tal como representado na Figura 62, já que esta vai ser posteriormente acrescentada.
Figura 62 - Modelação com superfícies em SolidWorks
Ter em atenção às arestas abertas, sem contar com as de ligação ao cilindro, dado que irá trazer erros, sendo necessário corrigir a geometria posteriormente. Assim, quanto menos irregularidades possuir a modelação, menos alterações serão necessárias efetuar à geometria no Converge, facilitando o processo, já que a modelação no Converge é menos “user friendly” do que num software CAD.
Se se utilizar o software Solidworks, os comandos mais utilizados são: -Extruded surface: Cria uma superfície extrudida;
-Revolved surface: Cria uma superfície de revolução; -Planar surface: Cria uma superfície plana;
-Lofted surface: Cria uma superfície que une dois ou mais perfis
-Trim surface: Corta o excedente de uma superfície aquando intersecção com outra; -Knit surface: Permite unir duas superfícies adjacentes cujas arestas sejam coincidentes.
Neste software CAD, a modelação não pode apresentar arestas de cor azul, a não ser nas zonas de ligação ao cilindro (janelas, cabeça e pistão).
Após ocultar a superfície do escape, é possível observar a válvula rotativa (ver Figura 63).
Figura 63 - Detalhe da válvula
Assim, na modelação é necessário ter a superfície do pistão, a cabeça, a vela (elétrodo central e lateral), escape, válvula rotativa, admissão/transferência, superfície de saída dos gases no escape e superfície de entrada dos gases na admissão/transferência.
Não pode haver interseções de superfícies, já que o Converge as deteta como erros, tendo estas de ser reparadas.
A distância a que as janelas são modeladas convém ser ligeiramente superior ao raio do cilindro. Após a modelação feita é necessário gravar no formato STL.
- Primeiros passos no Converge
Ao abrir um novo projeto no Converge, obtém-se uma janela com um aspeto semelhante ao da Figura 64.
Figura 64 - Página inicial do Converge
Antes de fazer a importação, é recomendado a alteração do diretório do estudo, para tal clica-se no botão “…” presente no canto inferior direito e escolhe-se/cria-se uma pasta para o qual irá estar toda a informação relativa ao projeto. De seguida guarda-se o projeto, podendo este estar numa localização diferente da anterior, mas tal não se recomenda.
A partir daqui é possível importar a superfície que foi modelada, clicando em “File”, “Import”, “Import STL”, escolhendo o ficheiro pretendido.
Após o carregamento da geometria, obtém-se o que está na Figura 65, podendo-se observar a malha utilizada nas várias superfícies.
Figura 65 - Carregamento da geometria em Converge
Se a opção “Color code edges that are not shared by exactly 2 triangles” (realçada na Figura 65) estiver ativada, é possível verificar que as arestas de ligação ao cilindro estão demarcadas com cor amarela. Se houver mais arestas que que tal ocorre, é necessário corrigir, alterando a modelação de modo a fechar essas arestas.
Se, durante a modelação foi utilizado o milímetro como unidade, é necessário realizar um acordo de unidades, através da utilização da opção “scale”, de modo a converter para o metro, que é a unidade que o software utiliza. Para isso clica-se em “Transform” e escolhe- se o separador “Scale”. Aqui coloca-se o valor de 0.001 em “Scale Factor” de modo a converter mm em m e clica-se em “Apply”. Nota: se a modelação desaparecer, clique em uma das vistas para a modelação reaparecer.
Após a conversão de unidades, é necessário orientar o eixo do cilindro paralelamente ao eixo de coordenadas z, em que a cabeça apresente cordenada z superior ao pistão. Ainda em “Transform”, escolhe-se o separador “Rotate”, coloca-se o valor de 90 (neste caso) em “Rotation Angle”, seleciona-se “about X-axis” (neste caso) em “Rotation Axis” e em “Apply”.
De seguida é necessário mover a origem do referencial para o eixo do cilindro, pertencendo ao plano perpendicular ao eixo do cilindro, de interseção com a cabeça. Para isso é necessário conhecer as coordenadas atuais do ponto para o qual se pretende mover a origem do referencial, clicando em “Measure”, no separador “Location”, seleciona-se “Center of a three-vertex arc” em “Location Options”. Com a opção “Vertex” selecionada, escolhem-se três pontos pertencentes à aresta da cabeça, tal como apresentado na Figura 68. Ao clicar em “Apply”, obtém-se as coordenadas desse ponto que podem ser visíveis no separador “Coordinate Cache” à direita
Figura 68 - Determinar centro da circunferência
Com isto, clica-se em “Transform” e, no separador “Translate” seleciona-se o separador “Delta Method”. Clicando no botão em “Delta vector” permite escolher as coordenadas do ponto anterior.
Figura 69 - Deslocamento espacial do modelo
De seguida é necessário inverter o sinal das três coordenadas desse ponto e clicar em “Apply”. Agora pode-se apagar as coordenadas do ponto guardado anteriormente na “Coordinate Cache”, de modo a não haver confusões posteriormente.
- Case setup (parte 1)
Como o software tem modelos pré definidos, podemos utilizar um desses modelos como base para a configuração. Assim, clicando em “Begin Case Setup” em “Case Setup” abre uma janela, na qual escolhe-se “Premixed Combustion (SAGE)” em “Templates” e clica-se em “Load this template”.
Figura 70 - Carregar um template
Após completar este passo, o separador “Case Setup” fica preenchido como apresentado na Figura 71.
Figura 71 - Estado atual do case setup
Como se pode observar, apareceu um volume cilindrico demarcado a azul, juntamente com dois pequenos volumes esféricos. Estes volumes são zonas de refinamento da malha, que vão ser editados mais tarde, pelo que por agora podemos ocultar clicando em “Fixed Embedding”, abrindo uma janela. Nessa janela clicamos em “Hide all” e esses volumes desaparecem da tela.
Clicando em “Engine aplication” abre uma janela em que se pode preencher com os dados do motor em estudo, tal como diâmetro do cilindro, curso do pistão, comprimento da biela, velocidade de rotação para efetuar a simulação e posição da cabeça (coordenada z). Nesta última é necessário saber a coordenada, pelo que se clica em “Measure”, no separador “Location” e, de seguida, seleciona-se “Center of triangle(s)”. Com a opção “Triangle” selecionada, escolhe-se um triângulo pertencente à malha da cabeça, de preferência o mais afastado do pistão (neste caso selecionou-se um triângulo entre os elétrodos da vela). Com as coordenadas do ponto, é possível copiar a coordenada z e colá-la em “Head position” na janela “Engine Aplication”. É possível também alterar o nome do ponto para futura referência.
Figura 72 - Determinação da coordenada z da vela de ignição
Em “Run parameters” é possível selecionar o tipo de simulação que se deseja efetuar (em “simulation mode”), “Full Hidrodynamic Solver” ou “No Hidrodynamic Solver”, se se pretende uma simulação completa ou só geométrica (movimento da geometria), respetivamente.
Em “Simulation time parameters” escolhe-se o início e o fim da simulação em ângulo de cambota, em “Start time” e “End time” respetivamente.
Figura 74 - Definir o intervado a simular
- Boundary (parte 1)
Para completar esta fase da configuração começa-se pela atribuição das fronteiras.
Assim, é necessário delimitar a geometria por zonas de modo a atribui-las por fronteiras. Para isso, clica-se em “Boundary” e, no separador “Find/Clean” clica-se em “Find”, colocando uma delimitação na geometria (a branco) onde existe uma alteração de inclinação acentuada.
No separador “Flag” é possível observar as fronteiras pré-definidas no modelo. Sendo este, um motor a 2 tempos com aberturas no cilindro (janelas), algumas fronteiras não se aplicam neste caso, sendo necessário apaga-las. Assim, as fronteiras “Exhaust valve top”, “Exhaust valve angle”, “Exhaust valve bottom”, “Intake valve top”, “Intake valve angle” e “Intake valve bottom” necessitam de ser eliminadas, através da sua seleção e posteriormente clicando em “Delete a selected boundary”.
Figura 75 - Eliminar fronteiras desnecessárias
Pelo contrário, existe uma fronteira que não está listada, pelo que é necessário adicioná-la. Clicando em “Create a new boundary” podemos escolher um nome para a nova fronteira em “Boundary name”.
Figura 76 - Nome da fronteira
Agora é possível começar a atribuir superfícies às fronteiras. Para tal ativa-se a opção “Triangle”, juntamente com a opção “By Boundary Fence”, seleciona-se a cabeça na geometria e “head” na lista das fronteiras e, por fim, em “Apply”. Para o resto das fronteiras o procedimento é idêntico.
Figura 77 - Atribuição de uma área à fronteira pretendida
Após todas as fronteiras definidas fica-se com a geometria dividida em zonas de cores diferentes como apresentado na Figura 78. À direita, no separador “View Options”, é possível ocultar fronteiras de modo a alcançar superfícies internas/escondidas em “Boundary Visibility” através do clique nas caixas de verificação.
Figura 78 - Ocultar fronteiras externas
Como se trata de um modelo, a maior parte das opções já estão devidamente preenchidas, sendo somente necessário a alteração de alguns parâmetros.
Como nesta parte, é necessário introduzir as coordenadas do centro de rotação da válvula, é necessário determiná-lo primeiro, para tal clica-se em “Measure” e, no separador “Location” escolhe-se “Center of a three-vertex arc”. Após isto escolhem-se três pontos pertencentes a aresta do centro circular da válvula e clica-se em “Apply”. Colocar um nome que se identifique facilmente mais adiante.
Figura 79 - Determinar o centro de rotação da válvula
Voltando à janela “Boundary”, clica-se em “Rotary valve” para mudar as configurações da fronteira. Em “Boundary type” escolhe-se “Wall”, em “Wall motion type” escolhe-se “Rotating”, em “Surface movemente” escolhe-se “Moving”. Em “Rotate center” escolhe-se as coordenadas obtidas anteriormente, Neste caso coloca-se 1 0 0 em “Rotate about”. Por fim, em “Region Name”, seleciona-se “Exhaust system” para a fronteira “Rotary valve”.
Figura 80 - Definir condições de rotação da válvula
- Cilindro (camisa do cilindro e saia do pistão)
De seguida é possível modelar o cilindro e os restantes elementos necessários.
Para tal, é necessário determinar as coordenadas dos pontos centrais dos círculos que pertencem tanto ao pistão como à cabeça. Clica-se em “Measure” e, no separador “Location” escolhe-se a opção “Center of a three-vertex arc”. Para a seleção escolhe-se a opção “Vertex”, juntamente com a opção “By Open Edge” e clica-se em “Apply”. Repete-se o procedimento para o pistão.
Figura 81 - Determinar a posição superior e inferior do cilindro
Agora é possível criar um cilindro temporário. Em “Create”, no separador “Shape”, escolhe-se “Cylinder”. Em “Center 1” coloca-se as coordenadas do ponto central da cabeça, no “Center 2” coloca-se as coordenadas do ponto central do pistão, mas reduzindo a coordenada z para -0.08 (tem de estar abaixo do pistão, sendo um valor que tem de ser memorizado para futura utilização). Em ambos os centros escolhe-se a opção para introdução de diâmetro “Diameter” e coloca-se o valor correspondente ao do motor em estudo. Em “Vectices per cycle” colocamos o valor de 400, criando um cilindro com 400 divisões após clique em “Apply”.
Ocultando toda a geometria menos a que ainda não foi atribuída a nenhuma fronteira “Not Assigned” pode-se observar o cilindro fechado que foi criado. A este é necessário remover a parte superior, para tal clica-se em “Boundary” e, no separador “Find/Clean”, clica-se em “Find”. Após
isso, clica-se em “Repair” e, no separador “Delete”, com a opção “Vertex” e “By Boundary Fence” ativados escolhe-se a parte superior do cilindro e clica-se em “Apply” para a apagar.
Figura 83 - Modificar cilindro criado previamente
Agora procede-se à modelação da saia do pistão. Procede-se novamente a “Create”, “Shape”, “Cylinder” mas, em “Cylinder 1” coloca-se as coordenadas do centro do pistão e em “Cylinder 2” coloca-se um ponto ligeiramente abaixo do ponto utilizado no cilindro, pelo que a cordenada z fica com -0.081 (0.001 mais abaixo do que o ponto utilizado ao modelar o cilindro). Os diâmetros também vão ser modificados, colocando o valor do diâmetro do cilindro menos 0.000002 m, ficando com uma folga de 1 milésima de milímetro entre a saia e o cilindro. É importante também manter o número de divisões (“Vectices per cycle”) igual ao cilindro.
Figura 84 - Criar cilindro para representar saia do pistão
Nota: Se não se pretender a utilização de “Seals” é necessário eliminar não só a parte superior
como também a parte inferior do cilindro (camisa) criado. Quanto à saia do pistão, ao gerar a geometria cilíndrica, a coordenada z em “Cylinder 2” é a mesma utilizada na geração da camisa do cilindro, neste caso -0.08. É necessário ter em atenção à folga entre camisa e saia porque,