UNIVERSIDADE DA BEIRA INTERIOR Faculdade de Engenharia Desenvolvimento de um Motor Alternativo de Combustão Interna de Pistões Opostos Jorge Manuel Pereira Gregório Tese para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Aeronáutica (3º ciclo de estudos) Orientador: Professor Doutor Francisco Miguel Ribeiro Proença Brójo Covilhã, março de 2017 Desenvolvimento de um motor alternativo de combustão interna de pistões opostos Folha em branco ii Desenvolvimento de um motor alternativo de combustão interna de pistões opostos Dedicatória À Isabel, Ana Rita e Beatriz. Aos meus alunos de ontem e de hoje. Aos meus mestres de sempre Aos meus amigos iii Desenvolvimento de um motor alternativo de combustão interna de pistões opostos Folha em branco iv Desenvolvimento de um motor alternativo de combustão interna de pistões opostos “caminante, son tus huellas el camino y nada más; Caminante, no hay camino, se hace camino al andar. Al andar se hace el camino, y al volver la vista atrás se ve la senda que nunca se ha de volver a pisar. Caminante no hay camino sino estelas en la mar.” Proverbios y cantares XXIX in Campos de Castilla (1912) de António Machado “Valeu a pena? Tudo vale a pena Se a alma não é pequena.” Mar Português in Mensagem (1934) de Fernando Pessoa v Desenvolvimento de um motor alternativo de combustão interna de pistões opostos Folha em branco vi Desenvolvimento de um motor alternativo de combustão interna de pistões opostos Agradecimentos A vastidão do tema dos motores alternativos de combustão interna por si só é intimidante. Neste projeto dependi muito mais de outras pessoas que em trabalhos anteriores, família, colegas de trabalho, alunos, velhos e novos amigos, simples conhecidos e até desconhecidos, prestaram um contributo inestimável para a conclusão do desenvolvimento de um motor de pistões opostos, através da combinação feliz da partilha de conhecimentos com críticas construtivas, preciosas sugestões e o imprescindível incentivo sobretudo nas horas de maior esmorecimento. A todos quero agradecer o contributo individual para que este trabalho fosse possível. Todavia merecem especial destaque: O meu orientador Professor Doutor Francisco Brójo pela sua dedicação, apoio incondicional, tempo passado em torno deste trabalho, e ainda pela calma que transmitia mesmo nos dias mais difíceis, quando tudo parecia perdido ao indicar uma alternativa melhor, o caminho certo; O meu colega de curso Robert Gonçalves por me ter prestado um precioso auxílio na modelação e simulação numérica do motor. Sem o seu inestimável contributo, possivelmente este projeto ter-se-ia arrastado durante muito mais tempo; O Professor Doutor Miguel Ângelo pelas acaloradas e profícuas discussões e os Professores Doutores Fernando Santos e Paulo Fael da UBI pelo incessante encorajamento; A Presidência do IPG em especial o Professor Doutor Constantino Rei, e a Direção da ESTG nomeadamente a Professora Doutora Clara Silveira por terem permitido que eu tenha realizado a parte prática deste projeto na ESTG do IPG; Os meus colegas do IPG Carlos Batista, Joaquim Abreu, José Alberto e José Escada velhos companheiros do Projeto Egiecocar, pelo precioso contributo na fase de construção do motor e realização dos ensaios dinamométricos, sem esquecer o Noémio Dória pelas imprescindíveis dicas informáticas sobre o word. Os meus colegas da ESTG pelo importante apoio e disponibilidade em particular o Arlindo Ferreira e a Maria Del Carmen. Os meus amigos, em especial o Pedro Cardão pelo incentivo para iniciar este projeto e a Céu Monteiro pelos acertados conselhos em momentos decisivos. Os meus alunos pela forma como sempre me incentivaram a fazer mais e melhor. Por último, como é da praxe, toda a minha família, muito em especial a Isabel, a Ana Rita e a Beatriz, pelo apoio ilimitado e imprescindível ânimo, mas sobretudo pelo tempo que não pudemos partilhar juntos. vii Desenvolvimento de um motor alternativo de combustão interna de pistões opostos Folha em branco viii Desenvolvimento de um motor alternativo de combustão interna de pistões opostos Prefácio Os motores alternativos de combustão interna de pistões opostos (Opposed Piston Engine (OPE)) de 4 tempos a gasolina tiveram a sua época áurea no início do seculo XX, com o motor do automóvel Gobron-Brillié, o primeiro automóvel a bater o recorde das 100 milhas por hora, altura em que foram suplantados pelos evoluídos motores Diesel de pistões opostos de 2 tempos usados inclusive na aviação até ao final da segunda guerra mundial. Após esse período de grande sucesso dos motores de pistões opostos verificou-se um hiato no seu desenvolvimento e na sua utilização. Recentemente já neste século o interesse nestes motores reacendeu-se, e alguns novos projetos têm vindo a ser desenvolvidos, tais como o motor OPOC, um motor Diesel de 2 tempos inicialmente desenvolvido pela Advanced Propulsion Technologies e comercializado atualmente pela Ecomotors e o motor OPE de 4 tempos a gasolina com válvulas de mangas patenteado, desenvolvido e comercializado pela Pinacle Engines. Curiosamente a tecnologia do motor da Pinacle teve o seu apogeu na segunda guerra mundial. ix Desenvolvimento de um motor alternativo de combustão interna de pistões opostos Folha em branco x Desenvolvimento de um motor alternativo de combustão interna de pistões opostos Resumo Os motores de pistões opostos (Opposed-piston engines (OPE)) caracterizam-se por terem um par de pistões a operar face a face em sentidos opostos num único cilindro, eliminando dessa forma a necessidade das cabeças dos cilindros. O propósito deste projeto consistiu em desenvolver um motor OP de baixo custo de 4 tempos a gasolina a partir da união de dois motores alternativos de combustão interna monocilíndricos com válvulas laterais no bloco da marca Robin America, Inc. Modelo EY15, aos quais se removeu a cabeça do motor. A união dos dois blocos de motor permitiu a construção de um novo motor de pistões opostos (OPE) de duas cambotas tal como se pretendia. Neste motor a câmara de combustão fica confinada ao espaço no interior do cilindro entre as cabeças dos pistões e a câmara existente entre as válvulas. Os pistões deslocam-se segundo o eixo do cilindro em sentidos opostos, característica evidenciada pelos motores de pistões opostos. Após a construção do motor mediram-se num banco de ensaios dinamométrico de correntes de Eddy os parâmetros característicos do OPE tais como: a velocidade de rotação, binário, consumo de combustível e emissões. Com os dados recolhidos foi possível calcular a potência, consumo específico e rendimento global o que permitiu concluir que o motor com a configuração de pistões opostos é mais económico e mais potente, embora apresente tal como o motor original problemas com as emissões. A par da montagem do motor de pistões opostos estudou-se o comportamento do escoamento no interior do cilindro e condutas de admissão e de escape. Para esse efeito criou-se um modelo numérico do motor recorrendo ao programa informático CAD CATIA V5, com a correspondente decomposição no ANSYS DESIGN MODELER. A simulação numérica do motor fez-se em cold flow, no programa informático ANSYS R15 – FLUENT, o que permitiu fazer a análise numérica do escoamento de fluidos no interior do motor e estudar a evolução dos parâmetros mais importantes de funcionamento em função da velocidade de rotação, com particular destaque o enchimento dos cilindros e o estudo da turbulência com particular incidência na variação da energia cinética turbulenta, do swirl, do tumble e do squish. A simulação numérica também permitiu a análise do enchimento dos cilindros através do cálculo da eficiência volumétrica. Os resultados da análise do enchimento dos cilindros foram comparados com os valores do binário obtido durante a realização dos ensaios experimentais, para as mesmas velocidades de rotação. O desenvolvimento do motor de pistões opostos deste projeto permitiu constatar que é viável a construção de um motor a partir de outro já existente reduzindo desta maneira o seu custo de fabrico e desenvolvimento. Além disso, consegue-se uma maior potência, um menor consumo específico e menos vibrações. xi Desenvolvimento de um motor alternativo de combustão interna de pistões opostos Palavras-chave Motor de combustão interna (ICE), motor de pistões opostos (OPE), motor de 4 tempos, (4S) e ignição por faísca (SI). xii Desenvolvimento de um motor alternativo de combustão interna de pistões opostos Abstract Opposed-piston engines (OPE) are characterized by a pair of pistons operating side by side in opposite directions in a single cylinder, thus eliminating the need for the cylinder heads. The purpose of this project was to develop a low-cost OP engine, 4-stroke gasoline by joining two single-cylinder reciprocating internal combustion engines with side valves on the block of the brand Robin America, Inc., Model EY15, without their cylinder heads. Joining these two engine blocks together made possible to build an opposed-piston engine (OPE) with two crankshafts as planned. In this new engine, the combustion chamber is confined to the space inside the cylinder between the piston heads and the chamber between the valves. The pistons move in the cylinder axis in opposite directions, a feature typical of opposed-piston engines. After building the engine, parameters characteristic of the OPE were measured on an Eddy currents dynamometer, such as: rotational speed, torque, fuel consumption and emissions. With the collected data, power, specific consumption and overall efficiency were calculated, allowing to conclude that the