Estive lendo, vendo, espiando e sempre me impressionando, com a segunda edição do livro do Professor John B. Heywood: The Internal Combustion Engines Fundamentals - Editora McGraw Hill e, aproveito para compartilhar um pequeno trecho de suas 1285 páginas.
O que vamos escrever aqui, são notas próprias, trechos do artigo do Eng. Rafael Garbelini Lorena (Pós-Graduado em Engenharia Automotiva na UTFPR) e traduções do livro do Professor John B. Heywood. Um verdadeiro "bem bolado" !
Relembrando então: Rendimento Volumétrico trata da capacidade dos motores admitirem ar, com uma certa eficiência. Analogia a ser feita: Podemos dizer que é como eles "respiram".
- A capacidade do motor respirar, chama-se rendimento volumétrico.
- Este rendimento, é muito dependente da carga e rotação do motor.
- Seu valor é máximo na rotação de máximo torque e, em plena carga.
- A plena carga nos motores a ignição por centelha, acontece com a borboleta 100% aberta. Em inglês, chamamos de WOT (Wide Open Throttle).
- A plena carga nos motores Diesel, que não possuem borboleta na admissão (minto.....mais e mais teremos motores Diesel com corpo de borboletas) acontece quando se pressiona o pedal do acelerador em 100% e, o turbo atinge a pressão desejada para aquele ponto de funcionamento.
- O formato da curva de rendimento volumétrico, é praticamente o formato da curva de torque máximo. Por exemplo, em um motor aspirado, se eu conheço o formato da curva de torque, também conhecerei o formato da curva de rendimento volumétrico.
Nesta foto que tirei no Brasileiro de Endurance, vemos o sistema de ar de uma Ferrari 458 Itália. Motores puro-sangue italianos, ultrapassam fácil os 100% de rendimento volumétrico.
Vejamos o exemplo do comparativo entre os Dodge-V8 que fizemos tempos atrás, no POST 02 ( https://www.professorlodetti.com.br/post/pressao-media-efetiva) .
Cada motor apresenta o seu valor máximo de torque e sua faixa de rotação. Nota-se então que cada motor neste comparativo, tem características bem singulares.
Figura acima mostra 4 curvas de torque totalmente diferentes para 4 motores Dodge V8. Os 440ci são 7.2 litros, o 318ci é só 5,2 litros.
Bora saborear um pouco o texto do Professor John Heywood:
1 - O que se entende por potência:
A potência do motor é função de seus rendimentos:
- Termodinâmico
- Mecânico
- Volumétrico
Também é influenciada pelas::
- Perdas por atrito
- Poder calorífico do combustível (PCI)
- Volume do cilindro e do número de cilindros
Para extrair o melhor desempenho de um motor de combustão interna, deve-se aumentar os rendimentos e diminuir as perdas.
Na figura acima (perdão por estar em francês), temos os diferentes processos de transformação da energia química do combustível até o trabalho entregue no volante do motor. Não se esqueça que o rendimento, é uma divisão entre um processo e outro. É a eficácia do processo, a partir da relação entre dois termos.
2 - Rendimento Volumétrico.
O sistema de admissão, que vai desde o filtro de ar, borboleta, coletor de admissão, sistema de injeção de combustível e válvula de admissão, restringem a passagem de ar ou mistura que é aspirado para o interior do cilindro. Chamamos estas restrições, aqui na engenharia, com o termo "perda de carga". Este termo, também pode ser interpretado como o atrito do escoamento no sistema.
O parâmetro que se usa para determinar com que eficiência se admite o ar ou mistura num motor, chama-se rendimento volumétrico v η. O rendimento volumétrico só é utilizado para motores quatro tempos, independentemente do tipo de processo de admissão. Este rendimento é a relação entre a massa de ar admitida no cilindro e o volume deslocado do pistão.
Por exemplo: Se meu cilindro tem 2 litros de deslocamento volumétrico e, se este motor consegue admitir 2 litros de ar por ciclo, temos que seu rendimento volumétrico é de 100%. Mas, poucos são àqueles que tem índices assim tão bons.
Vamos ver o que diz a equação:
Sendo ρ , a massa específica do ar admitido, Vd o volume do pistão, ma a vazão mássica de ar que entra no cilindro e N a rotação do motor. Uma equação alternativa para a determinação do rendimento volumétrico que é dada da seguinte forma:
Onde ma é a massa de ar introduzido no cilindro.
Valores típicos máximos de rendimento volumétrico para motores naturalmente aspirados estão na faixa entre 80% e 90%.
O rendimento volumétrico de motores diesel, sem corpo de borboleta, é um pouco maior que de motores de ignição por centelha. Mas atenção, não interpretar que as rotações, as quais tais rendimentos máximos acontecem, sejam as mesmas. Cada motor tem a sua "caligrafia", digamos assim.
A eficiência volumétrica por ser influenciada também pelas seguintes grandezas:
•Tipo de combustível, relação combustível/ar, fração de combustível vaporizado no sistema de admissão e calor de vaporização do combustível.
• Influência na temperatura de mistura pela transferência de calor.
• Relação de pressão de exaustão no coletor de admissão.
• Relação de compressão.
• Rotação do virabrequim.
• Geometria do cabeçote em termos rugosidade e perfil dos dutos (tumble ou swril).
• Design do coletor de admissão e exaustão.
• Geometria das válvulas de admissão e exaustão.
Figuras comparativas de um cabeçote de motor Dodge 318cid (5.2 litros) V8. A notar a quantidade de material removido e a melhora na qualidade da superfície. Motores americanos dos anos 60/70 possuíam cabeçotes com pouca permeabilidade.
3. Aumento do rendimento volumétrico
O aumento do rendimento volumétrico é um recurso muito utilizado para otimizar a potência extraída do motor. Algumas maneiras de aumentar este rendimento, ou seja, melhorar a “respiração” do motor estão listadas abaixo:
• Aumento do diâmetro interno do coletor de admissão.
• Polimento dos canais internos do coletor, diminuindo assim a perda de carga distribuída.
• Aumento do diâmetro das válvulas de admissão.
• Aumento do curso de abertura das válvulas.
• Aumento do número de válvulas.
• Polimento das válvulas.
• Mudanças na cabeça do pistão, melhorando a mistura ar/combustível e promovendo uma queima mais homogênea.
• Alteração dos ângulos de permanência das válvulas.
Outra maneira de se aumentar o rendimento volumétrico é a sobre-alimentação do sistema utilizando normalmente turbo-compressor ou compressor movimentado mecanicamente, também conhecido como blower.