projeto de calibração de célula de carga para aplicação em

PROJETO DE CALIBRAÇÃO DE CÉLULA DE CARGA PARA APLICAÇÃO EM

DINAMÔMETRO HIDRÁULICO COM MEDIÇÃO DE CURVA DE TORQUE E

POTÊNCIA EM MOTOR OTTO

Sara Maria de Souza Vale e Souza

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

Título de Engenheiro.

Orientador: Prof. Marcelo José Colaço, D.Sc.

Rio de Janeiro

Agosto de 2014

i

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ





PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

________________________________________________

Prof. Marcelo José Colaço, D.Sc.

________________________________________________

Prof. Albino José Kalab Leiroz, Ph.D.

________________________________________________

Prof. Helcio Rangel Barreto Orlande, Ph.D.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

AGOSTO DE 2014

Souza, Sara Maria de Souza Vale e

Projeto de Calibração de Célula de Carga para Aplicação em

Dinamômetro Hidráulico com Medição de Curva de Torque e

Potência em Motor Otto/ Sara Maria de Souza Vale e Souza. -

Rio de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2014.

XI, 76 p.: il.; 29,7 cm.

Orientador: Marcelo José Colaço

Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso

de Engenharia Mecânica, 2014.

Referências Bibliográficas: p. 42-43

1. Motor Otto. 2. Calibração. 3. Dinamômetro Hidráulico.

4. Máquinas Térmicas – Tese. I. Colaço, Marcelo José. II.

Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,

Curso de Engenharia Mecânica. III.Título.

iii

AGRADECIMENTOS

Primeiramente a Deus, por sempre iluminar os meus passos e me proporcionar esta

conquista.

À minha família, em especial aos meus pais, que são os meus maiores exemplos de

ética, fé e perseverança. Muito obrigada a todos pelo apoio, confiança, conselhos, carinho e

paciência.

Aos meus professores que contribuíram para a minha formação profissional.

Especialmente ao Prof. Marcelo Colaço, pela atenção durante a orientação deste projeto e

ao Prof. Fernando Castro Pinto pela oportunidade de participar da Equipe Ícarus UFRJ de

Formula SAE.

Aos amigos do Laboratório de Máquinas Térmicas da Universidade Federal do Rio

de Janeiro pelo ótimo convívio durante a realização deste trabalho. Em especial ao Eng.

Nauberto Rodrigues e ao Eng. Pedro Paulo Pereira por toda ajuda ao longo da calibração e

testes do motor.

Ao meu namorado, Jair Mendes, pelo incentivo e ajuda durante a realização deste

projeto, além do carinho e zelo que sempre tivera por mim.

Aos amigos que fiz ao longo da graduação, por todos os momentos compartilhados

que deram mais leveza a esta árdua fase de nossas vidas. Vocês sempre estarão no meu

coração.

iv

Resumo do projeto final apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitos

necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.





Agosto de 2014

Orientador: Marcelo José Colaço

Departamento: Engenharia Mecânica

Este projeto tem como objetivo realizar a calibração de uma célula de carga instalada em

uma bancada dinamométrica localizada no Laboratório de Máquinas Térmicas da

Universidade Federal do Rio de Janeiro, através de um sistema elaborado especificamente

para essa função, e realizar a análise de desempenho de um motor ciclo Otto por meio de

curvas de torque e potência para três diferentes razões ar/combustível. No entanto, apenas

uma razão foi estudada devido à irregularidade mecânica apresentada pelo motor. Para

desenvolver a calibração do sistema de injeção de combustível foi empregado o software

TunerStudio MS e para a calibração da célula de carga utilizou-se o software DYNO-MAX

2000. Os resultados dos testes foram tratados através de ferramentas de análises estatísticas.

Na primeira fase, verificou-se que a calibração foi satisfatória dentre a faixa de trabalho

utilizada. Na segunda fase do projeto foi efetuado o cálculo da razão ar/combustível

estequiométrica para a gasolina comum, padrão brasileiro, e obteve-se a curva de torque e

potência para uma combustão com excesso de ar.

Palavras-chave: Motor Ciclo Otto, Dinamômetro Hidráulico, Calibração, Célula de Carga.

v

Abstract of the graduation project presented to DEM/UFRJ as partial fulfillment of the

requirements for the degree of Mechanical Engineer.

PROJECT OF LOAD CELL CALIBRATION FOR USE IN HYDRAULIC

DYNAMOMETER MEASURING TORQUE AND POWER CURVES IN OTTO

ENGINE


August, 2014

Advisor: Marcelo José Colaço

Department: Mechanical Engineering

The aims of this project were to perform the calibration of a load cell installed on a

dynamometric test stand located at the Thermal Machines Laboratory of the Federal

University of Rio de Janeiro, through a system specifically designed for this function, and

conduct a performance analysis of a Otto cycle engine by measuring torque and power

curves for three different air/fuel ratios. However, only one ratio was studied due to

mechanical irregularities presented by the engine. To develop the calibration of the fuel

injection system the TunerStudio MS software was used and for the calibration of the load

cell the DYNO-MAX 2000 software was used. The test results were treated through a

statistical analysis tools. In the first phase, it was found that the calibration was satisfactory

for the operating range used. In the second phase, it was made the calculation of the

stoichiometric air/fuel ratio for gasoline used in Brazil and obtained the torque and power

curves for combustion with excess air.

Keywords: Otto Cycle Engine, Hydraulic Dynamometer, Calibration, Load Cell.

vi

ÍNDICE

Pág.

1. INTRODUÇÃO 1

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3

2.1 Ciclo Otto 3

2.2 Sistema de Injeção Eletrônica de Combustível 4

2.2.1 Unidade de Controle Eletrônica 4

2.2.2 Corpo de Borboleta 5

2.2.3 Sensor de Posição do Corpo de Borboletas (TPS) 5

2.2.4 Sensor de Pressão Absoluta e Temperatura de Ar 5

2.2.5 Sensor de Temperatura do Óleo Lubrificante 6

2.2.6 Sonda Lambda 6

2.2.7 Filtro de Ar 6

2.2.8 Bico Injetor 7

2.2.9 Bomba Elétrica de Combustível 7

2.2.10 Filtro de Combustível 7

2.2.11 Regulador de Pressão de Combustível 8

2.2.12 Cálculo do Tempo de Abertura da Válvula Injetora de Combustível 8

2.3 Dinamômetro Hidráulico 9

2.3.1 Medição de Torque 10

2.3.2 Medição de Potência 11

2.4 Calibração 12

3. APARATO EXPERIMENTAL 14

3.1 Motor 14

3.2 Dinamômetro 16

3.3 Célula de Carga 17

4. CALIBRAÇÃO DO SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO 19

4.1 Sensores e atuadores 19

4.2 Ajustes da MegaSquirt 20

5. CALIBRAÇÃO DA CÉLULA DE CARGA 24

5.1 Projeto do Sistema de Calibração 24

5.1.1 Cálculos 25

5.1.2 Especificações 27

5.1.3 Fabricação 28

5.1.4 Montagem 30

5.2 Processo de Calibração 32

6. RESULTADOS 35

6.1 Resultados da calibração da célula de carga 35

6.2 Curvas Experimentais de Torque e Potência do Motor Honda 196cc 38

vii

7. CONCLUSÕES E SUGESTÕES 42

Referências Bibliográficas 44

Lista de Apêndices 46

APÊNDICE I 47

APÊNDICE II 54

APÊNDICE III 67

APÊNDICE IV 71

APÊNDICE V 75

viii

Índice de figuras:

Figura 2.1 Estágios do motor de Ciclo Otto Pág. 04

Figura 2.2 Injeção realizada na porta de entrada do cilindro Pág. 07

Figura 2.3 Célula de carga Pág. 11

Figura 2.4 Sinal de saída do tacômetro Pág. 12

Figura 3.1 Bancada Experimental Pág. 14

Figura 3.2 Dinamômetro DYNOmite 7’’ Pág. 16

Figura 3.3 Interface do programa computacional DYNO-MAX 2000 Pág. 17

Figura 4.1 Interface do programa computacional TunerStudio MS Pág. 20

Figura 4.2 Entrada dos dados para o cálculo do tempo de injeção de

combustível

Pág. 21

Figura 4.3 Características da injeção Pág. 22

Figura 4.4 AFR Table Pág. 23

Figura 5.1 Vista frontal do sistema de calibração Pág. 24

Figura 5.2 Perspectiva isométrica do sistema de calibração Pág. 25

Figura 5.3 Vista superior do bloco de calibração Pág. 25

Figura 5.4 Calibração dos blocos Pág. 26

Figura 5.5 Perspectiva isométrica do suporte de calibração Pág. 29

Figura 5.6 Perspectiva isométrica do suporte dos pesos Pág. 29

Figura 5.7 Perspectiva isométrica dos blocos de calibração Pág. 30

Figura 5.8 Vista frontal do esquema de montagem das roldanas no

suporte de calibração

Pág. 30

Figura 5.9 Vista explodida do sistema de calibração Pág. 31

Figura 5.10 Montagem final do sistema de calibração Pág. 32

Figura 5.11 Ajustes de calibração do software DYNO-MAX 2000 Pág. 32

Figura 5.12 Gráfico obtido antes da calibração Pág. 34

Figura 5.13 Entrada dos valores para a correção da leitura Pág. 34

Figura 6.1 Gráfico dos torques de calibração Pág. 37

Figura 6.2 Gráfico com as curvas de torque e potência do motor com

relação ar/combustível de 14,7

Pág. 39

ix

Figura 6.3 Gráfico com as curvas de torque e potência obtidas pelo teste

do motor com relação ar/combustível de 14,7

Pág. 40

x

Índice de tabelas:

Tabela 3.1 Dados técnicos sobre o motor e o sistema elétrico da moto CBX

200 Strada

Pág. 15

Tabela 3.2 Características técnicas da célula de carga, modelo CSA-20 Pág. 18

Tabela 4.1 Componentes utilizados no sistema de injeção eletrônica Pág. 20

Tabela 5.1 Massas aferidas para a calibração Pág. 27

Tabela 5.2 Especificações dos componentes do sistema de calibração Pág. 28

Tabela 5.3 Etapas de calibração Pág. 33

Tabela 6.1 Comparativo entre os torques Pág. 35

Tabela 6.2 Análise dos testes após a calibração Pág. 37

Tabela 6.3 Resultados obtidos pelo teste do motor com relação ar

combustível de 14,7

Pág. 39

Tabela 7.1 Levantamento dos custos de materiais Pág. 42

Apêndices

Tabela I.1 Propriedades da gasolina com 23% de álcool etílico Pág. 48

Tabela I.2 Propriedades gerais Pág. 49

Tabela III.1 Valores de média e desvio padrão da primeira medição

anterior à calibração

Pág. 68

Tabela III.2 Valores de média e desvio padrão da segunda medição

anterior à calibração

Pág. 69

Tabela III.3 Valores de média e desvio padrão da terceira medição anterior

à calibração

Pág. 69

Tabela III.4 Valores de média e desvio do resultado das medições de

torques anteriores à calibração

Pág. 70

Tabela IV.1

Tabela IV.2

Valores de média e desvio padrão da primeira medição

posterior à calibração

Valores de média e desvio padrão da segunda medição


Pág. 72

Pág. 73

Tabela IV.3 Valores de média e desvio padrão da terceira medição Pág. 73

xi


Tabela IV.4 Valores de média e desvio do resultado das medições de

torques posteriores à calibração

Pág. 74

Tabela V.1 Resultado da linearidade (%) posterior à calibração Pág. 76

Tabela V.2

Tabela V.3

Resultado da repetibilidade (%) posterior à calibração

Resultado da histerese (%) posterior à calibração

Pág. 76

Pág. 76

1

Capítulo 1

Introdução

Os motores de combustão interna por centelha possuem seus princípios

termodinâmicos de acordo com o ciclo padrão a ar de Otto. Para que a sua modelagem

termodinâmica seja ratificada, testes experimentais foram elaborados para determinar a

potência gerada por ciclo de operação destas máquinas. Desse modo, o dinamômetro,

instrumento que mede a rotação e o torque, e os demais sensores de temperatura, pressão e

vibração são utilizados no desenvolvimento e monitoramento dos motores. Com o auxílio

desses instrumentos, é possível verificar a potência efetiva gerada em seu eixo.

O objetivo inicial desse trabalho foi realizar a calibração de uma célula de carga

utilizada para a medição de torque em um dinamômetro hidráulico e posterior análise de

desempenho de um motor ciclo Otto. Esses equipamentos formam uma bancada

experimental móvel, localizada no Laboratório de Máquinas Térmicas da Universidade

Federal do Rio de Janeiro. O sistema de alimentação de combustível do motor,

originalmente de carburação, foi alterado para o sistema de injeção eletrônica de acordo

com a monografia “ESTUDO COMPARATIVO DE EMISSÕES DE POLUENTES EM

MOTORES QUATRO TEMPOS UTILIZANDO SISTEMAS DE CARBURAÇÃO E

INJEÇÃO ELETRONICA”, (AMAZONAS NETO, 2013). Com o uso dessa ferramenta no

sistema de alimentação, o estudo de desempenho deste projeto visa à comparação entre as

curvas de torque e potência de um motor quatro tempos, com funcionamento a gasolina

comum, para três razões ar/combustível, 14.7, 12.2 e 9.8, descrevendo combustões com

excesso de ar, completa e com deficiência de ar, respectivamente. Porém, apenas uma razão

foi estudada devido à irregularidade mecânica apresentada pelo motor durante o teste.

A motivação para a elaboração do projeto foi dada pela reabilitação da coleta de

dados da bancada experimental, para o levantamento das curvas de torque e potência, a ser

utilizada na disciplina de Máquinas Térmicas ministrada pelo Departamento de Engenharia

Mecânica da Universidade Federal do Rio de Janeiro.

Durante o desenvolvimento do trabalho, apenas uma condição de ensaio foi

efetuada, obtendo-se as curvas de torque e potência para a relação ar/combustível igual a

2

14,7. Ao longo desse teste, verificou-se que o motor não conseguiu alcançar elevadas

rotações devido aos problemas mecânicos encontrados.

3

Capítulo 2

Fundamentos Teóricos

2.1 - Ciclo Otto

O ciclo padrão a ar de Otto é um ciclo ideal desenvolvido por Nikolaus A. Otto

(1832-1891) que se aproxima do motor de combustão interna de ignição por centelha. Essa

máquina termodinâmica utiliza conceitos de compressões e expansões de fluidos gasosos

para transformar energia térmica, proveniente da combustão, em energia mecânica.

O motor de ciclo Otto é um motor alternativo, composto por uma câmara de

combustão, também chamada de cilindro, ao menos duas válvulas, uma de admissão e uma

de escape, e de um dispositivo de centelha elétrica para ignição, a vela. O movimento

rotativo é obtido pela combustão da mistura ar-combustível, fornecida por um sistema de

alimentação - carburador ou sistema de injeção eletrônica - de acordo com os seguintes

estágios:

Admissão: A válvula de admissão é aberta e o pistão, que está inicialmente no PMS

(ponto morto superior), começa a descer na direção do PMI (ponto morto inferior)

aspirando a mistura ar-combustível para dentro do cilindro, fig. 2.1(a).

Compressão: As válvulas de admissão e exaustão se encontram fechadas e o pistão

inverte seu movimento em direção ao PMS, comprimindo a mistura ar-combustível, fig.

2.1(b).

Expansão: As válvulas de admissão e exaustão permanecem fechadas e o pistão se

encontra no PMS. A mistura ar-combustível é inflamada, através de uma centelha elétrica,

dentro da câmara de combustão. O aumento de pressão desloca o pistão em direção ao PMI.

A biela, elemento de ligação entre o pistão e o virabrequim, transmite a força atuante ao

colo do virabrequim, fazendo com que este gire, convertendo, assim, o movimento retilíneo

alternado do pistão em movimento rotativo do virabrequim, fig. 2.1(c).

Exaustão: A válvula de exaustão é então aberta e o pistão se movimenta em direção

ao PMS, expulsando os produtos da combustão de dentro do cilindro, fig. 2.1(d).

4

Figura 2.1: Estágios do motor de Ciclo Otto. [HEYWOOD (1988), p. 10, fig. 1.2]

2.2 - Sistema de Injeção Eletrônica de Combustível

O primeiro sistema de injeção eletrônica de combustível, sistema Bendix, foi

apresentado por WINKLER & SUTTON (1957) no Encontro Anual da SAE em Detroit,

USA. Esse sistema, também denominado como Electrojector, era um sistema de injeção

sequencial que possuía como principais componentes um modulador eletrônico e um

comutador. (MILHOR, 2002)

Com a necessidade de controle das emissões de poluentes e buscando redução no

consumo de combustível, entre as décadas de 1970-1980, os carburadores até então mais

utilizados foram sendo substituídos por esta tecnologia que foi aperfeiçoada desde a sua

apresentação, MILHOR (2002). O sistema de injeção eletrônica é constituído por sensores e

atuadores que estão instalados no motor e são conectados, por um chicote elétrico, a uma

unidade de controle eletrônica (ECU) que coleta os sinais de saída dos sensores e envia

comandos aos atuadores. O controle do sistema age desde o cálculo do tempo de injeção de

combustível ou do avanço de ignição até a verificação do índice de oxigênio presente após

a combustão, no sistema de exaustão.

A seguir, serão apresentadas as finalidades dos componentes do sistema de injeção

eletrônica de combustível e os cálculos realizados pela ECU empregados ao trabalho.

2.2.1 - Unidade de Controle Eletrônica

5

A Unidade de Controle Eletrônica (ECU) é uma unidade do tipo digital com

microprocessador, sendo qualificada pela sua capacidade de realizar comandos específicos

para todas as faixas de rotação do motor, precisão, confiabilidade e baixo consumo de

energia. Seu objetivo é mapear o tempo de abertura do bico injetor, dosando a quantidade

de combustível ideal para os diferentes regimes de trabalho do motor. Esta central não

possui componentes agregados para fazer o chaveamento dos circuitos que requerem uma

potência direta. Nesse caso, relés de acionamento externo e fusíveis especiais são inseridos

para suprir a potência demandada. O fusível é um dispositivo de proteção contra

sobrecorrente no circuito.

2.2.2 - Corpo de Borboleta

Segundo TRUOSOLO (2013), o corpo de borboleta é encarregado por fixar o sensor

de posição do corpo de borboleta (TPS). Este componente é posicionado no coletor de

admissão. Suas funções principais são direcionar e controlar a quantidade de massa de ar

admitida para a realização da combustão. Essa quantidade de ar é regulada através do cabo

de aceleração que é fixado na extremidade do eixo da borboleta.

2.2.3 - Sensor de Posição do Corpo de Borboletas (TPS)

Refere-se a um sensor potenciômetro analógico fixado ao eixo da borboleta de

admissão, sendo um dos parâmetros responsáveis pelo enriquecimento por aceleração.

2.2.4 - Sensor de Pressão Absoluta e Temperatura de Ar (MAP)

Medem a pressão absoluta (MAP) e a temperatura de ar que é admitido pelo motor.

Com suas informações, a ECU é capaz de calcular a massa de ar e relacionar a quantidade

de combustível equivalente de acordo com a relação ar/combustível, como será descrito a

diante.

6

2.2.5 - Sensor de Temperatura do Óleo Lubrificante

Este sensor é utilizado para indicar a temperatura do óleo lubrificante do motor,

sendo importante, principalmente, quando o motor não possui um líquido refrigerante

(refrigeração a ar) para apontar um regime de operação severa que cause sobreaquecimento.

2.2.6 - Sonda Lambda

A sonda lambda é o sensor que detecta continuamente o índice de oxigênio na

descarga dos produtos da combustão. Ela é instalada no escapamento do motor para que a

unidade de controle eletrônica utilize essa informação e decida se é necessário fazer

correções na mistura ar/combustível, para atingir uma condição ideal desejada.

De acordo com o tipo de mistura, um fator lambda, equação (2.1), é definido para

auxiliar a análise da combustão e a qualidade dos gases emitidos pela exaustão.

(2.1)

De acordo com o valor do fator lambda, pode-se classificar a mistura em três tipos:

Para lambda menor que 1, a mistura é considerada rica em combustível e

pobre em ar;

Para lambda igual a 1, a mistura é considerada ideal, não havendo excesso

de combustível nem de ar;

Para lambda maior que 1, a mistura é considerada pobre em combustível e

rica em ar.

2.2.7 - Filtro de Ar

A finalidade do filtro de ar, como o próprio nome indica, é filtrar o ar admitido pelo

motor, protegendo o equipamento de aspirar partículas sólidas que podem causar avarias

mecânicas.

7

2.2.8 - Bico Injetor

O injetor de combustível é uma válvula controlada pela ECU para pulverizar

combustível no fluxo de ar. Em motores de ignição por centelha essa mistura pode ser feita

no coletor de admissão, na porta de entrada do cilindro ou diretamente dentro do cilindro. A

figura 2.2 mostra o esquema da injeção feita na porta de entrada do cilindro, a realizada

pelo motor discutido nesse trabalho.

Figura 2.2: Injeção realizada na porta de entrada do cilindro. [FERGUSON e

KIRKPATRICK (2001), p.207, fig. 7.43]

Uma das formas de classificação dos sistemas de injeção eletrônica é a quantidade

de bicos injetores, distinguindo os sistemas entre monoponto ou multiponto. No sistema

monoponto apenas um bico injetor pulveriza combustível para todos os cilindros, enquanto

no multiponto há um bico injetor para cada cilindro do motor.

2.2.9 - Bomba Elétrica de Combustível

A bomba elétrica de combustível é comandada pela ECU, através de relés

acionadores, sendo responsável por pressurizar o sistema de alimentação de combustível,

suprindo a pressão solicitada pelos bicos injetores.

2.2.10 - Filtro de Combustível

Tem como objetivo filtrar o combustível que é direcionado para o bico injetor,

evitado que o mesmo não fique obstruído por partículas sólidas.

8

2.2.11 - Regulador de Pressão de Combustível

É uma válvula que controla a pressão de combustível necessária para que o bico

injetor pulverize corretamente o combustível.

2.2.12 - Cálculo do Tempo de Abertura da Válvula Injetora de Combustível

Para que a ECU realize o cálculo da quantidade de combustível a ser injetado, os

sensores de temperatura e pressão de ar instalados no sistema de admissão do motor

informam seus dados. Dessa forma, é possível que a ECU verifique a quantidade de massa

de ar segundo a lei dos gases ideais, equação (2.2):

(2.2)

De acordo com o manual de instalação do módulo de injeção eletrônica MegaSquirt

instalado no motor utilizado para esse projeto, a quantidade de massa admitida pelo cilindro

( ) é encontrada se a eficiência volumétrica ( ), relação entre a pressão do cilindro e a

pressão no coletor de admissão, for conhecida, através da equação (2.3), a seguir:

⁄

(2.3)

onde:

Pressão absoluta de ar no coletor de admissão [kPa];

Volume deslocado em um cilindro [litros];

Constante dos gases ideais = 8.3143510 [kJ/kmol K];

Temperatura de ar admitido [°F];

Massa molecular de ar [kg/kmol].

Com a relação ar/combustível, definida pelo programador, o módulo calcula o

tempo de injeção, equação (2.4), adequado para que essa relação mantenha-se o seu valor

de entrada para os diferentes regimes de carga.

9

(

)

(2.4)

onde:

Tempo de abertura do bico injetor em décimos de milissegundos;

Deslocamento do pistão [polegadas³];

Massa específica do ar, para 100kPa e 70°F,

[lb/polegada3];

Número de cilindro do motor;

Relação ar/combustível [kg de ar/ kg de combustível];

Vazão do bico injetor [lb/h];

Número de injeções por ciclo do motor.

A massa específica do ar ( ) pode ser encontrada através da equação (2.5),

segundo o manual de instalação do módulo de injeção eletrônica MegaSquirt.

(

) (

) ⁄ (2.5)

2.3 - Dinamômetro Hidráulico

O dinamômetro é um dispositivo que fornece uma carga externa ao motor e absorve

a potência gerada. Os mais antigos eram freios que usavam a fricção mecânica para

absorver a potência do motor. Atualmente, existem dois tipos dinamômetros: hidráulicos ou

elétricos.

Segundo FERGUSON e KIRKPATRICK (2001), os dinamômetros hidráulicos são

construídos por um rotor de palhetas montadas em um invólucro que é acoplado ao eixo de

rotação do motor. Um fluxo contínuo de água é mantido através do invólucro. De acordo

com PLINT e MARTYR (1999), quando o rotor é acionado pelo eixo de rotação do motor,

a força centrífuga estabelece uma intensiva circulação toroidal. O objetivo é transferir

momento do rotor para o invólucro e, consequentemente, desenvolver um torque resistente

à rotação do eixo, balanceado por um torque de reação com mesmo módulo e direção e

10

sentido oposto no invólucro. Ao ajustar o nível de água no invólucro, o torque absorvido é

variado. A potência absorvida pelo rotor é dissipada em forma de atrito pelo próprio fluido.

2.3.1 - Medição de Torque

A medida do torque pode ser realizada através de uma célula de carga que mede a

força aplicada pelo motor ao braço do dinamômetro. Essa força multiplicada pelo

comprimento do braço indica o valor do torque.

A célula de carga é formada por quatro extensômetros que, ligados de acordo com a

figura 2.3, formam uma ponte de Wheatstone, podendo medir forças de tração, compressão

ou ambas. Os extensômetros 1 e 3 estão relacionados ao sentido direto da tensão da força

aplicada e os extensômetros 2 e 4 com a tensão transversal, de acordo com o coeficiente de

Possion µ. Segundo DOEBELIN (1983), este arranjo gera uma sensibilidade 2(1+µ) vezes

maior que o valor obtido por um único extensômetro ativo na ponte. Os extensômetros

devem ser montados de uma forma simétrica para que sinais provenientes de tensões de

flexão, causadas por forças fora de centro ou que estejam no centro, porém não são normais

à superfície de aplicação, sejam iguais à zero na saída e0.

Seguindo DOEBELIN (1983), a deflexão sob a carga total de tais células de carga é

da ordem de 0,001 a 0,015 polegadas, indicando a sua elevada rigidez. A elevada rigidez do

sistema também implica em uma baixa sensibilidade. Geralmente, a frequência natural não

é citada uma vez que essa é determinada quase que inteiramente por elementos de massa

externos que transmitem força ao transdutor. Para aumentar a sensibilidade, em células que

medem pequenas forças, sem sacrificar a estabilidade do sistema e a superfície aonde os

extensômetros serão montados, um membro de transmissão de carga oco (quadrado por

fora e circular por dentro) pode ser empregado.

Para obter-se uma elevada precisão, entre 0,3% a 0,1% da máxima escala,

compensadores de temperatura devem ser adicionados ao circuito. Resistências sensíveis à

temperatura, Rgc e Rmc, figura 2.3, são utilizadas para compensar ligeiras diferenças entre os

coeficientes de temperatura dos quatro extensômetros e a dependência do módulo de

elasticidade do sensor de carga com a temperatura, respectivamente, DOEBELIN (1983).

11

Ainda pode-se acoplar ao circuito que forma a célula de carga duas resistências, Rss

e Rirs, não sensíveis à temperatura, que são ajustadas para normalizar a sensibilidade de

uma voltagem nominal para seu valor desejado e a resistência de entrada para seu valor

desejado, DOEBELIN (1983).

Figura 2.3: Célula de carga. [DOEBELIN (1983), p. 367, fig. 5.4]

Existem vários tipos de transdutores de força comerciais para diferentes escalas de

carga e grau de acurácia, cabendo ao projetista da bancada de teste selecionar a célula de

carga que melhor se aplica aquela determinada situação.

2.3.2 - Medição de Potência

A medição da potência está atrelada ao produto das medidas de torque e velocidade

no mesmo instante. A medição de torque foi apresentada anteriormente e a velocidade é

medida por um encoder de eixo, tendo um princípio de funcionamento bastante simples.

O encoder de eixo, tacômetro, tem apenas um sinal de saída que consiste em um

pulso para cada incremento de deslocamento, figura 2.4. Se o movimento é realizado em

uma única direção, um contador digital acumula estes pulsos para determinar o

12

deslocamento a partir de um ponto de partida conhecido. Entretanto, qualquer movimento

invertido pode produzir pulsos idênticos, causando erros de medida. Este sensor pode ser

construído tanto com dispositivos de contato ou sem contato, usando princípios óticos ou

eletromagnéticos, DOEBELIN (1983).

Figura 2.4: Sinal de saída do tacômetro. [DOEBELIN (1983), p. 295, fig. 4.56]

O problema relacionado ao produto dessas duas medidas, apresentado por PLINT e

MARTYR (1999), é o tempo de amostragem. O motor nunca trabalha totalmente de forma

constante, fazendo com que os sinais do transdutor de torque e a velocidade

invariavelmente flutuem. Uma leitura instantânea não será necessariamente idêntica a

média da mesma em longo prazo. Deve-se escolher o mesmo tempo de amostragem e

número de amostragem para a média das medidas, quando estas estão estabilizadas.

2.4 - Calibração

PLINT e MARTYR (1999) apresentam um procedimento adequado para a

calibração em dinamômetros que utilizam células de carga para medir o torque.

Primeiramente, o dinamômetro não deve estar acoplado ao eixo do motor. Depois que o

sistema for deixado tempo suficiente para aquecer a célula de carga, o valor de saída é

zerado com o sistema em sua condição normal de funcionamento sem carregamento. Pesos

calibrados são então adicionados para produzir aproximadamente o torque máximo nominal

da máquina. Este torque é calculado e o indicador digital aponta o seu valor.

Os pesos são removidos, a leitura do zero é feita e os pesos são adicionados

novamente, com preferência de 10 incrementos iguais, sendo feitas as leituras da célula. Em

seguida, são realizadas as leituras dos pesos sendo retirados em uma ordem invertida. Para

se verificar a repetibilidade, máxima diferença entre as leituras de saída do transdutor de

força para cargas repetidas, sob carregamento e condições ambientais idênticas, este

procedimento deve ser realizado no mínimo três vezes.

13

O método descrito acima exprime que o indicador da célula de carga foi

programado para ler o zero antes que qualquer carga tenha sido aplicada, enquanto foi

ajustado para ler o valor correto do máximo torque quando pesos apropriados foram sendo

adicionados, segundo PLINT e MARTYR (1999).

Ao realizar o procedimento deve-se formar uma tabela com colunas

correspondentes aos pesos calibrados, aos cálculos dos torques aplicados pelos pesos, aos

torques lidos pela célula em ambas as situações, aumento e diminuição de carga, e aos

erros, que são calculados através da diferença entre o torque aplicado e o torque lido.

A histerese é a máxima diferença entre as leituras de saída do transdutor de força

para a mesma carga aplicada, uma leitura obtida pelo aumento de carga do zero à

capacidade máxima e a outra leitura pelo decrescimento de carga da sua capacidade

máxima ao zero. Se a porcentagem dos erros desta diferença, da linearidade ou da

repetibilidade não estiverem dentro das tolerâncias especificadas pelo fabricante, o

processo de calibração deve ser repetido. Se o transdutor de força ainda não atender aos

requisitos especificados, o sensor é rejeitado para uso laboratorial.

14

Capítulo 3

Aparato Experimental

O capítulo que se segue apresenta os equipamentos utilizados na execução do

projeto. A figura 3.1 ilustra a bancada experimental utilizada para os testes.

Figura 3.1: Bancada Experimental.

3.1 - Motor

No desenvolvimento deste projeto foi utilizado um motor Honda de 196cc,

proveniente de uma motocicleta CBX 200 Strada. Esse motor foi fabricado pela Honda

entre os anos de 1994 e 2002, equipando a CBX 200, quando a motocicleta foi

descontinuada. Consiste em um motor monocilíndrico, quatro tempos, refrigerado a ar, com

duas válvulas e comando no cabeçote. Possui razão de compressão de 9,0:1, potência de 19

CV a 8500 RPM e torque de 1,7 kgfm a 7000 RPM com o sistema de alimentação por

carburador original da motocicleta, segundo informação levantadas em páginas da Internet.

O sistema de ignição original foi mantido, cujos dados seguem na tabela 3.1.

15

Tabela 3.1: Dados técnicos sobre o motor e o sistema elétrico da moto CBX 200

Strada. [Manual de Serviço Honda XR200R/NX200/CBX200S]

Motor Tipo 4 tempos, arrefecido a ar, OHC

Disposição do cilindro Monocilíndrico, inclinado a 15° em relação

à vertical

Diâmetro x curso 63,5 x 62,2

Cilindrada 196,9 cm³

Relação de compressão 9,0:1

Capacidade de óleo 1,4 litros na desmontagem/1,1 litros na

troca

Sistema de lubrificação Pressão forçada e banho de óleo

Compressão do cilindro 1.250 kPa (1,25 kg/cm²; 178 psi)

Diagrama das

válvulas

Admissão Abre 10° APMS

Fecha 40° DPMI

Escape Abre 35° APMI

Fecha 10° DPMS

Sistema

Elétrico

Sistema de ignição CDI (ignição por descarga capacitiva)

Ponto de ignição Inicial 10° APMS a 1.400 rpm

Avanço max. 32° APMS a 5.000 rpm

Alternador 0,125kW/5.000 rpm

Vela de ignição DP8EA-9 (NGK)

Folga dos eletrodos da vela 0,8-0,9 mm

Nota da autora: A tabela referenciada não apresenta valores de potência e torque máximos.

Originalmente o motor foi desenvolvido para funcionar com carburador, utilizando-

se de um carburador de corpo simples, porém foi substituído pela injeção eletrônica no

trabalho de AMAZONAS NETO (2013).

16

3.2 - Dinamômetro

A bancada experimental consiste em um dinamômetro, que possui princípio de

funcionamento hidráulico, acoplado diretamente ao virabrequim do motor. O modelo

utilizado, figura 3.2, é o DYNOmite 7’’, fabricado pela Land & Sea, adequado para

pequenos motores de dois ou quatro tempos. A distância do braço de alavanca entre o eixo

do dinamômetro e a célula carga é de 250 milímetros.

Figura 3.2: Dinamômetro DYNOmite 7’’ [Diponível em: <https://www.land-and-

sea.com/absorber/dynamometer_water-brake_absorber.htm> Acesso em: 03 de agosto de

2014.]

O dinamômetro possui, além dos acessórios hidráulicos, um chicote elétrico para

fazer a conexão das saídas dos diversos sensores ao módulo de aquisição de dados. Esse

módulo envia as informações dos sensores para o programa computacional DYNO-MAX

2000, versão 9.38 SP2, de mesmo fabricante (figura 3.3).

17

Figura 3.3: Interface do programa computacional DYNO-MAX 2000.

3.3 - Célula de Carga

O modelo utilizado da célula de carga, que mede o torque aplicado pelo motor, é a

CSA-20, fabricante MK Controle e Instrumentação. A medição do torque é realizada pela

célula de carga em tração e a sua capacidade máxima é de 20 kg. A tabela 3.2 apresenta as

demais características desse sensor.

18

Tabela 3.2: Características técnicas da célula de carga, modelo CSA-20. [Disponível em:

<http://www.mkcontrole.com.br/ficha_csa.html> Acesso em 11 de agosto de 2014.]

Características Técnicas Unidades

Capacidade 20 kg

Sensibilidade Nominal 2,0 mv/V

Balança de Zero ± 0,5%

Repetibilidade 0,02%

Erro de Fluência (20 minutos) 0,03%

Efeito da Temperatura no Zero 0,002% °C

Efeito da Temp. na Sensibilidade 0,002% °C

Temperatura de Operação -10°C a +80°C

Compensação de Temperatura -10°C a +50°C

Impedância de Entrada (25°C) Ohms 350 ± 30

Impedância de Saída (25°C) Ohms 350 ± 3

Resistência de Isolação Mohm > 5000

Tensão de Excitação 10 Vdc/Vac

Tensão de Excitação Máxima 15 Vdc/Vac

Material Alumínio

Cabo Blindado de 4 vias 2,5 metros

19

Capítulo 4

Calibração do Sistema de Alimentação

Neste capítulo será apresentada a calibração do sistema de alimentação do motor,

que é feita através de um controlador programável, a MegaSquirt II. Esse controlador tem a

função de manter o funcionamento do motor de acordo com os parâmetros definidos pelo

usuário, atuando diretamente na quantidade de combustível enviado à câmara de combustão

do motor.

A interface de programação da MegaSquirt é feita pelo software TunerStudio MS,

onde foi utilizada a versão 2.6.02. Nesse software são inseridos todos os dados do motor,

como volume da câmara de combustão, quantidade de cilindros, etc., assim como as

condições de operação desejadas pelo programador. A principal condição de operação

controlada é a relação ar-combustível.

Definidos os dados de entrada e condições de operação desejadas, a ECU controla a

quantidade de combustível enviada à câmara através de seus sensores e atuadores. Os

tópicos a seguir detalham os sensores e atuadores selecionados, além da calibração da ECU.

4.1 - Sensores e Atuadores

Originalmente o motor utilizado neste projeto tinha seu sistema de alimentação feito

por um carburador. A conversão deste sistema para injeção eletrônica e os

dimensionamentos dos sensores e atuadores foram realizados por AMAZONAS NETO

(2013).

A tabela 4.1 lista os sensores e atuadores, cujos funcionamentos foram definidos na

seção 2.2.

20

Tabela 4.1: Componentes utilizados no sistema de injeção eletrônica

Nome Tipo/ Especificação/ Versão

Controlador MegaSquirt II Versão 3.0

Sensores

Pressão do coletor de admissão Motorola MPX4250AP (Integrado à

ECU)

Sonda lambda Wideband/ BOSCH LSU 4.2

Temperatura do ar de admissão MTE-Thompson/ MTE-5061

Temperatura do óleo lubrificante MTE-Thompson/ MTE-4053

Atuadores TBI - Throttle Body Injection Kasinski Comet 250 GTR

Bomba de combustível Magneti Marelli - WB 101

Acessórios

Filtro de ar -

Filtro de combustível Metal Leve - KL582

Regulador de pressão de

combustível LP/ LP47560-204

4.2 - Ajustes da Megasquirt

A calibração da MegaSquirt é realizada através do TunerStudio MS, iniciada na aba

de configuração básica, conforme figura 4.1.

Figura 4.1: Interface do programa computacional TunerStudio MS.

21

Nesta parte são inseridos os dados do motor, tais como o volume e o número de

cilindros, a quantidade e a vazão de injetores e a relação ar/combustível estequiométrica,

apresentados na figura 4.2. Com esses dados a ECU calcula a quantidade de combustível

teórica necessária para o funcionamento do motor.

Figura 4.2: Entrada dos dados para o cálculo do tempo de injeção de combustível.

A relação ar/combustível estequiométrica apresentada (12.2: 1) foi calculada para a

gasolina comum brasileira, que apresenta adição de 25%vol. de etanol anidro, de acordo

com o Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento, Portaria N°105, de 28 de

Fevereiro de 2013, publicada no Diário Oficial da União em 01/03/2013 – Seção 1. O

cálculo dessa relação está detalhado no Apêndice I.

Com esses dados de entrada a ECU é capaz de produzir um mapa básico para a

partida do motor. A quantidade de combustível necessário ao funcionamento é dada pela

equação (2.4) apresentada na seção 2.2.12.

Os valores de e são obtidos através dos sensores

instalados no motor, enquanto os demais são dados de entrada no controlador. A resposta a

esses dados de entrada é o tempo de abertura do injetor a cada ciclo do motor, dado em

milissegundos, conforme figura 4.3.

22

Figura 4.3: Características da injeção.

Observa-se na figura 4.3 que apesar de trabalhar com um motor monocilíndrico, foi

informado ao controlador que o motor possui “dois cilindros”. Isso se deve ao fato de o

sistema de ignição original da moto ter sido mantido, um sistema de ignição por descarga

capacitiva, CDI. Esse sistema trabalha da forma wasted-spark, ou centelha perdida, que

provoca a centelha na vela não somente no tempo de compressão, mas também no tempo de

exaustão.

Como a MegaSquirt faz a leitura da rotação do motor e ajusta o momento de injetar

combustível a partir do sinal elétrico para a centelha da vela, onde para o módulo cada

centelha representa um ciclo do motor, a ignição com wasted-spark faz com que a leitura de

rotação do motor fique dobrada, pois uma centelha é disparada a cada volta, e não a cada

ciclo. Informar à MegaSquirt que o motor possui “dois cilindros” e “dois bicos injetores”

faz com que o combustível seja injetado somente no tempo certo para a combustão, porém

a leitura de rotação permanece o dobro da real. Dessa forma, toda a parametrização foi feita

para se compatibilizar a esse problema.

Após essa configuração inicial é configurada a AFR Table, que é uma tabela 12x12

onde é inserida a relação ar-combustível desejada para cada rotação e pressão no coletor de

admissão, conforme figura 4.4. Essa tabela permite um funcionamento diferenciado do

23

motor nas diferentes condições de operação, possibilitando, por exemplo, uma mistura mais

rica em combustível em regimes de alta carga e/ou um valor próximo ao estequiométrico

em média carga. O valor da rotação de corte de combustível foi estipulado em 6000RPM, o

leva a programar em 12000RPM.

Figura 4.4: AFR Table.

O objetivo deste projeto era testar três diferentes razões ar/combustível: maior que a

estequiométrica, estequiométrica e menor que a estequiométrica. Porém apenas uma razão

foi utilizada (14.7: 1).

Com esses valores de operação desejados e a relação estequiométrica calculada, o

controlador é capaz de enviar à câmara de combustão a quantidade de combustível correta

para a relação ar-combustível desejada. Esse ajuste é feito pelo controlador de acordo com

o sinal de feedback da sonda-lambda, instalada na saída dos gases do motor, que informa à

MegaSquirt a quantidade de oxigênio presente nos gases.

24

Capítulo 5

Calibração da Célula de Carga

Neste capítulo será apresentado o projeto do sistema de calibração da célula de

carga e a metodologia aplicada para realizar esta calibração.

5.1 - Projeto do Sistema de Calibração

Esse projeto foi desenvolvido a partir dos seguintes requisitos: realizar forças de

tração previamente determinadas na célula de carga, não causar grandes modificações à

bancada experimental, ser de fácil montagem e desmontagem e possuir um custo

relativamente baixo. Dessa forma, foi projetado um suporte rígido para ser montado na

bancada, onde duas roldanas, fixadas a esse suporte, apoiam um cabo de aço, que em uma

extremidade está conectado à alavanca do dinamômetro e na outra suporta pesos

devidamente calibrados. As figuras 5.1 e 5.2 ilustram o esquema descrito acima através do

software SolidWorks 2010.

Figura 5.1: Vista frontal do sistema de calibração.

25

Figura 5.2: Perspectiva isométrica do sistema de calibração.

5.1.1 - Cálculos

Os cálculos relacionados às dimensões do suporte rígido de calibração estão

vinculados à geometria da bancada experimental, visando à simetria de todo o sistema.

Em relação aos blocos de calibração, seu diâmetro externo e espessuras foram

projetados para determinarem massas de um e dois quilos, aproximadamente. Com a massa

específica do Aço SAE 1020, equação (5.1), e a área da superfície superior, figura 5.3,

obtém-se a relação entre a massa e a espessura dos blocos, de acordo com a equação (5.2).

Figura 5.3: Vista superior do bloco de calibração.

26

⁄ (5.1)

onde:

Massa específica do aço SAE 1020 = 7900 [kg/m³];

= Massa do bloco de calibração [kg];

= Área da superfície superior do bloco de calibração = 0,0070 [m²];

= Espessura do bloco de calibração [m].

Assim,

[

] (5.2)

Após a fabricação, esses blocos e seu suporte foram aferidos pela balança de

precisão, modelo ARD110, fabricante OHAUS Adventurer, cuja capacidade máxima é de

4100g, figura 5.4. Os resultados da calibração dos blocos encontram-se na tabela 5.1.

Figura 5.4: Calibração dos blocos.

27

Tabela 5.1: Massas aferidas para a calibração.

Peças Calibradas Unidade [kg]

Suporte dos pesos 0,4049 ± 0,0001

Bloco 1 1,0561 ± 0,0001

Bloco 2 1,0648 ± 0,0001

Bloco 3 2,0119 ± 0,0001

Bloco 4 2,0126 ± 0,0001

Bloco 5 2,0146 ± 0,0001

Bloco 6 2,0211 ± 0,0001

5.1.2 - Especificações

As especificações dos componentes utilizados no projeto do sistema de calibração

foram listadas de acordo com a tabela 5.2. Os desenhos técnicos do conjunto e os desenhos

de fabricação das peças encontram-se no Apêndice II.

28

Tabela 5.2: Especificações dos componentes do sistema de calibração.

Componentes Fabricant

e Material

Quantidad

e Dimensões

Suporte de

Calibração

Roldanas

Simples de

Encosto

Pivotante

Nautos - 2 Line 22

Barra Perfil

Quadrado -

Aço SAE

1020 1

5/8pol x 5/8 pol x

450mm

Chapa Perfil

U -

Aço SAE

1020 2

60mm x 105,4mm

x 2mm

Parafuso

Sextavado Ciser - 1 M8x25mm

Parafuso

Philips Ciser - 2 M5x30mm

Porca Ciser - 2 M5

Arruela de

Pressão Ciser - 2 M5

Cabo de

Aço

Cabo de Aço

1x19 Cimaf - 1 Ø3mm x 700mm

Clipes Padrão

de Cabo de

Aço

Inox-Fix Aço Inox 2 AISI316 3mm

Suporte dos

Pesos

Barra Perfil

Circular -

Aço SAE

1020 1 Ø1/2pol x 232mm

Chapa

Circular -

Aço SAE

1020 1

100mm x 100mm x

3,3mm

Blocos de

Calibração

Barra Perfil

Circular -

Aço SAE

1020 2 Ø4pol x 22mm

Barra Perfil

Circular -

Aço SAE

1020 4 Ø4pol x 40mm

5.1.3 - Fabricação

Para a fabricação das peças foram utilizados os processos de usinagem e soldagem.

Suporte de Calibração: É formado pela união de três barras de perfil quadrado e

duas chapas dobradas de perfil U, seção 5.1.2. Primeiramente, utiliza-se o processo

de furação na barra horizontal para a fixação das roldanas. Em seguida, a face

perpendicular à face dos furos da barra horizontal é soldada à barra vertical de

29

forma simétrica. Para garantir que a linha de centro do cabo de aço coincida com a

linha de centro da célula de carga é realizada uma pré-montagem das partes para

que o posicionamento da barra vertical na chapa de perfil U com furo seja

corretamente ajustada e, por fim, esses dois elementos são soldados. A última etapa

de fabricação consiste na soldagem da barra inclinada à barra vertical e a chapa de

perfil U, garantindo maior estabilidade ao sistema. O conjunto final é apresentado

pela figura 5.5 e seu desenho técnico encontra-se no Apêndice II.

Figura 5.5: Perspectiva Isométrica do suporte de calibração

Suporte dos Pesos: É formado por uma barra circular com diâmetro de 12 mm que,

previamente, é fresada e furada próxima a uma de suas extremidades e por uma

chapa em forma circular. Esses dois elementos são soldados perpendicularmente,

figura 5.6. Seu desenho técnico encontra-se no Apêndice II.

Figura 5.6: Perspectiva Isométrica do suporte dos pesos.

30

Blocos de Calibração: Para a fabricação dos seis blocos de calibração, figura 5.7,

foram utilizados os processos de torneamento, furação e fresamento. O torneamento

foi utilizado para ajustar o diâmetro e a espessura dos blocos, já os processos de

furação e fresamento foram utilizados para fazer um rasgo centralizado nas peças.

Seus desenhos técnicos se encontram no Apêndica II.

Figura 5.7: Perspectiva Isométrica dos blocos de calibração.

5.1.4 - Montagem

A montagem do sistema consiste em quatro etapas, detalhadas a seguir:

1ª Etapa – Posicionamento da Roldana: Através dos parafusos M5, porcas e

arruelas, especificados na seção 5.1.2, as roldanas são posicionadas no suporte rígido de

calibração. Deve-se certificar que as linhas de simetria das mesmas formam um ângulo de

45° com o eixo vertical, para que suas forças resultantes sejam anuladas. A figura 5.8

apresenta a disposição adequada.

Figura 5.8: Vista frontal do esquema de montagem das roldanas no suporte de

calibração.

31

2ªEtapa – Fixação do Suporte de Calibração: O suporte de calibração é fixado à

bancada experimental por meio de um parafuso sextavado M8, que foi posicionado ao furo

com rosca existente na bancada.

3ªEtapa – Fixação Cabo de Aço: O cabo de aço deve passar pelas duas roldanas e

sua extremidade centralizada com a célula de carga deve ser fixada ao furo de calibração da

alavanca do dinamômetro, através de um clipe, detalhado na seção 5.1.2.

4ªEtapa – Fixação do Suporte dos Pesos: Por fim, o suporte dos pesos é preso à

extremidade livre do cabo de aço por outro clipe.

A figura 5.9, apresenta a vista explodida do conjunto de calibração para que a

visualização da montagem. O desenho técnico desse conjunto encontra-se no Apêndice II.

Figura 5.9: Vista explodida do sistema de calibração.

A figura 5.10 exibe a montagem final do sistema de calibração na bancada

experimental do motor.

32

Figura 5.10: Montagem final do sistema de calibração.

5.2 - Processo de Calibração

Com o sistema de calibração montado à bancada experimental, inicia-se o processo

de calibração. Esse processo é realizado através do software DYNO-MAX 2000,

apresentado na seção 3.2. Ao abrir o programa, na sua interface principal, seleciona-se a

opção Eletronics e em seguida a opção Calibrate DYNOmite Channels. Através dessa

janela, figura 5.11, seleciona-se o sensor “Torque”.

Figura 5.11: Ajustes de calibração do software DYNO-MAX 2000.

33

A partir de então, seguem as etapas de calibração da célula de carga. Primeiramente,

sem carga aplicada à célula, busca-se zerar o sensor. Após atingir o zero, aplica-se a carga

máxima estimada e ajusta-se o ganho para que o torque indicado pelo programa seja

correspondente ao seu torque nominal. Esses dois processos são realizados conjuntamente

até que seus valores sejam estabilizados.

Em seguida, geram-se três testes estáticos com os blocos calibrados acrescentando-

os, de acordo com a tabela 5.3 a seguir.

Tabela 5.3: Etapas de calibração.

Descrição Massa [kg]

1ª Etapa Sem carregamento. 0,0000

2ª Etapa Acrescenta-se o conjunto formado pelo suporte dos

blocos, bloco 1 e bloco 2. 2,5258

3ª Etapa Acrescenta-se ao conjunto anterior o bloco 3. 4,5377




7ª Etapa Retira-se o bloco 6 do conjunto anterior. 8,5649




11ª Etapa Sem carregamento. 0,0000

O processo de decrescimento dos blocos foi realizado, porém, durante a fase de

calibração, somente os pontos das etapas 1 a 6 serão importados para o programa realizar o

ajuste de linearização. A figura 5.12 apresenta o gráfico de um dos testes estáticos

executados. Além do gráfico, o programa também gera uma tabela com o valor do torque a

cada 0.1 segundos. Cada etapa foi executada em torno de 10 segundos e os tempos de

acréscimo e retirada dos blocos foram de aproximadamente 5 segundos. As possíveis

perturbações que o sistema sofreu com o posicionamento das peças foram descartadas.

34

Figura 5.12: Gráfico obtido antes da calibração.

Os dados gerados por cada teste foram estudados, calculando-se as médias e os

desvios padrões dos valores dos torques de todas as etapas, através da Distribuição Normal.

Com essas médias calculadas, realizou-se a média das três curvas e os desvios padrões, de

acordo com a Distribuição t-Student com 95% de confiabilidade. Todos esses valores

encontram-se no Apêndice III.

Após essa análise, para que a calibração fosse concluída, os valores das médias dos

torques das três curvas e os torques nominais equivalentes a cada etapa foram importados

para o programa através da opção Edit Table, figura 5.13.

Figura 5.13: Entrada dos valores para a correção da leitura.

35

Capítulo 6

Resultados

Este capítulo tem como finalidade apresentar os resultados obtidos após a calibração

da célula de carga e o resultado do teste do motor para a relação ar combustível igual a

14.7, gerando as curvas experimentais de torque e potência do motor.

6.1 - Resultados da Calibração da Célula de Carga

Depois de feita a calibração, o mesmo procedimento do teste estático para obter os

valores dos torques correspondentes às etapas descritas no capítulo 5 foi realizado a fim de

verificar os resultados da calibração. Dessa forma, a tabela 6.1 apresenta os valores do

torque teórico, da média dos torques medidos antes da calibração e a média dos resultados

da calibração para cada etapa.

Tabela 6.1: Comparativo entre os torques.

Torque Teórico

(N.m)

Média do Torque

Antes da Calibração

(N.m)

Média do Torque Após

a Calibração (N.m)

Etapa 1 0 ± 0,0002 0,15 ± 0,093 -0,23 ± 0,101

Etapa 2 6,19 ± 0,0248 6,96 ± 0,49 5,9 ± 0,144

Etapa 3 11,13 ± 0,0445 12,22 ± 0,158 10,91 ± 0,159

Etapa 4 16,06 ± 0,0643 17,22 ± 0,482 15,81 ± 0,035

Etapa 5 21,01 ± 0,084 22,09 ± 0,53 20,68 ± 0,182

Etapa 6 25,96 ± 0,1038 25,86 ± 0,286 24,01 ± 0,155

Etapa 7 21,01 ± 0,084 24,47 ± 0,429 22,38 ± 0,306

Etapa 8 16,06 ± 0,0643 19,47 ± 1,661 17,4 ± 0,245

Etapa 9 11,13 ± 0,0445 13,47 ± 1,346 11,82 ± 0,271

Etapa 10 6,19 ± 0,0248 7,46 ± 0,434 6,35 ± 0,142

Etapa 11 0 ± 0,0002 0,08 ± 0,066 -0,36 ± 0,041

36

O mesmo método de análise estatística dos dados empregados nas leituras dos

torques realizadas antes da calibração foi utilizado para a verificação dos dados obtidos

após a calibração, Apêndice IV. As incertezas dos valores dos torques teóricos, equação

(6.1), foram calculadas através das incertezas dos instrumentos utilizados para aferir as

massas do suporte e dos blocos e o comprimento da alavanca do dinamômetro.

(

)

(

)

(6.1)

onde:

Incerteza do torque teórico em [N.m];

Derivada do torque em relação à massa em [m²/s²];

Incerteza da balança = 0,0001 [kg];

Derivada do torque em relação ao comprimento da alavanca do dinamômetro em

[kg.m/s²];

Incerteza do instrumento de medição do comprimento da alavanca do dinamômetro =

0,001 [m].

A figura 6.1 exibe o gráfico das curvas dos torques para cada etapa. Pode-se

verificar que a curva da média dos torques após a calibração se aproxima da curva do

torque teórico no intervalo entre zero e aproximadamente 21 N.m, durante as etapas de

acréscimo das massas, faixa que engloba os torque aplicados pelo motor. Entretanto,

durante a remoção das massas, o intervalo em que há a aproximação das curvas foi restrito

a uma faixa menor devido à histerese.

37

Figura 6.1: Gráfico dos torques de calibração.

O parâmetro do ganho configurado no processo de calibração, figura 5.11, foi

ajustado para que na faixa de operação nominal do motor os valores medidos se

aproximassem do teórico. Dessa forma, observa-se que o máximo da curva após a

calibração não coincide com o máximo valor da curva teórica, torque não alcançado pelo

motor.

Verificou-se também as máximas não linearidade, não repetibilidade e histerese, em

porcentagem, para o fundo de escala igual a 26,96 N.m, de acordo com os valores obtidos

dos três testes realizados após a calibração. Os resultados encontram-se na tabela 6.2,

abaixo.

Tabela 6.2: Análise dos testes após a calibração.

(%)

Linearidade Máxima 7,80

Repetibilidade Máxima 0,56

Histerese Máxima 7,07

38

A máxima não linearidade foi obtida no terceiro teste, na etapa seis, onde a carga

máxima foi aplicada à célula. A repetibilidade máxima foi observada na diferença dos

valores obtidos na etapa cinco, entre o segundo e terceiro teste. A máxima histerese foi

detectada no primeiro teste, entre a diferença dos valores das etapas cinco e sete, cujo

torque nominal aplicado corresponde a 21,01 N.m, valor superior ao torque máximo

nominal do motor. Os demais valores destes parâmetros encontram-se no Apêndice V.

Com as características técnicas dadas pelo fabricante da célula de carga, seção 3.3,

apenas é possível verificar a repetibilidade. De acordo com a tabela 6.2, a máxima

repetibilidade é maior que 0,02%, especificada pela MK Controle e Instrumentação para o

modelo de célula de carga utilizado.

6.2 - Curvas Experimentais de Torque e Potência do Motor Honda 196cc

De acordo com o objetivo do projeto, três relações ar/combustível, 14.7, 12.2 e 9.8,

caracterizando misturas pobre, estequiométrica e rica em combustível, respectivamente,

deveriam ser testadas a fim de realizar a comparação entre as curvas através do

dinamômetro. Contudo, apenas foi possível executar um teste, devido a irregularidades no

funcionamento do motor. A configuração do módulo de injeção adotada para esse teste foi

definida com a mistura pobre em combustível, de acordo com a figura 4.4.

O teste foi realizado com o acionamento máximo da alavanca de aceleração do

motor, borboleta totalmente aberta, admitindo a quantidade máxima de ar. Os

carregamentos foram aplicados variando somente a válvula responsável pelo fluxo de àgua

que passa pelo dinamômetro. Como a mangueira de entrada água do equipamento está

ligada à tubulação de água do laboratório, uma válvula reguladora de pressão foi utilizada

para garantir uma constância do fluxo até a válvula do dinamômetro.

O objetivo do teste era alcançar a máxima rotação estipulada pela ECU e obter

leituras de torque e potência em intervalos de 500 RPM quando as rotações estivessem

estabilizadas. Seu resultado, gerado pelo software DYNO-MAX 2000, é dado pela figura

6.2 a seguir. A curva em preto fornece o torque em N.m versus a rotação em rotações por

minuto e a curva em azul fornece a potência em CV versus a rotação em rotações por

minuto.

39

Figura 6.2: Gráfico com as curvas de torque e potência do motor com relação ar

combustível de 14,7.

Verifica-se que a rotação máxima conseguida foi de aproximadamente 4500 RPM,

inferior à rotação de corte de combustível que foi programada na Megasquirt. As regiões de

maiores concentrações de dados formam os cinco pontos das curvas onde se buscou

estabilidade. Esses pontos foram analisados de acordo com a Distribuição Normal

(PINHEIRO et al., 2009), tabela 6.3.

Tabela 6.3: Resultados obtidos pelo teste do motor com relação ar combustível de 14,7.

N°Medidas Rotação (RPM) Torque (N.m) Potência (CV)

Ponto 1 211 2509 ± 22,1 10,88 ± 0,154 3,874 ± 0,0549

Ponto 2 137 2939 ± 26,6 8,4 ± 0,424 3,506 ± 0,1825

Ponto 3 148 3639 ± 45,9 7,26 ± 0,191 3,751 ± 0,1393

Ponto 4 86 4048 ± 29,0 7,71 ± 0,166 4,433 ± 0,1007

Ponto 5 173 4597 ± 12,7 5,55 ± 0,246 3,620 ± 0,1600

40

A figura 6.3 apresenta o gráfico resultante da tabela 6.3 e traça as curvas de torque e

potência que uni os cinco pontos. Os valores de rotação nesta figura correspondem a

metade dos valores configurados pela MegaSquirt, encontrados na figura 4.4.

Figura 6.3: Gráfico com as curvas de torque e potência obtidas pelo teste do motor com

relação ar combustível de 14,7.

Observa-se que na máxima rotação, 4597RPM, existe carga sendo aplicada no

dinamômetro para que houvesse uma maior estabilidade nessa faixa de operação. Verifica-

se também que a máxima potência é dada por 4,433CV em 4048RPM e torque máximo é

dado por 10,88N.m em 2509RPM, valores que indicam uma baixa performance do motor.

0

2

4

6

8

10

12

2509 2939 3639 4048 4597

Torq

ue

(N

.m)

e P

otê

nci

a (C

V)

Rotação (RPM)

Curvas Experimentais Motor Honda 196cc

Torque

Potência

41

As causas desse desempenho estão relacionadas à configuração do módulo de injeção de

combustível e a irregularidade mecânica apresentada pelo motor.

Durante o primeiro procedimento de teste, relação ar/combustível igual a 14,7: 1,

foi detectada a passagem de óleo lubrificante para o coletor de admissão do motor, fato que

impossibitou a execução dos demais testes e inviabilizou a comparação entre as relações

ar/combustível pré determinadas no projeto.

42

Capítulo 7

Conclusões e Sugestões

Conclui-se, em relação à calibração da célula de carga, que o projeto do sistema de

calibração foi satisfatório, garantindo a confiabilidade do procedimento e apresentando

custos dos materiais relativamente baixos, discriminados na tabela 7.1. O tempo de

fabricação das peças pelos técnicos do laboratório foi de aproximadamente 14 horas.

Tabela 7.1: Levantamento dos custos de materiais.

Componentes Quantidade

Valor

Unitário

Suporte de

Calibração

Roldanas Simples de Encosto Pivotante 2 R$ 49,25

Barra Perfil Quadrado 1 R$ 20,00

Chapa Perfil U 2 -(1)

Parafuso Sextavado 1 -(1)

Parafuso Philipes 2 -(1)

Porca 2 -(1)

Arruela de Pressão 2 -(1)

Cabo de

Aço

Cabo de Aço 1x19 1 R$ 2,10

Clipes Padrão de Cabo de Aço 2 R$ 5,95

Suporte dos

Pesos

Barra Perfil Circular 1 -(1)

Chapa Circular 1 -(1)

Blocos de

Calibração

Barra Perfil Circular Ø4''x22mm 2 R$ 19,46

Barra Perfil Circular Ø4''x40mm 4 R$ 29,14

Valor Total: R$ 287,98

(1) Correspondem a componentes encontrados no laboratório e que não foram orçados.

A comparação dos valores obtidos pela calibração da célula de carga somente pode

ser feita no que se refere à repetibilidade devido à falta de informações concedidas pelo

43

fabricante. Pode-se observar através da figura 6.1 que entre alguns valores de torque, a

célula de carga possui uma maior confiabilidade.

O segundo objetivo deste projeto, comparar curvas de torque e potência para

diferentes relações ar combustível, não pode ser concluído, conforme explicado na seção

6.2. As avarias mecânicas apresentadas no motor não permitiram a continuação dos testes.

Dessa forma, a análise dos testes para a mesma configuração de injeção de combustível não

foi realizada, restringindo a confiabilidade da curva medida. Foi observada também a

transmissão da vibração, gerada pelo motor, para a bancada experimental.

Durante o primeiro teste foi verificada a passagem de óleo lubrificante para o

coletor de admissão do motor. Provavelmente essa falha se deve a alguma avaria na válvula

de respiro dos gases do cárter, blow-by, que permitiu a passagem não só dos gases, mas

também de óleo para o sistema de admissão. Assim, a presença de óleo influenciou

diretamente no rendimento do motor, que apresentou potência máxima muito abaixo do

esperado e não alcançou rotações elevadas.

Não foi realizada uma investigação mais aprofundada do problema devido ao tempo

disponível para a conclusão do projeto. Fica como sugestão para futuros experimentos a

solução da avaria do motor e a instalação de um material absorvedor de vibrações na

estrutura fixa do motor e no acoplamento do eixo do motor com o eixo do dinamômetro

para a medição das curvas propostas no objetivo deste projeto.

Recomenda-se também que seja reinstalado o sistema de alimentação original, por

carburador, para comparação com as medições realizadas com injeção eletrônica.

44

Referências Bibliográficas:

AMAZONAS NETO, W. A., 2013, Estudo Comparativo de Emissões de Poluentes

em Motores Quatro Tempos Utilizando Sistemas de Carburação e Injeção Eletrônica. Tese

de Graduação em Engenharia Mecânica, ESCOLA POLITÉCNICA/UFRJ, Rio de Janeiro,

RJ, Brasil.

BOWLING & GRIPPO, 2014, MS2 Extra Manual. Disponível em:

<http://www.megamanual.com/index.html> Acesso em: 12 de abril de 2014.

DOEBELIN, E. O., 1983, Measurement Systems: Application and Design. 3.ed.

Auckland, McGraw-Hill.

FACULDADE OSWALDO CRUZ, 2013, Fórmula Álcool Etílico Anidro.

Disponível em: <https://www.oswaldocruz.br/download/fichas/Álcool%20etílico2003.pdf>

Acesso em: 24 de julho de 2014.

FERGUSON, C. R., KIRKPATRICK, A.T., 2001, Internal Combustion Engines

Applied Thermosciences. 2. ed. New York, John Wiley & Sons.

HEYWOOD, J. B., 1988, Internal Combustion Engine Fundamentals. 1. ed. New

York, McGraw-Hill.

Manual de Serviço XR200R / NX200 / CBX200S. Moto Honda da Amazônia.

MELO, T. C. C., 2007, Modelagem Termodinâmica de um Motor do Ciclo Otto,

Tipo Flex-Fuel, Funcionando com Gasolina, Álcool e Gás Natural. Tese de Mestrado

COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil.

MILHOR, C. E., 2002, Sistema de Desenvolvimento para Controle Eletrônico dos

Motores de Combustão Interna.Tese de Mestrado EESC/USP, São Carlos, SP, Brasil.

MK CONTROLE E INSTRUMENTAÇÃO, [S.D.], Características Técnicas Célula

de Carga Modelo CSA-20. Disponível em:

<http://www.mkcontrole.com.br/ficha_csa.html> Acesso em: 11 de agosto de 2014.

PINHEIRO, J. I. D., DA CUNHA, S. B., CARVAJAL, S. R., et al.,2009, Estatística

Básica: A Arte de Trabalhar com Dados. 1.ed. Rio de Janeiro, Elsevier.

PLINT, M., MARTYR, A. J., 1999, Engine Testing Theory and Practice. 2. ed.,

SAE International.

45

SANTO FILHO, D. M. E., [S.D.], Estudo do Parâmetro do Teor de Massa

Específica do Álcool Etílico Anidro Combustível Utilizando Densímetro Digital.

Disponível em:

<https://www.inmetro.gov.br/metcientifica/palestras/palestraalcooletilico/dalni_filho.pdf>


TABELA PERIÓDICA COMPLETA, 2014, Massa Atômica dos Elementos.

Disponível em: <http://www.tabelaperiodicacompleta.com/> Acesso em: 24 de julho de

2014.

TRUOSOLO, M. E., 2013, Sistema de Injeção Eletrônica Multiponto. Tese de

Especialização em Engenharia Automotiva CEUN/CECEA, São Caetano do Sul, SP,

Brasil.

VAN WYLEN, G. J., SONNTAG, R. E., BORGNAKKE, C., 2003, Fundamentos

da Termodinâmica. Tradução da 6. ed. Americana. São Paulo, Edgard Blücher.

46

Lista de Apêndices:

Apêndice I:

Cálculo da Relação Ar/Combustível Estequiométrico

Apêndice II:

Desenhos Técnicos do Conjunto e de Fabricação das Peças

Apêndice III:

Tabelas das Médias e Desvios de Torque Anteriores à Calibração

Apêndice IV:

Tabelas das Médias e Desvios de Torque Posteriores à Calibração

Apêndice V:

Tabelas de Resultados da Calibração: Linearidade, Repetibilidade e Histerese

47

Apêndice I

CÁLCULO DA RELAÇÃO AR/COMBUSTÍVEL

ESTEQUIOMÉTRICO

Tabela I.1 : Propriedades da gasolina com 23% de álcool etílico.

Tabela I.2: Propriedades gerais.

48

Apêndice I

Cálculo da relação ar/combustível estequiométrico utilizando gasolina comum formada

pela mistura de 75% de gasolina pura e 25% de álcool etílico anidro, em volume, de acordo com

Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento, Portaria N°105, de 28 de Fevereiro de

2013, publicada no Diário Oficial da União em 01/03/2013 – Seção 1.

As informações obtidas através de MELO (2007) para a gasolina formada por 77% de

gasolina pura e 23% de álcool etílico anidro, em volume, encontram-se na tabela I.1.

Tabela I.1: Propriedades da gasolina com 23% de álcool etílico. [MELO (2007), p.143,

tab. I.1]

Propriedades

Limites

Especificados

Método

Utilizado Resultados

Mín. Máx.

Gasolina Comum

Álcool etílico, %vol. 23 ± 1

NBR

13992 23

Massa específica a 20°C, kg/m³ Anotar

ASTM

D4052 750.1

Oxigênio, %m -

ASTM

D5622 8.4

Hidrogênio, %m -

ASTM

5291 12.7

Carbono, %m -

ASTM

5291 78.9

Combustível Equivalente C6,67H12,8O0,533

Relação ar-combustível estequiométrica

(ACₑ) 12,99

49

A tabela I.2 apresenta as demais propriedades que foram utilizadas durante o cálculo que

determina o valor da relação ar/combustível estequiométrica.

Tabela I.2: Propriedades gerais.

Álcool Etílico Anidro

Composto equivalente C2H6O (1)

Massa específica a 20°C, kg/m³ 790,85 (2)

Peso molecular, kg/kmol 46,07

Ar Atmosférico

Composição 79% de N2 e 21 % de O2 (3)

Peso molecular, kg/kmol 28,97 (4)

Carbono – C

Peso atômico, kg/kmol 12,011 (5)

Oxigênio – O


Hidrigênio – H


(1) Disponível em: <https://www.oswaldocruz.br/download/fichas/Álcool%20etílico2003.pdf>


(2) Disponível em:

<https://www.inmetro.gov.br/metcientifica/palestras/palestraalcooletilico/dalni_filho.pdf>


(3) VAN WYLEN ( 2003), p.451.

(4) VAN WYLEN (2003), p.522, tab. A.5.

(5) Disponível em: <http://www.tabelaperiodicacompleta.com/> Acesso em: 24 de julho de 2014.

Inicialmente, através da composição mássica dada por MELO (2007) e dos pesos

atômicos do carbono, hidrogênio e oxigênio, tabela I.2, verificou-se a composição equivalente

para 100 kg de gasolina comum com 23%vol. de álcool etílico anidro, dada pela equação (I.1) ,

VAN WYLEN et al. (2003).

50

(I.1)

onde:

Número de mols do átomo para 100kg de gasolina comum com 23%vol. de álcool etílico

anidro [kmol];

Massa do átomo presente em 100kg de gasolina comum com 23%vol. de álcool etílico

anidro [kg];

Peso atômico [kg/kmol]

Assim,

⁄

⁄

⁄

Dessa forma, tem-se o composto equivalente da gasolina comum com 23%vol. de álcool

etílico anidro dado por:

A partir de então, através de uma razão de proporcionalidade, equação (I.2), calcula-se a

fração de volume de álcool etílico anidro adicionado à mistura da gasolina comum ( ) para que

essa contenha 25%vol. de álcool etílico anidro.

(I.2)

onde:

Fração de álcool etílico anidro adicionado à gasolina comum.

51

Assim, tem-se:

Com o valor de , obtém-se o volume de álcool etílico anidro ( ) para a

gasolina comum formada com 25%vol. deste, dado pela equação (I.3).

(I.3)

onde:

Volume de álcool etílico anidro contido na gasolina comum utilizada atualmente

[m³];

Volume de gasolina comum [m³];

Fração de álcool etílico anidro adicionado à gasolina comum.

O volume de gasolina comum é calculado pela equação (I.4), VAN WYLEN et al.

(2003), através da massa específica e considerando uma quantidade de 100kg de combustível.

⁄ (I.4)

onde:

Massa específica da gasolina comum dada pela tabela I.1, em [kg/m³];

Massa de gasolina comum [kg].

Assim:

⁄

52

Através do valor calculado do volume de álcool etílico anidro em 25%vol. de 100kg de

gasolina comum, calcula-se, pelas equações (I.1) e (I.4), o número de mols de álcool etílico para

essa nova composição:

[

]

[

]

onde:

Massa específica do álcool etílico anidro, dada pela tabela I.2, em [kg/m³];

Peso molecular do álcool etílico anidro, calculado através dos dados

disponíveis na tabela I.2, em [kg/kmol].

Dessa forma, obtém-se a fórmula do combustível equivalente à gasolina comum com

25%vol. de álcool anidro ( ).

Substituindo os valores encontrados, tem-se:

A combustão completa da gasolina comum com 25%vol. de álcool etílico anidro é dada

pela equação (I.5), VAN WYLEN (2003).

(I.5)

Realizando o balanceamento da equação (I.5), tem-se:

53

Assim, a equação balanceada é dada por:

Por fim, obtém-se a razão ar/combustível em base mássica pela equação (I.6), VAN

WYLEN et al. (2003).

(I.6)

onde:

Relação ar/combustível em base mássica em [kg de ar atmosférico/kg de gasolina

comum];

Relação ar/combustível em base molar em [kmol de ar atmosférico/kmol de gasolina

comum];

Peso molecular do ar atmosférico, dado pela tabela, em [kg/kmol];

Peso molecular da gasolina comum com 25%vol. de álcool anidro =

127,04[kg/kmol].

A relação ar/combustível molar é dada pela equação (I.7), VAN WYLEN et al. (2003).

(I.7)

Substituindo a equação (I.7) na equação (I.6), conclui-se que a relação ar/combustível em

base mássica é:

54

Apêndice II

DESENHOS TÉCNICOS DO CONJUNTO E DE

FABRICAÇÃO DAS PEÇAS

45°45°

1

2

3 4 5 6 7

12

14

13

8 9 10

11 IsométricaEscala 1:10

14 Braço do Dinamômetro 1 -13 Suporte de Calibração 1 Aço SAE 102012 Bancada Experimental 1 -11 Parafuso Sextavado 1 Ciser M8 x 25mm10 Arruela de Pressão 2 Ciser M59 Porca 2 Ciser M58 Parafuso Philips 2 Ciser M5 x 30mm7 Bloco 3 4 Aço SAE 1020 4'' x 40mm6 Bloco 1 2 Aço SAE 1020 4'' x 22mm5 Suporte dos Pesos 1 Aço SAE 10204 Roldana Simples de Encosto

Pivotante 2 Nautos Line 223 Cabo de Aço 1x 19 1 Cimaf 3mm x 750 mm2 Clipes Padrão de Cabo de Aço 2 Inox-Fix AISI316 3mm1 Célula de Carga CSA-20 1 MK Controle e Instrumentação

Peças Denominação Quant. Material e DimensõesSara Maria de Souza Vale e Souza

UFRJ

Data: 20/04/2014Sistema de Calibração Escala: 1:5

Unidade: mmProjeto FinalProf. Marcelo Colaço

DEM

3° Diedro

5.1

5.2

1

228

IsométricaEscala 1:5

5

5.2 Barra Perfil Circular 1 1 Aço SAE 1020 1/2'' x 232mm5.1 Chapa Circular 1 Aço SAE 1020 100mm x 100mm x 3,3mm

Peças Denominação Quant. Material e Dimensões


Data: 30/04/2014

Unidade: mmProf. Marcelo Colaço

Escala: 1:2

UFRJProjeto Final

DEMSuporte dos Pesos

3° Diedro

3,3

12

96,2

IsométricaEscala 1:2

Afastamento: 0,1mm

5.1N9

5.1 Chapa Circular 1 Aço SAE 1020 100mm x 100mm x 3,3mmPeça Denominação Quant. Material e Dimensões


Data: 30/04/2014


Escala: 1:1

UFRJProjeto Final

DEMChapa Circular

3° Diedro

6

12

232

10,4

310

Afastamento Geral: 0,1mm

IsométricaEscala: 1:5

5.2N9N8

5.2 Barra Perfil Circular 1 1 Aço SAE 1020 1/2'' x 232mmPeça Denominação Quant. Material e Dimensões


Data: 30/04/2014


Escala: 1:2

UFRJProjeto Final

DEMBarra de Perfil Circular 1

3° Diedro

19

160,1 A

A

R50

R8

50


6


N8

6 Bloco 1 2 Aço SAE 1020 4'' x 22mmPeça Denominação Quant. Material e Dimensões


Data: 30/04/2014


Escala: 1:1

UFRJProjeto Final

DEMBloco 1e 2

3° Diedro

37,2

160,1 A

A

R50

R8

50



7 N8

7 Bloco 3 4 Aço SAE 1020 4'' x 40mmPeça Denominação Quant. Material e Dimensões


Data: 30/04/2014


Escala: 1:1

UFRJProjeto Final

DEMBlocos 3, 4, 5 e 6

3° Diedro

82,7

11,913.3

13.2

0,5

1

13.1

2

52° 84,2

17,8 36,8

13.4 13.51

Isométrica

13

13.5 Barra inclinada 1 Aço SAE 1020 5/8'' x 5/8'' x 126mm13.4 Chapa U 1 Aço SAE 1020 60mm x 105,4mm x 2mm13.3 Barra Vertical 1 Aço SAE 1020 5/8'' x 5/8'' x 138mm13.2 Chapa U c/ furo 1 Aço SAE 1020 60mm x 105,4mm x 2mm13.1 Barra Horizontal 1 Aço SAE 1020 5/8'' x 5/8'' x 185,4mm

Peças Denominação Quant. Material e Dimensões


Data: 30/04/2014


Escala: 1:5

UFRJProjeto Final

DEMSuporte de Calibração

3° Diedro

185,4

10

5

15,88

15,8

8

Isométrica

13.1


N10

13.1 Barra Horizontal 1 Aço SAE 1020 5/8'' x 5/8'' x 185,4mm

Peça Denominação Quant. Material e Dimensões


Data: 30/04/2014


Escala: 1:2

UFRJProjeto Final

DEMBarra Horizontal

3° Diedro

24,4

2

58

8 18,1

12,5

Isométrica

13.2


N10

13.2 Chapa U c/ furo 1 Aço SAE 1020 60mm x 105,4mm x 2mmPeça Denominação Quant. Material e Dimensões


Data: 30/04/2014


Escala: 1:1

UFRJProjeto Final

DEMChapa U c/ furo

3° Diedro

45°

1

45°

1

138

15,8

8

15,88

Isométrica

13.3


N10

13.3 Barra Vertical 1 Aço SAE 1020 5/8'' x 5/8'' x 138mmPeça Denominação Quant. Material e Dimensões


Data: 30/04/2014


Escala: 1:2

UFRJProjeto Final

DEMBarra Vertical

3° Diedro

24,4

2

60

30

Isométrica

13.4


N10

1 Chapa U 1 Aço SAE 1020 60mm x 105,4mm x 2mm Peça Denominação Quant. Material e Dimensões


Data: 30/04/2014


Escala: 1:1

UFRJProjeto Final

DEMChapa U

3° Diedro

126

38° 52°

15,88

15,8

8

Isométrica

13.5


N10

13.5 Barra Inclinada 1 Aço SAe 1020 5/8'' x 5/8'' x 126mmPeça Denominação Quant. Material e Dimensões


Data: 30/04/2014


Escala: 1:2

UFRJProjeto Final

DEMBarra Inclinada

3° Diedro

67

Apêndice III

TABELAS MÉDIAS E DESVIOS DE TORQUE

ANTERIORES À CALIBRAÇÃO

Tabela III.1: Valores de média e desvio padrão da primeira medição anterior à calibração.

Tabela III.2: Valores de média e desvio padrão da segunda medição anterior à calibração.

Tabela III.3: Valores de média e desvio padrão da terceira medição anterior à calibração.

Tabela III.4: Valores de média e desvio do resultado das medições de torques anteriores à

calibração.

68

Apêndice III

Para cada etapa das três medições realizou-se a análise estatística de acordo com a

Distribuição Normal, PINHEIRO et al. ( 2009).

Tabela III.1: Valores de média e desvio padrão da primeira medição anterior à calibração.

Torque 1 (N.m) Desvio 1 (N.m) N° Medidas 1

Etapa 1 0,12 0,014 131

Etapa 2 6,81 0,011 147

Etapa 3 12,29 0,015 176

Etapa 4 17,44 0,022 156

Etapa 5 22,33 0,019 126

Etapa 6 25,97 0,017 127

Etapa 7 24,28 0,038 183

Etapa 8 18,77 0,013 147

Etapa 9 12,93 0,029 157

Etapa 10 7,33 0,034 160

Etapa 11 0,09 0,041 127

Medidas Válidas: 1637

Total de medidas: 1824

69

Tabela III.2: Valores de média e desvio padrão da segunda medição anterior à calibração.


Etapa 1 0,2 0,018 128

Etapa 2 7,18 0,035 144

Etapa 3 12,21 0,02 131

Etapa 4 17,13 0,019 147

Etapa 5 21,91 0,019 173

Etapa 6 25,74 0,016 129

Etapa 7 24,61 0,05 155

Etapa 8 20,1 0,017 119

Etapa 9 14,01 0,059 148

Etapa 10 7,66 0,029 147

Etapa 11 0,05 0,013 146



Tabela III.3: Valores de média e desvio padrão da terceira medição anterior à calibração.


Etapa 1 0,14 0,019 125

Etapa 2 6,88 0,013 164

Etapa 3 12,16 0,038 152

Etapa 4 17,08 0,021 149

Etapa 5 22,03 0,022 166

Etapa 6 25,86 0,019 158

Etapa 7 24,52 0,058 154

Etapa 8 19,53 0,026 136

Etapa 9 13,48 0,058 140

Etapa 10 7,39 0,031 142

Etapa 11 0,1 0,018 126



70

Para cada etapa realizou-se a análise estatística do resultado das três medições, de acordo

com a Distribuição t-Student com 95% de confiabilidade e dois graus de liberdade. (PINHEIRO

et al., 2009).

Tabela III.4: Valores de média e desvio do resultado das medições de torques anteriores

à calibração.

Média Torque (N.m) Desvio Padrão t-Student

Etapa 1 0,15 0,093

Etapa 2 6,96 0,49

Etapa 3 12,22 0,158

Etapa 4 17,22 0,482

Etapa 5 22,09 0,53

Etapa 6 25,86 0,286

Etapa 7 24,47 0,429

Etapa 8 19,47 1,661

Etapa 9 13,47 1,346

Etapa 10 7,46 0,434

Etapa 11 0,08 0,066

71

Apêndice IV

TABELAS MÉDIAS E DESVIOS DE TORQUE

POSTERIORES À CALIBRAÇÃO

Tabela IV.1: Valores de média e desvio padrão da primeira medição posterior a calibração. Tabela IV.2: Valores de média e desvio padrão da segunda medição posterior a calibração.

Tabela IV.3: Valores de média e desvio padrão da terceira medição posterior a calibração.

Tabela IV.4: Valores de média e desvio do resultado das medições de torques posteriores à

calibração.

72

Apêndice IV

O mesmo procedimento realizado no Apêndice III foi empregado nesse Apêndice.

Tabela IV.1: Valores de média e desvio padrão da primeira medição posterior à calibração.

Torque Final 1 (N.m) Desvio Padrão Final 1 (N.m) N° Medidas 1

Etapa 1 -0,25 0,018 127

Etapa 2 5,92 0,022 127

Etapa 3 10,96 0,021 131

Etapa 4 15,79 0,02 125

Etapa 5 20,68 0,024 143

Etapa 6 24,05 0,016 125

Etapa 7 22,52 0,025 130

Etapa 8 17,5 0,026 118

Etapa 9 11,75 0,035 105

Etapa 10 6,39 0,018 136

Etapa 11 -0,34 0,022 130



73

Tabela IV.2: Valores de média e desvio padrão da segunda medição posterior à calibração.


Etapa 1 -0,26 0,03 132

Etapa 2 5,94 0,073 118

Etapa 3 10,94 0,024 136

Etapa 4 15,82 0,014 115

Etapa 5 20,75 0,025 128

Etapa 6 24,04 0,021 130

Etapa 7 22,34 0,029 128

Etapa 8 17,3 0,031 122

Etapa 9 11,77 0,048 116

Etapa 10 6,28 0,02 130

Etapa 11 -0,37 0,027 136



Tabela IV.3: Valores de média e desvio padrão da terceira medição posterior à calibração.


Etapa 1 -0,19 0,02 125

Etapa 2 5,83 0,026 139

Etapa 3 10,84 0,021 137

Etapa 4 15,81 0,063 143

Etapa 5 20,61 0,019 105

Etapa 6 23,94 0,025 137

Etapa 7 22,28 0,015 116

Etapa 8 17,41 0,04 149

Etapa 9 11,95 0,028 141

Etapa 10 6,36 0,025 124

Etapa 11 -0,36 0,024 136



74

Tabela IV.4: Valores de média e desvio do resultado das medições de torques posteriores à

calibração.

Media Torque Final Desvio Padrão t-Student (95%)

Etapa 1 -0,23 0,101

Etapa 2 5,9 0,144

Etapa 3 10,91 0,159

Etapa 4 15,81 0,035

Etapa 5 20,68 0,182

Etapa 6 24,01 0,155

Etapa 7 22,38 0,306

Etapa 8 17,4 0,245

Etapa 9 11,82 0,271

Etapa 10 6,35 0,142

Etapa 11 -0,36 0,041

75

Apêndice V

TABELAS DE RESULTADOS DA CALIBRAÇÃO:

LINEARIDADE, REPETIBILIDADE E HISTERESE

Tabela V.1: Resultado da linearidade (%) posterior à calibração.

Tabela V.2: Resultado da repetibilidade (%) posterior à calibração.

Tabela V.3: Resultado da histerese (%) posterior à calibração.

76

Apêndice V

Tabela V.1: Resultado da linearidade (%) posterior à calibração.

Linearidade (%) Teste 1 Teste 2 Teste 3

Etapa 1 0,96 1,01 0,71

Etapa 2 1,03 0,95 1,37

Etapa 3 0,65 0,74 1,11

Etapa 4 1,03 0,92 0,96

Etapa 5 1,26 0,99 1,55

Etapa 6 7,36 7,4 7,8

Tabela V.2: Resultado da repetibilidade (%) posterior à calibração.

Repetibilidade (%) Testes 1 e 2 Testes 1 e 3 Testes 2 e 3

Etapa 1 0,04 0,25 0,29

Etapa 2 0,08 0,34 0,42

Etapa 3 0,09 0,47 0,38

Etapa 4 0,11 0,07 0,04

Etapa 5 0,27 0,29 0,56

Etapa 6 0,04 0,43 0,4

Tabela V.3: Resultado da histerese (%) posterior à calibração.

Histerese (%) Teste 1 Teste 2 Teste 3

Etapas 1 e 11 0,35 0,43 0,66

Etapas 2 e 10 1,82 1,31 2,02

Etapas 3 e 9 3,02 3,2 4,25

Etapas 4 e 8 6,58 5,71 6,15

Etapas 5 e 7 7,07 6,11 6,45

Documents

projeto de calibração de célula de carga para aplicação em