Análise de Vibrações em um Motor de Combustão Interna

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Curso de Graduação em Engenharia Mecânica

TRABALHO DE GRADUAÇÃO

"Análise de Vibrações em um Motor de Combustão Interna”

Autor: Claudio Marcio Santana Orientador: Jose Eduardo Mautone Barros Co-Orientador: Alessandro Simões Correa Colaboradores: Luis Carlos Monteiro Sales Leonardo Alvim Michelini

Julho de 2010 i

UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Curso de Graduação em Engenharia Mecânica

ANÁLISE DE VIBRAÇÕES EM UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA Claudio Marcio Santana Trabalho de graduação apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas Gerais Área de concentração: Engenharia Mecânica Orientador: Prof.: Jose Eduardo Mautone Barros Co-Orientador: Alessandro Simões Correa Colaboradores: Luis Carlos Monteiro Sales Leonardo Alvim Michelini Belo Horizonte Escola de Engenharia da UFMG 2010 ii

DEDICATÓRIA

Dedico esse trabalho a minha família e em especial ao meu pai que sempre me apoiou nessa jornada, mas que infelizmente não pode estar presente na conclusão desse trabalho.

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AGRADECIMENTOS Agradeço a todos aqueles que estiveram presentes e me apoiaram durante o desenvolvimento deste trabalho e em particular: A minha namorada Alice Alves Andrade pela paciência e compreensão. Ao Luis Carlos Monteiro Salles pela oportunidade de execução do trabalho. Ao professor Jose Eduardo Mautone Barros pelas orientações. Aos colegas de trabalho Alessandro Simões e Leonardo Alvin pelas orientações e ajuda nos testes experimentais. Aos colegas de trabalho Geraldo Bahia e Edson pela execução dos ensaios no dinamômetro. Ao colega Saulo Anderson Bibiano Jardim do Laboratório de Combustão da UFMG, pela ajuda na interpretação dos dados e nos cálculos das transformadas de Fourier. Agradeço aos colegas Marcelo do Mini Baja e Olavo pelo auxilio no software ANSYS. Agradeço ao colega Andreas pela ajuda no SOLID WORK.

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RESUMO

Na analise de vibração e ruído em um motor de combustão interna, vê se que as maiores fontes de vibrações e ruídos são produzidas pelas forças devido à combustão e as forças mecânicas. Essas forças ocorrem numa ampla faixa de freqüência e são transmitidas para a superfície externa do motor através de diversos caminhos; um deles é através do mecanismo pistão - biela - virabrequim - bloco do motor. Como resultado da atuação destas forças, as superfícies externas do motor ficam sujeitas a vibrações de diversas amplitudes. O controle de vibrações do motor através da modificação de sua estrutura (bloco do motor e cabeçote) é uma tarefa complexa e requer considerações de diversos aspectos da engenharia, tais como: a análise modal, análise de amortecimento, análise de serie de tempo, entre outros. O objetivo desse trabalho é a aplicação dos novos métodos para serem aplicados a problema típicos de vibrações e ruídos em motores, que consiste da aplicação conjunta de técnicas analíticas e experimentais, para estudos de estruturas submetidas a altas amplitudes de vibrações. Espera-se com isso determinar e conhecer as principais fontes excitadoras de vibrações no motor.

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LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 – O eixo de manivelas converte o movimento do pistão em movimento rotatório, que é transmitido para as rodas (www.oficinabrasil.com.br) ..........................3 ..........................3 Figura 2.2 - (a) Diagrama PV e (b) Diagrama TS para o ciclo Otto, (HEYWOOD, 1988)...................................................... 1988)............................................................................. .............................................. .............................................. ..............................4 .......4 Figura 2.3 - Os quatro q uatro tempos do ciclo real, (BAÊTA, 2006)..................... 2006 )..........................................6 .....................6 Figura 2.4- Vista em corte de um motor ciclo OTTO de quatro tempos (www.automobil.com.br).......................... (www.automobil.com.br)................................................. .............................................. ............................................... ..........................7 ..7 Figura 2.5- Ciclo de dois tempos com ignição por centelha (www.automobil.com.br)....9 Figura 2.6- Vista em corte de um motor simples de dois tempos (www.automobil.com.br).......................... (www.automobil.com.br)................................................. .............................................. ............................................... .......................... 9 Figura 2.7- Ilustração de um bloco motor com 4 cilindros. (fonte: www.whbrasil.com.br)....................................................... www.whbrasil.com.br)................................ .............................................. .............................................11 ......................11 Figura 2.8- Bloco de um motor de 4 cilindros de alumínio(WIKIPEDIA).....................11 Figura 2.9- Formato típico de um cabeçote (www.oficinabrasil.com.br).......................12 Figura 2.10- carter de um motor de quatro tempos (www.automobil.com.br)................13 Figura 2.11- parâmetros geométricos de um pistão (BARROS e BAETA, 2005)..........15 Figura 2.12- Pistão de motor automotivo (www.oficinabrasil.com.br)...........................15 Figura 2.13- Anéis de segmento (www.infomotor.com.br)............................................17 Figura 2.14 – Ilustração de uma biela, juntamente com suas principais partes ( Barros e Baeta, 2005)......................................................... 2005)................................................................................ .............................................. .....................................17 ..............17 Figura 2.15- Biela de um motor de combustão interna (www.automobil.com.br)..........18 (www.automobil.com.br)..........18 Figura 2.16- Eixo de manivela (www.imp.ufsc.com.br)................................................19 (www.imp.ufsc.com.br)................................................19 Figura 2.17- Principio de funcionamento do virabrequim (www.automobil.com.br).....20 Figura 2.18- Sistema de funcionamento de um sistema de valvulas(WIKIPEDIA).......21 Figura 2.19- Eixo comando de válvula (www.oficinabrasil.com.br)..............................22 Figura 2.20- Detalhes do motor de combustão interna (www.automobil.com.br)..........22 Figura 2.21 – As três fases da combustão em um motor ciclo Otto – adaptada de (HEISLER, 1995)...................................................... 1995).............................................................................. ............................................... ..............................25 .......25 vi

Figura 2.22 – Desenvolvimento da pressão no interior de um cilindro, com e sem combustão-adaptada combustão-adapt ada de (HEISLER, 1995)........................................................ 1995)...................................................................26 ...........26 Figura 2.23– Seqüência de fotos onde se pode verificar o fenômeno da detonação (www.mech-eng.leeds.ac.uk/res-group/combustion)......................................................29 (www.mech-eng.leeds.ac.uk/res-group/combustion )......................................................29 Figura 2.24 – Zonas de pré-ignição pré-igni ção (MARTINS, 2005).................................................31 2005).................................................31 Figura 0,25 Efeito no avanço de ignição no diagrama PV (GIACOSA, 2004)..............31 Figura 0,26 Registro da vibração e espectro (Transformada de Fourier)........................33 Figura 2.27- Vista em corte de um motor ciclo OTTO de quatro tempos (www.automobil.com.br)......................................................... (www.automobil.com.br).................................. .............................................. .......................................35 ................35 Figura 2.28- forças reversíveis atuando sobre o pistão (GERGES, S. N. Y. 2005)........37 Figura 3.1 Dinamômetro hidráulico ( Borghi & Saveri Itália, 1999)..............................39 Figura 3.2 Dinamômetro elétrico ( Borghi & Saveri, 1999)...........................................40 Figura 3.3 Tacômetro digital................................... digital.......................................................... .............................................. .................................40 ..........40 Figura 3.4 Vela Vel a de ignição igni ção instrumentada................................ inst rumentada....................................................... .......................................41 ................41 Figura 3.5 Montagem dos acelerômetros nos mancais fixos lado transmissão e distribuição............................................................... distribuição........................................ .............................................. .............................................. ................................42 .........42 Figura 4.1 Diferença de vibração transversal ao eixo a 1500 RPM................................48 Figura 4.2 Diferença de vibração longitudinal ao eixo a 1500 RPM..............................48 Figura 4.3 Diferença de vibração no bloco do motor longitudinal ao veiculo a 1500 RPM.......................................... RPM................................................................. .............................................. .............................................. .........................................49 ..................49 Figura 4.4 Diferença de vibração transversal ao eixo a 4000 RPM................................49 Figura 4.5 Diferença de vibração longitudinal ao eixo a 4000 RPM..............................50 Figura 4.6 Diferença de vibração no bloco do motor longitudinal ao veiculo a 4000 RPM.......................................... RPM................................................................. .............................................. .............................................. .........................................50 ..................50 Figura 4.7 Diferença de vibração transversal ao eixo a 6000 RPM................................51 Figura 4.8 Diferença de vibração longitudinal ao eixo a 6000 RPM..............................51 Figura 4.9 Diferença de vibração no bloco do motor longitudinal ao veiculo a 6000 RPM.......................................... RPM................................................................. .............................................. .............................................. .........................................52 ..................52 vii

Figura 4.10 Diferença de pressão de combustão entre etanol e gasolina a 4000 RPM...53 Figura 4.11 Diferença de pressão de combustão entre etanol e gasolina a 6000 RPM...53 Figura 4.12 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor....................................................... motor.............................................................................. .............................................. ................................55 .........55 Figura 4.13 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor....................................................... motor.............................................................................. .............................................. ................................55 .........55 Figura 4.14 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor....................................................... motor.............................................................................. .............................................. ................................56 .........56 Figura 4.15 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor....................................................... motor.............................................................................. .............................................. ................................56 .........56 Figura 4.16 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor....................................................... motor.............................................................................. .............................................. ................................57 .........57 Figura 4.17 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor....................................................... motor.............................................................................. .............................................. ................................57 .........57

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LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 – Parâmetros geométricos de pistão para os motores ciclo Otto (BARROS e BAETA, 2005).......................................................... 2005).................................................................................. ............................................... ...............................14 ........14 Tabela 3.1 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida.................................. corrigida......................................................... .............................................. .............................................. ..........................44 ...44 Tabela 3.2 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida.................................. corrigida......................................................... .............................................. .............................................. ..........................44 ...44 Tabela 3.3 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida.................................. corrigida......................................................... .............................................. .............................................. ..........................45 ...45 Tabela 3.4 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida.................................. corrigida......................................................... .............................................. .............................................. ........................... 45 Tabela 3.5 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida.................................. corrigida......................................................... .............................................. .............................................. ..........................45 ...45 Tabela 3.6 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida.................................. corrigida......................................................... .............................................. .............................................. ........................45 .45 Tabela 3.7 - Rotação de ensaio e freqüência dominante e seus harmônicos ate a décima ordem. ............................................... ...................................................................... .............................................. ..........................................46 ...................46 Tabela 4.1 – Calculo das freqüências de ressonância no coletor de admissão................58 Tabela 4.2 – Calculo das freqüências de ressonância no coletor de descarga.................59 Tabela 4.3 – modos de vibrações do eixo virabrequim...................................................59

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS S IGLAS C(s) = sinal de saída cp = calor específico a pressão constante cv = calor específico a volume constante I = momento de inércia IC = internal combustion K = constante de ganho m = massa ma = massa de ar no cilindro em um ciclo M/K = resposta em amplitude Pa = potência de atrito Patm = pressão atmosférica Pe = potência efetiva Pi = potência indicada PMI = ponto morto inferior PMS = ponto morto superior PREF = potência nas condições de referência Ps = pressão seca Pso = pressão seca do ambiente PV = diagrama pressão – volume Pθ = diagrama pressão – ângulo do virabrequim Pγ = potência medida Qr = calor rejeitado Qs = calor fornecido rc = razão volumétrica de compressão R(s) = sinal de entrada SI = ignição por centelha (spark ignition) T = temperatura T0 = temperatura de referência Tar = temperatura do ambiente TS – diagrama temperatura - entalpia UCE = unidade de controle eletrônico Ur = umidade relativa do ar x

VD = volume deslocado

Letras Gregas αc = fator de correção γ = peso específico ηm = rendimento mecânico ηOTTO = eficiência térmica do ciclo Otto ηv = rendimento volumétrico

φ= ângulo de fase θ  = atraso por transporte ξ  = fator de amortecimento

ρa = massa específica do ar τ  = tempo de resposta τ a = torque de atrito τ e = torque efetivo τ e-j e-j = torque efetivo com cilindro j desligado τ i = torque indicado τ  M  = torque no motor ω = velocidade angular; freqüência de entrada

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SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO............................. INTRODUÇÃO.................................................... .............................................. .............................................. ................................01 .........01 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...................................... BIBLIOGRÁFICA............................................................. .............................................. .......................02 02 2.1 Motores de combustão combus tão interna........................ intern a............................................... .............................................. ..............................02 .......02 2.2 Revisão histórica.................................... histórica........................................................... .............................................. .......................................03 ................03 2.3 Ciclos de trabalho no motor de combustão interna.............................................03 2.3.1 Ciclo Otto ideal.................................................... ideal........................................................................... .....................................03 ..............03 2.3.2 Ciclo Otto real de quatro tempos........................... tempo s.................................................. ...................................05 ............05 2.3.3 Ciclo Otto real de dois tempos..................................................................08 tempos..................................................................08 2.4 Componentes do motor de combustão interna ..................................................10 2.4.1 Bloco do motor................................................... motor.......................................................................... ......................................10 ...............10 2.4.2 Cabeçote................................ Cabeçote....................................................... .............................................. ............................................11 .....................11 2.4.3 Cárter................................................... Cárter........................................................................... ............................................... .............................12 ......12 2.4.4 Pistão..................................................... Pistão............................................................................ .............................................. ............................13 .....13 2.4.5 Anéis de Segmento.............................. Segmento..................................................... .............................................. ..............................16 .......16 2.4.6 Biela.................................................. Biela......................................................................... .............................................. .................................17 ..........17 2.4.7 Virabrequim.................................. Virabrequim......................................................... .............................................. .....................................18 ..............18 2.4.8 Válvulas.................................. Válvulas......................................................... .............................................. ...........................................20 ....................20 2.4.9 Eixo de Comando de Válvulas.................................................................21 Válvulas.................................................................21 2.5 Combustões em um motor de combustão interna.................................................23 2.5.1 Períodos Perí odos da Combustão............................... Combustão...................................................... .............................................23 ......................23 2.5.2 Desenvolvimento da Pressão no Interior dos Cilindros............................25 2.5.3 O Avanço de ignição ideal.................................................... ideal........................................................................27 ....................27 2.5.4 Produtos Produ tos da combustão..................................... combustão............................................................ .......................................28 ................28 2.5.5 Combustão incompleta................................ incompleta....................................................... .............................................28 ......................28 2.5.6 Situações adversas da d a combustão.............................................................28 combustão.............................................................28 2.5.7 Detonação.................................... Detonação........................................................... .............................................. ......................................29 ...............29 2.5.8 Pré-ignição.................................... Pré-ignição........................................................... .............................................. .....................................30 ..............30 2.6 Vibrações................................. Vibrações........................................................ .............................................. .............................................. ...............................32 ........32 2.6.1 Sinais de vibrações e ruídos.............................................................. ruídos.......................................................................32 .........32 2.6.2 Vibrações Vibraçõe s na área automotiva............................. automo tiva.................................................... .......................................33 ................33 2.6.3 Vibrações e ruídos r uídos provenientes provenien tes do motor................................................34 motor................................................34 2.6.3.1 Vibrações devido ao processo de combustão..................................35 xii

2.6.3.2 Vibrações devido às forças mecânicas............................................36 2.6.3.3 Vibrações induzidas pelo mecanismo – força de excitação reversivel.................................................. vel......................................................................... .............................................. .............................................. ....................................36 .............36 2.6.4 Estrutura do motor.................................................. motor......................................................................... ...................................37 ............37 3. METODOLOGIA................................... METODOLOGIA.......................................................... .............................................. .............................................39 ......................39 3.1 Equipamentos e instrumentos utilizados nos ensaios...................................39 3.1.1 Dinamômetro............................. Dinamômetro.................................................... .............................................. ...................................39 ............39 3.1.2 Tacômetro digital...................................................... digital............................................................................. ...........................40 ....40 3.1.3 Vela de ignição instrumentada................................. instru mentada........................................................ ...........................40 ....40 3.1.4 Equipamentos de aquisições de d e dados................................................41 dados................................................41 3.2 Montagem experimental........................................ experimental............................................................... .......................................41 ................41 3.3 Procedimentos Pro cedimentos experimentais........................................ experimentais............................................................... ...............................42 ........42 3.4 Análise dos dados experimentais........................................ experimentais............................................................... ..........................43 ...43 4. RESULTADOS E DISCURSSÕES.................................. DISCURSSÕES......................................................... .........................................48 ..................48 5. CONCLUSÕES................................. CONCLUSÕES........................................................ .............................................. .............................................. ............................60 .....60 6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS............................................... FUTUROS......................................................61 .......61 7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS............ BIBLIOGRÁFICAS................................... .............................................. ....................................62 .............62

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1 INTRODUÇÃO Os problemas de ruídos e vibrações em motores de combustão interna são comuns, devido à grande diversidade de peças e componentes que compõem um motor. O eixo virabrequim sofre vibrações transversais, laterais e torcionais, devido à dinâmica dos esforços sofridos principalmente no tempo de combustão do motor. Mancais hidrodinâmicos podem induzir vibrações orbitais de grande amplitude em rotores neles apoiados. Cita-se também os efeitos de discos acoplados em eixos, a combustão e efeito giroscópio de eixos massivos. Esses efeitos produzem desgastes prematuros nos componentes internos do motor, reduzindo o tempo de vida do próprio motor. Alem de prejudicar a saúde das pessoas. Esse trabalho tem como objetivo geral identificar e relacionar as fontes de vibrações e ruídos no motor. Como objetivo especifico pretendese fazer a modelagem numérica de problemas de ruídos e vibrações no motor e caso haja necessidade, fazer a modelagem computacional do motor.

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Motores de combustão interna

Os motores de combustão interna têm a finalidade de transformar a energia química contida no combustível em energia mecânica, por meio da queima da mistura deste combustível com ar (HEYWOOD,1988). Na máquina de combustão externa os produtos da produtos da mistura ar-combustível transmitem calor a outro fluido que toma a si a tarefa de produzir trabalho. Na máquina de combustão interna, os produtos são os próprios executores do trabalho. Em virtude dessa simplificação, o motor é uma das mais leves maquinas motrizes existentes (OBERT,1971). A conversão de energia química em calor é através da combustão, enquanto a conversão subseqüente em trabalho mecânico é realizada graças à energia do calor que permite o aumento de pressão dentro de um meio, que então realiza o trabalho na medida em que se expande (BOSCH, 2005). Para seu funcionamento, o motor necessita de uma fonte de energia: o combustível. Combustíveis podem ser líquidos ou gasosos. Os combustíveis mais popularmente utilizados são a gasolina, o álcool e o óleo diesel, todos líquidos. O gás natural vem sendo ultimamente empregado como uma fonte de energia alternativa. Fatores econômicos, requerimentos de potência ou de atendimento a legislações ambientais determinam o tipo de combustível a ser utilizado. O combustível pode ser definido como sendo o alimento de motores (BOSCH, 2005). A transmissão do movimento do pistão às rodas do veículo pode ser comparada à transmissão do movimento de um pedal à roda traseira de uma bicicleta, conforme mostra a Fig. 2.1. O movimento das pernas de um ciclista exerce efeito similar ao movimento do pistão de um motor de combustão interna, ou seja, o movimento linear dos pistões dentro do cilindro produz movimento de rotação na árvore de manivela (virabrequim), que por sua vez produz torque necessário o movimento do veiculo (www.oficinabrasil.com.br). 2

Figura 2.1 – O eixo de manivelas converte o movimento do pistão em movimento rotatório, que é transmitido para as rodas ( www.oficinabrasil.com.br).

2.2 Revisão histórica. Em 1876, Nikolaus August Otto construiu com sucesso o primeiro motor quatro tempos. Em 1886, Karl Benz e Gottlieb Daimler simultaneamente e independentemente desenvolveram motores leves, de alta velocidade, dos quais os atuais motores a gasolina foram originados. Em 1892, Rudolf Diesel criou seu motor de ignição por compressão, sendo utilizado inicialmente apenas para aplicações estacionárias, (BAÊTA, 2006). Existem dois tipos de processos de combustão que dominam as aplicações automotivas, denominados motores do ciclo Otto e motores do ciclo Diesel. Os motores de ciclo Otto são primeiramente caracterizados pela ignição na presença de uma centelha e com combustão a volume constante. Já o motor Diesel apresenta combustão espontânea à pressão constante iniciada pelas altas pressões e temperaturas no cilindro.

2.3 Ciclos de trabalho no motor de combustão interna. 2.3.1 Ciclo Otto ideal. Esse ciclo de operação pode ser dividido na seguinte seqüência de processos separados: admissão, compressão, combustão, expansão e exaustão. O ciclo Otto é o ciclo 3

termodinâmico básico de referência para um motor ignição por centelha. Para a análise deste ciclo, considera-se que somente ar, comportando-se como gás ideal, é admitido para dentro do cilindro. Os diagramas de PV e TS são apresentados na Figura 2.2 e mostra às fases do ciclo OTTO, composto por dois processos isovolumétricos e dois processos isentrópicos.

Figura 2.2 - (a) Diagrama PV e (b) ( b) Diagrama TS para o ciclo Otto, (HEYWOOD, 1988)

Os processos 0→1 e 1→0 no diagrama PV, representam os processos de admissão e exaustão respectivamente. O processo 1→2 representa a compressão isentrópica do ar quando o pistão se desloca do ponto morto inferior (PMI) para o ponto morto superior (PMS). Durante o processo 2→3 calor é fornecido a volume constante. Este processo corresponde à ignição por centelha e à combustão no motor. Os processos 3→4 e 4→1 representam a expansão isentrópica e a rejeição de calor a volume constante respectivamente, (HEYWOOD, 1988). A eficiência térmica do ciclo Otto pode ser descrita como:

η Otto

≡

Qs

−

Qr 

(2.1)

Qs

Considerando constante o volume dos processos 2→3 e 4→1, o calor fornecido e o calor rejeitado podem ser descritos como: Qs

=

m × cv

×

(T 3 − T 2 )

(2.2)

Qr 

=

m × cv

×

(T 4

(2.3)

−

T 1 )

4

Assim. Substituindo-se as equações 2.2 e 2.3 em 2.1 tem-se:

η Otto

≡

1−

T 4

−

T 1

T 3

−

T 2

(2.4)

A equação 2.4 também pode ser escrita da forma:

η Otto

Sendo

γ

≡

1−

1 r c

(γ  −1)

(2.5)

a razão entre os calores específicos e rc a razão volumétrica de compressão.

Através desta equação de eficiência, vê-se que a eficiência térmica do motor funcionando com o ciclo teórico Otto depende somente da razão volumétrica de compressão e da relação dos calores específicos (GANESAN, 1995).

2.3.2 Ciclo Otto real de quatro tempos O ciclo real dos motores ignição por centelha difere muito do ciclo ideal em diversos fatores. A eficiência do ciclo real é muito menor do que o ciclo ideal devido às várias perdas que ocorrem na operação de um motor real (GANESAN, 1995). As maiores perdas são: -Variação do calor específico com a temperatura; -Dissociação dos produtos da combustão; -Combustão progressiva; -Combustão incompleta do combustível; -Transferência de calor nas paredes da câmara de combustão; -Blow-dowm no inicio do processo de exaustão; -Processo de troca de gases; Pode-se descrever o ciclo real em quatro tempos: Admissão, compressão, combustão, expansão e exaustão como mostrado na Figura 2.3.

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Figura 2.3 - Os quatro tempos do ciclo real, (BAÊTA, 2006).

Primeiro tempo – Admissão: Durante a admissão o pistão desce do PMS para o PMI enquanto a válvula de admissão está aberta e a válvula de escape está fechada, isso gera uma depressão dentro do cilindro, com isso certa quantidade de ar é aspirada para o interior do cilindro. Enquanto o ar entra pela válvula de admissão uma quantidade de combustível necessária é injetada pelo carburador ou injetor para gerar a mistura ar/combustível que será queimada dentro do cilindro, (BAÊTA, 2006). Segundo tempo – Compressão: Assim que o pistão atinge o PMI inicia-se o tempo de compressão com a válvula de admissão ainda aberta. Ela se fechará alguns graus depois do PMI para aproveitar a inércia dos gases aumentando o enchimento do cilindro. Logo após o pistão retorna ao PMS com todas as válvulas fechadas e comprimindo a mistura. Isso aumenta a pressão e a temperatura dentro do cilindro e próximo do final da compressão uma centelha é fornecida pela vela de ignição e inicia-se a combustão, (BAÊTA, 2006). Terceiro tempo – Combustão e expansão: A combustão inicia-se antes do PMS e termina no inicio da expansão. A combustão eleva a temperatura e a pressão para seus valores máximos do ciclo alterando a composição da mistura ar/combustível para os produtos da combustão. Com as válvulas fechadas, a alta pressão gerada pela combustão empurra o pistão para baixo produzindo o trabalho do ciclo do motor e diminuindo a pressão e a temperatura dentro do cilindro, (BAÊTA, 2006).

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Blowdown: É a abertura da válvula de descarga durante a expansão dos gases. A pressão dentro do cilindro ainda é alta e a diferença entre a pressão do cilindro e a pressão ambiente faz com que os gases da combustão sejam expelidos e a pressão no cilindro diminui bruscamente. Esses gases ainda possuem muita entalpia, o que reduz a eficiência do ciclo térmico, (BAÊTA, 2006). Quarto tempo – Exaustão: Quando o pistão atinge o PMI ainda existe uma quantidade de gases no cilindro aproximadamente a pressão atmosférica. Como a válvula de exaustão permanece aberta o cilindro expulsa esses gases remanescentes da combustão durante seu percurso do PMI para o PMS, restando somente o volume da câmara de combustão ocupado por esses gases. No final do tempo de exaustão, a válvula de admissão começa a se abrir e a válvula de exaustão a se fechar. Esse tempo em que as duas válvulas estão abertas ao mesmo tempo é chamando de cruzamento de válvulas. Isso ajuda na troca dos gases remanescentes da combustão por mistura fresca vinda da válvula de admissão. Ao final da exaustão o ciclo se reinicia, (BAÊTA, 2006). A figura 2.4 mostra um motor ciclo OTTO de quatro tempos.

Figura 2.4- Vista em corte de um motor ciclo OTTO OTT O de quatro tempos ( www.automobil.com.br www.automobil.com.br). ).

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2.3.3 Ciclo Otto real de dois tempos. O ciclo de quatro tempos exige duas rotações no eixo de manivela para cada curso motor. Com o objetivo de aumentar a potencia de motores do mesmo porte e simplificar o sistema de válvulas, DUGALD CLERW idealizou em 1978 o ciclo de dois tempos. Este ciclo adapta-se indiferentemente aos motores ignição por e ignição por compressão, mas o sucesso de seu emprego tem sido maior com o segundo (OBERT, 1971). No PMS, pode ocorrer (conforme o caso) a injeção de combustível pulverizado em uma atmosfera de ar comprimido em altas temperaturas, ou a ignição por centelha de uma mistura de combustível, pondo em liberdade a energia necessária para o curso motor que segue. Quase no fim deste curso, o embolo descobre uma janela existente na parede do cilindro, permitindo que a quase totalidade dos produtos da combustão escapem para o coletor de descarga. Imediatamente após, ainda no curso motor, uma segunda janela é descoberta pelo embolo, sendo o ar (ou a mistura ar-gasolina) forçado para dentro do cilindro. Ocorre neste momento a chamada “lavagem cruzada”. Defletores colocados na cabeça do embolo, impedem que a mistura fresca (ar ou mistura aspirada) encontre a passagem direta para a janela de descarga, enquanto os gases resultantes da queima são expulsos de dentro do cilindro. O curso de subida é o de compressão. O ciclo completo é executado enquanto o eixo de manivela da uma volta (OBERT, 1971). As figuras 2.5 e 2.6 ilustram respectivamente o princípio de funcionamento do motor de dois tempos e a vista em corte de um motor simples de dois tempos.

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Figura 2.5- Ciclo de dois tempos com ignição por po r centelha ( www.automobil.com.br www.automobil.com.br). ).

Figura 2.6- Vista em corte de um motor simples de dois tempos ( www.automobil.com.br www.automobil.com.br). ).

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2.4 Componentes do motor de combustão interna. 2.4.1 Bloco do motor. Peça base do motor onde são usinados os cilindros ou furos para a colocação destes (bloco com camisa). O material utilizado, na maioria das vezes, para fabricação do bloco motor é o ferro fundido cinzento, que apresenta baixo custo e boa atenuação de vibrações (TAYLOR, 1976). Outro material empregado na construção de blocos é o Alumínio, este mais leve e com melhores propriedades dissipadoras, mas de preço mais elevado. Resistindo pior ao atrito dos pistões os blocos de alumínio têm os cilindros normalmente revestidos com camisas de aço (WIKIPEDIA). Na parte inferior do bloco motor estão os alojamentos dos mancais do eixo virabrequim, e ainda os pontos para fixação do cárter. Os pontos de fixação restantes no bloco motor são para acoplamento dos componentes periféricos: suportes, filtro de óleo, bomba d´água, bomba de óleo, alternador, motor de partida, bomba de direção hidráulica, dentre outros componentes. O material deve tambem permitir a moldagem de todas as aberturas e passagens indispensáveis, como também suportar as elevadas temperaturas geradas pela deflagração do combustível no interior do bloco e permitir a rápida dissipação do calor. No interior do bloco existem também cavidades tubulares através das quais circula a agua de arrefecimento, bem como o oleo lubrificante (WIKIPEDIA). As figura 2.7 e 2.8 ilustram respectivamente o formato típico de um bloco motor e um bloco feito de alumínio.

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Figura 2.7- Ilustração de um bloco motor com 4 cilindros. (fonte: www.whbrasil.com.br www.whbrasil.com.br). ).

Figura 2.8- Bloco de um motor de 4 cilindros de alumínio(WIKIPEDIA).

2.4.2 Cabeçote. MARTINELLI, 1998 define o cabeçote como sendo a parte acoplada ao topo do bloco motor, sendo responsável por formar, juntamente com a cabeça do pistão, a câmara de combustão. O cabeçote ainda é composto por galerias para circulação do fluido de arrefecimento e óleo de lubrificação, dutos para acoplamento das válvulas de admissão e descarga, bem como furos roscados para fixação das velas de ignição (ciclo Otto) ou bicos injetores (ciclo Diesel). 11

Freqüentemente é utilizada uma liga de alumínio fundido para a fabricação do cabeçote. Esta escolha é em virtude da boa condutividade térmica e adequadas propriedades mecânicas oferecidas pela liga (TAYLOR, 1976). A figura 2.9 ilustra o formato típico de um cabeçote.

Figura 2.9- Formato típico de um cabeçote ( www.oficinabrasil.com.br www.oficinabrasil.com.br). ).

2.4.3 Cárter. Este componente este localizado na parte inferior do bloco motor, sendo acoplado ao mesmo, na maioria das vezes, por meio de parafusos de fixação. O cárter tem a função de armazenar o óleo do motor, proteger a parte de baixo do motor contra impactos 12

externos, assegura a lubri icação das partes móveis do motor e prot ge a cambota e bielas das agressões do ext rior. O cárter ainda pode ter a função estrut ral, enrijecendo o bloco motor, e de atenu ção de vibrações mecânicas do conjunto, quando fabricado em alumínio. Num motor de dois tempos o cárter está selado pois, com a subida do pistao, tem que se criar u

vácuo que leve à entrada de nova quantidade de mistura

ar/combustível. Quanto o istão sobe, a mistura passa da zona do cárte para o cilindro. Distintamente dos motores de quatro tempos o óleo do motor não está no cárter, sendo misturado com o combustível e o ar proporcionando assim a lubrifi ação das partes móveis (ARIAS_PAZ, 1970). A figura 2.10 apresenta o desenho de u carter de motor quatro tempos.

Figura 2.10- car er de um motor de quatro tempos ( www.automobil.c m.br m.br). ).

2.4.4 Pistão. O pistão é uma peça cilíndrica normalmente feita de alumínio ou liga e alumínio, que se move longitudinalmente no interior do cilindro dos motores de explosão, considerado a parte móvel da câmara de combustão, que é complementada pelo cabeçote. O pistão tem a forma de um copo cilíndrico invertido sendo a superfície direccionada para a câmara de combustão denominada fundo ou cabeça do pistão. A parte média, é normalmente chamada de orpo, onde existem dois orifícios circulares alojar o eixo do pistão que o une à biela. A parte mais afastada da cabeça é denominada a calça ou saia do pistão. Este component recebe a força de combustão da mistura ar + combustível, 13

transmitindo-a a biela por meio de um pino de aço (pino do pistão). A localização excêntrica dos pinos do pistão em relação à linha de centro do mesmo pode minimizar a vibração e o desgaste decorrente do funcionamento deste componente em atrito com a parede do cilindro (TAYLOR, 1976). Segundo (BARROS e BAETA, 2005) são funções dos pistões: -Suportar forças laterais e axiais; -Selar a câmara de combustão; -Auxiliar na dissipação de calor que o pistão recebe após a combustão; -Guiar a biela dentro do cilindro.

A tabela 2.1 ilustra a faixa das principais proporções do pistão sugerida por (BARROS e BAETA, 2005). Tabela 2.1 – Parâmetros geométricos de pistão para os motores ciclo Otto (BARROS e BAETA, 2005).

Descrição

Unidade Valor

Diâmetro, D

mm

65 a 105

Altura/Diâmetro, GL/D

-

0,6 a 0,7

Altura de Compressão/ Diâmetro, KH/D

-

0,3 a 0,45

Diâmetro do Pino do pistão/ Diâmetro, BO/D

-

0,20 a 0,26

Rebaixo de queima, F

mm

2a8

Posição 1º anel/ Diâmetro, St/D

-

0,040 a 0,055

Altura de rasgo do 1º anel

mm

1,0 a 1,75

Altura da saia/Diâmetro, SL/D

-

0,4 a 0,5

Largura de encaixe da biela/ Diâmetro, AA/D

-

0,20 a 0,35

Espessura da parede da cabeça/Diâmetro

-

0,06 a 0,10

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A figura 2.11 ilustra alguns dos parâmetros listados na tabela 2.1.

Figura 2.11- parâmetros geométricos de um pistão (BARROS e BAETA, 2005).

Os pistões devem ter baixo coeficiente de expansão térmica e uma boa condutividade térmica, para dissipar bem o calor gerado pela queima do combustível dentro do cilindro. Materiais típicos utilizados na fabricação de pistões são ligas de Al-Si, que podem ser fundidas, forjadas ou até mesmo usinadas. Estes componentes podem, ainda, receber diversos revestimentos, para garantir uma redução no desgaste e melhorar suas propriedades térmicas: -Zinco; -Grafite; -Anodização Pura; -Cerâmica; A figura 2.12 ilustra um pistão de motor automotivo.

Figura 2.12- Pistão de motor automotivo ( www.oficinabrasil.com.br www.oficinabrasil.com.br). ).

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2.4.5 Anéis de Segmento. Os anéis de segmento estão inseridos em dois ou três canais, localizados na cabeça do pistão. Pode-se dizer que as principais funções dos anéis são: evitar o vazamento de gás de dentro do cilindro (blow-by) e ainda auxiliar na lubrificação do cilindro e pistão. (TAYLOR, 1976). Os anéis de segmento são significativas fontes de perda de energia por atrito. A força de atrito é devido à carga tangencial que o anel exerce sobre a parede do cilindro e também devido à pressão do gás que passa pelos canais entre o anel e o êmbolo (TAYLOR, 1976). Estima que os anéis de segmentos sejam responsáveis por cerca de 20% do atrito das partes móveis do motor (BARROS, 2005). Os anéis de pistão (figura 2.13) são peças muito importantes para o perfeito funcionamento do motor. Estas peças de forma circular são fabricadas com uma liga de aço-carbono com um teor de carbono bem elevado, o que da dureza a esses componentes, com certa fragilidade. Os anéis de segmentos, assim conhecidos também, são geralmente divididos em três tipos. Com finalidades diferentes e envoltas ao pistão, o primeiro tipo de anel que fica quase na cabeça do pistão tem a função de conter a pressão gerada pela explosão nos cilindros e evitando a perda de pressão na hora do segundo tempo do motor chamado de compressão. O segundo anel mais abaixo do primeiro tem duas funções, uma de ajudar a reter a compressão como o primeiro e outra de criar uma película de óleo quando o mesmo raspa as paredes internas do cilindro. O terceiro anel tem a função de raspar o excesso de óleo e criar uma fina película de lubrificação para que os outros anéis tenham o mínimo de atrito evitando o desgaste entre anéis e cilindro. As posições de colocação dos anéis nos pistões também obedecem a uma ordem por que os graus e geometria de cada anel estão para cada função que ele exerce (www.infomotor.com.br (www.infomotor.com.br). ).

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Figura 2.13- Anéis de segmento (www.infomotor.com.br ( www.infomotor.com.br). ).

2.4.6 Biela. A biela no motor de combustao interna (figuras 2.14 e 2.15), é a peça responsavel por transmitir ou transformar o movimento rectilíneo alternativo em circular contínuo. A cabeça (a parte mais larga) é apertada à cambota (eixo de manivela) por meio de parafusos e a extremidade oposta é trancada pela cavilha do êmbolo, no interior da saia do pistao. Enquanto esta extremidade se desloca para cima e para baixo (solidária com o movimento do pistão), a cabeça descreve um movimento circular. Algumas bielas dispõem de uma cabeça com ligação oblíqua, facilitando o acesso durante a montagem e desmontagem do motor (MARTINELLI, 1998).

Figura 2.14 – Ilustração de uma biela, juntamente j untamente com suas principais partes ( Barros e Baeta, 2005).

A razão do comprimento da biela pelo raio da manivela deve ser de 3,33 a 5 de forma a minimizar o ruído interno do motor (Valores para Ciclo Otto). Os materiais típicos para 17

a fabricação da biela são: ferro fundido nodular, aço forjado e ainda bielas especiais em Titânio (necessidade de uso de casquilhos). Este componente pode ser fabricado por fundição, sinterização e forjamento, com posterior etapa de usinagem. (BARROS, 2005).

Figura 2.15- Biela de um motor de combustão co mbustão interna (www.automobil.com.br ( www.automobil.com.br). ).

2.4.7 Virabrequim. Eixo virabrequim ou árvores de manivelas (figura 2.16) e´o componente do motor para onde é transferida a força da explosão ou combustão do carburante por meio da cabeça da biela (que, por sua vez, se liga com o êmbolo), transformando a expansão de gás em energia mecanica (MARTINELLI, 1998). Na extremidade anterior do virabrequim encontra-se uma roldana responsável por fazer girar vários dispositivos como por exemplo, bomba da direção hidráulica, bomba do arcondicionado,bomba de água etc. Na outra extremidade encontra-se o volante do motor, que liga à caixa de velocidades — cuja força-motriz será transmitida ou não, consoante a pressão da embreagem (www.oficinabrasil.com.br (www.oficinabrasil.com.br). ). (BARROS e BAETA, 2005) relacionam importantes características geométricas que dizem respeito ao eixo virabrequim: -O curso do pistão é determinado pelo braço do virabrequim, ou seja, a distância entre os centros dos moentes e dos munhões. -A definição do ângulo das manivelas é dada pelo número de cilindros do motor e garante uma melhor distribuição das forças aplicadas sobre o eixo. -A redução de forças inerciais minimiza os esforços sobre mancais, bloco motor e bronzinas.

18

-Uma maior área de contato nos mancais do eixo virabrequim auxilia na redução das tensões aplicadas sobre o eixo. -Os contrapesos auxiliam no balanceamento das forças inerciais, provocadas devido ao movimento alternativo de bielas-pistões e rotativo do eixo virabrequim. Reduz ainda os esforços sobre o mancal central. -Arredondamento ( gola ) nas bordas dos mancais é necessário para alívio de tensões. A presença de furos comunicantes ao longo do eixo virabrequim tem o intuito de aumentar a circulação de óleo/lubrificação nos mancais fixos e móveis. Porém, deve-se evitar a localização destes furos de óleo nas proximidades de filetes ou cantos vivos, devido à grande concentração de tensão que pode ser gerada (TAYLOR, 1976). Os materiais típicos na fabricação dos eixos virabrequim são: aço forjado, ferro fundido (nodular ou cinzento). Sendo a utilização de aço forjado recomendada para motores de alta potência específica. (TAYLOR, 1976).

Figura 2.16- Eixo de manivela ( www.imp.ufsc.com.br www.imp.ufsc.com.br). ).

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A figura 2.17 apresenta o principio de funcionamento do virabrequim.

Figura 2.17- Principio de funcionamento do virabrequim ( www.automobil.com.br www.automobil.com.br). ).

2.4.8 Válvulas. São dispositivos mecânicos que permitem a entrada da mistura ar/combustível (válvula de admissão) e a saída (válvula de escape) dos gases provenientes da combustão da mistura. (MARTINELLI, 1998). São responsáveis por proporcionar um correto assentamento com a sede de válvulas, de forma garantir uma boa vedação do cilindro, não deixando escapar a pressão originada da combustão da mistura. (TAYLOR, 1976). As válvulas devem possuir uma dureza suficientemente alta, capaz de assegurar uma boa resistência ao impacto, devido à alta velocidade de trabalho e contato com a sede de válvulas. É comum encontrarmos revestimentos sobre o metal base da válvula, tais como: nitretos e cromo. (TAYLOR, 1976). 20

A válvula (figura 2.18) é constituída por uma cabeça em forma de disco (1) na imagem da figura (2) fixa a uma haste cilíndrica (2). A haste desliza dentro de uma guia (7) constituída por metal que provoque reduzida fricção( por. ex. ferro fundido, bronze). O topo da haste está em contacto mecânico com um impulsor (4) que, accionado pelo excêntrico (5) da árvore de cames, provoca a sua abertura e a consequente entrada ou saída dos gases do motor. Uma mola (3) assegura que a válvula regressa à sua posição de fecho mas deixe de haver pressão mecânica para a sua abertura. Em alguns motores este regresso da válvula à sua posição de repouso sobre o assento, também chamado "sede", da válvula (6) é conseguido por comandos pneumáticos e não mecânicos (WIKIPEDIA).

Figura 2.18- Sistema de funcionamento de um sistema de valvulas(WIKIPEDIA).

2.4.9 Eixo de Comando de Válvulas. O eixo de comando de válvulas (figura 2.19) tem como função principal realizar a abertura das válvulas de admissão e escape, respectivamente, nos tempos de aspiração da mistura ar e combustível e descarga dos gases após o efeito da combustão. Esta abertura é possibilitada por meio de ressaltos (cames), ao longo de sua extensão (MARTINELLI, 1998). Este componente é acionado pelo eixo de manivelas através de engrenagem, corrente e ainda, correia dentada. É considerado ainda uma peça fundamental do trem de válvulas do motor, ou seja, todo o conjunto que realiza a abertura e fechamento de válvulas, 21

compreendido por: tuchos, haste ou não, balancins, calço de válvulas, válvulas e eixo de comando de válvulas (MARTINELLI, 1988).

Figura 2.19- Eixo comando de válvula (www.oficinabrasil.com.br ( www.oficinabrasil.com.br). ).

A figura 2.20 mostra os diversos componentes de um motor de combustão interna.

Figura 2.20- Detalhes do motor de combustão interna ( www.automobil.com.br www.automobil.com.br). ).

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2.5 Combustões em um motor de combustão interna. Motores de combustão interna também são popularmente chamados de motores a explosão. Esta denominação, apesar de freqüente, não é tecnicamente correta. De fato, o que ocorre no interior da câmara de combustão não é uma explosão de gases, é uma combustão (queima controlada com frente de chama) ou deflagração. O que pode-se chamar de explosão (queima descontrolada sem frente de chama definida) é uma detonação dos gases, que deve ser evitada nos motores de combustão interna, a fim de proporcionar maior durabilidade dos mesmos e menores taxas de emissões de poluentes atmosféricos provenientes da dissociação de gás nitrogênio gerados durante a queima descontrolada. Ela ocorre quando um resto de combustível no final da combustão tem sua temperatura e pressão elevada a ponto de se auto-ignitar. Essa queima não controlada do combustível gera um ruído característico (conhecido como batida de pino apesar de nenhum pino bater, o ruído é proveniente da ressonância da câmara de combustão transmitida ao bloco) e eventualmente dano mecânico ao motor (ARIAS_PAZ, 1970). A taxa de compressão do motor ciclo OTTO, juntamente com a octanagem do combustível e a temperatura de operação do motor sao os responsáveis por definir o limite de detonação(ARIAS_PAZ,1970). Nos motores de combustão interna por centelha, a mistura ar e combustível é formada, em geral, nos dutos do coletor de admissão, passando pela válvula de aspiração e se misturando com o gás residual da combustão anterior. Em condições normais de funcionamento, ao final da fase de compressão é dada a centelha iniciando o processo de aumento de temperatura e pressão da mistura, ou seja, a combustão dos gases. (HEYWOOD, 1988).

2.5.1 Períodos da Combustão. Segundo (HEISLER, 1995), a combustão em um motor ciclo Otto, se processa em três fases: -Período de atraso; 23

-Período de elevação da pressão (propagação da chama); -Período pós-combustão. Período de atraso – essa fase compreende o momento em que uma centelha elétrica cruza os eletrodos das velas e o instante em que uma chama é formada, liberando a energia em forma de calor que irá realizar a combustão da mistura ar combustível admitida pelo motor. O momento em que essa fase se encerra pode ser visualizado no gráfico da Figura 2.21, onde a elevação de pressão com combustão se desgarra do gráfico da pressão em ciclo motor, sem combustão. A duração dessa fase, segundo (HEISLER, 1995) é de tipicamente 1-2 ms, o que corresponde a 15-30º do virabrequim com o motor a 2.500 RPM. A variação desse tempo depende de diversos fatores que também influenciam o momento em que a centelha é gerada (avanço de ignição): -Temperatura da chama gerada pela vela de ignição; -Propriedades do combustível; -Pressão e temperatura ao qual a mistura ar combustível foram comprimidas; -Relação ar combustível admitida; -Perfeição com que a mistura foi preparada. Período de Propagação da chama – compreende a formação da frente de chama até o pico máximo de pressão no interior dos cilindros, que geralmente ocorre entre 10 e 20º após o Ponto Morto Superior (PMS). Essa fase da combustão é a responsável pela efetiva realização de trabalho, sendo importante o seu correto posicionamento frente aos ângulos do virabrequim, de forma a aproveitar ao máximo a energia resultante do aumento da pressão no interior dos cilindros (HEISLER, 1995). A duração da propagação da chama é relativamente constante com relação ao ângulo do virabrequim. Essa informação é chave no momento de se determinar as curvas de avanço de ignição em função da rotação do motor. Um motor que funcione mais rápido necessitará maior antecedência na centelha, de modo que o pico máximo de pressão aconteça em um momento adequado. Segundo (HEISLER, 1995), a duração da propagação da chama depende da riqueza da mistura ar combustível queimada, além de outros fatores como rotação do motor, geometria da câmara de combustão, posição da 24

vela de ignição e da própria velocidade da combustão que, por sua vez é dependente da temperatura, turbulência e combustível que está sendo queimado. Período de Pós-combustão – após a frente de chama atingir as paredes dos cilindros, ainda existe cerca de 25% da mistura a ser queimada (HEISLER, 1995). Nessa fase da combustão a pressão já passou pelo seu máximo valor e o movimento de descida do pistão faz com que a pressão decaia, tornando mais difícil a reação do oxigênio com a gasolina. Uma das características dessa etapa é a grande perda de energia para os componentes do motor, energia essa dissipada para o sistema de arrefecimento, lubrificação ou em forma de calor para os gases de escapamento. O gráfico da Figura 2.21 ilustra as três fases da combustão, onde se pode verificar nesse exemplo que o momento da centelha ocorre 20º antes do PMS e pico de pressão a cerca de 16º após o PMS.

Figura 2.21 – As três fases da combustão em um motor ciclo Otto – adaptada de (HEISLER, 1995).

2.5.2 Desenvolvimento da Pressão no Interior dos Cilindros. Dentro dos cilindros de um motor de combustão interna, uma centelha elétrica proveniente de uma vela de ignição promove a queima da mistura ar combustível admitida, iniciando o processo de combustão. A combustão promove a elevação da temperatura e pressão no interior do cilindro que, sendo empurrado para baixo, tem seu movimento retilíneo transformado em rotacional por intermédio do eixo de manivelas (virabrequim). Essa pressão é influenciada por diversos fatores, sendo que o próprio deslocamento descendente do pistão contribui fortemente para a sua redução após o 25

momento de pressão máxima decorrente da combustão ocorrida no cilindro (HEISLER, 1995). Segundo (HEISLER, 1995), uma informação de interesse especial é o trabalho feito sobre o pistão dividido pelo volume do deslocamento do mesmo. Essa quantidade tem as dimensões de pressão e corresponde à pressão constante que se fosse exercida sobre o pistão durante todo o deslocamento motor do PMS ao PMI, que fornece trabalho idêntico ao realizado pelo ciclo, e é conhecida como pressão média efetiva. No gráfico da Figura 2.22, pode-se visualizar a pressão no interior de um cilindro, onde o tracejado corresponde à pressão sem a ocorrência de combustão.

Figura 2.22 – Desenvolvimento da pressão no interior de um cilindro, com e sem combustão-adaptada de (HEISLER, 1995).

Desse gráfico é possível extrair importantes informações: -A aproximadamente 15º antes do ponto morto superior (representado pelo ângulo zero do virabrequim), nota-se que o gráfico da pressão com combustão se destaca, determinando uma elevação da pressão; -Ao ultrapassar o PMS, a pressão continua a crescer devido à combustão que ainda está ocorrendo;

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-A pressão máxima é atingida entre 10 e 20º depois do ponto motor superior. Nesse ponto a combustão está praticamente completa, e o movimento de descida do pistão acompanha a expansão do volume, com conseqüente queda na pressão; -Com relação à transferência de trabalho, nota-se que enquanto o gráfico com combustão supera o gráfico sem combustão, trabalho está sendo transferido para o motor. Por outro lado, nos tempos de exaustão, admissão e compressão são necessários fornecer trabalho ao sistema; -Embora a pressão entre 15º antes e o PMS seja superior ao do ciclo motor, sem combustão, essa mesma pressão demandará trabalho para que a fase de compressão vença essa resistência até atingir o PMS, representando perdas por bombeamento. Ainda segundo de (HEISLER, 1995), fica evidente que é desejável a maior pressão possível após o ponto Morto Superior, de forma a aproveitar ao máximo a energia oriunda da queima. Essa pressão também deve ter seu comportamento tal que a força seja aproveitada ao máximo, considerando o ângulo formado pelo conjunto biela e virabrequim. Esse ângulo influi na decomposição das forças, determinando as forças resultantes que irão efetivamente rotacionar o virabrequim e as que irão provocar vibrações indesejáveis à operação do motor.

2.5.3 O Avanço de ignição ideal. A combustão deve ocorrer perto do PMS para que se obtenha o máximo de torque e potência, desse modo, o instante em que a centelha é gerada é importante para o rendimento do motor. Devido às etapas de combustão descritas anteriormente, a centelha elétrica ocorre antes de o pistão chegar ao PMS, ou seja, na fase final de compressão. Devido a essa antecedência, o momento em que a centelha é gerada é denominado avanço de ignição, sendo medido em graus APMS, ou seja, antes do ponto morto superior. Esse momento depende de uma série de fatores (HEISLER, 1995): -Rotação do motor - rotações elevadas tornam o tempo de trajeto do pistão menor. Dessa forma, existe um tempo menor para o cilindro dissipar o calor da combustão. O aumento da velocidade do motor é superior ao aumento da velocidade de combustão, exigindo-se aumentar o avanço de ignição, para permitir uma queima eficiente da mistura;

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-Relação ar combustível admitida pelo motor - misturas pobres utilizadas em condições de baixa carga queimam em velocidades menores comparadas a situações de mistura rica. Desse modo, cargas altas - misturas ricas - demandam um atraso na ignição, o que corresponde a um avanço menor -Composição do combustível - as características do combustível determinam a taxa de compressão a que podem ser submetidas sem o risco da ocorrência de detonação. Essas características, representadas pela octanagem do combustível, influem no avanço de ignição na medida em que combustíveis de maior octanagem permitem um maior avanço de ignição, garantindo maiores pressões após a combustão, ao passo que combustíveis de menor octanagem exigem um avanço mais conservador. Modernamente, sensores detectam a condição de detonação, proporcionando um controle do avanço em tempo real, o que garante um alto rendimento sem a ocorrência de detonação.

2.5.4 Produtos da combustão. Quando a combustão de hidrocarbonetos é completa, os resíduos da queima são vapor de água (H2O) e gás carbônico (CO2). A presença de Enxofre provoca a formação de dióxidos desse elemento químico (SO2) (HEYWOOD, 1988).

2.5.5 Combustão incompleta. Em um motor de combustão interna a combustão não é completa, e outros resíduos são gerados, como Monóxido de Carbono (CO), Hidrocarbonetos (HC) e Óxidos de Nitrogênio (NOX). Os Hidrocarbonetos são gerados especialmente devido às paredes internas do motor que resfriam a camada de mistura carburada, tornando mais lenta à combustão. Os Óxidos de Nitrogênio são formandos por sua vez devido a elevadas pressões e temperaturas que o Oxigênio e o Nitrogênio do ar atingem no interior do motor (HEYWOOD, 1988).

2.5.6 Situações adversas da combustão. Determinadas condições de operação do motor podem dar origens a situações indesejáveis de queima, na qual podem ocorrer problemas tais como: perda de 28

rendimento, consumo elevado, maior emissão de gases poluentes e redução na vida útil do motor (HEISLER, 1995). Dois fenômenos merecem ser estudados mais detalhadamente - a detonação e a préignição, visto que influenciam bastante o processo de combustão.

2.5.7 Detonação. Quando ocorre a centelha da vela, uma frente de chama é formada, elevando rapidamente a pressão no interior da câmara de combustão. A detonação ocorre quando essa elevação provoca uma nova onda de pressão em algum local, devido ao surgimento da queima da mistura. A elevação de pressão provoca o surgimento de pontos de combustão, conforme se pode ver na seqüência da Figura 2.23.

Figura 2.23– Seqüência de fotos onde se pode verificar o fenômeno da detonação (www.mech-eng.leeds.ac.uk/res-group/combustion).

Segundo (HEISLER, 1995) a detonação decorre da auto-ignição do gás na extremidade, que é aquela parte da mistura ar combustível admitida que ainda não foi atingida pela frente de chama. A elevação da pressão e temperatura devido à expansão dos gases 29

queimados é tamanha que provoca o fenômeno. Esse fenômeno indesejável traz prejuízos à queima devido aos esforços desordenados gerados no interior do cilindro, que podem inclusive gerar ruídos metálicos, denominados batidas de pino. Esses ruídos decorrem de vibrações nas paredes dos cilindros, provocadas pelas intensas ondas de pressão da mistura. A intensidade e freqüência desse ruído dependem da intensidade do fenômeno, temperatura e geometria do motor. Sistemas eletrônicos de gerenciamento, por intermédio de sensores apropriados acoplados ao bloco do motor, detectam a ocorrência do fenômeno. A detonação pode ser causada por combustível inadequado, temperatura muito elevada ou sistema de ignição regulado inadequadamente. É possível eliminar ou atenuar a detonação retardando o atraso da ignição. Nesse caso a pressão no interior dos cilindros é ligeiramente menor, o que acaba por impedir a formação de novas frentes de chama. Se permanecer durante longos períodos, além da queda no rendimento e ruído, o fenômeno da detonação traz sérios danos ao motor, em especial aos pistões.

2.5.8 Pré-ignição. Segundo (HEISLER, 1995), pré-ignição é a ignição da carga admitida (ar +combustível) antes de ocorrer a centelha. Também denominada ignição de superfície, a principal fonte de pré-ignição são superfícies quentes, ou seja, a presença de um ponto quente no interior da câmara, dando origem a uma frente de chama independente da centelha da vela de ignição. A pré-ignição tem geralmente as origens em impurezas de carvão e válvulas ou velas incorretas. Um motor carbonizado costuma apresentar problemas de pré-ignição na medida em que o carvão depositado na cabeça do pistão, válvulas e sedes de válvulas agem como pontos quentes, dando origem a frentes de chama anteriores à combustão provocada pela vela de ignição. O fenômeno é muito confundido com a detonação, embora tenha características e momento de ocorrência bastante distinta. No entanto, quando se tem detonação severa e prolongada, os pontos da vela ou as partículas de carbonos podem ser aquecidos a ponto que provoquem a pré-ignição. Esse fenômeno pode ser ilustrado no gráfico da figura 2.24, onde se verifica as zonas de préignição em função da taxa de compressão e relação ar combustível.

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Figura 2.24 – Zonas de pré-ignição (MARTINS, 2005).

O ponto de ignição mais atrasado possível é determinado pelo limite de combustão ou pela máxima temperatura permitida dos gases de escape, e o ponto de ignição mais adiantado possível pelo limite de detonação. O ponto de ignição influencia o torque, as emissões de gases de escape e o consumo de combustíveis ( BOSCH, 2005). Em geral, o instante no qual se comanda a ignição corresponde ao ponto no qual a pressão é cerca da metade da pressão obtida no PMS (GIACOSA, 2004). O efeito do trabalho perdido quando o ângulo de ignição está atrasado ou adiantado em relação ao ponto ideal pode ser visto na Figura 2.25.

Figura 2,25 Efeito no avanço de ignição no diagrama PV (GIACOSA, ( GIACOSA, 2004).

31

2.6 Vibrações. A vibração é uma resposta repetitiva, periódica ou oscilatória de um sistema mecânico. A taxa dos ciclos de vibração é chamada de "freqüência". Movimentos repetitivos que são um tanto limpa e regular, e que ocorrem em freqüências relativamente baixas, são comumente chamados de oscilações, enquanto qualquer movimento repetitivo, mesmo em altas freqüências, com amplitudes baixas, ter um comportamento irregular e aleatório cai na classe geral de vibração. No entanto, os termos "vibração" e "oscilação" são muitas vezes utilizados de forma indiscriminada. Vibrações podem ocorrem naturalmente em um sistema de engenharia e pode ser representante de sua livre e comportamento dinâmico natural. Além disso, as vibrações podem ser forçadas em um sistema através de alguma forma de excitação. As forças de excitação podem ser geradas internamente dentro do sistema dinâmico, ou transmitida ao sistema através de uma fonte externa. Quando a freqüência da excitação coincide com a do movimento natural, o sistema irá responder de forma mais vigorosa, com aumento de amplitude. Esta condição é conhecida como ressonância, e a freqüência associada, e chamada de freqüência de ressonância. Há "boas vibrações", que servem a um propósito útil. Além disso, existem "más vibrações", que podem ser desagradáveis ou prejudiciais. Para muitos sistemas de engenharia, operação de ressonância seria indesejável e pode ser destrutivo. Supressão ou eliminação de vibrações ruins e geração de formas desejadas e os níveis de vibração boa são os objetivos gerais da engenharia de vibração (SILVIA CLARENCE, 2000).

2.6.1 Sinais de vibrações e ruídos. Acelerômetros, microfones, auto falantes, exitadores eletrodinâmicos, dentre outros, são usados para transformar sons ou vibrações em um sinal analógico elétrico ou vice-versa. Os sinais elétricos contem todas as informações sobre o fenômeno físico, mas precisa ser colocado em uma forma apropriada para análise. A representação da amplitude instantânea como função do tempo raramente permite tirar conclusões aplicáveis a solução de um problema. Por isso foram desenvolvidas outras formas de análise, como a análise no domínio da freqüência, onde as amplitudes são funções da freqüência, e a análise estatística, que pode ser feita tanto no domínio do tempo quanto da freqüência. Para a maioria dos objetivos, a análise no domínio da freqüência tem se mostrado ser mais útil (GERGES, S. N. Y. 2005). 32

Ruídos são vibrações senoidais criadas pelas vibrações mecânicas em virtude de variação de pressão ou velocidade das moléculas num determinado meio. O som é a forma de energia que transmitida (GERGES, S. N. Y. 2005). A análise de um sistema de vibração pode ser feito tanto no domínio do tempo ou da freqüência. No domínio do tempo, a variável independente de um sinal de vibração é o tempo. Neste caso, o próprio sistema pode ser modelado como um conjunto de equações diferenciais em relação ao tempo. No domínio da freqüência, a variável independente de um sinal de vibração é a freqüência. Neste caso, o sistema pode ser modelado por funções de transferência entrada-saída que são algébricas, em vez de diferencial. Os dois domínios estão conectados pela transformada de Fourier, que pode ser tratado como um caso especial da transformação de Laplace (SILVIA CLARENCE, 2000). A Figura 2.26a mostra um registro no tempo de uma medição realizada em um rotor. O sinal tem características de difícil interpretação. O espectro em freqüência mostrado na Figura 2.26b, entretanto, apresenta uma clara predominância de uma determinada freqüência em relação às demais. (Isto pode ser utilizado para identificar a causa da vibração, por exemplo: a velocidade de rotação do rotor é igual à freqüência predominante).

Figura 2,26 Registro da vibração e espectro (Transformada de Fourier)

2.6.2 Vibrações na área automotiva. Os veículos são projetados pela incorporação de engenharia de vibração, não só para garantir a integridade estrutural e operacionalidade funcional, mas também para

33

alcançar necessários níveis de qualidade de passeio e conforto (SILVIA CLARENCE, 2000). O veiculo automotor é um sistema extremamente complexo, em se tratando de fontes geradoras de vibrações e ruídos. Isso porque as vibrações e ruídos emitidos pelo veiculo é o resultado da contribuição de varias fontes que atuam de forma simultânea, transmitidas de suas origens. Estas características dificultam, na maioria das vezes, uma análise individual das fontes em relação às questões legislativas, no sentido de se conhecer a contribuição de cada uma no resultado externo global (GERGES, S. N. Y. 2005). De modo geral, (GERGES, S. N. Y. 2005) considera que as principais fontes de vibrações e ruídos externos podem ser classificadas como: -Vibrações e ruídos provenientes do motor. -Vibrações e ruídos da caixa de cambio. -Ruídos provenientes do sistema de aspiração. -Ruídos provenientes do sistema de exaustão. -Vibrações e ruídos provenientes dos pneus.

2.6.3 Vibrações e ruídos provenientes do motor. Do ponto de vista da fonte geradora de vibração, os veículos podem ser classificados pelo seu peso, capacidade ou potência tais como: veículos comerciais pesados, veículos comerciais leves, veículos de serviço publico, veículos pequenos, veículos grandes e veículos de grande performance. A vibração gerada depende do tipo de veiculo e de seu comportamento. O motor, devido as suas características construtivas e funcionais, conforme visto na figura 2.27, é sem duvida nenhuma à principal fonte de vibração e ruído do veiculo, pois, é através do motor que as vibrações e ruídos são transmitidos para a carroceria e conseqüentemente sentidos pelos ocupantes do automóvel. As vibrações totais proveniente do motor podem ser divididas, basicamente em dois grandes grupos (GERGES, S. N. Y. 2005):

34

-Vibração devido ao processo de combustão. -Vibração devido às forças mecânicas.

Figura 2.27- Vista em corte de um motor ciclo OTTO de quatro tempos ( www.automobil.com.br www.automobil.com.br). ).

2.6.3.1 Vibrações devido ao processo de combustão. Nesse caso, a vibração é gerada devido à reação de explosão da mistura ar combustível sob altas temperatura e pressão no interior da câmera de combustão, provocada pela adição de calor em cada um dos cilindros (em motores de ciclo OTTO, a adição de calor é feita pela centelha elétrica da vela de ignição). O tipo de combustível utilizado tem influencia direta estabelecendo características particulares para esse tipo de vibração. Normalmente nos motores a diesel, devido sua elevada taxa de compressão, as vibrações são mais intensas em relação aos motores do ciclo OTTO (GERGES, S. N. Y. 2005). 35

2.6.3.2 Vibrações devido às forças mecânicas. Para esse tipo de vibração, que é considerado de menor influência em relação às vibrações geradas pela explosão dos gases, as contribuições mais importantes são dos pistões e válvulas. As vibrações provenientes dos pistões são causadas pelos impactos dos mesmos nas paredes dos cilindros, devidos seu movimento transversal ou inclinado. Já as vibrações geradas pelas válvulas podem ser causadas pelo contato metálico instantâneo entre as áreas de vedações das válvulas e sedes de válvulas durante a abertura e fechamento das válvulas, movidas pelas forças impulsivas gerada pela geometria excêntrica do eixo de comando de válvulas (GERGES, S. N. Y. 2005).

2.6.3.3 Vibrações induzidas pelo mecanismo – força de excitação reversível. As forças reversíveis F  são geradas pelo movimento do eixo virabrequim e mudam de direção segundo as características do motor produzindo forças de inércia, como mostra a figura 2.28. Essas forças contribuem para uma apreciável amplitude de vibração que aceleram os componentes do motor, que dependendo do valor das folgas entre seus componentes podem produzir impactos que induzem vibração na estrutura do motor (GERGES, S. N. Y. 2005). A equação que governa essa condição nesse instante é baseada no fato de que o movimento transversal é governado pela taxa de mudança da aceleração. Assim,

. .    =  ≈

(2.6)

 é aproximadamente constante enquanto os componentes se movimentam nas Onde: 

 ͌

folgas.

Para o estudo dos componentes que se movimentam de forma rotativa, considerando o torque produzido em função do ângulo do motor, a equação deste modelo é similar a apresentada anteriormente, mas introduzidas as considerações de aceleração angular e momento de inércia. Assim, 36

. .     =  ≈

(2.7)

O resultado da aceleração dos componentes através das folgas é o impacto produzido nos componentes do motor. A energia cinética transmitida na estrutura na forma de carga instantânea depende do tempo que os componentes se deslocam nas respectivas folgas. As aplicações destas folgas reversíveis produzem excitação na estrutura do motor (GERGES, S. N. Y. 2005).

Figura 2.28- forças reversíveis atuando sobre o pistão (GERGES, S. N. Y. 2005).

2.6.4 Estrutura do motor. Na análise de vibração e ruído na estrutura do motor, vê-se que as maiores fontes de vibrações e ruídos são produzidas pelas forças devido à combustão e as forças mecânicas. Essas forças ocorrem numa ampla faixa de freqüência e são transmitidas para a superfície externa do motor através de diversos caminhos; um deles é através do mecanismo pistão - biela - virabrequim - bloco do motor. Como resultado da atuação destas forças, as superfícies externas do motor ficam sujeitas a vibrações de diversas amplitudes (GERGES, S. N. Y., 2005).

37

Para se obter uma redução e controle do nível de vibração total da estrutura do motor, deve se reduzir a amplitude vibracional nessas superfícies. Esse controle através da modificação de sua estrutura é uma tarefa complexa e requer considerações de diversos aspectos da engenharia, tais como: o conhecimento de elementos finitos, análise modal, analise de amortecimento, análise de isoladores, análise de serie de tempo, entre outros. Novos desenvolvimentos estão sendo realizados para serem aplicados a problema típicos em motores. Um exemplo é a aplicação conjunta das técnicas analíticas e experimentais, para estudos de estruturas submetidas a altas amplitudes de vibrações (GERGES, S. N. Y. 2005).

38

3 METODOLOGIA A metodologia envolve o procedimento experimental para a realização de ensaios em motores de combustão interna, tais procedimentos envolvem equipamentos utilizados, instrumentação motor, equipamentos de aquisições de dados e os procedimentos de cálculos e tratamento dos dados experimentais.

3.1 Equipamentos e instrumentos utilizados nos ensaios. 3.1.1 Dinamômetro. No primeiro ensaio utilizou-se um dinamômetro hidráulico modelo FE 150s passivo, que é um dispositivo destinado a absorção e medição de potência produzida por uma fonte capaz de acioná-lo, no caso, o motor de combustão interna. Para que funcione, é necessário o suprimento de um fluxo de água contínuo, para absorver a energia mecânica gerada no processo. A figura 3.1 mostra a fotografia de um dinamômetro hidráulico (Borghi & Saveri Itália, 1999).

Figura 3.1 Dinamômetro hidráulico ( Borghi & Saveri Itália, I tália, 1999).

No segundo ensaio utilizou-se um dinamômetro elétrico W 130. Esse equipamento utiliza correntes magnéticas para frear o motor. A figura 3.2 mostra a fotografia de um dinamômetro elétrico (Borghi & Saveri Itália, 1999). 39

Figura 3.2 Dinamômetro elétrico ( Borghi & Saveri, 1999). 1999) .

3.1.2 Tacômetro digital. Esse instrumento foi utilizado para medir e aquisitar a rotação do motor. Essa mediçao foi feita na roda fonica (polia fixada na extremidade do eixo virabrequim). A figura 3.3 mostra o tacometro digital utilizado nos ensaios.

Figura 3.3 Tacômetro digital.

3.1.3 Vela de ignição instrumentada. Esse instrumento foi utilizado para medir a pressão de combustão do motor. A idéia inicial do trabalho era de coletar as pressões de combustões dos quatro cilindros, mas em virtude da não disponibilidade das velas, optou-se por medir a pressão de combustão do primeiro cilindro. A pressão dentro do cilindro é medida por um sensor instalado na vela de ignição, que é capaz de resistir às altas pressões e temperaturas dentro do 40

cilindro. A figura 3.4 mostra a vela de ignição instrumentada. Os valores de pressão no cilindro foram aquisitados e armazenados no Software INDICOM.

Figura 3.4 Vela de ignição instrumentada.

3.1.4 Equipamentos de aquisições de dados. Os aparelhos de aquisição de dados utilizados nos ensaios foram o Software LMS TEST LAB e o Software “INDICOM” da d a AVL.

3.2 Montagem experimental. Utilizou-se dois acelerômetros tri axiais fixados nos 1° e 5° mancais fixos do eixo virabrequim lado distribuição e transmissão respectivamente. Para implantação desses acelerômetros foi necessário a retirada do Carter para se ter acesso aos mancais. No próprio carter foi feito dois furos de forma a permitir a ligação, via fio, dos acelerômetros ao equipamento de aquisição de dados (LMS TEST LAB). Como forma de se evitar vazamento do óleo no período de funcionamento do motor, em virtude dos furos mencionados, utilizou-se uma pasta de silicone de alta perfomance para vedação de flange. A figura 3.5 mostra a montagens dos acelerômetros nos mancais fixos do virabrequim lado transmissão e distribuição. Utilizou se um 3° acelerômetro no bloco do motor junto ao sensor de detonação. A instalação deste ultimo sensor foi mais simples em relação aos dois primeiros, visto exigir apenas a fixação com cola especial na superfície do bloco.

41

Figura 3.5 Montagem dos acelerômetros nos mancais fixos lado l ado transmissão e distribuição.

Para instalação dos acelerômetros, como mostrado na figura acima, os mancais tiveram que ser removidos e usinados de forma a permitir a fixação dos sensores. Utilizou-se também microfones adaptados junto aos coletores de admissão e descarga com a finalidade de registrar os dados de pressão no interior desses condutos. Os dados referentes a essas medições foram aquisitadas no Software “INDICOM” da AVL.

3.3 Procedimentos experimentais Utilizou-se no primeiro trabalho um motor flex 8 válvulas de baixa cilindrada. O ensaio foi realizado na condição de plena carga, ou seja, com 100% de abertura da válvula borboleta. Utilizou-se também como condição para aquisição dos dados a temperatura media da água em torno de 95°C e do óleo em 135°C. O ensaio foi realizado em rotações especificas entre 1000 a 6000 RPM com incrementos de 500 em 500 RPM. Nesse ensaio utilizou-se o óleo lubrificante 5W30 SL INFINEUM e combustível gasolina. Posteriormente repetiu-se o experimento com o mesmo óleo, porem o combustível utilizado foi o etanol. O ensaio consistiu em funcionar o motor na rotação especifica e após estabilização das temperaturas da água e óleo os dados (medidos referentes aos acelerômetros e vela instrumentada) foram aquisitados e armazenados no Software LMS TEST LAB. O segundo teste utilizou-se um motor 8 válvulas de media cilindrada. Esse ensaio foi realizado nas rotações de 1500 RPM com carga parcial (16% da abertura da válvula 42

borboleta), 2250 RPM com carga parcial e total, 3875 RPM com carga parcial e total e 5500 RPM com carga total. Utilizou-se o óleo lubrificante 15W40 e combustível gasolina. Os dados medidos referentes aos microfones e a vela instrumentada foram aquisitados e armazenados no Software INDICOM.

3.4 Análise dos dados experimentais. Após analise inicial dos dados, referente ao primeiro ensaio, decidiu-se por utilizar as rotações especificas de 1500 RPM, 4000 RPM (rotação de torque Maximo) e 6000 RPM (rotação de potencia máxima). Para melhor visualização dos resultados transformou-se os dados originais que foram medidos no domínio do tempo para o domínio da freqüência, o Software utilizado foi o LMS TEST LAB. Plotou-se para cada rotação citada acima os gráficos de aceleração em função da freqüência para os acelerômetros e pressão em função da freqüência para vela instrumentada. Realizou-se esse procedimento tanto para o ensaio utilizando etanol quanto para o ensaio com gasolina. Os resultados obtidos pelos acelerômetros fixados nos mancais ficaram parecidos tanto nos ensaios realizados com etanol quanto nos ensaios realizados com gasolina, em virtude disso decidiu-se descartar os dados do acelerômetro lado transmissão e trabalhar com os dados do acelerômetro lado distribuição. Na seqüência comparou-se os resultados, plotando no mesmo gráfico, os dados dos ensaios com etanol e gasolina levando em conta a rotação e a orientação do acelerômetro (como os acelerômetros são tri axiais eles são capazes de captar sinais de vibrações nos três eixos ortogonais). Na seqüência subtraiu-se os dados do etanol em relação aos dados da gasolina e obteve-se gráficos com uma única curva que representa a diferença de vibração entre etanol e gasolina. No segundo ensaio os dados medidos referentes às rotações de 1500 RPM com carga parcial, 2250 RPM com carga parcial e total, 3875 RPM com carga parcial e total e 5500 RPM com carga total foram previamente aquisitados e armazenados no Software INDICOM e no osciloscópio. Decidiu-se exportar os dados, através de um arquivo de texto txt, para o Software MATLAB. No MATLAB plotou-se para cada rotação citada acima os gráficos de pressão de combustão no cilindro, pressão no coletor de admissão, pressão no coletor de descarga e rotação do motor todos em função do tempo. Para 43

melhor visualização dos resultados transformou-se os gráficos que estavam no domínio do tempo para o domínio da freqüência. Na seqüência para cada rotação e tipo de carga (parcial ou total) agruparam-se no mesmo gráfico os parâmetros pressão de combustão no cilindro, pressão no coletor de admissão, pressão no coletor de descarga e rotação do motor. Não foi possível uma análise perfeita nesses gráficos em virtude da grande diferença de pressão entre o cilindro (pressão de combustão) e os coletores de admissão e descarga. Decidiu-se então dividir os valores das amplitudes de pressão no cilindro, pressão no coletor de admissão e coletor de descarga por valores específicos de forma a deixar os parâmetros na mesma ordem de grandeza e assim facilitar a visualização dos resultados. Ressalta-se que esse procedimento não interfere nos resultados, visto que, o que é importante na análise são os picos de freqüências dominantes e não as amplitudes. As tabelas de 3.1 a 3.6 mostram as amplitudes originadas da transformada de Fourier, o fator de correção pelo qual a amplitude original foi dividida e a amplitude corrigida. Tabela 3.1 - Amplitudes originadas da transformada transfor mada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida. 1500 carga parcial Parâmetros

Amplitude Fator de Amplitude original

correçao

corrigida

Ci l i ndro

492300

246150

2

Admi ssao

1362

972,8571

1,4

Ex austao

3439

1910,556

1,8

Rotaçao

29,52

29,52

1

Tabela 3.2 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, Four ier, fator de correção e amplitude corrigida 2500 carga parcial Parâmetros

Amplitude original

Ci l i ndro

399500

Admi ssao

Fator de Amplitude correçao

corrigida

199750

2

1236

882,8571

1,4

Ex austao

4506

2503,333

1,8

Rotaçao

7,701

7,701

1

44

Tabela 3.3 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, Four ier, fator de correção e amplitude corrigida 2500 2500 carga total tot al Amplitude

Fator de

Amplitude

original

correçao

corrigida

Ci l i ndro

697300

348650

Admi ssao

2951

2107,857

1,4

Ex austao

8257

4587,222

1,8

Rotaçao

21,05

21,05

Parâmetros

2

1

Tabela 3.4 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, Four ier, fator de correção e amplitude corrigida 3875 3875 carga parcial parci al Parâmetros

Amplitude Fator de Amplitude original

correçao

corrigida

Ci l i ndro

269200

134600

Admi ssao

2292

1637,143

1,4

Ex austao

2591

1439,444

1,8

Rotaçao

11,66

11,66

2

1

Tabela 3.5 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, Four ier, fator de correção e amplitude corrigida 3875 carga total Amplitude

Fator de Amplitude

Ci l i nd ro A dmi s sao

original 769500 5010

correçao corrigida 384750 2 2783,333 1,8

Ex au stao

4856

3468,571

Rotaçao

27,67

27, 67

Parâmetros

1,4 1

Tabela 3.6 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, Four ier, fator de correção e amplitude corrigida 5500 5500 carga total to tal Amplitude

Fator de

Amplitude

original

correçao

corrigida

Ci l i ndro

686400

343200

Admi ssao

11150

6194,444

1,8

Ex austao

9468

6762,857

1,4

Rotaçao

21,56

21,56

Parâmetros

2

1

45

Estipulou-se as freqüências dominantes referentes a cada rotação, isso foi feito dividindo a rotação nominal medida em RPM por 60, o que resulta em valores em Hz. A tabela 3.1 mostra as rotações de ensaio, as freqüências dominantes e seus múltiplos também conhecidos como harmônicos. Tabela 3.1- Rotação de ensaio e freqüência dominante e seus harmônicos ate a décima ordem.

ROTAÇAO 1500 2250 3875 5500

1/2N 12,50 ,50 18,75 ,75 32,29 ,29 45,83 ,83

N 25,00 ,00 37,50 ,50 64,58 ,58 91,67 ,67

2N 3N 50,00 ,00 75,00 ,00 75,00 ,00 112,50 ,50 129,16 ,16 193,74 ,74 183,34 ,34 275,01 ,01

4N 100,00 ,00 150,00 ,00 258,32 ,32 366,68 ,68

5N 125,00 ,00 187,50 ,50 322,90 ,90 458,35 ,35

6N 150,00 ,00 225,00 ,00 387,48 ,48 550,02 ,02

7N 175,00 ,00 262,50 ,50 452,06 ,06 641,69 ,69

8N 200,00 ,00 300,00 ,00 516,64 ,64 733,36 ,36

9N 225,00 ,00 337,50 ,50 581,22 ,22 825,03 ,03

A fim de relacionar possíveis fontes de excitação de vibrações com algumas amplitudes de freqüência, calculou-se as freqüências de ressonância dos coletores de admissão, descarga e plenum. As equações 3.1 e 3.2 propostas por Kinsler,1980 são utilizadas para o cálculo dessas freqüências.

.=×  ×

( 3.1)

Onde: 

C= velocidade de propagação do som no ar. S= área de seção transversal. L=comprimento do tubo. Vo= volume do plenum.

.=× ×

( 3.2)

Onde: 

C= velocidade de propagação do som no ar.

46

10N 250,00 ,00 375,00 ,00 645,80 ,80 916,70 ,70

N= numero de harmônicos. L=comprimento do tubo .

A fim de determinar os modos de vibrações do eixo virabrequim utilizaram-se os softwares SOLID WORK para desenhar a peça e o ANSYS para fazer a simulação.

47

4 RESULTADOS E DISCURSSÕES Os gráficos apresentados nas figuras de 4.1 a 4.9 mostram as diferenças de vibrações encontras nos ensaios realizados com etanol e gasolina nas rotações de 1500, 4000 e 6000 RPM. As curvas mostradas nos gráficos representam essas diferenças, assim quando a curva estiver acima de zero significa que a intensidade de vibração do etanol é maior que na gasolina e abaixo de zero o contrario. Vibração no mancal lado distribuição.

Figura 4.1 Diferença de vibração transversal ao eixo a 1500 RPM.

Vibração no mancal lado distribuição.

Figura 4.2 Diferença de vibração longitudinal ao eixo a 1500 RPM.

Vibração no bloco do motor 48

Figura 4.3 Diferença de vibração no bloco do motor longitudinal ao veiculo a 1500 RPM.

Observando os gráficos acima se constata que na rotação de 1500 RPM não se consegue definir qual combustível (etanol ou gasolina) os mancais e o próprio motor vibram com maior intensidade, uma vez que as amplitudes de vibrações são mais ou menos iguais, observa-se baixas freqüências de vibrações em torno de 160 Hz. Os gráficos 4.4, 4.5 e 4.6 mostram os resultados dos ensaios realizados a 4000 RPM, observa-se neles aumento de intensidade de vibração nos mancais e no bloco do motor em relação aos ensaios em 1500 RPM. Vibração no mancal lado distribuição.

Figura 4.4 Diferença de vibração transversal ao eixo a 4000 RPM.

Vibração no mancal lado distribuição. 49

Figura 4.5 Diferença de vibração longitudinal ao eixo a 4000 RPM.

Vibração no bloco do motor

Figura 4.6 Diferença de vibração no bloco do motor longitudinal ao veiculo a 4000 RPM.

Observando os gráficos 4.4, 4,5 e 4.6 se constata que, na rotação de 4000 RPM, a intensidade de vibração no ensaio realizado com etanol é maior que no ensaio realizado com gasolina tanto nos mancais quanto no bloco do motor. Outro fato observado é que na direção longitudinal ao eixo a intensidade de vibração foi maior que na direção transversal, isso se justifica pelo fato das folgas na direção longitudinal ao eixo serem maiores que direção transversal. Observa-se nessa rotação medias freqüências de vibrações em torno de 400 a 600 Hz. 50

Os gráficos 4.7, 4.8 e 4.9 mostram os resultados dos ensaios realizados a 6000 RPM, observa-se neles aumento da intensidade de vibração tanto nos mancais quanto no bloco do motor em relação aos ensaios em 1500 e 4000 RPM, outro observado é o aumento das freqüências de vibrações em torno de 1000 Hz para o eixo virabrequim e 2000 Hz para o bloco do motor. Vibração no mancal lado distribuição.

Figura 4.7 Diferença de vibração transversal ao eixo a 6000 RPM.

Vibração no mancal lado distribuição.

Figura 4.8 Diferença de vibração longitudinal ao eixo a 6000 RPM.

51

Vibração no bloco do motor

Figura 4.9 Diferença de vibração no bloco do motor longitudinal ao veiculo a 6000 RPM.

Os gráficos 4.1 a 4.9 mostram que os níveis de vibrações nos ensaios realizados com etanol são maiores que nos ensaios realizados com gasolina e na medida em que se aumenta a rotação do motor à intensidade vibracional também aumenta. O que explica esses fatores é que o etanol tem maior poder de resistência a se inflamar em altas pressões e temperaturas na câmera de combustão em relação à gasolina. Assim no motor abastecido com etanol tem-se o adiantamento do ponto de ignição, ou seja, a centelha é adiantada em relação ao PMS, isso faz com que a biela trabalhe mais inclinada aumentando as forças laterais do conjunto biela pistão batendo na parede do cilindro, com isso há o aumentando da vibração no motor. O que explica o aumento das freqüências de vibrações com o aumento de rotação do motor é o aumento do efeito giroscópio, ou seja, aumento de impactos do eixo nas bronzinas em função das folgas.

Os gráficos 4.10 e 4.11 apresentam as diferenças de pressão de combustão nos ensaios realizados com etanol e gasolina nas rotações de 4000 e 6000 RPM em função do ângulo de rotação do eixo virabrequim.

52

Pressão de combustão

Figura 4.10 Diferença de pressão de combustão entre etanol e gasolina a 4000 RP M.

Pressão de combustão

Figura 4.11 Diferença de pressão de combustão entre etanol e gasolina a 6000 RP M.

Observa-se nos gráficos 4.10 e 4.11 que na rotação de 4000 RPM a diferença de pressão de combustão é maior que na rotação de 6000 RPM, isso ocorre porque 4000 RPM corresponde à região de máximo torque do motor onde são apresentados os maiores carregamentos dinâmicos do motor.

53

As figuras de 4.12 a 4.17 mostram os gráficos de pressão no cilindro, pressão no coletor de admissão, pressão no coletor de descarga e rotação do motor. O ensaio foi realizado nas rotações de 1500 RPM com carga parcial, 2250 RPM com carga parcial e total, 3875 RPM com carga parcial e total e 5500 RPM com carga total. Para melhor visualização os gráficos são apresentados no domínio da freqüência. Abaixo são apresentadas as freqüências dominantes em função da rotação do motor: 1500 RPM – 25 Hz. 2250 RPM – 37.5 Hz. 3875 RPM – 64.58 Hz. 5500 RPM – 91.67 Hz. Nos geral se observa que as curvas de pressões de combustões apresentam amplitudes de freqüências em meia rotação, o causa o comportamento continuo e uniforme dessa curva ate 400 Hz. No geral se observa que nas curvas de rotações há amplitudes de freqüências bem definidas em 2, 4, 6 e 8x a freqüência dominante. Essas freqüências são influenciadas pela pressão de combustão no cilindro. Isso se explica pelo fato de haver quatro combustões (uma por cilindro) em 720° de rotação do eixo virabrequim, que equivale a duas voltas do eixo. Portanto considerando 360° tem-se duas combustões ocorrendo o que faz aparecer essas amplitudes em múltiplos de 2 a partir da freqüência dominante. Nessa mesma curva é visível uma amplitude de freqüência próxima de 300 Hz em todas as rotações. Estima-se que essa excitação esteja relacionada com algum evento ligado ao eixo virabrequim, pode ser: o primeiro modo de vibração flexional, primeiro modo de vibração torcional ou a freqüência natural do eixo. Essa questão será abordada mais adiante. Nas curvas referentes aos coletores aparecem amplitudes de freqüência que não sofre influência nem pela pressão de combustão nem pela rotação do motor, a saber, 137 a 240 Hz na admissão e de 450 a 680 Hz na descarga, adiante será adotada uma metodologia para relacionar as possíveis fontes de excitação dessas freqüências. 54

FFTs a 1500 rpm em carga parcial FFT da pressão de combustão no cilindro FFT da rotação do motor FFT da pressão no coletor de admissão FFt da pressão no coletor de descarga

2

   a 1.5    d    i    g    i    r    r    o    c    e 1    d    u    t    i    l    p    m 0.5    A

0

12.525 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 700

frequencia(Hz) Figura 4.12 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor.

FFTs a 2250 rpm com c arga parcial FFT da pressão de combustão no cilindro FFT da rotação do motor FFT da pressão no coletor de admissão FFt da pressão no coletor de descarga

2

  a    d 1.5    i   g    i   r   r   o   c   e    d   u 1    t    i    l   p   m    A 0.5

0 18.75 37.5

75

112.5

150

187.5

225

262.5

300

337.5

375

412.5

450

487.5

525

562.5

600

637.5

675

712.5

frequencia(Hz)

Figura 4.13 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor.

55

FFTs a 2250 rpm com carga total FFT da pressão de combustão no cilindro FFT da rotação do motor FFT da pressão no coletor de admissão FFt da pressão no coletor de descarga

2

1.5

  a    d    i   g    i   r   r   o   c   e 1    d   u    t    i    l   p   m    A 0.5

0

18.737.5

75

112.5

150

187.5

225

262.5

300

337.5

375 412.5

450

487.5

525 562.5

600

637.5

675

712.5

frequencia(Hz)

Figura 4.14 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor.

FFTs a 3875 rpm com carga parcial FFT da pressão de combustão no cilindro FFT da rotação do motor FFT da pressão no coletor co letor de admissão FFt da pressão no coletor de descarga

2.5

2

   a    d    i    g    i    r    r    o1.5    c    e    d    u    t 1    i    l    p    m    A 0.5

0 32.29 64 64.58

129.16

193.74

258.32

322.9

387.48

452.06

516.64

581.22

645.8

710.38

frequencia(Hz) Figura 4.15 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor.

56

FFTs a 3875 rpm com carga total FFT da pressão de combustão no cilindro FFT da rotação do motor FFT da pressão no coletor de admissão FFt da pressão no coletor de descarga

1.8 1.6 1.4

  a    d 1.2    i   g    i   r   r   o   c 1   e    d   u    t    i    l 0.8   p   m    A0.6 0.4 0.2 0 32.29 6 64 4.58

129.16

193.74

258.32

322.9

387.48

452.06

516.64

581.22

645.8

710.38

frequencia(Hz)

Figura 4.16 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor.

FFTs a 5500 rpm com carga parcial FFT da pressão de combustão no cilindro FFT da rotação do motor FFT da pressão no coletor de admissão FFt da pressão no coletor de descarga

1.8 1.6 1.4

  a    d 1.2    i   g    i   r   r   o 1   c   e    d   u 0.8    t    i    l   p   m0.6    A 0.4 0.2 0 45.83

91.67

183.34

275.01

366.68

458.35

550.02

641.69

733.36

frequencia(Hz)

Figura 4.17 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor.

57

As tabelas 4.1 e 4.2 mostram respectivamente os cálculos das freqüências de ressonância dos coletores de admissão e descarga levando em conta os comprimentos dos tubos centrais, tubos laterais dos coletores, volume do plenum no coletor de admissão e volume do silencioso no coletor de descarga. Os cálculos têm o objetivo de avaliar se alguma das freqüências de ressonância esteja atuando como fonte de excitação, uma vez que há a presença de freqüências de vibrações destacadas e quase constantes em todas as rotações tanto na curva de admissão quanto na curva de descarga. Essa metodologia de cálculo utilizou as equações 3.1 e 3.2 mostradas na pagina 46. Na curva de admissão essas freqüências aparecem numa faixa que varia de 137 a 250 Hz. Nos cálculos, como de observa na tabela abaixo, os valores são o dobro. Conclui-se que o coletor de admissão é uma fonte excitadora, cujas freqüências de excitação são mais ou menos a metade da freqüência de ressonância.

Tabela 4.1 – Calculo das freqüências de ressonância resso nância no coletor de admissão. Freqüência de ressonância no coletor de admissão freq. condiçao

Ressonan cia (Hz)

Considerando o plenum e comprimento lateral l ateral do tubo do colet coletor or

467,2715

Considerando o plenum e comprimento central do tubo do coletor

468,2596

Considerando o comprimento lateral do tubo do coletor cole tor

447,9342

Considerando o comprimento central do tubo do coletor

449,8307

Considerando o plenum e a distancia di stancia da valvula valvul a borborleta borborleta ate a entrada do plenum

992,2789

Na curva de descarga as freqüências aparecem numa que varia de 450 a 680 Hz. A tabela abaixo mostra que os valores calculados estão na mesma ordem de grandeza, considerando as duas primeiras situações. Conclui-se que o coletor de descarga é uma fonte excitadora, cujas freqüências de excitação são mais ou menos igual à freqüência de ressonância.

58

Tabela 4.2 – Calculo das freqüências de ressonância no coletor de descarga. Freqüência de ressonância no coletor de de scarga scarga freq. condiçao

Ressonan cia (Hz)

Considerando Conside rando o silencioso sile ncioso comprimento comprimento lateral do tubo do cole coletor tor

417,7941

Considerando Conside rando o silencioso sil encioso e comprimento central do tubo do coletor

757,6382

Considerando Conside rando o comprimento comprimento lateral l ateral do tubo do cole coletor tor

1064,563

Considerando Conside rando o comprimento comprimento central do tubo do coletor

3500,824

A tabela 4.3 mostra o resultado da simulação feita do eixo virabrequim no software ANSYS, o objetivo dos cálculos é relacionar algum modo de vibração a freqüência de 300 Hz encontradas nas curvas de rotação. Verifica-se pela tabela que a freqüência esta sendo excitada pelo primeiro modo de vibração torcional do eixo virabrequim. Tabela 4.3 – modos de vibração do eixo virabrequim. Modos de vibraç vi bração ão do eixo eix o virabrequim

frequencia (Hz)

Primeiro modo de vibraçao flexional vertical

134,21

Primeiro modo de vibraçao vibraçao flexi fle xional onal horizontal

190,61

Primeiro modo de vibraça v ibraçao o torcional

278,4

59

5 CONCLUSÕES. Verificou-se que no geral o nível de vibração nos motores abastecidos com etanol é maior que nos motoros abastecidos com gasolina, isso se deve ao fato dos motores a etanol trabalharem com a biela mais inclinada em função do maior avanço de ignição o que faz aumentar as forças laterais. Aumentando-se a rotação do motor aumenta-se o nível de vibração tanto no bloco quanto no eixo, a vibração no bloco esta relacionada com o aumento das forças laterais e a vibração no eixo esta relacionada ao aumento do efeito giroscópio. Observou-se que a pressão de combustão é maior na região de torque maximo do que na região de potência máxima. O primeiro modo de vibração torcional do eixo virabrequim influencia na curva de rotação do modo excitando uma freqüência de 300 Hz.

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6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS. Realizar ensaios comparativos de vibração em um motor de combustão interna utilizando óleos diferentes e assim verificar a influencia do lubrificante nos motores no que se refere a absorver ruídos e vibrações, uma vez que uma das propriedades do lubrificante é reduzir os níveis de vibração em componentes mecânicos.

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7 REFERNCIAS BIBLIOGRAFICAS

 Metodologia Experimental Experimental para a Maximização Maximização do Desempenho de um BAÊTA, J. G.  Metodologia  Motor Multicombustível Multicombustível Turbo alimentado alimentado sem Prejuízo à Eficiência Eficiência Energética Energética Global. Belo Horizonte: Tese de Doutorado, Engenharia Mecânica, UFMG, 2006.

BARROS, J. E. M. E studo de Motores de Combustão Interna Aplicando Analise Orientada a Objetos

Belo Horizonte: Engenharia Mecânica, UFMG, 2003. BOSCH, R.  Manual de Tecnologia Automotiva. 25.ed. São Paulo: Edgard Blücher, 2005. 1232 p. GANESAN, V.  Internal Combustion Combustion Engines Engines. 1.ed. New York: McGraw-Hill, Inc., 1995. 540 p. GERGES, SAMIR NAGI YOUSRI  Ruídos e Vibrações veiculares. veiculares. 1° edição – Florianópolis - 2005. GIACOSA, D.  Motores Endotérmicos Endotérmicos. Editorial Dossat S.A. Madrid, 2004. HEYWOOD, John B. Internal Combustion Combustion Engine Engine Fundamentals Fundamentals. 1.ed. New York: McGraw-Hill, Inc., 1988. 930 p. OBERT, E. F.  Motores de Combustão Interna Interna. Porto Alegre: Ed. Globo, 1971. 618 p. SILVA,C,W Vibration: Fundamentals and Practice Boca Raton: CRC Press LLC, 2000 TAYLOR, C. F.  Análise dos Motores de Combustão Interna . 1.ed. São Paulo: Edgard Blücher, 1968. 558 p.

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