Simulação Computacional do Mecanismo de Acionamento das Válvulas de Motores de Combustão Interna
J. A. F. Borges (1) e A. F. da Silva (1)
(1) Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Uberlândia, Av. Universitária s/nº, Campus Santa Mônica, Bloco 1M, Uberlândia MG, cep: 38.400-902.
Palavras-chave: Motores de Combustão Interna, Válvulas de Motores, Simulação Computacional, Dinâmica de Multi-Corpos.
Resumo
Os fenômenos da flutuação e batidas de válvulas em motores de combustão interna levam ao funcionamento ruidoso, baixo rendimento e até mesmo a sérios prejuízos para a vida útil de alguns componentes. Estes problemas podem ocorrer ao longo da vida útil do motor em função da redução da rigidez das molas de válvula, desgaste do conjunto came - seguidor e seus acessórios ou deficiência de regulagem da folga das válvulas. Problemas relativos à deficiência de regulagem da folga das válvulas podem eventualmente ocorrer em uma linha de montagem de motores novos, em função da combinação das tolerâncias de fabricação dos diversos componentes do sistema. Este fato muitas vezes só é detectado ao final da montagem e pode levar o conjunto propulsor a ser reprovado durante a inspeção, Blair (1999), Giacosa (1970).
O objetivo deste trabalho é obter modelos matemáticos computacionais capazes de simular de forma realística o funcionamento do mecanismo de acionamento das válvulas de motores de combustão interna em três configurações diferentes. Estes modelos possuem recursos suficientes para permitir a análise da influência de parâmetros como massa de componentes, rigidez das molas, tolerâncias de fabricação e velocidade de rotação na flutuação e batidas de válvulas.
A modelagem, simulação e análise de resultados foram feitas através do software comercial ADAMS, que opera baseado na técnica de multi-corpos. Este programa possui uma interface gráfica amigável para com o usuário onde podem ser executadas diversas tarefas, conforme especificado a seguir:
- Definição da geometria das partes componentes do sistema.
- Estabelecimento de juntas baseadas em restrições de movimento entre as partes.
- Imposição de movimentos ou forças externas.
- Atribuição de propriedades (massa, inércia, rigidez, amortecimento, etc).
- Estabelecimento de superfícies de contato.
A interface também apresenta uma série de recursos gráficos que facilitam a construção dos modelos como uma malha de referência para posicionamento de partes e marcadores (grid) e uma biblioteca de primitivas gráficas parametrizadas (linhas retas, curvas, geometrias planas, sólidos de revolução, etc).
O mecanismo real escolhido como objeto de estudo deste trabalho é aquele usado no acionamento das válvulas do motor do veículo FIAT Palio 1.5. Este mecanismo pode ser visto na figura 1, onde se tem lado a lado as peças reais e modelo de simulação equivalente.
Os valores apurados para as massas dos componentes do mecanismo, com exceção da opção com seguidor de rolete, foram obtidos por meio de uma balança digital. A massa do rolete foi estimada em função das prováveis dimensões que este assumiria em caso de adoção deste mecanismo e com isso o momento de inércia de massa foi estimado.
A rigidez das molas foi calculada em função das curvas de força X deformação, medidas experimentalmente. Uma vez que estas molas são montadas em paralelo no mecanismo, o valor da rigidez total equivalente será a soma das rigidezes de cada mola.
Os resultados de simulação se mostraram compatíveis com o esperado para este mecanismo, sendo eles obtidos dentro da faixa de rotações típica para operação deste motor, ou seja, entre 900 rpm e 5000 rpm.
Por tudo que foi apresentado neste trabalho, pode-se concluir que a metodologia empregada mostrou-se adequada aos objetivos propostos e permitiu a obtenção de modelos matemáticos - computacionais que representam de forma realística o comportamento dinâmico de duas configurações diferentes de mecanismos usados para fazer o acionamento das válvulas de motores de combustão interna. Estes modelos possuem recursos adequados ao estudo da flutuação e das batidas de válvulas, que são os principais problemas associados ao funcionamento deste tipo de mecanismo e cujo estudo é de fundamental importância na definição do projeto do motor.
Agradecimentos: a FAPEMIG e à Faculdade de Engenharia Mecânica (FEMEC/UFU) pelo apoio financeiro e recursos necessários ao desenvolvimento deste trabalho.
Referências:
GIACOSA, D.; Motores Endotérmicos; HOEPLI- Editorial Científico Médica; 3ª ed.; Barcelona; 1970; 758p.
BLAIR, G.P,; Design and Simulation of Four-Stroke Engines; ISBN 0-7680-0440-3; Society of Automotive Engineers, Inc.; SAE Order N° R-186; USA; 1999; 775p.