ANALISE DE DISPOSITIVOS ATENUADORES DE RUÍDOS EM SISTEMAS DE EXAUSTÃO AUTOMOTIVOSAlexandre Batista Gomes,
[email protected] Giovani Alves Bueno,
[email protected] Universidade Federal de Itajubá, Avenida BPS 1303, 37500-903, Itajubá, Brasil Abstract. The purpose of this paper is to present an overview regarding the automotive exhaust systems, focusing in the noise suppression devices. The studies related to the optimization of exhaust systems are based in acoustics and fluid-dynamics phenomenon’s, the observation of these variables allowed the identification of sound waves and its propagations parameters, inside the exhaust pipes, crucial information to determine the best geometry to each of the exhaust system components. The research and study process permitted the determination of the best exhaust features and devices for each of studied cases. Keywords: Exhaust systems, Noise suppression, Acoustics, Exhaust design. Resumo. O objetivo deste artigo é apresentar uma visão global a respeito dos sistemas de exaustão automotivos, focando nos dispositivos atenuadores de ruído. Os estudos relacionados com a otimização dos sistemas de exaustão são baseados em fenômenos acústicos e fluidodinâmicos, a observação destes fenômenos permitiram a identificação de ondas sonoras e seus parâmetros de propagação, dentro dos tubos de escape, informação crucial para se determinar a melhor geometria para cada componente do sistema de exaustão. O processo de pesquisa e estudo permitiu a determinação das melhores configurações e equipamentos para cada caso estudado. Palavras Chave: Sistemas de exaustão, Supressão de ruído, Acústica, Design de escapamentos. 1. INTRODUÇÃO Sistemas de escapamentos vêm sido desenvolvidos para funcionarem como atenuadores de ruídos, e alguns de seus componentes têm como objetivo diminuir a quantidade de gases nocivos ao ambiente. Logo viu se necessário à otimização de componentes, como coletores de escape, tubo de escapamento, abafadores, geometria do silencioso, câmara ressonadora. O presente estudo visa demostrar, e apresentar opções de forma a aperfeiçoar o desempenho de componentes supressores de ruído. Será apresentado à influência da geometria do silencioso sobre a amplitude sonora, métodos de otimização para construção de componentes do silencioso, ensaios de motores de combustão interna conectados com sistema de exaustão completo. Um componente fundamental para atenuação de ruído é o ressonador, que basicamente é um filtro acústico. Seu principio de funcionamento é análogo a câmara de ressonância de Holmholz, que induz a queda de pressão acarretando na diminuição da amplitude. Ruídos provenientes do sistema de exaustão são uma das principais fontes da sensação de conforto interno, além disso, segundo (Filardi, 2003) uma das principais causas são o ruído de boca produzido pelas flutuações de pressão no sistema causadas pela ação das válvulas de descarga, ruído de radiação das superfícies dos silenciadores que é provocado pelas flutuações nos tubos do sistema. 2. COMPONENTES DO SISTEMA DE EXAUSTÃO Os sistemas de exaustão automotiva são constituídos de vários componentes, dentre eles: tubo de distribuição, sensores de temperatura termopares, conversores catalíticos, ressonadores, junções, tubos de escapamento e silencioso. Será abordado neste estudo, componentes que atenuam ou eliminem ruídos, dentre eles temos os ressonadores, abafadores, placas circulares perfuradas e silenciadores. A figura 1 apresenta a constituição básica de um sistema de escapamento automotivo al. podemos assim descrever o comportamento do número de onda. De forma geral o sistema de exaustão é dimensionado acusticamente como um tubo aberto em ambas às extremidades. Considerando esta situação.Figura 1: componentes de um sistema de exaustão automotivo (Nissan Motor Company Limited) 2. além de demonstrar a importância do numero de onda N. tem como base a ciência da acústica. que por sua vez está relacionado com sua velocidade de propagação. todos os componentes são construídos com base na analise de fenômenos acústicos e fluidodinâmicos. comprimento do tubo e frequência. enquanto a figura (2) apresenta um tubo aberto em ambas às extremidades e como se comporta a onda..1. Método de obtenção e analise de dados O estudo da otimização de sistemas exautores para automóveis. Figura 2: Deslocamento de onda em tubo aberto (Galter et. . 2001). A equação (1) permite o calculo da frequência. consequentemente atenuado o ruído. O teste realizado com um motor de 6 cilindros em V. tem se a necessidade de realizar testes do conjunto do escapamento. e efeitos acústicos no sistema de escapamento. Frequentemente. 1999).. Na realização do ensaio em laboratórios de analise de acústica e emissão de poluentes. a indústria automotiva faz uso de ferramentas computacionais para o desenvolvimento de componentes de sistema de exaustão. então. testes dessa natureza têm como objetivo analisar as seguintes características: localização de sensores. Estes testes são realizados em motores de combustão internas movido a gasolina e diesel. gerando mais vibração mecânica. 2007). 2.( ) Equação (1). informações obtidas a partir da corrente de escape.. 3000 cilindradas.. L [m] e o comprimento do tubo e por fim N sendo o número de onda. 1999). causa grandes perdas de desempenho. produzido em série pela Ford Motor Company. O projeto de um sistema de escapamento envolve muitos parâmetros. com 4 cilindros. foi acoplado a um dinamômetro hidráulico. pois neste regime o período da onda de pressão e relativamente alto. temos v [m\s] e a velocidade de propagação da onda no meio. velocidade de . comprimento do escapamento. no caso uma grandeza adimensional. tais como: temperatura dos gases de escape. conexão do escapamento a um tanque de compensação para amortecer as ondas de pressão no local de expansão até a temperatura ambiente. A aquisição de dados é realizada pelo dinamômetro. 2010) e realizado em dinamômetro. al. 2500 cilindradas. Figura 3: Sistema de exaustão: localização dos transdutores de pressão e termopares (Selamet et al. 1999). Segundo (Selamet et al. sensores como: termopares. cano intermediário e silencioso reduzem a amplitude total. A otimização da atenuação de ruído é muito desejável com o motor trabalhando em baixa rotação. Escapamentos em Motores Diesel Há uma grande preocupação por parte da indústria automotiva em estudar a interferência acústica no desempenho de motores a Diesel. comprimento do sistema de escapamento. o que por sua vez ocasiona falha por fadiga nos fixadores do escapamento (Selamet et al.. assim permitindo a aquisição de dados. 2007). Em conformidade com (Selamet et al.2. proposto por (Selamet et al. movido à gasolina. 1999). como potência do motor. Um motor Diesel. combustível (Diesel ou gasolina) e número de cilindros. no caso o ar. teve como principal objetivo medir perdas de inserção. al. podendo assim comparar dados e permitir sua produção. componentes no sistema de escape como: catalizadores. onde e possível analisar o comportamento do motor em varias faixas de potência. após as considerações de projetos. pois em um sistema de exaustão com projeto inadequado as vazões de gases. Segundo (Jiang et. microfones e medidores de pressão. esta é a primeira etapa implantada. Simulações computacionais não fornecem uma solução exata para o desenvolvimento de determinados componentes. materiais. de modo que diferentes cargas pudessem ser aplicadas para o estudo da acústica (Jiang et. são colocados em determinados pontos do sistema de escapamento. logo o monitoramento de desempenho usado no teste foi avaliado por recursos de monitoramento.. por que o processo de funcionamento da válvula de escape é altamente dependente do tempo (Jiang et. Desempenho acústico como: a potência acústica irradiada. Motores Diesel apresentam alta intensidade de energia na combustão. . 2007). recentemente tem mostrado que a fonte acústica é um parâmetro intimamente ligado ao processo de combustão do motor. quando ocorre a troca de gases. al. al.. equipado com 2 válvulas borboletas permite a implementação de pelo menos 3 diferentes cargas acústicas. em um motor de 4 cilindros a Diesel. 2007). B (fechada). 2005). e a perda de inserção de um silenciador. posteriormente acoplado aos outros sistemas. Figura 5.turbo compressor. o escapamento em junção Y. Dois transdutores de pressão e sensores de temperaturas são montados em duas posições diferentes. são variáveis promissoras para detecção de falha de ignição. conseguidas pelo ajuste de válvulas.. além disso. ocasiona falha no desempenho e no curso de escape do motor. em 3 tipos de configuração. 2007). Um perfil diferente na abertura e fechamento da válvula de escape. Figura 4. Estudos com base nas equações dinâmicas de fluidos para fluxos unidimensionais feitas por (Dokumaci 2005). Uma combustão anormal pode ser detectada pelo posicionamento do sensor em um local especifico. válvulas B (fechada). podem ser medidas facilmente. 2007). al. al. conduzidos por (Jiang et. para melhorar a confiabilidade. e diferente modos de combustão anormal devido à falhas comuns como: injeção anormal de combustível. simplificando o projeto e avaliação de sistemas de exaustão (Dokumaci. assim como um perfil inadequado. O procedimentos experimentais.. e flutuação de pressão de escape. al. geralmente resultando em uma onda acústica de grande amplitude no tubo de escape.. A distância entre dois sensores é de 320 mm. No teste. Válvulas de controle de carga acústica (Jiang et. O sinal acústico emitido pelo motor não é estritamente invariante no tempo. um transdutor é montado dentro de um dos cilindros para medir a variação de pressão quando há falha na combustão. Ambas as válvulas abertas. e o efeito da junção em Y em forma de forquilha na junção dos escapes. Os efeitos convectivos foram considerados como fator corretivo para impedância. e tempo incorreto da válvula. teve como objetivo analisar a impedância acústica. influenciando a efetividade da combustão. Posição dos transdutores no tubo de exaustão (Jiang et. A (aberta) (Jiang et. oriundos dos cilindros e convergindo em um só tubo. válvulas A (aberta). 2007). os efeitos da onda devem ser considerados e uma medida da fonte de exaustão. A atenuação constante adotada porque não se pode negligenciar o efeito sobre as características acústicas de faixa de frequência de ressonância em um sistema de tubos. consequentemente atenuando o ruído de baixa frequência. O método mais comum para obtenção de maior potência em motores movidos a Diesel e o uso de turbo compressor. o segundo conjunto de testes. sejam do tubo. então para determinar as posições ótimas do silenciador. instabilidade do fluxo através de perfuração está linearmente relacionada com a variação pressão. al. w contrapressões são mais significativamente importantes para modelagem numérica (Choi et. ausência de um sistema de motor e outros comportamentos. 250 e 280 [BAR] (Jiang et.. sendo que o sistema de exaustão pode chegar a 170 dB (Selamet e Novak . pressão. produz amplitude residual de pressão. ou seja. com isso a geração de som é associada com as pressões e velocidades supersônicas das massas de ar que passam pelas lâminas rotativas. relação de fluxo para a perfuração torna-se não linear. onde as características do sistema de exaustão. 40[Nm] e 60[Nm] com 1500[RPM]. Em um silenciador automotivo. amplitude. Otimização de desenho e características de componentes do sistema de exaustão automotiva Quando o motor encontra-se em baixo regime de potência. uma perfuração têm interferência significativa no nos níveis de pressão e nível sonoro. al. corresponde aos maiores níveis de oscilação. pulsos de onda de pressão do motor devido à combustão. 2000). quando o turbo compressor entre em regime de alta rotação. ocorre um ruído de descarga que influencia a ressonância em todo o sistema. um múltiplo inteiro do impulso de frequência. a principal dificuldade e a modelagem complexa do comportamento do fluxo através das perfurações. À medida que o nível de pressão sonora é aumentado. Assim o comprimento total do sistema de escape deve ser sintonizado para um determinado comprimento de onda. A atenuação de ruído pode ser conseguida com dois silenciadores. al. Detectou se que a pressão superior do cilindro. respectivamente. referente à equação 1. consequentemente uma maior amplitude da pressão do escape. recomenda se a adição de componentes como. introduz se o coeficiente de atenuação (Suyama e Hirata. sendo. Existe por parte da indústria automotiva. 1800[RPM]. intercoolers. Turbo compressores movidos a gases de escape operam a grandes rotações. O comportamento da ressonância do tubo irradia um alto nível de ruído de baixa a alta frequência (Choi et. que é denominado pelas harmônicas de baixa ordem na frequência de disparo do motor. quando em regime normal. portanto a amplitude pode ser um bom indicador do processo de combustão. maior amplitude de pressão residual implica em desvio da porção de forma de onda. É necessário otimizar a geometria de um sistema de exaustão para minimizar o ruído de baixa frequência e grande amplitude. sendo esse responsável por uma significativa fonte de ruído. isto é possível ajustando posições do silenciador. em geral desvios maiores correspondem a falhas graves na injeção de combustível. como o comprimento do tubo são considerados. alterando a pressão da bomba injetora com 150. portanto um múltiplo impar da fração do comprimento de onda. 2007). as ressonâncias dos tubos de escape não podem ser evitadas durante a velocidade de funcionamento do motor ajustando as frequências de ressonância. que normalmente são instalados dentro do ressonador e do silenciador.. não podem ser atenuados com a alteração e otimização das características geométricas. ou atenuador de ruídos (Tayong et. Ao analisar o comportamento de um tubo perfurado. al. Para o número inteiro de frequência. filtros. 2009). Fenômenos de ruídos de alta frequência podem ser atenuados com tubos perfurados. 2. mais especificamente na câmara de expansão externa. a pressão esperada e a amplitude deve ser grande o suficiente para causar esse comportamento não linear. 2100[RPM]. 2009). como exemplo de não linearidade. implicando em faixas de intensidade de 120 dB a 130 dB. 2011). mede a capacidade de detecção de ruídos com pequenas falhas introduzidas no sistema de combustão. al 2011). . torna se difícil a atenuação de ruídos. pois determinadas bandas de frequência de ruídos. No limite de baixos níveis de pressão sonora..Dois conjuntos de medições foram realizados: O primeiro conjunto para explorar características da origem dos requisitos de funcionamento do motor. Além disso. Valores de pico defeituosos mostram maior pressão residual de combustão retardada. no entanto segundo (Rämmal. 2011). 1979). acima do 60000 [RPM]. O espectro da forma de onda pode ser usado para a detecção de falha. Esses fatores são cruciais para o desenvolvimento de silenciadores para sistemas de exaustão automotivos. e isolantes acústicos para tubulação de admissão. ou seja. logo após.. de quais maneiras pode se atenuar ou eliminar suas causas e efeitos. 2007). trata-se de testes em três cargas de torque e velocidade. por exemplo a uma velocidade de motor tendo torque máximo. temos que recorrer à equação 1. permitindo a extração de informação de diagnósticos diretos sobre a localização de falha (Jiang et. Para contornar o problema de emissão de ruído para um turbo compressor. 20 [Nm]. ocorrendo assim ondas de choque (Rämmal. Alguns parâmetros como amplitude e fase das variações das pressões. uma preocupação com os efeitos de sons de grande amplitude.3. incluindo a primeira harmônica. portanto. e que as dimensões (espessura e diâmetro do furo). no lado das aberturas (Tayong et.. 2010).. 2000). portanto convenientes combinar a viscosidade em um termo de perda (Tayong et. essa analise tem como base o método de elementos finitos. fluxo é justificado desde que os comprimentos de onda de interesse. efeito de interação dos furos é combinado com efeito da porosidade. ocorrendo geração de vórtice. 2011). Consideram-se os comprimentos de onda acústica são muitos. por fim. considerando-se que a radiação do som é esférica. . Pela abordagem unidimensional. o termo de convecção torna se importante. com elevados níveis de pressão. tem sido vantajosos para ajustes de frequências ressonantes. por conseguinte. a convecção e a viscosidade representam perdas de energia no fluxo e. (Tayong et. a região de cisalhamento em torno de cada perfuração é compartilhada com a região de cisalhamento em torno dos furos nas proximidades.).. al. a dependência da resistência com a velocidade é linear. 2011). ainda dimensões das perfurações são geralmente muito menores do que comprimentos de onda do impulso sonoro. é essencialmente irrotacional. recentemente o uso da otimização paramétrica tem sido aplicada para avaliar o tamanho adequado para tubos de escape. e o fluxo de massa para diferença de pressão através da interface. uma conveniente explicação dessas observações. 2011). é que como a distância decresce. incluindo para os efeitos do comportamento não linear e desempenho do desenvolvimento do modelo de perfuração. conforme se processa o fluxo de entrada. 2000). além disso.. assumindo que as dimensões do duto. atenuando a amplitude do som. al. logo é de extrema importância à adequação do espaçamento dos orifícios. o limite de frequência mais alta imposta é geralmente elevado o suficiente para que a analise do mecanismo de impulso de onda sonora seja satisfatória. Segundo Barbieri (Barbieri et al. al. um fator determinante de otimização da atenuação de ruído está relacionado ao numero de Reynolds critico. contudo.Figura 6: Instabilidade do fluxo através de um volume de controle de orifício circular (Selamet e Novak. que contém a maior parte da energia acústica (Selamet e Novak. então com a investigação experimental do fluxo instável através de orifícios circulares. então o fluxo através dos orifícios pode ser tratado como um fluxo localmente incompressível de transferência de massa e energia (Tayong et. a saída de gases dos cilindros em alta temperatura e velocidade. vórtices na entrada das aberturas. adequando para o domínio do tempo da abordagem computacional. obtendo assim um sistema de escapamento mais eficiente. al. com analise pode se constatar que. uma pequena fração de energia de vórtice é restaurada para o campo de pressão. portanto. al. as equações de balanço de massa e energia interna são utilizadas para analisar o fluxo que através de placas circulares perfuradas que por sua vez são utilizadas em automóveis. consequentemente. quando a velocidade do fluxo sobre o orifício é suficientemente grande. Segundo (Tayong et. a resistência total acústica do sistema é causada pela resistência das aberturas do sistema são causadas pela resistência das aberturas. É importante salientar que a recirculação tem efeito sobre o ruído. A aglomeração de perfurações do modelo é um parâmetro utilizado pra relacionar o local de perfuração. O uso de painéis perfurados para atenuar ruídos. 2011). mas torna-se altamente rotacional após o orifício de saída. a inclinação depende da separação dos furos e diminui com o aumento do numero de Reynolds. incluem significativamente mais longa do que as dimensões transversais do silenciador. 2008). 2010). Efeitos da absorção do som com a interação de placas dotadas de múltiplos orifícios Inicialmente para analise. impedindo assim sua transmissão. logo realiza-se testes e concebem-se modelos computacionais para encontrar uma forma geométrica que tenha influência significativa sobre a acústica. alterando repentinamente na área de seção transversal do silencioso. através da conversão da energia sonora em calor causado por atrito no vazio entre as partículas e gases oscilantes. ` Figura 7: Esquema de uma estrutura de um silenciador automotivo (Yasuda et.5. 2. Materiais absorventes de ruído com superfície porosa atenua o ruído. 2012). pois como se sabe a maior parte do ruído limita-se a frequência de rotação do motor em suas primeiras ordens (Yasuda et. al. p: pressão [Pa]. para cancelar uma frequência de ruído. obtêm-se redução do ruído especificado. portanto aumentando a porosidade. porem verifica se mal comportamento em baixas frequências. O tubo ressonador apresenta diferentes diâmetros. Observa-se claramente que. As variáveis da equação 2 são. No silenciador do sistema de exaustão.. 2011). de forma a atenuar o ruído de baixa frequência a partir do motor. r raio de do silenciador [m]. a interação dos furos pode não ser separada da influência da porosidade . Como descrito por (Melling. t tempo [s]. logo o silencioso está agindo como um filtro acústico. pois a câmara de expansão reflete ondas de introdução. assim assumimos a equação de onda para descrever o fenômeno. a influência da interação de furos em uma superfície circular. al. Logo a ressonância na Helmhortz reflete as ondas sonoras na câmara.Um aumento do efeito da interação dos furos significa um diminuição da distancia entre os orifícios. al. Então na porção entre a tubulação 1 e a câmara 3. A ressonância de Helmhotz é um fenômeno ocorrido quando existe a passagem de ar por uma cavidade ocasionado a ressonância (Donoso et al. consideramos a propagação do som em todas as direções. permitindo que impulsos de pressão sejam suavizados. Melhorias implementadas no desenho do sistema de escape visam atenuar os ruídos de determinadas faixas de frequência de interesse. contraindo-se o diâmetro. principalmente em baixas frequências. podemos modela-la como um modelo físico e análogo com a impedância. . por níveis de pressão sonora é dependente da quantidade de orifícios na superfície circular. Geometria A geometria dos componentes tem grande interferência nos componentes dos sistemas de exaustão. com intuito de um melhor tratamento acústico. Esta equação permite descrever o comportamento da pressão em termos de propagação de onda. reduzindo os sons de impulso individuais na saída.2. (Tayong et. Para analise de geometria do sistema de escapamento. Equação 2: Equação de onda padrão. 1973 ). c velocidade do som no ar [m\s]. observa-se o fenômeno de ressonância de Helmhotz.4. . 2011) 2. tendo como principal objetivo a atenuação de ruído com base na interação de destrutiva entre ondas sonoras. sendo assim para o sistema proposto. concebeu-se um novo tipo de sistema. Figura. Sistemas de escapamento ativo e a interferência destrutiva de ondas sonoras Novas técnicas de atenuação de ruídos em sistema de escapamento tem sido pesquisadas ( Hwang et. 2002). al. As figuras 9 e 10 demonstram de forma simplificada. sistema ativo de escapamento. O Fator de absorção decresce com o aumento de Reynolds então isto implica que o número de Reynolds crítico é diretamente proporcional ao diâmetro. Esse sistema faz uso de alto falantes ou junções tubulares em forma de U. logo a condição crítica implicam em um máximo de absorção. Uma importante consideração de projeto é analisar o efeito de interação dos orifícios. sendo este fator responsável pelo comportamento acústico. e inversamente proporcional a distancia que os separa. O numero de Reynolds crítico é dado em função entre centros das perfurações. (Munjal.. 1987) . al. Figura 9: Diminuição da amplitude de ruído pela junção “U” (Hwang et.. existe divisão de válvulas e tubos de forma a atenuar ruído. a atuação deste sistema sobre a amplitude da onda. ou seja. 2002).. 8: Perfis de superfície circular demostrando múltiplas configurações de orifícios (Tayong et.A resistência acústica total do sistema é causada pelos vórtices devido à retenção de fluxo na placa circular. quão intensa e a interação dos orifícios menor variação da acústica.6. Considerando-se os múltiplos regimes operacionais no qual um motor de combustão interna e submetidos os sistema de escapamento deve atenuar variados regimes de ruído. então. al. al.Fig. Para confirmar a eficácia do sistema. al. Figura 12: Ruídos do motor medidos com várias configurações: (a) sem silenciador. Fig. Faixas de maior rotação do motor. foram realizados testes que comprovaram o funcionamento deste sistema. (b) com silenciador passivo original (c)com um tubo de derivação e silencioso simples e (d) com dois tubos de by-pass e silencioso simples (Hwang et. . sendo esse conectado a um dinamômetro e aparatos de controle e gerenciamento de performance. a válvula irá permitir a passagem de gases de escape para o local onde se encontra as junções em “U” e o silenciador com tubo perfurado . 4 cilindros movido a gasolina.. foi possível analisar os dados e comparar com múltiplas configurações. 11: teste do sistema ativo para reduçao de ruido (Hwang et. 2003). 2003). 2002). mostrados na figura 12. então pode se obter os seguintes gráficos.. Com a realização dos testes.10: Sistema de atenuação de ruídos para múltiplas bandas (Hwang et. al. O referido teste foi efetuado em motor de 4 tempos. Levando em consideração variáveis como o tipo de motor. Y. 18th International congress on sound & vibration. 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