10 Laboratorios de Ensaio 2011 V03damec.ct.utfpr.edu.br/automotiva/downloadsAutomot/Lod10_LabEnsaio.pdf · Precisamos saber a função de cada componente do motor. 3 Volvo Powertrain

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Volvo PowertrainVolvo do Brasil - Eng. Julio Lodetti

CAPITULO 10LABORATÓRIOS DE UM BANCO DE ENSAIOS DE MOTORES A

COMBUSTÃO INTERNA

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ANTES DE ENSAIAR UM MOTOR... Precisamos saber a função de cada componente do motor.

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PARÂMETROS DE MEDIÇÃO DE UM BANCO DE ENSAIOS

A sua escolha depende da natureza do ensaio (controle da produção, endurance, pesquisa,etc).

Existem muitos parâmetros a serem medidos em um motor a combustão, na verdade são centenas!

Este capítulo tratará apenas das medições mais clássicas.

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Entre as medições clássicas, podemos citar:

- O torque;- A velocidade de rotação do motor;

- As vazões de combustível, de ar admitido,da água de refrigeração etc...;

- As temperaturas do ar ambiente, do liquido de arrefecimento do motor, do óleo lubrificante, dos gazes de escapamento, de uma peça em particular...

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Podemos citar também:- Medição da pressão atmosférica, a pressão no coletor de admissão e

escapamento, e em diferentes pontos do circuito de sobre-alimentação (se existir);

- Medição da pressão do sistema de lubrificação, do sistema de injeção de combustível, da água;

- O avanço da ignição e da injeção de combustível, e ate a pressão de combustão dentro do(s) cilindro(s);

- A umidade do ar ambiente, etc, etc ,etc....

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GENERALIDADES SOBRE OS FREIOS DINAMOMÉTRICOS

Os freios tradicionais tem a capacidade de manter o motor em funcionamento estabilizado por um período pré-determinado para o ensaio a realizar.

Isto para que se possa impor um certo modo de funcionamento necessário para a medição do torque e não diretamente da potência. (potência se calcula, não se mede!!)

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Os freios devem reunir as seguintes características básicas:

– Absorver a potência efetiva do motor em todo o domínio de carga e rotação utilizados;

– Manter o torque de frenagem constante durante um intervalo de tempo suficientemente longo;

– .(horas? Dias? Semanas ou meses?)

– Manter a rotação do motor constante quando de variações acidentais de carga;

– Permitir uma medição precisa do torque do motor.

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Os freios dinamométricos transformam a energia mecânica produzida pelo motor em CALOR.

Dependendo do modo de transformação desta energia, eles podem ser classificados em diferentes classes:

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CLASSES DE FREIOS

Freios a fricção mecânica ( de Prony) por memória;

Freios aerodinâmicos ( de Renard) por memória;

Freios hidráulicos;

Freios elétricos:

– A corrente contínua (dínamo - dinamômetros)

– A corrente alternada (dínamo - dinamômetros)

– A corrente de FOUCAULT ou eletro-magnéticos

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COMO O FREIO É MONTADO

O freio do dinamômetro é montado em BALANÇO na grande parte dos casos;

A sua grande maioria possui um ROTOR acoplado ao motor e que gira no interior de uma carcaça ou ESTATOR;

Este acoplamento é mantido por rolamentos, ou feixes de molas, que permitem o ESTATOR girar em torno do mesmo eixo de rotação do ROTOR;

A medição do torque é obtida então com a montagem do freio em balanço.

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Forças que agem sobre o freio:– O peso “P” do freio (

momento nulo em relação ao eixo de rotação)

– O torque do motor “Cm”– O torque de basculamento do

estator “C”oposto ao torque “Cm”

Diagrama de forças e esquema de montagem de um banco

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Para uma velocidade de rotação uniforme do motor, o torque do motor “Cm” e o torque de basculamento “C”atingem um ponto de equilíbrio.

A medição do torque do motor se faz pela expressão: C = F . L, onde F é a força na célula de carga e L é o braço de alavanca do freio.

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FILMINHO PRA ENTENDER O QUE É TORQUE E O QUE É POTÊNCIA

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DIAGRAMA DE UTILIZAÇÃO GENÉRICO DE UM FREIO

A Região 0-1-2-3-4-0 corresponde ao domínio onde o freio assegura a absorção da potência do motor.

Características de frenagem em Função do regime motor

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DIAGRAMA DE FRENAGEM DE UM FREIO COMERCIAL

A escolha do freio a acoplar-se a um motor deverá ser tal que a potência máxima do motor esteja INSCRITA inteiramente no interior do diagrama de carga do freio.

Diagramas de potência de frenagem de bancos dinamométricos.

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DIAGRAMA DE FRENAGEM DE UM FREIO COMERCIAL

Freio ELETRICO Freio HIDRAULICO

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TIPOS DE FREIOS: 1-> HIDRÁULICOS

Sua construção varia bastante de construtor para construtor.Ex AVL, SCHENCK,etc

São basicamente compostos por:– Rotor (acoplado ao eixo do motor)– Estator, que é composto por células que freiam a água circulante no

interior do freio O torque é medido justamente quando a água é freada no interior do

equipamento transmitindo assim o torque para a célula de carga. São empregados para motores de grande potência ( Navios, Grupo-

geradores,etc...)

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Este é um bom exemplo de motor para um dinamômetro hidráulico

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TIPOS DE FREIOS: 2-> ELÉTRICOS

Máquinas a corrente contínua ou dínamo -dinamômetros. – O rotor de um gerador é acoplado ao motor. Este irá dissipar

a potência gerada pelo motor por intermédio de resistências ou, entregar a energia de volta a rede elétrica.

– A capacidade de frenagem deste equipamento faz-se pela variação da corrente elétrica do induzido ou pela tensão do induzido do motor elétrico.

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Exemplo de uma maquina assíncrona para até 160 kW e 8000 rpm

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Heavy-Duty Diesel Engine lay-out

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Engine Test cell setup for Euro III

Engine

Thermostatblocked open

Charge Air cooling locked at full load point

Coolant 86°C

Internalcooling

Oilcooler

Exhaust back pressure 12 kPa

Turbo

Inlet Air 25°C

CACHeat

Exchanger

EngineCooling

simulation

Coolant 25°C

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Engine

TransmissionCooler

CAC 1 CAC 2

Turbo 1 Turbo 2

Coolant

Thermostat

Charge Air

Coolant

EGR

Coolant

Internalcooling

Oilcooler

ExhaustDPFLNALNC

Brake compCooler

RetarderCoolant simulation

Simulate:In Vehicleinstalledconditions

LT radiatorcoolant

simulation

HT radiatorCoolant

simulation

GEDL test cell setup for SCR and EGR

Inlet Air

Act

ive

fan

Video -CVS Video1

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Customer’s fuel consumption is experienced in real world

under “In-Use Any Condition”- Not at 25º C test cell

conditions

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Test Cell Implementation Project

Volvo Powertrain Corporation24478 Hans Kedefalt 2003-12-01

ENGINE DEVELOPMENT WORKAmount of testing needed for engine mapping

• New legislation increases testing and development work• New equipment and automated testing with DOE necessary

18 load points5 injection timing * Injection pressure settings* EGR settings* Aftertreatment settings* Air management settings* OBD* Further new technics

> 50.000 possible test points!

Legislation: Any condition! (Transient, altitude, useful life, …)

Euro III engine18 load points5 injection timing settings

90 test points

Legislation: Prescribed test cycles!(Steady state)

US 07/10 - Euro IV/V engine

A huge technical challenge!

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Lab site altitude & humidity influence

Alti

tude

m

1678

1600

1000

0 5 10 15 20 25Humidity kPa

0

CURITIBA 910 m

Altitude - barometric pressure:Big influence on engine emission and performance but difficult to establish mathematical correction

Humidity:Engine sensitivity US02 / EU3:NOx ~ 50 % from 5 to 16 hPaPM ~ 25% - “ –(NOX correction allowed for certification)

LYON 250 m

HAGERSTOWN 170 m

GÖTEBORG 40 m

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EURO VI

Source: AVL

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Sala de controle

JLodetti

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TIPOS DE FREIOS:3->ELETRO-MAGNETICOS

O princípio de funcionamento é baseado sobre a criação de correntes elétricas em seu interior que se opõem ao movimento/torque imposto pelo motor.

Estas correntes são chamadas de “correntes de FOUCAULT ou EDDY”.

São os equipamentos mais utilizados atualmente junto com os dínamo-dinamômetro.

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TIPOS DE FREIOS: 3->ELETRO-MAGNETICOS

O controle do torque se faz pela regulagem da intensidade da corrente de excitação no disco metálico do freio.

A energia de frenagem se transforma em calor que é dissipado pelo sistema de refrigeração do freio.

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Princípio de funcionamento de um freio a corrente de FOUCAULT

Fonte: RAYNAL,B.

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Corte de um freio a corrente de FOUCAULT

Fonte: RAYNAL,B.

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TIPOS DE FREIOS: 4-> DE CHASSIS

Os dinamômetros de chassis, ou rolos, tem tido um papel muito importante nos últimos anos devido a corrida conta a poluição.

Esta “corrida” é baseada em ciclos padronizados em todo o mundo (NMVEG, FTP, etc) em que o veículo deve realizar e, ao fim deste, as emissões são medidas e comparadas com as normas em vigor ou futuras.

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Exemplo típico de um banco de chassis.

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Exemplo típico de um banco de chassis climatizado.

Aqui fica o freio!!

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Exemplo típico de um banco de chassis.

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Existem também outros tipos de “corridas” que usam bancos de rolos.....

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TIPOS DE FREIOS: 4-> DE CHASSIS Exemplo de curvas de absorção de bancadas de chassis.

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MEDIÇÕES EM FUNCIONAMENTO TRANSITÓRIO DO MOTOR

Com o desenvolvimento da tecnologia e severidade das normas anti-poluição, faz-se necessário o emprego de novos meios de ensaios.

Neste contexto, temos também os DINAMOMETROS com capacidade de frenagem DINÂMICA. Obs:Até então, estudamos apenas dinamômetros estacionários.

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MEDIÇÕES EM FUNCIONAMENTO TRANSITÓRIO DO MOTOR

Estes dinamômetros dinâmicos permitem que se simule em uma bancada de ensaios onde antes só um dinamômetro de chassis podia fazer:

– A resistência ao avanço do veículo causado pelo ar;

– As acelerações do veículo;

– As trocas de marchas;

– As estratégias de regeneração de filtros;

– Simular um motor sobre um determinado percurso. Exemplo: Motores de Fórmula 1.

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EXEMPLO DE UM MOTOR NO BANCO DINÂMICO

Motor ASIATECH F1 em simulação de circuito.

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EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO E AQUISIÇÃO DE DADOS

Exemplo da interface entre os equipamentos de medição e aquilo que o operador do banco tem disponível.

Sala de controle - Volvo Powertrain

J.Lodetti

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Existem muitos tipos de interface entre os equipamentos de medição e aquilo que o operador do banco tem disponível.Cada construtor tem o seu próprio software de aquisição assim como a forma de mostrá-lo ao operador.

– Neste caso, temos um dinamômetro portátil......isso mesmo, tem até disso!!

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Nos bancos de F1...

...pode-se simular as pistas de corrida da temporada...

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EQUIPAMENTOS DE MEDIÇÃO, CONTROLE E AQUISIÇÃO DE DADOS

Medidores de vazão

– De combustível (balança)

– De ar admitido no motor

– Dos gazes de escapamento

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Equipamentos para medição de pressão:

– Do ar no coletor de admissão

– Escapamento

– Interior da câmara de combustão

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Para medição de temperaturas

– Gases de escapamento

– Ar admissão

– Óleo lubrificante

– Água de refrigeração

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