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UNIJUÍ – Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul DeTec – Departamento de Tecnologia Curso de Engenharia Mecânica – Campus Panambi
JEAN CÉSAR BARBOSA PEREIRA
PROJETO DE ESTÁGIO SUPERVISIONADO ESTUDO DE UMA BANCADA PARA ENSAIO DE MOTORES DIESEL
Panambi 2011
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JEAN CÉSAR BARBOSA PEREIRA
ESTUDO DE UMA BANCADA PARA ENSAIO DE MOTORES DIESEL
Trabalho
de
estágio
supervisionado
apresentado à banca avaliadora do curso de Engenharia
Mecânica
da
Universidade
Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico.
Banca Avaliadora: 1° Avaliador: Gil Eduardo Guimarães, Titulação Dr. Eng. 2° Avaliador (Orientador): Roger Schildt Hoffmann, Titulação M. Eng.
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Aos meus queridos pais Hamilton César e Helena e a minha irmã Evelyn, pelo amor, carinho e estímulo que me ofereceram, dedicolhes essa conquista como gratidão.
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AGRADECIMENTOS O autor é agradecido ao Prof. Roger Schildt Hoffmann, orientador deste trabalho, pelos conhecimentos adquiridos através de suas aulas e pela contínua orientação durante o projeto. A família, pelo grande apoio durante todo o curso de Engenharia Mecânica. Mecânica. Aos colegas dos Laboratórios do Campus Panambi, pelo convívio e integração. Ao PROUNI, Programa Universidade para Todos, do governo federal, que me permitiu o ingresso no curso de Engenharia Mecânica da UNIJUI. A UNIJUÍ pelo apoio no desenvolvimento desenvolvimento do projeto.
MUITO OBRIGADO!
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RESUMO O motor Diesel foi inventado em 1893 pelo Engenheiro Rudolf Diesel. Este tipo de motor é utilizado quase na totalidade em veículos rodoviários pesados (tratores, caminhões, ônibus), em navios e em algumas instalações estacionarias de potência e locomotivas, mas o seu uso em automóveis é agora muito importante, mercê das importantes evoluções que nele tem sido realizada atualmente. A proposta deste trabalho é realizar uma revisão bibliográfica das recomendações quanto aos componentes, projeto e instrumentação de um laboratório e bancada de motores Diesel, levando em consideração as necessidades existentes do laboratório de Motores da UNIJUI.
Palavras-chave: Motores Diesel, Bancada, Laboratório.
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ABSTRACT The diesel engine was invented in 1893 by engineer Rudolf Diesel. This type of engine is used almost entirely for heavy road vehicles (tractors, trucks, buses) in ships and in some stationary power plants and locomotives, but its use in cars is now very important, owing
to
the
important
developments
that
it
has
been
made
today.
The purpose of this study is to perform a literature review of the recommendations on the components, design and instrumentation of a laboratory bench and diesel engines, taking into account the needs of the existing engine laboratory at UNIJUÍ.
Keywords: Diesel Motors, Bench, Lab.
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LISTA DE FIGURAS Figura 1 – Primeiro motor Diesel, Rudolf Diesel e a patente do motor. motor. ..................................11 ..................................11 Figura 2 – Motor estacionário GUASCAR e motor veicular veicular INTERACC. ............................. .............................13 13 Figura 3 – Ciclo Diesel....................... Diesel. ............................................. .............................................. .............................................. ........................................14 .................14 Figura 4 – Admissão do ar puro. .............................................. ..................................................................... .............................................. ...........................15 15 Figura 5 – Constrição do ar puro. ............................................. .................................................................... .............................................. ...........................16 16 Figura 6 – Autoinflamação e trabalho útil........................ útil. ............................................... ............................................... ................................ .........16 16 Figura 7 - Saída forçada dos gases queimados. ........................................... .................................................................. ............................. ......17 17 Figura 8 – Partes principais do motor Diesel. ............................................. .................................................................... ............................. ......18 18 Figura 9 – Componentes do motor Diesel (parte I). ............................................ .................................................................19 .....................19 Figura 10 - Componentes do motor Diesel Diesel (parte II). ............................................. ..............................................................19 .................19 Figura 11 – Motor Diesel e outros componentes dos veículos................................................. veículos.................................................20 20 Figura 12 – Circuito de alimentação do combustível. ............................................. ..............................................................22 .................22 Figura 13 – Oficina de testes de um carro. .............................................. ..................................................................... ................................. ..........23 23 Figura 14 – Mapas de injeção de um motor de combustão combustão interna. .........................................24 .........................................24 Figura 15 – Escapamento de um caminhão...................... caminhão. ............................................ .............................................. ................................. ..........25 25 Figura 16 – Módulos de um Sistema de Ensaio de Motores Diesel. ........................................29 ........................................29 Figura 17 – Gerador Dínamo de 100 kW, Preço: US $ 400........................................... 400..................................................... ..........30 30 Figura 18 – Tanque de equilíbrio, fabricado em aço inox AISI304. ........................................31 ........................................31 Figura 19 – Sistema de alimentação de combustível para motores de combustão...................32 Figura 20 – Sistema de arrefecimento para motores de combustão interna. interna. ............................ ............................32 32 Figura 21 – Circuito de óleo lubrificante para motores de combustão interna.........................33 Figura 22 – Exemplo de analisador analisador de fumaça. .............................................. ..................................................................... ...........................34 34 Figura 23 – Fluxímetro de gás digital................................................... digital.......................................................................... ....................................35 .............35 Figura 24 – Planta esquemática de de uma sala de motores. .............................................. ........................................................ ..........36 36 Figura 25 – Freio de Prony. Pro ny........................ .............................................. .............................................. .............................................. ................................. ..........38 38 Figura 26 – Freio de Prony aprimorado. .............................................. ..................................................................... ....................................39 .............39 Figura 27 – Dinamômetro inercial para teste aceleração. aceleração. .............................................. ........................................................ ..........41 41 Figura 28 – Dinamômetro inercial comercial....................... comercial. ............................................. .............................................. ............................. ......41 41 Figura 29 – Dinamômetro inercial e o carrinho. ............................................. .................................................................... ...........................42 42 Figura 30 – Bancada dinamometrica hidráulica. ............................................. .................................................................... ...........................43 43 Figura 31 – Freio hidráulico para banco de ensaio............................................................. ensaio................................................................... ......44 44 Figura 32 - Dinamômetro hidráulico comercial. ............................................. .................................................................... ...........................45 45 Figura 33 – Teste de pequeno pequeno motor usando um motor de corrente contínua contínua com freio. ........47 ........ 47 Figura 34 – Dinamômetros correntes Foucault. .............................................. ..................................................................... ...........................48 48 Figura 35 – Freios eletromagnéticos eletromagnéticos para banco de ensaios. ensaios. ............................................. ................................................... ......48 48 Figura 36 - Dinamômetro comercial comercial de correntes de Foucault .............................................. ..................................................49 49 Figura 37 – Freio com suportes flexíveis e seu seu torquímetro de reação. ...................................50 ...................................50 Figura 38 - Tacômetro TEC-CT100-C ............................................. .................................................................... ........................................52 .................52 Figura 39 – Frequencímetro digital. ............................................. .................................................................... ............................................53 .....................53 Figura 40 – TATRA modelo T-87........................................................... T-87.................................................................................. ................................. ..........54 54 Figura 41 – Ventoinha e cárter. ............................................ ................................................................... .............................................. ............................. ......55 55 Figura 42 – Escape de um motor em uma bancada bancada de testes. ............................................ .................................................. ......55 55 Figura 43 - Fita refratária da fibra fi bra cerâmica de isolação térmica, US $4,48............................56 Figura 44 - Sistema para medição gravimétrica de combustível..................... combustível. ........................................... ...........................57 57 Figura 45 - Aparelho para medição volumétrica de combustível.............................................58 combustível.............................................58 Figura 46 – Rotâmetros em plástico de engenharia.................................................... engenharia..................................................................60 ..............60 Figura 47 – Medidor de vazão de lóbulos lóbulos rotativos. ........................................... ................................................................61 .....................61 Figura 48 – Medidor de vazão tipo turbina. ............................................ ................................................................... ................................. ..........61 61
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Figura 49 – Bureta automática. ............................................ ................................................................... .............................................. ............................. ......63 63 Figura 50 – Esquema da instalação do sistema de arrefecimento a água de uma bancada Diesel....................... Diesel. ............................................. .............................................. .............................................. .............................................. ............................................64 .....................64 Figura 51 – Sistema de medição do consumo de óleo..............................................................65 óleo..............................................................65 Figura 52 – Medição da corrente corrente de ar por placa orifício e caixa de ar. ..................................66 ..................................66 Figura 53 – Orifício calibrado da placa orifício. ............................................. .................................................................... ...........................66 66 Figura 54 – Medidor laminar de corrente. ............................................ ................................................................... ....................................67 .............67 Figura 55 – Retirada dos gases antes e depois do catalisador. ........................................... ................................................. ......68 68 Figura 56 – Manômetros de dois ramos abertos............................................................. abertos....................................................................... ..........70 70 Figura 57 – Transdutor piezelétrico.................................................. piezelétrico......................................................................... ........................................70 .................70 Figura 58 – Termopar digital......................................... digital................................................................ .............................................. ....................................71 .............71 Figura 59 – Tinta térmica. ............................................. .................................................................... .............................................. ....................................72 .............72 Figura 60 – Luz estroboscópica............................................................ estroboscópica................................................................................... ....................................73 .............73
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LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Injeção versus pressão (parte I). ............................................. .................................................................... ................................ .........24 24 Tabela 2 - Injeção versus pressão (parte II)......................................................... II)..............................................................................25 .....................25 Tabela 3 - Especificações técnicas do dínamo. ........................................... .................................................................. ............................. ......30 30 Tabela 4 - Especificações técnicas técnicas do fluxímetro. .............................................. ...................................................................35 .....................35 Tabela 5 - Especificações técnicas do dinamômetro. .............................................. ...............................................................42 .................42 Tabela 6 – Componentes do freio hidráulico................................................... hidráulico.......................................................................... ...........................45 45 Tabela 7 - Especificações técnicas do Dinamômetro hidráulico. ........................................... ...............................................46 46 Tabela 8 - Tabela das especificações técnicas técnicas do dinamômetro de Foulcault.......................... Foulcault..........................49 49 Tabela 9 - Características técnicas do tacômetro..................................................... tacômetro......................................................................53 .................53 Tabela 10 - Características técnicas do frequencímetro. ............................................. ..........................................................53 .............53 Tabela 11 - Peculiaridades técnicas da fita refratária. ............................................. ..............................................................56 .................56 Tabela 12 – Principais medidores de consumo de combustível ............................................. .................................................59 59 Tabela 13 – Dados técnicos técnicos do rotâmetro. ............................................... ...................................................................... ................................ .........60 60 Tabela 14 – Dados técnicos do medidor de vazão........................................... vazão.................................................................. ...........................61 61 Tabela 15 – Dados técnicos do aparelho da figura 50. ............................................ .............................................................62 .................62 Tabela 16 – Especificações da bureta automática. automática. .............................................. ...................................................................63 .....................63 Tabela 17 – Principais pressões pressões medidas em um banco de de ensaios. ........................................69 ........................................69 Tabela 18 – Dados do transdutor piezelétrico ............................................. .................................................................... ............................. ......70 70 Tabela 19 – Características do termopar digital. ............................................. .................................................................... ...........................71 71 Tabela 20 – Informações da tinta térmica. térmica. .............................................. ..................................................................... ................................. ..........72 72 Tabela 21 – Características da luz estroboscóspica......................................... estroboscóspica................................................................ ...........................73 73
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SUMÁRIO 1 HISTÓRIA DO MOTOR DIESEL...................................... DIESEL............................................................. .............................................. ...........................11 11 2 CARACTERÍSTICAS DO MOTOR DIESEL ........................................... .................................................................. ...........................12 12 3 FUNCIONAMENTO DO MOTOR MOTOR DIESEL......................................... DIESEL................................................................ .............................14 ......14 4 COMPONENTES DO MOTOR DIESEL .............................................. ..................................................................... .............................18 ......18 5 INTRODUÇÃO AOS TESTES TESTES COM MOTORES DIESEL..................... DIESEL ............................................ ...........................23 23 6 OPERAÇÕES DE CONTROLE E MEDIÇÃO................................... MEDIÇÃO.......................................................... ................................26 .........26 7 MÓDULOS DE UM SISTEMA DE ENSAIO CONFORME RONCONI........................ RONCONI............................29 29 8 MÓDULOS DE UM SISTEMA DE ENSAIO CONFORME MARTINS..........................36 MARTINS..........................36 9 VISÃO GERAL SOBRE OS DINAMÔMETROS ............................................ .............................................................38 .................38 9.1 DINAMÔMETROS DE INÉRCIA....................... INÉRCIA .............................................. .............................................. ....................................40 .............40 9.2 DINAMÔMETROS HIDRÁULICOS ............................................. .................................................................... ................................43 .........43 9.3 DINAMÔMETROS ELÉTRICOS.................... ELÉTRICOS ........................................... .............................................. ........................................47 .................47 10 CUIDADOS NA NA MEDIÇÃO DO DO TORQUE............................. TORQUE.................................................... ........................................50 .................50 11 ALTERNATIVAS QUANTO A MEDIÇÃO DA ROTAÇÃO.........................................52 ROTAÇÃO.........................................52 12 CARGA TÉRMICA TÉRMICA A SER RETIRADA RETIRADA DA BANCADA PELA VENTILAÇÃO VENTILAÇÃO........54 ........54 13 RECOMENDAÇÕES DE MARTINS QUANTO AO CONSUMO E FORNECIMENTO DE ÓLEO DIESEL.................... DIESEL ........................................... .............................................. .............................................. ............................................57 .....................57 14 RECOMENDAÇÕES DE RONCONI QUANTO AO CONSUMO CONSUMO E FORNECIMENTO FORNECIMENTO DE COMBUSTÍVEL........................................ COMBUSTÍVEL............................................................... .............................................. ............................................59 .....................59 15 ÁGUA DE ARREFECIMENTO ........................................... .................................................................. ............................................64 .....................64 16 AR DE COMBUSTÃO.................... COMBUSTÃO........................................... .............................................. .............................................. ....................................66 .............66 17 GASES DE ESCAPE.................................. ESCAPE......................................................... .............................................. .............................................. ...........................68 68 18 PRESSÕES ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. .............................69 ......69 19 TEMPERATURAS...........................................................................................................71 20 POSIÇÃO ANGULAR DO VIRABREQUIM..................... VIRABREQUIM ............................................ ............................................73 .....................73 CONCLUSÃO................................................... CONCLUSÃO............................ .............................................. .............................................. .............................................. ...........................75 75 REFERÊNCIAS ............................................ ................................................................... .............................................. .............................................. .............................76 ......76
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HISTÓRIA DO MOTOR DIESEL No que diz respeito aos motores que queima óleo (Diesel), foram dois ingleses,
William Priestmann em 1885 e Herbert Stuart em 1890 e um alemão Emil Capitaine em 1885, os pioneiros deste desenvolvimento. Estes motores não eram de combustão a pressão constante, utilizava velas de incandescência e foram mais tarde, denominados semi Diesel. O motor Diesel como o conhecemos atualmente foi uma das grandes conquistas da tecnologia, tendo como criador o engenheiro Rudolf Diesel. Em 1893, publicou uma obra intitulada “Teoria do Motor Térmico Racional” e, em 1987, construiu com êxito um motor que funcionou dentro de suas teorias. Somente em 1898 é que seu invento tornou-se público, pois o motor foi apresentado numa exposição em Munique. A figura 1 mostra o motor experimental do Dr. Diesel, a foto do inventor e a patente concebida na época.
Figura 1 – Primeiro motor Diesel, Rudolf Diesel e a patente do motor. Fonte: Wikipedia.
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CARACTERÍSTICAS DO MOTOR DIESEL Este tipo de motor é utilizado quase na totalidade dos veículos rodoviários pesados
(tratores, caminhões, ônibus), em navios e em algumas instalações estacionarias de potência e locomotivas, mas o seu uso em automóveis é agora muito importante, mercê das importantes evoluções que nele tem sido realizada. Enquanto no motor a gasolina - mistura gasoso ar-gasolina - é inflamada por meio de uma faísca elétrica produzida pela vela de ignição, no motor a Diesel não existem velas de ignição e a gasolina é substituída por óleo Diesel. A ignição, num motor a Diesel, é provocada pela compressão, que faz elevar a temperatura do ar na câmara de combustão de tal modo que esta atinja o ponto de autoinflamação do combustível. O óleo Diesel, que se vaporiza menos que a gasolina, não é introduzida na câmara de combustão sob a forma de mistura com ar, mas sim injetado sob alta pressão por meio de um injetor. Na câmara de combustão, o óleo diesel inflama-se em contato com o ar aquecido por efeito da forte compressão. Uma bomba acionada pelo próprio motor (bomba injetora) fornece o óleo diesel a cada injetor em determinadas quantidades e sob elevada pressão. As peças que compõem a estrutura básica do motor Diesel são semelhantes as do motor a gasolina, embora sejam mais robustas. O acelerador regula a quantidade de combustível fornecido pela bomba e, conseqüentemente, a potência gerada no motor. No que diz respeito aos gases poluentes produzidos, trata-se de um motor menos poluente que o da gasolina, mas o fato de produzir partículas (fumo) e os NOX não poderem ser eliminados eficazmente por sistemas catalíticos no escape, têm obrigado a grandes investimentos em desenvolvimento (muito superiores ao motor a gasolina) de modo a ajustarem-se as exigentes legislações de anti-poluição. Da mesma forma que o motor de ignição comandada (gasolina), a relação curso/diâmetro destes motores tem vindo a baixar ao longo dos anos, a velocidade máxima tem sido aumentada, na busca de elevadas potências e da sua utilização numa gama larga de rotação, embora a passagem dos motores de câmara auxiliar para os de injeção direta tenha reduzido a sua velocidade. O uso de sobre sobrealimentação é atualmente universal nos automóveis, pois esta técnica quase só tem benefícios. Com a sobrealimentação sobrealimentação e com os novos sistemas de injeção, os motores Diesel evoluíram ao nível de suavidade e ruído, sendo atualmente tanto ou mais
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performantes que os motores gasolina com a mesma cilindrada, mesmo usados em carros desportivos (populares). As vantagens dos motores a Diesel residem no seu maior rendimento (que resulta numa redução nos custos do combustível), na sua maior duração e na diminuição dos custos de manutenção. Entre as desvantagens deste deste tipo de motor, está incluídos um elevado preço, maior peso, a vibração que produz à baixa rotação, o cheiro do combustível queimado, o ruído – superior ao provocado por um motor a gasolina e uma menor capacidade de aceleração. Num motor de automóvel a gasolina médio, a mistura gasosa sofre uma compressão que reduz o seu volume a cerca de um nono do seu valor inicial, o que corresponde a uma relação ou taxa de compressão 9:1. Num motor a Diesel esta relação pode atingir o valor de 22:1, de modo a aumentar a temperatura do ar. Nas câmaras de combustão do motor a Diesel, muito menores que as de um motor a gasolina, a taxa de compressão, sendo mais elevada, resulta num aumento de rendimento, pois é maior a conversão da energia calorífica em energia mecânica; além disso, verificam-se menos perdas de calor nessas câmaras. Cada cilindro num motor a Diesel apresenta um injetor, que assegura o fornecimento de combustível na quantidade correta e no devido momento. A bomba injetora, que gira a metade do número de rotações do virabrequim, impulsiona o combustível para os injetores e destes para as câmaras de combustão, segundo a ordem de ignição. A figura 2 mostra dois modelos de motor Diesel.
Figura 2 – Motor estacionário GUASCAR e motor veicular INTERACC. I NTERACC. Fonte: Junior et al.
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FUNCIONAMENTO DO MOTOR DIESEL O ciclo teórico a pressão constante (ciclo Diesel) tem como principal diferença com o
ciclo Otto na fase de fornecimento de calor, sendo à pressão constante. A representação do ciclo Diesel está nos diagramas p-V e T-S da figura 3. A injeção de combustível ocorre durante parte da descida do pistão, pelo que a combustão não é considerada instantânea como no ciclo Otto.
Figura 3 – Ciclo Diesel. Fonte: Martins (2006).
1-2 Adiabática (isentrópica). Compressão do ar, fornecendo-se o trabalho W 1-2, que aumenta a energia interna (área debaixo da linha 1-2 do diagrama p-V). 2-3 Isobárica. O combustível é injetado e queimado durante o aumento de volume (combustão não instantânea), seguindo um processo de fornecimento de calor a pressão constante Q 2-3 = Cp (T3-T2). 3-4 Adiabática. O fluído é expandido realizando o trabalho W 3-4 á custa da sua energia interna, definida pela área limitada superiormente pela linha 3-4, do diagrama p-V. 4-1
Isocórica – Corresponde á perda de calor Q 4-1 = Cv(T4-T1).
O rendimento deste ciclo corresponde à equação abaixo. η =
W ciclo Q 2 −3
=
W 1−2
+ W 3− 4
Q2 − 3
=
V 3 V 2
=
T 3 T 2
(1)
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W – Trabalho Mecânico (Kj). Q – Fornecimento de calor (Kj). Cp – Calor especifico á pressão constante (Kj/ K). Cv – Calor especifico á volume constante (Kj/ K). T – Temperatura (K). V – Volume (m 3). O motor Diesel pode funcionar a quatro e dois tempos. Quanto aos órgãos de transformação do movimento (embolo, biela, virabrequim, etc.) do motor quatro tempos, o ciclo se desenvolve em quatro fases distintas. 1º tempo – Aspiração (admissão do ar), figura 4.
Figura 4 – Admissão do ar puro. Fonte: Junior et al.
O pistão encontra-se no ponto morto superior (PMS) e vai iniciar seu curso ascendente. ascendente. Abre-se então a válvula de admissão e, à medida que o pistão desce, obriga o ar a entrar para preencher o espaço vazio. Até o fim do seu curso, no ponto morto inferior (PMI), o pistão aspira o ar puro, através da válvula de admissão. 2º tempo – Compressão (compressão do ar), figura 5.
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Figura 5 – Constrição do ar puro. Fonte: Junior et al.
Chegando ao PMI, o pistão inicia o curso de retorno. Agora, ele começa a subir. Fecha-se então a válvula de admissão. Também a válvula de escapamento fica fechada. O ar que encheu todo o volume deslocado pelo pistão é agora comprimido, até ficar reduzido a um volume cerca de 15 vezes menor. Por causa dessa compressão violenta, a temperatura do ar sobe e atinge temperatura até 700ºC. 3º tempo – Tempo motor (combustão e expansão dos gases), figura 6.
Figura 6 – Autoinflamação e trabalho útil. Fonte: Junior et al.
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No terceiro tempo, com o pistão em movimento novamente do PMS para o PMI, temos a ignição, com a expansão dos gases e transferência de energia ao pistão (tempo motor). 4º tempo – Escapamento (expulsão dos gases queimados), figura 7.
Figura 7 - Saída forçada dos gases queimados. Fonte: Junior et al.
No quarto tempo, o pistão em movimento do PMI para PMS, empurra os gases de escape para a atmosfera. O ciclo teórico exposto acima é puramente teórico, pois na pratica são introduzidas modificações que lhe dão um rendimento bastante elevado. As modificações são: 1º) A válvula de admissão abre alguns graus (instantes) antes do PMS; 2º) A válvula de admissão fecha alguns graus (instantes) depois do PMI; 3º) A válvula de escapamento abre alguns graus (instantes) antes do PMI; 4º) A válvula de escapamento fecha alguns graus (instantes) depois do PMS; 5º) A injeção de óleo Diesel inicia com o avanço, isto é, antes do PMS;
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COMPONENTES DO MOTOR DIESEL O motor Diesel tem um formato semelhante ao motor á gasolina, sendo composto por
três partes principais (figura 8). Cabeçote – Alojamento dos dutos de admissão e escape, as válvulas, o mecanismo pra abrir e fecha as válvulas, entre outros. Bloco – Alojamento dos cilindros, pistão, biela e parte do virabrequim, comando de válvula, entre outros. Carter – Aloja parte do virabrequim, sendo um deposito de óleo que lubrifica todas as partes do motor, entre outros.
Figura 8 – Partes principais do motor Diesel. Fonte: Costa (2001-2002)
Olhando por uma perspectiva mais detalhada (figura 9, 10 e 11), são demonstrados os componentes do motor Diesel e outros elementos dos veículos que usam óleo Diesel.
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Figura 9 – Componentes do motor Diesel (parte I). Fonte: Costa (2001-2002)
Figura 10 - Componentes do motor Diesel (parte II). Fonte: Costa (2001-2002).
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Figura 11 – Motor Diesel e outros componentes dos veículos. Fonte: Mineração Rio Norte (2009)
Injetor: Tem a finalidade de prover o suprimento de óleo Diesel pulverizado em forma de névoa. Válvulas: Válvula de admissão: Abre-se para permitir que entre o ar puro no interior do cilindro. Válvula de escapamento: Abre-se para dar saída aos gases queimados. Dutos: Duto de admissão: Serve de passagem do ar puro para entrada na câmara de combustão. Duto de escape: Serve de exaustão dos gases resultantes da explosão. Câmara de explosão: Local onde a mistura gasosa inflama-se. Pistão (Êmbolo): É parte móvel da câmara de combustão, recebe a força de expansão dos gases queimados, transmitindo a biela. Cilindro: Alojamento do sistema pistão-biela. Biela: Braço de ligação entre o pistão e o virabrequim (transforma o movimento retilíneo do pistão em movimento rotativo do virabrequim).
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Virabrequim: Componente mecânico rotatório dotado de uma série de manivelas que recebe o movimento das bielas, lhe imprimindo o movimento. Eixo do virabrequim: Destinado a transmitir a potência produzida pelas forças de expansão dos gases nos cilindros. Balancim: Componente mecânico com dois braços que oscila sobre um eixo, sendo usados para comandar as válvulas. Mola de retorno: Função de fechar as válvulas. Haste: Impulsiona o balancim para abrir a válvula. Tucho: Transmite o movimento dos cames (ressaltos) do comando de válvulas para a haste. Comando de válvulas: É um eixo que controla o movimento das válvulas de admissão e escape com cames (ressaltos), obedecendo a uma seqüência correta. Transmissão: Transmite o giro do virabrequim para o comando de válvulas, a cada volta da árvore de manivelas corresponde à meia volta do eixo com ressaltos. Engrenagem acionadora: Aciona a bomba injetora, gira a metade do número de rotações do virabrequim. Bomba injetora: A injeção do combustível Diesel é controlada por uma bomba de pistões, responsável pela pressão e dosagem para cada cilindro nos tempos corretos. Turbocompressor: Função de comprimir, fazendo caber mais massa de ar dentro câmaras de combustão e isto, consequentemente, gera mais potência e torque no motor. Coletores: Coletor de escapamento: Expulsão dos gases expelidos pelo motor. Coletor de admissão: Admissão do ar puro do ambiente. Damper: Função de amortecer os impactos torcionais provenientes da árvore de manivelas (virabrequim). O circuito de alimentação simplificado do óleo diesel é mostrado na figura abaixo. Ele tem a função de armazenar, filtrar o combustível necessário e oferecer ao sistema de injeção uma determinada pressão de alimentação em todos os regimes de funcionamento.
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Figura 12 – Circuito de alimentação do combustível. Fonte: Junior et al.
O funcionamento do mesmo consiste em: A bomba alimentadora é comandada pela bomba injetora (que está no centro da figura), aspirando o óleo diesel do tanque (cor do circuito: amarelo com preto) e pressionando até o filtro (cor do circuito: vermelho). No filtro são retiradas as impurezas e o óleo segue pelo outro tubo ate a bomba injetora (cor do circuito: vermelho). A bomba injetora eleva a pressão até a pressão de injeção e o combustível chega aos injetores (cor do circuito: vermelho com preto), cujo jato é dado no interior da câmara de combustão. Os vazamentos do injetor são coletados e retornam ao tanque juntamente com o retorno do óleo do filtro B (cor do circuito: amarelo).
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INTRODUÇÃO AOS AOS TESTES COM MOTORES DIESEL Testar motores é um procedimento que tem que ser efetuado inúmeras vezes. Todos os
motores fabricados têm de ser testados, mas antes de chegar à fabricação os protótipos foram sujeitos a milhares de horas de teste (figura 13). Os motores têm de serem testados a vários níveis, sendo os últimos testes os de longevidade e de confiabilidade.
Figura 13 – Oficina de testes de um carro. Fonte: MAHA Maschinenbau Haldenwang GmbH & Co. KG.
Atualmente, o tempo de teste dos motores é significativamente mais longo que umas décadas atrás, porque são mais elaborados e tem de funcionar em condições mais controladas. Porém, como o acesso á informação é muito maior, os meses de desenvolvimento são em menor número. Enquanto que há três décadas a aplicação de uma bomba injetora a um motor a Diesel era um procedimento relativamente simples, os atuais sistemas digitais de injeção obrigam a estabelecer mapas de injeção no banco de ensaio (figura 14 e tabelas 1 e 2), ou seja, todas as possíveis condições de funcionamento têm de ser convenientemente testadas e gravadas na memória do seu controlador.
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Figura 14 – Mapas de injeção de um motor de combustão interna. Fonte: Dragrace. Tabela 1 – Injeção versus pressão (parte I).
Pressão
Injeção
0,9
2,02
0,8
2,02
0,7
2,02
0,6
2,02
0,5
2,26
Fonte: Dragrace.
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Tabela 2 - Injeção versus pressão (parte II).
0,4
2,7
0,3
3,1
0,2
3,5
0,1
3,9
0
4,38
0,2
4,94
0,4
5,5
0,6
6,06
0,8
6,87
1
7,72
1,2
7,72
1,4
7,72
Fonte: Dragrace.
O nível exigido por legislação de emissão de poluentes, figura 15, por exemplo, obriga a que as condições de funcionamento do motor durante toda a sua vida sejam desprovidas de problemas. Obviamente que para se chegar a este nível de confiança foi necessário testar inúmeros motores (praticamente até a sua destruição), de modo a isolar e resolver potenciais problemas. Mas, mesmo antes de um motor ser projetado, é necessário pensar em soluções novas, mesmo que a maioria nunca foi testada.
Figura 15 – Escapamento de um caminhão. Fonte: PortalAuto.
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OPERAÇÕES DE CONTROLE E MEDIÇÃO Durante um ensaio são obedecidas seqüências programadas de operação de controle e
medição das grandezas físicas. As operações de controle visam o estabelecimento das condições de operação do motor, na qual é realizada a medição das grandezas de interesse. Tais condições são estabelecidas através do controle das seguintes grandezas: - Velocidade angular do motor: Especificada em rad/s. A mesma grandeza também é denominada rotação, quando expressa em número de revoluções por unidade de tempo. Podese utilizar como alternativa a velocidade media do pistão (m/s), especialmente, com base de comparação entre motores de diferentes tipos. - Torque de operação: Parâmetro imposto ao motor em regimes parciais de alimentação. Provém do torque a pressão média efetiva (pressão média na câmara de combustão vezes o rendimento mecânico), grandeza independente do deslocamento volumétrico do motor (1,4: 1; 1,8: 1 etc.). - Taxa de injeção de combustível, visto que a quantidade de combustível enviada pelas bombas injetoras, por ciclo operativo (2 ou 4 tempos), ás câmaras de combustão (mg/ciclo) é um parâmetro que pode ser controlado. - Pressão dos gases de descarga, visando permitir a simulação dos dispositivos que causam a queda de pressão na tubulação de descarga. - Temperaturas do óleo lubrificante e do fluído de arrefecimento, pois representam as condições térmicas de operação do motor. - Índice de fumaça do motor m otor Diesel, que não deve ultrapassar o valor estabelecido pelo fabricante ou pelos métodos de ensaio. - Densidade do ar de admissão (condições do ar): Pressão, temperatura e umidade do ar admitido pelo motor. Dentre as grandezas associadas especificamente ás condições da combustão destacamse: - As temperaturas nas paredes da câmara de combustão, do injetor e a dos gases formados na combustão; - A pressão na câmara de combustão, utilizada para avaliação de rendimentos internos do MCI ou de solicitações a ele impostas. Nos ensaios sobre regimes fixos de operação (permanente), a medição do consumo de combustível e do torque, permite determinar os seguintes parâmetros de desempenho:
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- Potência efetiva: É o valor proporcional ao produto do valor médio do torque pelo valor médio da velocidade angular do eixo de transmissão do virabrequim, segundo ISO 3046/I. O torque efetivo associado a esta potência a plena alimentação específica sua capacidade de suportar solicitações de carga. - Consumo de combustível: Equivalente à massa de combustível consumida pelo motor por unidade de tempo, nas condições de operação do motor declaradas pelo fabricante. - Consumo específico de combustível: É a razão entre o consumo de combustível e a potência efetiva acima definida, e por conseqüência, é o principal parâmetro para apreciação comparativa do rendimento térmico do MCI. Por sua vez, destaca-se a medição de grandezas associadas á verificação de defeitos ou desgastes em peças fundamentais dos motores alternativos: - Consumo de óleo lubrificante: A quantidade de óleo que escapa á vedação dos anéis de vedação, sendo queimado e eliminado pelos gases de descarga é uma medida representativa na avaliação da confiabilidade e durabilidade destes componentes do motor. - Compressão do cilindro: A medição da máxima pressão num cilindro durante uma interrupção momentânea da injeção de combustível permitindo verificar o estado operacional dos anéis do pistão e válvulas na câmara de combustão. - Vazão dos gases do cárter: A mistura de gases da combustão que passam pelos anéis de vedação ou guias de válvulas e vapores de óleo formados no cárter, contém uma alta porcentagem de hidrocarbonetos, e por isto são usualmente aspirados por um tubo ligado ao coletor de admissão e posteriormente queimado na câmara de combustão. Este processo recebe o nome de “Blow-by”. A medição da vazão dos gases que se acumulam no cárter é importante na verificação de defeitos e desgaste de peças fundamentais do MCI (anéis, ( anéis, pistões e suas guias, etc.). Por outro lado, as características poluentes de motores veiculares necessitam ser determinadas através de ensaios que reproduzem suas condições efetivas de operação. - Monóxido de Carbono (CO) – Gás tóxico devido a sua alta afinidade com a hemoglobina do sangue. A formação de CO se deve a falta de Oxigênio para a combustão, na operação do motor com misturas com excesso de fumaça. - Óxido de Nitrogênio (NOx) – Os óxidos de nitrogênio (NOx) não são diretamente tóxicos, mas reagem com os raios ultravioletas do sol, formando o ácido nítrico que produz irritações nos olhos fazendo-os lacrimejar.
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- Hidrocarbonetos (HC) – Não são gases tóxicos, porém, quando sua porcentagem na atmosfera é muito alta, eles dão origem a uma reação química que alem de ter o teor desagradável, desagradável, também provoca pr ovoca irritações nos olhos.
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MÓDULOS DE UM SISTEMA DE ENSAIO CONFORME RONCONI Para sistematizar a identificação e análise da instrumentação, os módulos interligados
ao banco de ensaio de um MCI são caracterizados através da figura 16. Suas funções básicas, características gerais e potencialidades são discutidas a seguir:
Figura 16 – Módulos de um Sistema de Ensaio de Motores Diesel. Fonte: Ronconi (1986)
a) Banco de ensaio do MCI (BEMCI) O BEMCI é o núcleo básico do sistema global, composto usualmente pela banca de fixação do motor, pelo freio/acionador e pelos dispositivos de controle e instrumentos de medição (pontilhado na figura anterior). O freio do banco de ensaio é utilizado para absorção da energia mecânica do motor, controlando desta forma sua rotação ou torque t orque de operação. Os geradores elétricos (dínamos), figura 17, podem ser utilizados como freio/acionadores do motor, pois além de freá-lo podem ainda aciona-lo, possibilitando a medição de sua potência de atrito ou a simulação de condições efetivas de operação . As especificações técnicas do gerador da figura 17 são descritas na tabela 3.
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Figura 17 – Gerador Dínamo de 100 kW, Preço: US $ 400. Fonte: Alibaba. Tabela 3 - Especificações técnicas do dínamo.
MODEL BTC20 Prime Power 24 Stanbdy 27 power Air Natural intakeway Cylinder No. 4 Displacement 3.9 (L) Compression in Ratio Rated frequency
TECHINAL DATA BTC30 BTC40 BTC50 36 50 60 40 55 66 Turbo 4 3.9
BTC80 86 92
Turbo e Intercooler 4 3.9
6 3.9
BTC90 92 100
Turbo 6 5.9
16,5:1 50 Hz/1500 rpm; 50 Hz/1800rpm Fonte: Alibaba.
6 5.9
BTC100 110 120 Turbo e Intercooler 6 5.9
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b) Sistema de admissão de ar Uma vez que a temperatura e a umidade do ar afetam significativamente o desempenho do motor, a tomada de ar de admissão deve se localizar de preferencialmente fora da sala do banco de ensaio, numa região isenta da influência térmica do MCI de outras fontes térmicas, conforme a ISO 1585. Para se facilitar a medida de vazão de ar e proteger o motor da influência da influência de ondas de pressão na tubulação de admissão são necessários instalar grandes tanques de equilíbrio (como exemplo, figura 18) próximos ao motor, com volume superior a cinqüenta vezes o volume de cada cilindro do motor.
Figura 18 – Tanque de equilíbrio, fabricado em aço inox AISI304. Fonte: Tortugan.
c) Sistema de alimentação de combustível Em muitos casos, o processo de medição de consumo de combustível exige a interação entre os sistemas operacional e de alimentação de combustível, para a preparação da medição e o preenchimento do reservatório do combustível. Na figura 19 é apresentado um sistema de alimentação de combustível com todos os elementos necessários a sua operação sem intervenção humana. Tais sistemas devem sincronizar o motor e a bomba injetora com o retorno de combustível.
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Figura 19 – Sistema de alimentação de combustível para motores de combustão. Fonte: Ronconi (1986)
d) Sistema de arrefecimento Em motores arrefecidos a líquido, é recomendável efetivar o controle da temperatura do líquido de arrefecimento na saída do motor, de forma a facilitar o processo de ensaio, e em especial, prevê o aquecimento do motor. Para tanto, sistemas como o ilustrado na figura 20 pode ser utilizado.
Figura 20 – Sistema de arrefecimento para motores de combustão interna.
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Fonte: Ronconi (1986)
e) Sistema de óleo lubrificante Circuitos como apresentado na figura 21 propiciam a alimentação de óleo lubrificante ao motor e simultaneamente mantém sua temperatura abaixo do limite desejado. O óleo circula continuamente pelo servo-válvula de 3 vias que controla a quantidade de óleo que é arrefecida, em função da diferença entre a temperatura desejada e a medida pelo transdutor na saída do reservatório. Por sua vez, o consumo de óleo é medido através de um medidor de vazão de lóbulos rotativo instalado na linha de alimentação de um reservatório auxiliar de óleo que abastece o tanque de óleo do motor (cárter).
Figura 21 – Circuito de óleo lubrificante para motores de combustão interna. Fonte: Ronconi (1986).
f) Sistema de descarga Os gases de descarga devem, preferencialmente, ser transportados por tubulações protegidas com isolamento térmico, e que disponham de tanques de equilíbrio se forem excessivamente longas. Usualmente, atuadores ou válvulas manuais são utilizados para o controle da pressão efetiva dos gases e eventualmente o sistema de descarga pode incluir
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tubulações auxiliares para diluição dos gases, bem como coletores especiais. As amostras dos gases de descarga são levadas aos analisadores de compostos poluentes, subdivididos em: - Analisadores de fumaça (Motores Diesel exclusivamente), exclusivamente), figura 22.
Figura 22 – Exemplo de analisador de fumaça. Fonte: SUN Equipamentos.
As especificações técnicas estão conforme site do fabricante: “O Analisador de
Fumaça Portátil da Sun possibilita uma avaliação precisa e eficiente da fumaça do escapamento
de
veículos
a
diesel.
O CSM-5000 utiliza o método de fluxo parcial, permitindo medições diretas e contínuas da fumaça amostrada, ou seja, permite a medição da quantidade de luz obstruída pela fumaça desde 0%, indicando ausência total de fumaça na câmara de amostragem, até 100%, indicando obstrução total pela fumaça”.
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g) Sistema de medição da vazão dos gases do cárter. A medição de vazão dos gases do cárter pode ser realizada com fluxímetros de gás, sendo os mais simples aos contadores de gás para consumo doméstico. Fluxímetros com área variável, dotados de transdutores indutivos de deslocamento também podem ser utilizados, com a vantagem da disponibilidade de sinal elétrico, figura 23. Estes aparelhos podem prever o processo de desgaste e defeitos dos aros do êmbolo, válvulas ou camisas dos cilindros, se as medições tiverem variações súbitas forem fora do normal. As especificações especificações técnicas aparelho da figura 23 estão na tabela 4.
Figura 23 – Fluxímetro de gás digital. Fonte: GCROM Tabela 4 - Especificações técnicas do fluxímetro.
Características Precisão: +- 3 % Temperatura de operação: -0 a 45 ºC para o instrumento Calibrado em 5 pontos respeitando padrões NIST Fluxo em tempo real Medição da razão de divisão CE Medidas de vazões de 0,5-1000 mL/min Portátil com alimentação por bateria Fonte: GCROM.
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MÓDULOS DE UM SISTEMA DE ENSAIO CONFORME MARTINS O exemplo de uma planta de uma sala de teste de motores está apresentado na figura
24.
Figura 24 – Planta esquemática de uma sala de motores. Fonte: Martins (2006).
Na mesa poderá ser colocado o acelerador, o computador e os “displays” dos vários instrumentos de medida e controle e os seus comandos: - Botão de desligar; - Botão de ignição e do motor de arranque; - Termômetros (entrada e saída da água do motor e do freio, do óleo, do ar, dos gases de escape, etc.); - Manômetros de pressão (óleo, água do motor e do freio, da admissão e do escape); - Pressão atmosférica e humidade do ar (medições de precisão); - Nível dos reservatórios (combustível, água, óleo); - Ligação das várias bombas de água, da ventilação, etc. - Luzes de aviso das ligações: De valores baixos (reservatório e pressão do óleo), de valores altos (temperatura, pressão da água), da ignição i gnição ligada, da ligação da ventilação, etc. Nas consolas (mesas laterais) aparecerão os controles e leituras do freio (velocidade, binário, potência, programa, etc.), do consumo de combustível e de ar, outra aparelhagem tal como leitura de gases poluentes, riqueza da mistura, etc.
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Em lugar visível deverá aparecer uma lista com a sucessão dos procedimentos de início e fim de operação do freio. Geralmente os dinamômetros podem controlar o motor de 3 modos: - Velocidade constante; - Binário constante; - Relação binário-velocidade bin ário-velocidade.. Sistemas mais sofisticados poderão ter atuação do acelerador integrado no controle do freio. Preferencialmente os dados deverão ser armazenados no computador.
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VISÃO GERAL SOBRE OS DINAMÔMETROS Basicamente, um dinamômetro é um equipamento capaz de medir a potência, trabalho
executado na unidade de tempo, de um motor em suas diversas condições de funcionamento. O dispositivo mais antigo de dinamômetro, utilizado até os dias de hoje para medir a potência do motor é constituído por um volante circuncidado por uma cinta conectada a um braço cuja extremidade se apóia sobre a plataforma de uma balança, figura 25. O volante acionado pelo motor, tem seu movimento restringido pela pressão aplicada á cinta, que transmite o esforço ao braço apoiado sobre a balança. A partir das leituras da balança, calculase o esforço despendido pelo motor. Este dispositivo é conhecido como FREIO DE PRONY.
Figura 25 – Freio de Prony. Fonte: Perfectum.
Um modelo aprimorado do freio de Prony consiste num rotor ligado a um motor e num estator apoiado em rolamentos e “travado” sobre uma célula de carga colocada no extremo de um braço de comprimento b, resultando em uma força F, medida por esta (figura 26). O resultado é um binário de valor b x F, que multiplicado pela velocidade de rotação do motor nos dá a sua potência.
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Figura 26 – Freio de Prony aprimorado. Fonte: Martins (2006).
Existem dois tipos de dinamômetros usados para medir as características dos motores, os freios dinamométricos e os dinamômetros de inércia. Os primeiros foram esquematizados nas figuras 13 e 14 e medem o binário e potência do motor “travando-o” a uma dada velocidade (com um binário de travagem). Este tipo é o mais usado para medições mais “científicas”, enquanto que o uso do inercial se tem vindo a intensificar para utilizações mais “técnicas”, tais como pequenas transformações de motores.
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9.1 DINAMÔMETROS DE INÉRCIA Os motores de elevadas potências ou os de menor potência colocados em veículos de reduzida massa (carros de corrida ou motociclos) proporcionam rápidas acelerações, e é nestas condições que este tipo motores é usado. Assim, uma maneira de testar estes motores é ligá-los a uma instalação que simule a inércia do veículo e medir a velocidade do motor em função do tempo. O aumento da velocidade (aceleração axial α, que é igual à segunda derivada da posição do virabrequim no tempo), multiplicado pela inércia do dinamômetro, dá o binário do motor (subtraído do binário absorvido pelo dinamômetro, se for provido de um freio), assim:
α =
2 d θ 2
dt
=
B − C
(2)
I
α = Aceleração angular (rad/s
2
)
θ = ângulo da cambota (rad)
t – tempo (s) B – Binário do motor (Nm) C – Carga (binário) de travagem do dinamômetro (Nm) I – Inércia do dinamômetro. Este tipo de dinamômetro consiste simplesmente em massas (cilindros inerciais) que são obrigados a rodar pelo motor. O motor pode estar diretamente acoplado ao dinamômetro, figura 27, ou o veículo pode colocar rodas motrizes diretamente sobre os cilindros de inércia. Neste caso estamos a medir a inércia não só dos cilindros, mas também do sistema de transmissão e das rodas. O próprio motor tem inércia (virabrequim, bielas pistões, etc.), assim, uma medição “dinâmica” resulta em valores mais baixos de binário que uma medição estática e quanto mais baixa for os rolos de inércia, maior será essa diferença, pois, parte do binário produzido foi usada para vencer as inércias do próprio motor. Um modelo de dinamômetro inercial está na figura 28 e as especificações técnicas dele na tabela 5.
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Figura 27 – Dinamômetro inercial para teste aceleração. Fonte: Martins (2006).
Figura 28 – Dinamômetro inercial comercial. Fonte: Napro.
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Tabela 5 - Especificações técnicas do dinamômetro.
Pode ser usado para: Emissão de gases, com veículo em carga; Injeção Eletrônica de Combustível; Carburadores; Sistemas de Ignição Sistemas do Diesel; Sistemas de escape; Sistemas de combustível; Motores e o sistema de motores. Características Mecânicas e Elétricas Carga máxima admissível por rolo: 2000 kg Dimensão: 2 WD: 2000 x 900 x 420 4 WD: 5100 x 2000 x 510 Velocidade máxima permissível: 200 km/h Força de tração: 6000 N Alimentado: Monofásico 220 VAC 60 Hz 2WD / Trifásico 220 VAC 60 Hz 4WD Corrente Máxima: 200 kW – 10,2 A / 450 kW 15,5 A Comprimento do cabo de comando: 12 m Fonte: Napro.
O TCC de Maus (2010) faz um projeto, cálculos e construção deste tipo de equipamento. A figura 29 mostra o equipamento e o carro de brinquedo usado para a simulação.
Figura 29 – Dinamômetro inercial e o carrinho. Fonte: Maus (2010)
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9.2 DINAMÔMETROS HIDRÁULICOS Há vários tipos de dinamômetros hidráulicos, mas todos funcionam pelo mesmo princípio: O eixo faz com que um rotor cilíndrico mova água para compartimentos situados no estator, tentando movê-lo por transferência de quantidade de movimento da água. Este processo retira binário ao eixo e, como o estator permanece parado, esta energia dissipa-se em calor (figura 30).
Figura 30 – Bancada dinamometrica hidráulica. Fonte: Maus (2010).
A variação do binário do dinamômetro é produzida por dois modos: - (tipo Froude) a ligação entre o rotor e o estator é parcialmente bloqueada pela introdução de finas lâminas, controlando a extensão desta interligação. - (enchimento variável) a corrente de água ao passar no freio é controlada por uma válvula. Um terceiro tipo de dinamômetro hidráulico é denominado dinamômetro de disco e consiste num ou em vários discos planos ligados ao eixo motor, separados por um pequeno espaçamento de discos ligados ao estator. A potência é absorvida pela tensão de corte
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originada na película de água entre os discos. Este tipo de dinamômetro não funciona bem a baixas rotações, mas agüenta elevadas velocidades, sendo indicado para testar turbinas. O controle da carga é feito pela corrente de água. A figura 31 e tabela 6 apresentam os componentes principais dos freios hidráulicos, que tem como característica um menor custo operacional e maior confiabilidade, mas necessitam de servo-válvulas para o controle remoto e automático de sua capacidade de frenagem.
Figura 31 – Freio hidráulico para banco de ensaio. Fonte: Ronconi (1986).
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Tabela 6 – Componentes do freio hidráulico
Lista de peças 1 – Ponta de eixo para flange 2 – Entrada de água 3 – Vedações do eixo principal 4 – Câmara de absorção 5 - Motor duplo 6 – Carcaça 7 – Estator 8 – Câmara externa 9 – Flange da carcaça 10 – Flange de acoplamento 11 – Correia dentada 12 – Servo-motor 13 – Potenciômetro 14 – Junta universal 15 – Válvula borboleta 16 – Estrangulador 17 – Guia do estrangulador 18 – Válvula de controle 19 – Suporte flexível 20 – Base rígida 21 – Transdutor eletroindutivo Fonte: Ronconi (1986).
Um dinamômetro hidráulico comercial está representado na figura 32 e as especificações técnicas na tabela 7.
Figura 32 - Dinamômetro hidráulico comercial. Fonte: Yancheng Jiangyang Foreign Trade Engine Co., Ltd.
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Tabela 7 - Especificações técnicas do Dinamômetro hidráulico. Model (hidraulic Y3300-S dynamometer) Max absorption (kW) 3300 Torque precision (F,S) +0,2 % -0,2% Testing precision (F,S) +0,05% -0,05 % Max speed (r/min) 2500 Rotation direction One-wai Brakingforce range (N) 0-35000 Max brakingforce torque (N.m) 33400 Max water consumption (kg/h) 63000 Max temperature (ºC) 70 Spindle length 1440 Spindle height 840 Size of dynamometer (mm) 1452x1558x1310 Size of base (mm) 1256x1559x260 Net weight 3300 Interial (kg.m) 7.1 Fonte: Yancheng Jiangyang Foreign Trade Engine Co., Ltd.
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9.3 DINAMÔMETROS ELÉTRICOS Há vários tipos de dinamômetros elétricos, mas em todos a energia absorvida é transformada em energia elétrica, que pode ser retirada do freio como eletricidade ou como calor resultante das perdas eletromagnéticas (correntes de Foucault). Os dinamômetros de corrente contínua (figura 33) são basicamente um motor de corrente contínua que funciona como gerador, sendo a carga controlada eletronicamente. eletronicamente. Uma vantagem adicional deste tipo de dinamômetro é que o motor pode ser posto em movimento pelo freio (para arranque ou para medição das perdas mecânicas). Geralmente estão limitados a uma velocidade baixa e tem bastante inércia. Semelhantes a estes são os dinamômetros de corrente alternada (motor assíncrono ou de indução), que tem as mesmas vantagens, mas apresentam menos inércia e agüentam maiores velocidades. O controle é conseguido pela variação da freqüência da corrente de ativação (inversor de freqüência).
Figura 33 – Teste de pequeno motor usando um motor de corrente contínua com freio. Fonte: Martins (2006).
Os dinamômetros de corrente de Foucault (figura 34) são provavelmente os mais utilizados. O seu funcionamento assenta na indução eletromagnética pelo rotor rot or em movimento (excitado eletricamente), que produz correntes de Foucault dissipadas na forma de perdas resistivas no estator. A variação da corrente corrente de excitação produz produz as variações variações de carga do
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freio. O calor dissipado no estator tem de ser retirado por água (processo mais frequente) ou por ar (como nos freios elétricos dos veículos pesados).
Figura 34 – Dinamômetros correntes Foucault. Fonte: Maus (2010).
A figura 35 apresenta os principais componentes destes tipos de freios, tendo como atributos a falta de capacidade para o acionamento, mas com maior capacidade de absorção de potência e menor custo inicial, i nicial, exibindo dinâmicas bastante adequadas ao controle automático por computador.
Figura 35 – Freios eletromagnéticos para banco de ensaios. Fonte: Ronconi (1986).
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Um dinamômetro comercial de correntes de Foucault está representado na figura 36 e às especificações técnicas na tabela 8.
Figura 36 - Dinamômetro comercial de correntes de Foucault Fonte:FYancheng Jiangyang Foreign Trade Engine Co., Ltd. Tabela 8 - Tabela das especificações técnicas do dinamômetro de Foulcault.
As medições da precisão do teste do modelo DW 320 Output +- 0,2 % Speed +- 0,05 % do consumo de água 1240 Nm de torque absorção 5000 r/min 6000 kg/h Fonte:FYancheng Jiangyang Foreign Trade Engine Co., Ltd.
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10 CUIDADOS NA MEDIÇÃO DO TORQUE Usualmente, mede-se o torque efetivamente imposto ao motor pelo freio do banco de ensaio, através da medição do seu momento de reação. Este torque, a rigor, ri gor, é igual á soma dos momentos de frenagem eletromagnético ou hidrodinâmico e do momento devido ao atrito dinâmico nos mancais do eixo do rotor do freio. Portanto, o processo de medição desta grandeza requer a suspensão da carcaça do freio, através de pares de mancais independentes dos mancais do eixo do rotor (figura 35) ou de suportes flexíveis (figura 31) e da utilização de um braço ligado a um dinamômetro que constituem o torquímetro de reação do freio apresentado na figura 37.
Figura 37 – Freio com suportes flexíveis e seu torquímetro de reação. Fonte: Ronconi (1986).
Assim, basicamente a incerteza de medição do torquímetro de reação é afetada pelos seguintes fatores: - Atrito estático nos mancais ou suportes da carcaça; - Efeitos de histerese (amortecimento estrutural dos componentes) no transdutor de força; - Variação de temperatura ambiente; - Vibrações induzidas pelo motor ou outras fontes; Sob o ponto de vista dinâmico, a inércia da carcaça e o amortecimento nos seus mancais ou suportes flexíveis de sustentação formam um filtro, o que significa que o
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torquímetro de reação elimina as freqüências mais elevadas do torque a medir. Este fato, no entanto, não restringe a utilização do torquímetro de reação, nem mesmo em trabalhos científicos, (como exemplo, artigo de Santana (2010)), pelo contrario, dele pode se tirar proveito para reduzir efeitos perturbadores das vibrações induzidas pelo motor ou outras máquinas sobre a medição do seu torque médio. Quanto ao dinamômetro, Ronconi recomenda que sua faixa operacional normalmente deva se situar entre 200 N até 2000 N, considerando-se motores com torque máximo entre 100 Nm (veículos leves) e 1500 Nm (caminhões pesados), visto que o braço do torquímetro deve ter 0,5 a 1 m de comprimento.
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11 ALTERNATIVAS QUANTO A MEDIÇÃO DA ROTAÇÃO Para a medição da rotação do MCI, podem ser utilizados sistemas de medição analógicos, como os tacômetros mecânicos ou elétricos. Não obstante suas excelentes características operacionais e dinâmicas, os tacômetros elétricos apresentam desvantagens que podem comprometer o BEMCI: - Significativo coeficiente de temperatura (0,03% K) - Sua calibração no próprio banco de ensaio não é recomendável devido ás variações inerentes da rotação do MCI. Desta forma, sistemas digitais com sensores eletroindutivos ou fotoelétricos, figura 38 e tabela 9 (características técnicas), passaram a ser preferidos para este propósito, por não apresentarem as desvantagens acima assinaladas e excelentes potenciais quanto á baixa resolução e incerteza de medição. Com o uso de frequencímetro, figura 39 e tabela 10 (características técnicas) podem-se obter facilmente o valor da rotação média ou número de revoluções do motor num dado período.
Figura 38 - Tacômetro TEC-CT100-C Fonte: Tecnovip
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Tabela 9 - Características técnicas do tacômetro.
Range de medição Sensor óptico Sensor de contato Precisão Sensor óptico Sensor de contato Resolução 1 tr/min e 0,1 m/min Funções Contador de revoluções Unidades
60 a 60000 tr/min 30 a 20000
4 a 2500 m/min
+- 0,3% da leitura +- 1 % da leitura
+- 1 tr/min até 10000 tr/min +- 1 tr/min
+- 30 tr/min
Hold, min/max Tr/min, rpm, m/min, ft/min, in/min e m/s Fonte: Tecnovip
Figura 39 – Frequencímetro digital. Fonte: Instrutemp. Tabela 10 - Características técnicas do frequencímetro.
a) Display de led com 8 dígitos, 19 mm de altura, indicação da função selecionada (freqüência ou período), KHzm MHz, ms e s b) Funções: Freqüência ou período c) Base de tempo: A cristal de quartzo com temperaturas compensada d) Escalas: 2M, 50M e 2400 MHz e) Temperatura de operação: de 0º a 50 ºC f) Unidade de operação: de 10% até 90% sem condensação g) Temperatura de armazenagem: de -40 a 60 ºC i) Alimentação: 127/220 V +- 10%, 50/60 Hz j) Consumo de energia: energia: no máximo 5W k) Proteção: através de fusível de vidro de 200 mA/250V i) Tempo de aquecimento 20 min m) Conectores de entrada: Tipo BNC n) Dimensões e peso: 270 x 215 x 100 mm e 1,6 kg Fonte: Instrutemp.
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12 CARGA TÉRMICA A SER RETIRADA R ETIRADA DA BANCADA PELA VENTILAÇÃO VENTILAÇÃ O Uma sala de teste tem que proporcionar o fornecimento de combustível Diesel e ar para o motor, arrefecimento do líquido de arrefecimento e retirada dos gases de escape adequada e, finalmente, tem que possuir um sistema para arrefecimento do circuito de lubrificação do motor. A função da ventilação em uma bancada de testes de motores tem como finalidade á extração de calor, com isso, podem ser colocados ventiladores para arrefecer localmente algumas zonas críticas (como exemplo o cárter). Efetuando uma analogia com o veículo andando em um ambiente normal, o motor tem bastante ar circulando em volta e os motores têm ventilação própria, conforme figura 40.
Figura 40 – TATRA modelo T-87. Fonte: Motorclássico.
As várias cargas térmicas na sala de teste de motores são subdivididas em: - Convecção e radiação do motor; - Convecção e radiação do escape; - Perdas no dinamômetro; - Perdas na tubulação de arrefecimento do motor e freio. Os motores modernos perdem calor pelo seu exterior em torno de 10 % da potência mecânica máxima do motor, se forem resfriados por água. Se for arrefecido por ar este valor sobe para 90 %. É de notar que o exterior do motor necessita ser arrefecido, sendo conveniente usar uma ventoinha direcionada para o cárter, ocorrendo uma convecção forçada
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no local, conforme figura 41, se o mesmo não tiver um resfriamento a óleo específico no equipamento.
Figura 41 – Ventoinha e cárter. Fonte: Tuning.online.
O escape é a fonte dos maiores ganhos de calor numa sala de teste, que pode chegar a 30 % da potência perdida pelo motor, conforme figura 42. A parte inicial do tubo de escape está a uma temperatura que perde calor por radiação e convecção forçada. O restante do tubo de escape está a uma temperatura que perde calor por radiação e convecção natural. Com isso, o ponto crítico do escapamento é o início, uma solução é isolar de alguma forma o escape para reduzir significantemente o valor desta carga térmica, t érmica, usando uma fita especial, figura 43 e tabela 11 (especificações técnicas).
Figura 42 – Escape de um motor em uma bancada de testes. Fonte: Silva et al (2008)
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Figura 43 - Fita refratária da fibra fibr a cerâmica de isolação térmica, US $4,48. Fonte: Zibo Jiuqiang Refractory Co., Ltd. Tabela 11 - Peculiaridades técnicas da fita refratária. Artigo Pano da fibra cerâmica Fita da fibra cerâmica Código do produto JQCF01 JQCF02 JQCFT01 JQCFT02 Temperatura de classificação 1260 ºC 1260 ºC 1260 ºC 1260 ºC Temperatura de trabalho 450 ºC 1000 ºC 450 ºC 1000 ºC Material básico Fibra de vidro Aço inoxidável Fibra de vdro Aço inoxidável reforçada reforçado reforçado reforçado 3 Densidade terórica (kg/m ) 500 +- 15 500 +- 30 Índice de umidade (%) <2 Densidade da urdidura 48-60 Piece/10 cm Densidade de trama 21-30 Piece/10 cm Índice orgânico (%) < 15 Especificação (milímetro) L: 30000 mm/W:1,000/T: 2-3 mm Embalagem Saco de plástico para dentro, caixa fora Fonte: Zibo Jiuqiang Refractory Co., Ltd.
O exterior do dinamômetro se for resfriado por água não deve ultrapassar os 80 ºC. Se for arrefecido por ar, o calor considerado deve ser equivalente equivalente ao que foi perdido pelo motor. Geralmente os tubos de água que resfriam o motor e o freio dinamométrico não são isolados, assim, na sua superfície a temperatura não deve ultrapassar os 90ºC, onde existem perdas por convecção natural e radiação. Se as tubulações forem isoladas, a carga térmica baixa drasticamente (vantajoso).
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13 RECOMENDAÇÕES DE MARTINS QUANTO AO CONSUMO E FORNECIMENTO DE ÓLEO DIESEL A sala de teste deve ter um depósito de combustível que poderá ser montado elevado de modo a proporcionar fornecimento por gravidade ou ter uma bomba de circulação. O seu volume deve ser suficiente para um dia de teste, pois é desaconselhável desaconselhável ter muito combustível na sala. Preferencialmente o depósito e a tubulação devem ser fabricados em aço inox. Outros materiais são aceitáveis, mas, pensando que a instalação deve funcionar por anos, os problemas de corrosão não podem acontecer. O depósito deve ter saída e retorno, ventilação e visualização de nível e entrada para abastecimento. As tubulações devem ter eletroválvulas ligadas a algum sistema de alarme e ao comando central do freio. A velocidade máxima recomendada do combustível nas tubulações é 0,2 m/s. O sistema de pressurização do combustível (bomba injetora, filtro) deve ser feito perto do motor, mas o retorno deve ir para o depósito de combustível. Cuidado ao recircular o combustível (várias vezes) pela bomba e filtro para não elevar a temperatura. A medição do consumo combustível pode ser feita com aparelhagem específica, mas, pode ser feita “artesanalmente”. “artesanalmente”. Neste caso (figura 44) pode-se usar usar uma balança de precisão (0,1 g) e fazer o retorno a um pequeno depósito (1 L) sobre ela el a colocado. A medição será feita pela leitura da evolução da massa ao longo do tempo, neste depósito.
Figura 44 - Sistema para medição gravimétrica de combustível. Fonte: Martins (2006).
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Um outro tipo de medição poderá ser volumétrico, medindo-se o tempo t empo para consumir a um dado volume de combustível (figura 45), usando um conjunto de balões de vidro de conhecido volume (entre as marcas). Tal como o anterior, este aparelho deve ser montado (desviando) da linha normal de abastecimento (mas sem retorno para o depósito).
Figura 45 - Aparelho para medição volumétrica de combustível. Fonte: Martins (2006).
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14 RECOMENDAÇÕES DE RONCONI QUANTO AO CONSUMO E FORNECIMENTO DE COMBUSTÍVEL O consumo de combustível deve expressar efetivamente a massa de combustível gasta pelo motor na operação sob regime estabilizado, no entanto, a medição da vazão volumétrica de combustível é admitida quando a determinação do peso específico de combustível é simples e eficiente. Ao se medir a vazão instantaneamente deve-se, no entanto, levar em consideração que o fluxo de combustível na linha de alimentação é afetado por: - Flutuações da pressão na alimentação do combustível; -Presença de bolhas de vapor, formadas a partir da vaporização de hidrocarbonetos leves, devida aos efeitos combinados do calor do motor e de baixas pressões na linha de alimentação de combustível. - Presença de linhas de retorno de combustível em muitos muit os sistemas de injeção A medição de valores instantâneos de vazão de combustível não pode ser considerada representativa do consumo efetivo de combustível. Porém, sob o ponto de vista operacional, é importante diferenciar os processos de medição contínua e intermitente do consumo de combustível, pois a primeira propicia maior simplicidade operacional, enquanto a outra exige interrupções periódicas para o reabastecimento de buretas ou reservatório de balanças do sistema de medição. Na tabela 12 são analisados os medidores mais utilizados para medição do consumo de combustível e suas principais características. Tabela 12 – Principais medidores de consumo de combustível
Processo de medição
Designação do medidor Rotâmetro
Princípio operativo Área variável
Lóbulos rotativos
Deslocamento de volume fluído (positivo) Velocidade do fluído Nível do líquido
Contínuo
Turbina Buretas Intermitente
Balança de compensação Balanças eletromecânicas
Dispositivos para automação Transdutores de deslocamento Contatos eletromecânicos
Sensores eletromagnéticos Sensores fotoelétricos Equilíbrio de Sensores eltromassas na balança mecânicos ou fotoelétricos Variação do peso Transdutores do reservatório de indutivos/capacitivos fluído de deslocamento Fonte: Ronconi (1986).
Medição instantânea Somente em regimes estabilizados Sim Não Não Sim
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Os rotâmetros, não desconsiderando sua facilidade de manuseio, têm incertezas de medição relativamente altas, estando na figura 46 e os seus dados técnicos na tabela 13. Medidores de deslocamento positivo, que operam através do contínuo aprisionamento e liberação de volumes fixos do fluído, são próprios para medição ininterrupta do consumo em regimes estabilizados, cujo valor é proporcional á rotação média deste medidor, na figura 47 está o aparelho e na tabela 14 os dados técnicos. Já os medidores do tipo turbina requerem criteriosas calibrações para cada tipo de combustível, visando à determinação da relação entre a vazão de combustível e a rotação da turbina, a qual deixa de ser linear em faixas de operação pequenas, entre 1 a 100 l/h. Na figura 48 está o medidor e os dados técnicos na tabela 15.
Figura 46 – Rotâmetros em plástico de engenharia. Fonte: ELAN. Tabela 13 – Dados técnicos do rotâmetro.
Faixa de medição para água Fluídos padrão Outros Fluídos Diâmetros nominais Acessórios Classes de precisão Temperatura de operação Pressão de operação
1,5 l/h – 50000 l/h Água, 30 % HCL, 30 % NaOH, Ar Sob consulta DN 10,15,20,20,32,40,50,65 10,15,20,20,32,40,50,65 Fim de curso magnético. Transmissor contínuo magnético Tipo 750: Classe 4 VDI/VDE 3513, Folha 2 – Tipo 700: Classe 2,5 VDI/VDE 3513 -20 até 100 ºC (de acordo com material do tubo) 6 bar até 15 bar (de acordo com material do tubo) Fonte: ELAN.
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Figura 47 – Medidor de vazão de lóbulos rotativos. Fonte: DWILER. Tabela 14 – Dados técnicos do medidor de vazão.
Linearidade Repetitibilidade Pressão máxima de operação Viscosidade Temperatura máxima de operação Conexão Mancais Sinais de saída
+- 0,5 % +- 0,1 % 40 kg/cm 2 Mínima: 0,3 cP 140 ºC Flange (padrão ANSI B 16,5) Rosca (NPT/BSP Rolamentos Pulsos: Transistor com coletor aberto Corrente: 4 – 20 mA/Impedância máx. 1 K Ohms. Fonte: DWILER.
Figura 48 – Medidor de vazão tipo turbina. Fonte: Incontrol
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Tabela 15 – Dados técnicos do aparelho da figura 50.
Modelo Faixa de operação
Linearidade Repetitibilidade Conexão ao processo
Temperatura de operação Pressão máxima de operação Pressão mínima de operação Viscosidade Materiais
VTI Para líquidos: 0,6 a 6 m/s (c/ Rotor de 1. ½”) 1,5 a 15 m/s (c/ Rotor de 1”) Para gases: 3,0 a 30 m/s (c/ Rotor de 2”0 7,6 a 76 m/s (c/ Rotor de 1. ½”) Para líquidos: +- 1,0 % FE Para gases: +- 2,0 % FE +- 0,25 % Flangeadas: Flangeadas: ANSI, DIN, outros. Roscadas: Roscadas: NPT, BSP, outros. Com ou sem válvula de bloqueio. Altura ajustável ou fixa - 50 ºC a 120 ºC padrão. Temperaturas mais elevadas, sob consulta 150 psi para modelos ajustáveis. 1000 psi para modelos fixos. 125 % da pressão de vaporização mais duas vezes a queda de pressão no medidor Até 60 cstk, outros sob consulta Corpo: AI304 ou AI316 Conexão: AI304 ou AI316 Suportes: AI304 ou AI316 Rotor: AI420 Mancais: Rolamento em AI440DC. Mancais em carbeto de tungstênio. Outros materiais, sob consulta. Filtro: Mesh Fonte: Incontrol.
Por outro lado, os SM com operação intermitente são usualmente designados de medidores volumétricos ou gravimétricos, correspondentes a buretas e balanças para medição de consumo de combustível, sendo analisados a seguir: a) Buretas para medição do consumo de combustível. A utilização de buretas com células fotossensíveis (buretas automáticas), constitui a opção mais visível quando se requer operação automática, baixo custo e pouca incerteza na medição do combustível. O volume de combustível a ser consumido é selecionável, portanto, os requisitos de minimização do tempo ou incerteza de medição se tornam desprezíveis. A figura 49 aponta um modelo deste tipo deste instrumento e suas especificações técnicas na tabela 16.
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Figura 49 – Bureta automática. Fonte: R A C Exports. Tabela 16 – Especificações da bureta automática.
Cap. ml 10 25 50 100
Sub. Div. ml 0,05 0,10 0,10 0,20
Tolerância ml +0,05 0,10 0,10 0,20
Fonte: R A C Exports.
b) Balanças para medição de combustível As balanças de compensaçã compensaçãoo (figura em Ronconi (1986)) permitem a medição indireta do consumo de combustível por meio do tempo necessário para que a massa consumida de combustível equilibre os pesos do outro lado da balança, suas incertezas de medição são umas funções da inexatidão dos pesos e da balança, nos melhores casos são da ordem de 0,5 g até 100g e de +- 2 g em 1 kg. As balanças eletromecânicas (figura em Ronconi (1986)) permitem, por sua vez, medir diretamente a variação efetiva da massa de combustível remanescente no reservatório do sistema de medição.
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15 ÁGUA DE ARREFECIMENTO O circuito de arrefecimento do motor poderá ser diretamente ligado ao circuito da sala de teste de motores ou poderá ser ligado a um permutador (trocador) de calor água-água, retirando-se o calor desta forma para o circuito da sala (figura 50). Este último sistema é preferível em relação ao primeiro, pois um grande circuito de resfriamento é difícil de controlar com eficiência. O sistema da água da sala de teste deve ser desenhado para permitir o escoamento de calor máximo, levando em conta o freio dinamométrico usado. Como exemplo, se a potência do freio for de 100 kW, este circuito tem que dissipar 200 kW (o dobro), sendo 100 kW do freio e os outros 100 kW do arrefecimento do motor. O circuito englobará o arrefecimento do motor e do freio, preferencialmente em circuitos separados. A água a circular deverá ser desprovida de impurezas e de elementos abrasivos que poderão danificar o freio.
Figura 50 – Esquema da instalação do sistema de arrefecimento a água de uma bancada Diesel. Fonte: Martins (2006).
O sistema de arrefecimento deverá ter um depósito provido de válvulas de limpeza e descarga das impurezas formadas, ligada á rede, filtro, bomba circuladora e válvulas. A ligação com o permutador de calor do motor deverá ser controlada por uma válvula de 3 vias termostática (controla temperatura). O dinamômetro não necessita de controle de temperatura (com exceção da temperatura máxima de saída), para que não haja restrição ao tipo de corrente que por ele passa (elétrica, hidráulica, etc.). O arrefecedor do circuito de lubrificação é também um permutador de calor ligado ao sistema de água da sala, controlado por uma válvula de 3 vias termostática. t ermostática. Para arrefecer a água pode-se usar um permutador água-ar e respectivo ventilador ou uma torre de arrefecimento. Esta última é preferível para freios de elevada potência ou para
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um conjunto de várias salas de teste. Na torre de arrefecimento a água é deixada cair livremente (em gotas) ou sobre uma larga superfície, perdendo entalpia por evaporação. evaporação. Para analisar o balanço térmico (temperaturas) na instalação e no motor, deve-se medir a temperatura de entrada e saída e a corrente de água que atravessa os permutadores de calor. A medição das correntes dos fluídos pode ser feitas com vários instrumentos específicos, como o rotâmetro, mencionado no item 14. A medição do consumo de óleo lubrificante em tempo real pode ser viabilizada através da adição de uma quantidade conhecida de uma substância radioativa como o trítio, no próprio óleo lubrificante. Uma vez que o óleo que passa para a câmara de combustão é queimado, a medição do fluxo de radiação nos gases de descarga permite determinar o consumo de óleo de forma quase instantânea. Fazendo uso de uma circulação forçada do óleo, permite qualificar diferentes conjuntos de anéis/pistão após poucas horas de ensaio, figura 51.
Figura 51 – Sistema de medição do consumo de óleo. Fonte: Ronconi (1986).
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16 AR DE COMBUSTÃO A medição do ar de entrada para o motor é feita com certa dificuldade, existindo vários métodos, com suas vantagens e inconvenientes. Um dos grandes problemas é o fato do motor não admitir ar continuamente, mas de forma pulsante, durante o evento da abertura das válvulas de admissão. Assim, há interesse em determinarmos uma medição média da corrente de entrada, sendo necessário um grande volume de ar para minimizar as oscilações. A medição da corrente de ar pode ser feita por uma placa orifício situada na entrada de uma caixa de ar de grande volume (figura 52), pela medição da variação da pressão na montante e jusante (antes e depois) da placa de orifício. orifí cio. Usando um desenho normalizado para a placa de orifício calibrado (figura 53).
Figura 52 – Medição da corrente de ar por placa orifício e caixa de ar. Fonte: Martins (2006).
Figura 53 – Orifício calibrado da placa orifício. or ifício. Fonte: Martins (2006).
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Interessa que a queda de pressão na placa orifício não seja superior a 1200 Pa (125 mm de coluna de H 2O), pois desta maneira o ar pode ser considerado incompressível e usar a equação abaixo, além da pressão de admissão ser limitada limi tada a valores aceitáveis. .
V = C D .
V −
π D 2
2∆ p
4
ρ
.
→
m = 64,94C D D 2
hp a T a
(3)
Variação do volume (m 3).
CD – Coeficiente de descarga (0,6). D – Diâmetro do orifício da placa orifício (m). ∆p – Variação da pressão (bar). ρ – Massa específica (kg/m³).
h – Altura da coluna de água resultante do diferencial de pressão (mm de coluna H 2O). Ta – Temperatura atmosférica (K). Pa – Pressão atmosférica (bar) Um outro método consiste no uso do medidor do escoamento laminar da corrente de ar, sendo o medidor de ar mais usado em motores. Consiste num conjunto de tubos de pequena seção (figura 54), de modo que o escoamento no seu interior seja laminar. Deste modo a queda de pressão entre a entrada e a saída é proporcional à velocidade do ar e não ao seu quadrado, como acontece na placa orifício, simplificando a medição. È necessário efetuar a calibração dos orifícios para uma medição correta.
Figura 54 – Medidor laminar de corrente. Fonte: Martins (2006).
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17 GASES DE ESCAPE O tubo de escape deve ser suficientemente longo de modo a retirar os gases queimados para o exterior do edifício. É possível usar um tubo de escape curto (parecido com o do veículo) e retirar os gases queimados por aspiração mecânica ou pneumática. No entanto esta pratica pode ser perigosa pelos gases estarem a temperaturas muito elevadas (> 600 graus Celsius), e poderem danificar os ventiladores e as tubulações. É importante medir a temperatura dos gases de escape para a determinação da entalpia. A tubulação de escape tem que ter acesso para retirada dos gases, para os mesmos ser analisados (figura 55). Não esquecer de usar tubos longos enrolados para baixar a temperatura na saída deles
Figura 55 – Retirada dos gases antes e depois do catalisador. Fonte: Martins (2006).
A ligação entre o motor e o escape deve ser feita de modo a permitir algum movimento do motor (apoios de borracha). Devido a sua elevada temperatura, é desvantajoso medir a corrente dos gases do escape, podendo ser calculado a partir da corrente do combustível (medida com boa precisão) e da riqueza da mistura (também tem boa precisão) ou do ar de admissão de entrada.
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18 PRESSÕES Para a medição de pressões efetivas ou diferenciais num Banco de Ensaio de Motores de Combustão Interna Diesel (BEMCID), é necessário considerar as condições de variação, da temperatura na tomada de pressão e outros aspectos relevantes, como apresentado na tabela 17. Tabela 17 – Principais pressões medidas em um banco de ensaios.
Pressões Referência Na tubulação de admissão Coletor de admissão Gases de descarga
Tipo
Diferenciais
Bar Até 0,1
T máx (ºC) 50
0,01 a 0,2
100
0,01 a 0,2
800
Combustível Óleo lubrificante
Até 2 2 a 10
50 120
Ar na saída do compressor Gases na entrada da turbina
0,1 a 2
200
0,05 a 1
800
Efetivas
0,5 a 100 Câmara de Combustão
Barométricas
350 média, 2500 instantânea
0,8 a 1,1
50
Características desejáveis - Baixa Im p/ cálculo de consumo de ar. - Baixa Im p/ controle da pressão no coletor - Fluído de transmissão intermediária - Segurança, sem maiores requisitos quanto a Im - Baixa Im para cálculo de rendimento de turbocompressores. - Baixa Im em toda faixa de variação - Espaço reduzido para transdutor de pressão - Resistente a impactos, vibrações mecânicas e choques térmicos. -Im bastante reduzido a 0,1 % - Compensação para temperatura
Fonte: Ronconi (1986).
As colunas de líquidos dispostas em tubos em U, figura 56, ainda são mais utilizadas para medição de baixas pressões por seu baixo custo e incerteza de medição incomparavelmente pequena, até mesmo inferior a +- 0,1 % do VFE (valor final de escala). Com o uso de SM de pressão elétricos, o deslocamento ou a deformação de elementos mecânicos provocado pela pressão a medir, podendo ser transformado em sinal de tensão elétrico por meio de transdutores indutivos ou extensométricos.
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Figura 56 – Manômetros de dois ramos abertos. Fonte: Wikipedia.
Na medição da pressão na câmara de combustão do MCI, o sistema de medição com dispositivos eletromecânicos (medição por vibração, empuxo sensor strain-gauge, etc.) é considerado os mais adequados para obtenção de resultados quantitativos do que os que usam transdutores elétricos, amplificadores e osciloscópios. Outra alternativa são os transdutores piezelétricos, figura 57 e dados específicos na tabela 18, que são resistentes ao calor, impactos e vibrações na câmara de combustão, mas precisam ser rigorosamente calibrados.
Figura 57 – Transdutor piezelétrico. Fonte: Ningbo Yinzhou Yifeng Electronics Factory. Factor y. Tabela 18 – Dados do transdutor piezelétrico
Voltagem: 12 Vp-p Corrente: 3mA Freqüência: 2,9 kHz +- 0,5 KHz Temperatura: -20 a 60 ºC Fonte: Ningbo Yinzhou Yifeng Electronics Factory. Factor y.
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19 TEMPERATURAS A medição de temperaturas associadas ás condições térmicas de operação de MCI requer em certos casos o uso de técnicas especiais, essencialmente na medição de fluidos gasosos. Para se minimizar, por exemplo, a incerteza de medição de temperaturas elevadas, como a dos gases formados na combustão, deve-se evitar a transmissão de calor por condução ou radiação, das superfícies vizinhas ao sensor, para que sua temperatura corresponda à temperatura real dos gases. Recomenda-se a utilização de múltiplas telas de proteção contra a radiação (2 a 4), termopares (figura 58 e tabela 19), com comprimento de inserção pelo menos 10 vezes maiores que seu comprimento nominal (ajuste do tamanho da haste) e também o uso de isolamento térmico na tubulação de descarga. Por sua vez, para medição de temperaturas na câmara de combustão ou em pistões utilizam-se técnicas “off-line”, como a análise de materiais ou tintas térmicas (figura 59 e tabela 20) e técnicas a tempo real com transmissão de sinal de termopares ou termistores: contínua ou intermitente. A transmissão intermitente através do fornecimento momentâneo de contatos elétrico, fornece bons resultados, embora limitados a regime de operação estabilizada.
Figura 58 – Termopar digital. Fonte: Zurichpt. Tabela 19 – Características do termopar digital.
Características: Sensor Tipo PT-100 / J, K e T com indicação i ndicação digital local, transmissor de temperatura e termostato. Aplicações: Processos industriais, Petroquímicas, Fornos, Autoclaves. Faixas de temperatura: -200 ºC á 1100 ºC Exatidão F.E.: 0,5 % F.E. Sinal de saída: 4 a 20 mA Alimentação: 15 a 30 Vcc Temostato: 2 contato elétrico SPDT Fonte: Zurichpt.
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Figura 59 – Tinta térmica. Fonte: Foshan Wolong Chemical Plant Co., Ltd. Tabela 20 – Informações da tinta térmica.
Desempenho do revestimento Artigos de teste Padrões e métodos Inspecionando Inspecionando o índice Resistência ao impacto GB/T 1732-1993 50 Adesão GB/T 9286-1998 Classe 0 Resistência de dobra GB/T 6742-1986 2 Dureza do lápis GB/T 6739-1996 1h-2h Resistência da névoa do Slat GB/T 1771-1991 500 h Resistência húmida do calor GB/T 1740-1979 1000 h Resistência térmica 110/24h (toda cor) Boa retenção do lustro Fonte: Foshan Wolong Chemical Plant Co., Ltd.
Os SM de temperaturas que utilizam termopares, juntas de compensação e chaves seletoras devem ser preferencialmente reservados para medição de temperaturas onde incertezas de medição iguais ou maiores que +- 1 ºC sejam admissíveis, por exemplo, temperaturas de óleo, do fluído de arrefecimento e do combustível. Quando for desejável a garantia de incertezas medição menores, é recomendável a utilização de termoresistores.
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20 POSIÇÃO ANGULAR DO VIRABREQUIM Para determinar o momento exato em que um dos pistões do MCI passa pelo Ponto Morto Superior - PMS, ou seja, ângulo de manivela = 0º, diversas técnicas podem ser utilizadas. A mais elementar consiste na observação visual da coincidência entre uma ranhura na polia ou volante do virabrequim e saliências de partes fixas do motor, com auxílio de luz estroboscópica, estroboscópica, conforme figura 60 e dados técnicos na tabela 21.
Figura 60 – Luz estroboscópica. Fonte: Shenzhen Ledgreat Lighting Technology Co., Limited. Tabela 21 – Características da luz estroboscópica.
Fonte luminosa: SMD 5050 Unidade de entrada: 12 V, 1440 mA Quantidade do diodo emissor de luz da unidade: 72 pieces Tamanho: 1000 mm*15 mm* 20 mm Várias cores disponíveis CE, RoHS, FCC aprovado Impermeável ou não-impermeável Poder: 17,28 W/m Embalagem: saco antiestático Lúmen: 900 lm Ângulo de feixe: 90 graus Aplicação: Iluminação de emergência, letra de canaleta Fonte: Shenzhen Ledgreat Lighting Technology Co., Limited.
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Para automatizar a medida do evento – 0º PMS, sensores eletroindutivos e foto-ópticos podem ser utilizados para a geração de um sinal sempre que detectam a passagem de uma marca de referência no volante do MCI. Para se obter incertezas na medição ainda menores é recomendável a utilização de transdutores angulares foto-óptcos ajustáveis (figura em Ronconi(1986)). Tendo disponível um sinal de referência ou pulsos associados ao 0º PMS, a posição angular de outros eventos pode ser facilmente medida desde que sejam disponíveis os seguintes sensores: - Ângulo de injeção efetivo: Sensores indutivos de deslocamento que geram estímulos elétricos quando o deslocamento da agulha do injetor ultrapassa um valor correspondente ao início efetivo da injeção (aprox. 40 µm). - Ângulo de início da injeção: Transdutores extensométricos instalados na tubulação de injeção dotados de um circuito que gere um estímulo cada vez que a pressão ultrapassa determinado valor (aprox. 30 bar).
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CONCLUSÃO No decorrer deste trabalho procurou-se reunir as informações relevantes acerca dos componentes, o projeto e a instrumentação de um laboratório e bancada de motores Diesel, nas literaturas atuais de motores de combustão interna, objetivando a obtenção de resultados que espelhem o efetivo desempenho do motor, nas mais diversas condições de operação. Assim sendo, fica evidenciado que, para validação das informações contidas neste trabalho, o projeto e a construção de uma bancada de testes para motores Diesel é uma tarefa indispensável, para a continuidade dessa linha de pesquisa. Para trabalhos futuros recomendase o uso de softwares de CAD para o dimensionamento do equipamento e a construção do mesmo, buscando a utilização dos materiais e ferramentas f erramentas disponíveis na universidade.
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REFERÊNCIAS COSTA, Paulo G. A Bíblia do Carro. 2001-2002. DUARTE, Luiz Carlos. Curso de Noções Básicas de Mecânica do Automóvel. 5º Edição. Feplam, 1987. GEORGES, Elias. Bancada Didática para Ensaios de Motores de Combustão Interna. Trabalho de Conclusão de Curso. 2010. JUNIOR, Enoch Dias; ARAUJO, Renato Jorge; FERREIRA, Maria Inês. Motor Disel. Senai Cimatec, 2003. LAGO, Thomazo. Seleção dos Instrumentos de uma Bancada de Testes para Motores de
Combustão Interna. Trabalho de Conclusão de Curso. 2010. MARTINELLI, Luiz Carlos Jr. Apostila Motores de Combustão Interna. Unijui. MARTINS, Jorge. Motores de Combustão Interna. 2ª Edição. Publindústria Edições Técnicas, 2006. MAUS, Alex. Estudo da Viabilidade de Construção de um Dinamômetro de Rolos. Trabalho de Conclusão de Curso. 2010. Mineração Rio Norte. Tecnologia do Motor Diesel I. Projeto Multifunção, 2009. ROBERT, Bosch. Manual de Tecnologia Automotiva. 25ª Edição. Edgard Blücher, 2004. RONCONI, Luís Eduardo. Aspectos Básicos na Implementação de Sistemas de Ensaio de
Motores a Combustão Interna. Dissertação de Mestrado. Julho de 1986. SILVA, Fernando; AVILES, Flavio; MORAES, Eider. Montagem de Bancada de Ensaios Dinamométricos em Motor Diesel. UNISANTA, 2008.
