Válvula rotativa inovadora para motores a 2 tempos possibilitando sobre-expansão

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica

A presença de janelas cortadas no cilindro nos motores a 2 tempos traz a simetria de abertura e fecho de estas em relação ao PMS já que é o próprio pistão que desempenha a função de as cobrir ou descobrir ao longo do seu curso. A utilização de uma válvula de escape permite alterar o momento de abertura e fecho da janela, aumentando a eficiência e a performance destes motores. Atualmente os sistemas existentes não permitem o controlo individual da abertura e do fecho pelo que se revelou interessante o estudo de um sistema que o conseguisse realizar. Como tal o trabalho apresentado demonstra o desenvolvimento baseado na análise cinemática e termodinâmica de uma nova válvula rotativa de escape, permitindo o controlo individual da abertura e fecho da janela de escape. As válvulas de escape atualmente existentes somente realizam um movimento rotativo oscilatório, não permitindo um movimento rotativo completo que traria suavidade de funcionamento e um maior grau de controlo. Durante a análise a esta nova válvula foi criado um modelo simples que determina os ângulos da válvula mais adequados e consequentemente a sua geometria. Este modelo combina a cinemática do pistão e da válvula para determinar a geometria da válvula para que esta desempenhe a abertura e o fecho desejado. Este modelo considera ainda as dimensões particulares do motor pelo que permite a obtenção de resultados para diversos tamanhos de motores, sendo possível observar os limites da válvula para cada situação analisada. Com este modelo simples criou-se um modelo 3D do motor que se implementou no software Converge CFD. Neste foi possível simular o efeito da válvula rotativa no escoamento durante o funcionamento do motor. As simulações apresentadas foram efetuadas com uma só geometria de motor mas com diferentes geometrias de válvulas e taxas de compressão. Foi possível cumprir o objetivo de se obter o efeito de sobre-expansão usando este tipo de válvula.

In 2-Stroke engines the presence of cylinder ports in which the piston has the function to cover or uncover them brings timing symmetry in relation to TDC. Using an exhaust valve allows symmetry elimination increasing efficiency and performance in these type of engines. Existing systems doesn’t allow the individual control of both opening and closure of the exhaust increasing the interest in developing such system. In this regard the shown work reveals the development of a new rotary valve based on kinematic and thermodynamic analysis allowing the individual control of both opening and closure of the exhaust port. Existing rotary valves only perform an oscillating rotary motion that doesn’t allow a fully rotary motion that would bring operating smoothness and a higher degree of control. During the analysis a simple model was created to determine the adequate valve angles. This model combines the kinematic of the piston and valve to determine valve geometry in order to perform the desired opening and closure. This model even considers the engine dimensions adapting the results for different engines allowing the observation of valve limits for each analysed situation. A 3D model of the engine was created using the referred model to perform a CFD analysis using Converge CFD. With this analysis it was possible to simulate the effect of the rotary valve in the flow during engine operation. Shown simulations were done with just one engine geometry but with different valve geometries and compression ratios. With this valve was even possible to create the over-expansion effect.