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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
Engenharia Mecânica
DOUGLAS SPERANDIO
GERSON DONIZETE ZUCCON
LUCAS HIDEKI BERNI OGI
THALES ALVISI
PROJETO DE DINAMÔMETRO PARA ENSAIOS DE MCI DE
PEQUENO PORTE
Itatiba
2014
DOUGLAS SPERANDIO – RA 002200900416
GERSON DONIZETE ZUCCON – RA 002201000873
LUCAS HIDEKI BERNI OGI – RA 002200800058
THALES ALVISI – RA 002200900525
PROJETO DE DINAMÔMETRO PARA ENSAIOS DE MCI DE
PEQUENO PORTE
Monografia apresentada ao Curso de
Engenharia Mecânica- Modalidade
Mecatrônica da Universidade São Francisco,
como requisito parcial para obtenção do título
de Bacharel em Engenharia Mecânica.
Orientador: Prof. Mestre Paulo Silveira
Itatiba
2014
AGRADECIMENTOS
Este trabalho só foi possível através da contribuição e o incentivo de algumas pessoas
singulares:
Ao professor Mestre Paulo Eduardo Silveira pela orientação, incentivo, interesse e
disposição ao longo do desenvolvimento de todo o trabalho. A todos os professores da
Universidade São Francisco e principalmente aos técnicos de laboratório João Paulo Roson e
Jose Antonio Baptista pelo apoio, pois sem a presença destes nada disso seria possível.
Aos nossos pais, esposas e namoradas pelo apoio e paciência, aos nossos amigos que
ao longo de toda trajetória nos apoiaram e nos incentivaram.
“Seja quem você for, seja qualquer posição que
você tenha na vida, um nível altíssimo ou mais baixo,
social. Tenha sempre como meta muita força, muita
determinação e sempre faça tudo com muito amor e
com muita fé em Deus, que um dia você chega lá, de
alguma maneira, você chega lá.”
Ayrton Senna da Silva
RESUMO
Com a finalidade de projetar, desenvolver e aplicar recursos ao curso de Engenharia
Mecânica, o dinamômetro tem por finalidade extrair dados de potência, torque e velocidade
através de testes em motores a combustão interna. Sua construção, desenvolvimento e
aplicação foram atribuídas aos engenheiros com o passar do tempo. A proposta deste trabalho
é desenvolver um dinamômetro que realize testes em motores de pequeno porte de até 5hp,
tendo em vista que o mercado atualmente disponibiliza apenas este tipo de equipamento para
motores de potência superior. Outros fatores em destaque são o baixo custo de
desenvolvimento e a praticidade da aplicação. O conjunto motor-dinamômetro, viabiliza
estudos voltados às disciplinas de Termodinâmica, Resistência dos materiais, Elementos de
Máquinas, Projeto de Mecanismos, Sistemas de Controle, Instrumentação, Mecânica dos
Fluidos, Materiais de Construção Mecânica, entre outras. Neste projeto dá-se ênfase à
utilização de ferramentas para análise e solução dos motores utilizados no mercado em
aplicação acadêmica. A viabilidade visa à utilização de conhecimentos multidisciplinares para
construção de um dinamômetro ativo em um projeto baixo custo. A base do projeto é o motor
de corrente contínua da marca Reliance Eletric Company de 10hp e 1750rpm e o motor
testado é do fabricante Toyama Power Products de 2,5hp, 4000rpm e torque máximo de
4,26Nm a 3000 rpm. O dinamômetro ativo pode ser utilizado tanto como gerador quanto
motor, e suas vantagens estendidas além dos testes dinâmicos. O controle deste equipamento
é bastante flexível e preciso. A facilidade de controlar a velocidade através de conversores de
corrente alternada e corrente contínua, possibilita análises e desenvolvimento de controles
mais sofisticados. O projeto engloba bibliografias, desenvolvimento, simulações
computacionais, testes e análise de motores à combustão interna através de um dinamômetro
ativo. Proporcionando também levantamento de problemas e propostas de solução.
Palavras Chave: Dinamômetro de Pequeno Porte, Dinamômetro.
ABSTRACT
Aiming to design, develop and apply resources to Mechanical Engineering barchelor
degree, the dynamometer is intended to gather power, torque and speed data through tests
performed on internal ignition engines. Its construction, development and application were
assigned to engineers over the years. The purpose of this work is the development of a
dynamometer for testing small engines with power under 5hp, owing to the fact that the
current market only offers this equipment for higher power engines. Other highlights are its
development low cost and application praticality. The set engine-dynamometer, enables
researches focused on subjects such as Thermodynamics, Strength of Materials, Machine
Elements, Mechanisms Design, Controlling Systems, Measuring Methods, Fluids Mechanics,
Mechanical Construction Materials. This project emphasizes the usage of analysis tools and
serial production engines solutions for academic application. The feasibility aims to
multidisciplinary knowledge usage to build up an active dynamometer with low cost project.
Its basis is a direct current engine from Reliance Eletric Company with 10hp and 1750rpm.
The tested engine is a Toyama Power Products with 2,5hp, 4000rpm and maximum torque
4,26Nm. The active dynamometer can either be used as a generator and engine. And its
advantages can be extended beyond dynamic tests. This equipment controlling is flexible and
precise. Speed can be easily controlled through both alternated and directed current, therefore
it enables analysis and development of more sophisticated controls. The project gathers
literatures, development, simulation, tests and evaluation of internal ignition engines through
an active dynamometer. Providing also the raise of problems and solution purposes.
Key words: small dynamometer, Dynamometer.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
FIGURA 1 – FLUXO DE MASSA E ENERGIA EM UM MCI [15] ....................................................... 15
FIGURA 2 – SISTEMA MOTOR-TRANSMISSÃO DE UM VEÍCULO [16]............................................. 18
FIGURA 3 – CICLO DE OPERAÇÃO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA [15] ........................ 19
FIGURA 4 – VISTA EM CORTE DA CÉLULA DE FORÇA – MCI [15] ............................................... 26
FIGURA 5- CURVA DE PERFORMANCE TÍPICA DE UM MOTOR OTTO [20] ..................................... 41
FIGURA 6 - QUADRANTES DE OPERAÇÃO DOS DINAMÔMETROS [12] .......................................... 44
FIGURA 7 - PRINCIPIO DE OPERAÇÃO DE UM DINAMÔMETRO HIDROCINÉTICO: (A) SEÇÃO
VERTICAL; (B) VISTA FRONTAL; (C) SEÇÃO A-A DO ROTOR E ESTATOR; (D) REPRESENTAÇÃO
DO VORTEX TOROIDAL [12]................................................................................................ 45
FIGURA 8 - ESQUEMA DE FUNCIONAMENTO DOS FREIOS ELETROMAGNÉTICOS [17] ................... 47
FIGURA 9 - DESENHO DE UM DINAMÔMETRO SCHENCK DE CORRENTES PARASITAS [12].
1.ROTOR; 2.EIXO DO ROTOR; 3.FLANGE DE ACOPLAMENTO; 4. SAÍDA DA ÁGUA DE
REFRIGERAÇÃO; 5.BOBINA; 6.CARCAÇA; 7.BUCHAS DE REFRIGERAÇÃO; 8.ESPAÇAMENTO;
9.SENSOR DE ROTAÇÃO; 10.MANCAIS ............................................................................... 48
FIGURA 10 - VISTA EM CORTE DE UM MOTOR ELÉTRICO DE CORRENTE CONTINUA [14] ............. 50
FIGURA 11 - VISTA EXPLODIDA DE UM MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA [14] ........................... 51
FIGURA 12 - PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO DO MOTOR DE CORRENTE CONTÍNUA [14] ............ 52
FIGURA 13 - PRINCIPIO DE OPERAÇÃO DO COMUTADOR [14] ..................................................... 53
FIGURA 14 - MODELO DE CIRCUITO ELÉTRICO APLICADO AOS MOTORES CC [14] ....................... 54
FIGURA 15 - CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UM MOTOR CC [14] .............................................. 57
FIGURA 16 - CURVA POTÊNCIA – ROTAÇÃO DISPONÍVEL NO MANUAL DO MOTOR [6]. ............. 64
FIGURA 17 - GRÁFICO PARA DETERMINAÇÃO DA SEÇÃO DAS CORREIAS PW. [18 E 21] ............. 69
FIGURA 18 - GRÁFICO PARA DETERMINAÇÃO DE CORREIAS HI-POWER.[18 E 21] ...................... 69
FIGURA 19 – CARGAS ATUANTES NA TRANSMISSÃO. [18 E 21] .................................................. 73
FIGURA 20 - CORREIA SINCRONIZADORA .................................................................................. 76
FIGURA 21 – SIMULAÇÃO DE DESLOCAMENTO MÁXIMO (SOLIDWORKS 2012). ......................... 76
FIGURA 22 – SIMULAÇÃO NO (SOLIDWORKS 2012) DAS TENSÕES DE VON MISSES (N/M²) ....... 77
FIGURA 23 – CURVAS DE DESEMPENHO DA MCC [7]. ............................................................... 78
FIGURA 24 - IMAGEM PRÓPRIO AUTOR ...................................................................................... 81
FIGURA 25 - ESQUEMA ELÉTRICO DO DINAMÔMETRO ............................................................... 82
FIGURA 26 - FOTO DO DINAMÔMETRO E MCI PRONTOS PARA TESTE. ........................................ 83
FIGURA 27 - CURVA TORQUE X VELOCIDADE............................................................................ 85
FIGURA 28 – CURVA POTÊNCIA VERSUS VELOCIDADE .............................................................. 86
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - CICLO PADRÃO PARA REALIZAÇÃO DE TESTES DE EMISSÕES [17] ............................ 34
TABELA 2 - CICLO PARA REALIZAÇÃO DE TESTES DE CONSUMO DE COMBUSTÍVEL [17] ............. 35
TABELA 3 - ETAPA I PARA A REALIZAÇÃO DO CICLO DE AMACIAMENTO [17] ............................ 36
TABELA 4 - ETAPA II PARA A REALIZAÇÃO DO CICLO DE AMACIAMENTO [17] ........................... 37
TABELA 5 - PARÂMETRO PARA REALIZAÇÃO DO TESTE DE LUBRIFICANTES [17] ........................ 38
TABELA 6 - PARÂMETRO PARA REALIZAÇÃO DO TESTE DE DESEMPENHO EM MOTORES OTTO [20]
.......................................................................................................................................... 39
TABELA 7 - PARÂMETRO PARA REALIZAÇÃO DO TESTE DE DESEMPENHO EM MOTORES DIESEL
[20] ................................................................................................................................... 40
TABELA 8 - DESCRIÇÃO FORNECIDA NA FICHA TÉCNICA DO MOTOR TOYAMA [6]. ................... 63
TABELA 9 - CONJUNTO DE PERFIS DE CORREIAS TRAPEZOIDAIS.[ 18 E 21]. .............................. 66
TABELA 10 - CONDIÇÕES DE TRABALHO E FATOR DE SERVIÇO. ................................................. 67
TABELA 11 - CONDIÇÕES DE FUNCIONAMENTO. [18 E 21]. ........................................................ 68
TABELA 12 - COMPRIMENTO PADRÃO DE CORREIAS. [18 E 21] .................................................. 71
TABELA 13 - FATOR DE CORREÇÃO. [18 E 21]. INTERPOLANDO CHEGA-SE AO VALOR EXATO DE
FL= 0.835 ......................................................................................................................... 72
TABELA 14 - FATOR DE CORREÇÃO PARA TIPOS DE POLIAS (CA). [18 E 21] ............................... 73
TABELA 15 - TABELA DO MANUAL DO FABRICANTE MCC ......................................................... 79
TABELA 16 - CAUSAS E DEFEITOS DO MCI [6]. .......................................................................... 84
TABELA 17 – ENSAIO 1 - BAIXA VENTILAÇÃO ........................................................................... 84
TABELA 18 – ENSAIO 1 - ALTA VENTILAÇÃO ........................................................................... 848
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
CA – Corrente Alternada
CC – Corrente Contínua
CV – Cavalo Vapor
GDI – Gasoline Direct Injection
HP – Horsepower
INOVAR-AUTO – Programa de Incentivo à Inovação Tecnológica e Adensamento da Cadeia
Produtiva de Veículos Automotores
ISO – International Organization for Standardization
MCC – Motor de Corrente Contínua
MCI – Motor de Combustão Interna
MPFI – Multi Port Fuel Injection
NBR – Norma Brasileira
PMI – Ponto Morto Inferior
PMS – Ponto Morto Superior
RPM – Revolutions Per Minute (Rotações Por Minuto)
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 13
1.1 Justificativa ......................................................................................................................... 14
1.2 Objetivo .............................................................................................................................. 14
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................... 15
2.1 Motores de Combustão Interna (MCI) ............................................................................... 15
2.1.1 Funcionamento dos motores à quatro tempos ................................................................. 18
2.1.2 Propriedades do MCI ....................................................................................................... 20
2.1.2.1 Torque ....................................................................................................................... 20
2.1.2.2 Potência efetiva ......................................................................................................... 21
2.1.2.3 Potência indicada (Ni) .............................................................................................. 22
2.1.2.4 Consumo específico (Ce) .......................................................................................... 22
2.1.2.5 Controle ou variação da potência e torque do motor ................................................ 23
2.1.2.6 Curso do pistão e volume da câmara de combustão ................................................. 25
2.1.2.7 Cilindrada .................................................................................................................. 26
2.1.2.8 Taxa de compressão .................................................................................................. 27
2.1.2.9 Eficiência volumétrica .............................................................................................. 28
2.1.2.10 Eficiência térmica ................................................................................................... 29
2.1.2.11 Relação combustível-ar ........................................................................................... 31
2.1.2.12 Eficiência mecânica ................................................................................................ 31
2.2 Testes de Motor .................................................................................................................. 32
2.2.1 Testes de desenvolvimento .......................................................................................... 32
2.2.1.1 Teste de emissões ...................................................................................................... 33
2.2.1.2 Teste de consumo de combustível ............................................................................ 34
2.2.1.3 Teste de amaciamento ............................................................................................... 36
2.2.1.4 Teste de desempenho de lubrificantes ...................................................................... 37
2.2.1.5 Teste de performance ................................................................................................ 38
2.2.1.5.1 Apresentação dos resultados do teste ..................................................................... 41
2.2.2 Testes de durabilidade ................................................................................................. 41
2.2.3 Testes especiais ............................................................................................................ 42
2.3 Dinamômetros .................................................................................................................... 43
2.3.1 Dinamômetros hidrocinéticos ...................................................................................... 45
2.3.2 Dinamômetros de corrente parasita ............................................................................. 46
2.3.3 Dinamômetros elétricos - corrente alternada (C.A.) .................................................... 49
2.3.4 Dinamômetros elétricos - corrente contínua (C.C.) ..................................................... 49
2.4 Medição e Controle de Velocidade angular ....................................................................... 58
2.5 Medição e Controle de Torque ........................................................................................... 59
2.6 Modos de Controle do Sistema Dinamômetro-Motor ........................................................ 60
2.6.1 Modo carga/posição ..................................................................................................... 61
2.6.2 Modo potência/carga .................................................................................................... 61
2.6.3 Modo rotação/carga ..................................................................................................... 61
2.6.4 Modo torque/carga ....................................................................................................... 62
2.6.5 Modo torque/rotação .................................................................................................... 62
2.6.6 Modo rotação/torque .................................................................................................... 62
3. METODOLOGIA ............................................................................................................... 62
3.1. Descrição do Motor ........................................................................................................... 63
3.1.2 Descrição do Dinamômetro ............................................................................................. 64
3.2. Transmissão ...................................................................................................................... 65
3.2.1 Cálculos da Transmissão por Correia Trapezoidal (V) ................................................... 66
3.2.1.1 Determinação da Potência do Projeto ....................................................................... 67
3.2.1.2 Escolha da seção mais adequada............................................................................... 68
3.2.1.3. Potência por Correia ................................................................................................ 70
3.2.1.4 Determinação do número de correias da seção A ..................................................... 72
3.2.1.5 Análise e determinação das cargas da Transmissão ................................................. 73
3.2.1.6 Utilizando Correias Industriais Sincronizadoras ..................................................... 75
3.3 Desenvolvimento da Estrutura de Testes............................................................................ 75
3.4 Seleção dos Isoladores de Vibração .................................................................................. 77
3.5 Medições de Torque ........................................................................................................... 78
3.6 Medição da Velocidade Angular. ....................................................................................... 81
3.7 Circuito elétrico .................................................................................................................. 81
4. RESULTADOS ................................................................................................................... 83
4.1 Resultados dos Ensaios ....................................................................................................... 83
5. CONCLUSÃO ..................................................................................................................... 87
5.1 Dificuldades ........................................................................................................................ 87
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................. 88
6.1 Catálogos ............................................................................................................................ 89
13
1. INTRODUÇÃO
Desde o surgimento do Motor de Combustão Interna (MCI), desenvolvido pelos
engenheiros Nicolas Otto em 1876, precursor do motor de ignição por centelha e Rudolph
Diesel responsável pela criação do motor de ignição por compressão em 1892, a sua gama de
aplicações, inicialmente focada na geração de energia mecânica para a indústria, foi
expandida ao longo do tempo de acordo com o seu aprimoramento que ocorre, desde então,
devido ao propósito deste equipamento que é transformar energia química, mistura ar
combustível, em energia mecânica. Conforme citado [1], os MCI são atualmente utilizados
em uma grande variedade de aplicações, desde o setor de transporte, geração de energia, setor
agrícola até o ramo industrial. De acordo com o autor, sua utilização em larga escala se deve a
alta confiabilidade, eficiência, versatilidade e também em maior parte ao baixo custo de
manutenção.
Diante das afirmações e fatos expressos a cima, é extremamente relevante enfatizar que
o mercado brasileiro se encontra atualmente em 4º lugar no ranking mundial em vendas de
veículos automotores, totalizando 3,6 milhões de unidades por ano [2]. Em função do recente
crescimento do mercado automotivo, o governo brasileiro executou um conjunto de politicas
como meio de lidar com os desafios econômicos, ambientais, tecnológicos e energéticos. De
acordo com O Ministério das Relações Exteriores do Brasil (Itamaraty) [3], não só o
fortalecimento do conceito de desenvolvimento sustentável, mas também a manifestação das
questões ambientais e o aumento dos preços do petróleo e seus derivados desencadearam
medidas, como por exemplo, o Inovar Auto, visto que é “O programa de incentivo à inovação
tecnológica e Adensamento da cadeia produtiva de Veículos Automotores”, e tem como
alguns de seus principais objetivos a proteção ambiental e o aumento da eficiência energética
dos automóveis. [3].
14
1.1 Justificativa
Em detrimento de todo este cenário, as montadoras estão investindo no
desenvolvimento de automóveis e motores que atendam as especificações dos órgãos
governamentais reguladores, bem como as expectativas do mercado consumidor e ainda as
diretrizes de projeto que viabilizem a produção em serie. Por este motivo, torna-se
extremamente importante o aprimoramento de métodos e a criação de novas tecnologias
focadas em efetuar ensaios funcionais de motores em faze de teste. Os Dinamômetros,
também conhecidos como Bancos de Provas, são equipamentos amplamente designados na
realização de testes, tais como, desempenho, amaciamento, durabilidade e emissões. Segundo
[3], este aparelho é capaz de efetuar ensaios de funcionamento de motores de todos os tipos,
garantindo medidas de rotação, torque, potencia e também trabalho executado, que é o foco
desta Monografia.
1.2 Objetivo
Os objetivos deste trabalho são projetar, construir e também obter as curvas de Torque x
Velocidade e Potência x Velocidade de um motor, através de um dinamômetro de pequeno
porte. Assim, variar as condições de carga (aceleração), rotação, combustível e resistência
proporcionada pelo sistema eletromagnético do dinamômetro sobre o motor de combustão
interna e então estudar seu comportamento em diferentes faixas de rotação.
15
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Motores de Combustão Interna (MCI)
Os motores de combustão interna são máquinas que geram energia mecânica a partir da
queima de porções da mistura combustível/ar e da consequente expansão dos gases que ocorre
em função da elevação da pressão no interior da câmara de combustão, transformando então a
energia térmica (calor) em trabalho mecânico, conforme a figura 1.
Figura 1 – Fluxo de massa e energia em um MCI [15]
16
Devido a sua capacidade de gerar trabalho mecânico, ao longo do tempo, os motores
inicialmente empregados como propulsores em veículos, passaram a atuar como geradores de
eletricidade, propulsores para embarcações e trens entre muitas outras funcionalidades.
Tamanha intercambiabilidade resultou na ramificação dos projetos dessas máquinas térmicas.
Entre as principais características que diferem um motor, está o ciclo termodinâmico,
podendo o MCI operar segundo o ciclo OTTO, em que a ignição do combustível ocorre
através da faísca gerada pela vela, ou o ciclo Diesel, no qual ocorre a ignição espontânea,
devido à alta pressão e temperatura no interior da câmara de combustão, conforme é definido
em [15].
Além disso, essas máquinas podem ser construídas de modo a executar as operações de
admissão, compressão, expansão e escape em dois ou quatro ciclos, também conhecidos como
2 tempos ou 4 tempos. Segundo [15], os motores a 4 tempos, foco deste estudo, são
largamente desenvolvidos e aplicados devido a sua maior eficiência na troca de calor, maior
eficiência também no sistema de lubrificação, melhor controle do consumo de combustível e
menor índice de emissões de poluentes. Já os motores 2 tempos apresentam vantagens como a
melhor relação peso-potência do que o modelo 4 tempos, porém, algumas desvantagens como,
sistema de lubrificação deficiente, sistema precário de arrefecimento, altos índices de
emissões e menor controle do consumo de combustível, fizeram com que o desenvolvimento
desse tipo de motor fosse descontinuado.
Para [15], os sistemas de arrefecimento também constituem outro importante item de
caracterização de um motor. Os MCIs podem ser arrefecidos, ou seja, refrigerados a ar ou a
água. Os sistemas de arrefecimentos a ar são mais simples, porém, menos eficientes e
homogêneos na transferência do calor e, por isso, são empregados apenas em motores Otto de
pequeno porte. No entanto, os sistemas à agua possuem alta eficiência e ainda reduzem o
ruído do motor, fazendo assim com que os motores Otto e Diesel de médio e grande porte
utilizem de forma massiva tal sistema de arrefecimento.
Existem ainda, diferentes sistemas de alimentação de combustível. Nos motores do ciclo
Diesel o fornecimento é realizado através de uma bomba injetora, que opera, atualmente, com
pressões por volta de 2000 bar, conforme é descrito em [15]. No entanto, os motores de
combustão interna do ciclo Otto são alimentados através do carburador, ou sistema de injeção
eletrônica. Os carburadores são atualmente empregados apenas em aplicações de baixa
potência. Já o sistema de injeção eletrônica, que pode ser do tipo MPFI (Multi Port Fuel
Injection) no qual a injeção do combustível e a formação da mistura ocorrem no interior do
coletor de admissão ou GDI (Gasoline Direct Injection) que realiza tais processos diretamente
17
na câmara de combustão, é atualmente o mais desenvolvido e aplicado, devido ao controle
maior da combustão que este último proporciona e, consequentemente, resulta na redução do
consumo de combustível e também contribui significativamente na diminuição de emissões
de gases poluentes.
Bem como a admissão de combustível, o volume de ar admitido no interior da câmara
de combustão também é um item característico dos motores, pois o desempenho do mesmo
está intimamente associado à massa de ar presente na combustão. A alimentação de ar pode
ser feita através da diferença de pressão entre o interior da câmara de combustão e o ambiente,
gerada pelo movimento de sobe e desce do pistão. Os motores que operam desta maneira são
conhecidos como naturalmente aspirados e representam, atualmente, o maior volume de
produção, porém, esse tipo de motor apresenta um gradiente de pressão limitado à pressão
atmosférica. Em vista disso, foram criados os motores sobrealimentados os quais se utilizam
de mecanismos como o turbocompressor com o intuito de aumentar o volume de ar admitido
para dentro do cilindro e consequentemente o desempenho.
Outra diferença importante existente entre os diversos modelos de MCI ocorre quanto
ao combustível empregado, podendo ser utilizado etanol, diesel, gasolina, metanol, benzina,
GNV.
Os MCIs variam ainda quanto à forma de se obter o trabalho mecânico, onde os
principais modelos são classificados como motores rotativos, motores de impulso e motores
alternativos. No motor alternativo, objeto deste estudo, o trabalho é obtido pelo movimento de
sobe e desce do pistão, no interior do cilindro, que acoplado ao sistema biela-manivela,
transmite ao virabrequim um movimento rotativo. Este movimento rotativo, após passar por
um sistema de transmissão é responsável, por exemplo, por tracionar as rodas de um
automóvel e movimentá-lo, conforme é ilustrado na figura 2.
18
2.1.1 Funcionamento dos motores à quatro tempos
Segundo [15], os motores de combustão interna possuem a premissa de transformar
energia química em energia mecânica. O trabalho é gerado, no interior de cada cilindro, a
partir da queima de uma porção da mistura ar/combustível. Para que a combustão ocorra de
forma cíclica, os fluidos envolvidos passam por quatro processos, descritos a seguir,
denominados admissão, compressão, expansão e escape, nos quais os fluidos sofrem
alterações físico-químicas como, alterações de pressão, temperatura e estado físico.
Admissão: O pistão move-se do PMS para o PMI, enquanto a válvula de admissão se
abre. Tal movimento descendente do pistão, por sua vez, gera uma pressão que aspira para
dentro do cilindro a mistura de ar e combustível vaporizada. No entanto, motores do ciclo
Otto, equipados com a tecnologia de injeção direta – GDI, e motores do ciclo Diesel admitem
apenas o ar para o interior da câmara de combustão. O virabrequim efetua então, meio volta
(180°).
Compressão: Na sequencia, a válvula de admissão é fechada. O pistão move-se do PMI
para o PMS comprimindo assim, no interior do cilindro, a mistura ar/combustível. Porém,
motores do clico Otto equipados com o sistema de injeção direta de combustível – GDI e os
motores do ciclo Diesel diferem dos demais, pois comprimem apenas ar, sem a presença do
combustível que é injetado na câmara posteriormente. A compressão do fluido admitido no
Figura 2 – Sistema motor-transmissão de um veículo [16]
19
interior da câmara de combustão eleva sua temperatura e pressão, tornando a combustão mais
eficiente. O virabrequim executa outra meia volta, efetuando a primeira volta completa
(360°).
Expansão: Nos motores do ciclo Otto, quando o pistão encontra-se próximo ao PMS, a
corrente elétrica é transmitida à vela, que por sua vez gera uma centelha entre os seus
eletrodos e provoca a ignição da mistura ar/combustível. Porém, motores do clico Diesel
apresentam altíssimas pressões de injeção que, somadas às elevadas taxas de compressão e a
alta temperatura da câmara, fazem com que o combustível entre em combustão espontânea.
Então, os gases em expansão, resultantes da combustão, forçam o pistão do PMS para o PMI
levando o virabrequim a efetuar outra meia volta (540°).
Escape: Depois da queima da mistura e expansão dos gases, a válvula de escape se
abre. Os gases queimados são expelidos para fora do cilindro, quando o pistão se movimenta
do PMI para o PMS, para reiniciar o ciclo pelo tempo de admissão. O virabrequim executa
outra meia-volta, completando a segunda volta completa (720°).
É importante salientar que nos motores de quatro tempos, somente no tempo de
COMBUSTÃO, se produz energia mecânica, enquanto que os outros três são passivos, isto é,
absorvem energia.
Figura 3 – Ciclo de operação de um motor de combustão interna [15]
20
2.1.2 Propriedades do MCI
Para que seja possível projetar e construir um motor eficiente, antes torna-se necessário
definir as propriedades, como por exemplo, torque e potência que descrevem as características
do MCI tanto quanto à eficiência como ao desempenho. Tais propriedades serão determinadas
neste item, bem como seus modelos matemáticos.
2.1.2.1 Torque
Torque (M): É o momento criado pela biela devido à força de expansão dos gases,
atuando sobre o virabrequim. Apesar de sua medição efetiva exigir o uso de um freio,
dinamômetro, o torque pode ser estimado pela expressão:
𝑇 =𝑃
𝜔
Equação 2.1 [16]
Onde:
P = Potência (W);
T = Torque (Nm);
𝜔 = Velocidade angular (rad/s);
21
2.1.2.2 Potência efetiva
Potência efetiva (Ne): Medida de trabalho realizado em uma unidade de tempo.
Segundo Brunetti, 2001 trata-se da potência medida no eixo do motor. Sua unidade no
Sistema Internacional (SI) é o Watt (W), porém, outras unidades como o horsepower (hp) ou
cavalo-vapor (CV) também são amplamente utilizadas. A potência é dada pela expressão:
𝑃 = 𝑇 ∗ 𝜔
Ou Equação 2.2 [16]
𝑁𝑒 = 2𝜋 ∗ 𝑏 ∗ 𝐹 ∗ 𝑛
Ou Equação 2.3 [16]
𝑁𝑒 = 𝐾 ∗ 𝐹 ∗ 𝑛
Equação 2.4 [16]
Onde:
𝜔 = velocidade angular (rad/s)
n = rotação
K = constante que depende do dinamômetro, sendo seu valor em função das unidades de
F, de N e da unidade desejada para Ne.
T = torque do motor;
Logo, se n estiver em rotações por minuto (rpm) e Pcv em cavalo vapor (cv), então:
𝑃𝑐𝑣 =𝑇 ∗ 𝑁
716,2
Equação 2.5 [16]
Se o torque (T) estiver em Newton metro (Nm), a rotação estiver em rpm e a potência
especifica (Ne) em kW, então:
𝑁𝑒 =𝑇 ∗ 𝑁
9549
Equação 2.6 [16]
22
2.1.2.3 Potência indicada (Ni)
Potência indicada (Ni): Potência desenvolvida pelo ciclo termodinâmico da mistura
combustível/ar. Pode-se verificar que, no diagrama termodinâmico p-V, a área formada pelo
ciclo completo, corresponde graficamente ao trabalho indicado ou do ciclo e pode ser
calculada pela formula abaixo:
𝑁𝑖 = 𝑊𝑖 ∗𝑛
𝑥∗ 𝑧
Onde:
Wi = trabalho
x = 1 ou 2, sendo respectivamente motor 2T ou 4T;
z = número de cilindros do motor;
n = número de rotações do motor (rpm).
Equação 2.7 [4]
2.1.2.4 Consumo específico (Ce)
Consumo específico (Ce) é a relação entre o consumo de combustível e a potência
efetiva (Ne). A potência efetiva é medida no dinamômetro e o consumo de combustível é
medido de maneira gravimétrica ou volumetricamente. O consumo específico pode ser
calculado pela formula abaixo:
23
𝐶𝑒 =1
𝑝𝑐𝑖 ∗ 𝑁𝑔
Se pci estiver em kcal/kg e Ce em kg/CVh, então:
𝐶𝑒 =632
𝑝𝑐𝑖 ∗ 𝑁𝑔
Onde:
Ce = consumo específico (kg/cv, kg/kWh, etc);
Ng = eficiência térmica efetiva;
pci = poder calorífico interior do combustível.
Equação 2.8 [16]
2.1.2.5 Controle ou variação da potência e torque do motor
A potência e o torque final de um motor sofrem a influência de diversas variáveis que,
portanto, devem ser consideradas para que se obtenha o melhor projeto possível, do ponto de
vista da engenharia. A equação abaixo mostra como se dá tais iterações:
𝑁𝑒 =𝜌𝑒 ∗ 𝑉 ∗ 𝑛
𝑥∗ 𝐹 ∗ 𝑝𝑐𝑖 ∗ 𝑁𝑡 ∗ 𝑁𝑚 ∗ 𝑁𝑣
Equação 2.9 [16]
Como, 𝑁𝑒 = 2𝜋 ∗ 𝑛 ∗ 𝑇
Então, obtém-se o toque (T), na expressão:
𝑇 =𝜌𝑒 ∗ 𝑉
2𝜋 ∗ 𝑥∗ 𝐹 ∗ 𝑝𝑐𝑖 ∗ 𝑁𝑡 ∗ 𝑁𝑚 ∗ 𝑁𝑣
24
Onde:
Ne = potência do motor
T = torque do motor
𝜌𝑒 = massa especifica do ar (atmosférico)
V = volume de ar admitido no motor
n = rotações do motor
x = 2 ou 4, para motores 2 tempos ou 4 tempos, respectivamente
F = relação combustível-ar admitida na câmara de combustão
pci = poder calorifico do combustível
Nt = eficiência térmica
Nm = eficiência mecânica
Nv = eficiência volumétrica
Equação 2.10 [16]
As equações 2.5 e 2.6, utilizadas para obtenção da potência e do torque,
respectivamente, dos MCIs em geral, mostram que para uma cilindrada, ambiente,
combustível e taxa combustível-ar constantes, as eficiências térmica (Nt), mecânica (Nm) e
volumétrica (Nv) levam essas duas propriedades do motor a oscilar. No entanto, se as
eficiências forem consideradas constantes, a potência e o torque passam a variar de acordo
com a cilindrada, ambiente, combustível e a taxa combustível-ar e, além disso, a potência
passa ainda a variar de forma proporcional a frequência do trabalho, ou seja, de acordo com a
rotação (n) do motor, enquanto que o torque não sofre influência da rotação (n).
Supondo ainda que as eficiências citadas sejam constantes, torna-se possível controlar a
potência dos MCIs variando-se a rotação, combustível ou o ar admitido. Nos motores do ciclo
Otto, controla-se a massa de ar (ma) que é admitida para o interior do motor, pela abertura da
válvula borboleta, garantindo assim a propagação da chama, proveniente da faísca da vela, na
câmara de combustão. Porém, nos motores do ciclo Diesel, controla-se a quantidade de
combustível (mc) injetada pela bomba, mantendo a rotação e consequentemente a massa de ar
(ma) constante, pois devido à temperatura de autoignição do fluido, a propagação da chama
ocorre uniformemente no interior da câmara.
25
Portanto, uma das formas mais usuais de se controlar a potencia dos MCIs em bancos
de prova, é variar a posição do acelerador, tanto nos motores Otto como os do ciclo Diesel.
Quando o acelerador está completamente acionado, independentemente da rotação, diz-se que
o motor está funcionando a plena carga naquela rotação, ou seja, o motor estará exprimindo a
máxima potência para a dada rotação, desde que a mistura combustível-ar seja compatível.
As posições intermediárias do acelerador também são extremamente relevantes e são
nomeadas de cargas parciais do motor a uma dada rotação. Por isso, torna-se extremamente
usual realizar testes básicos, em dinamômetros, nos quais as propriedades do motor são
mensuradas, mantendo a carga e variando-se a rotação ou, mantendo a rotação e variando-se a
carga.
2.1.2.6 Curso do pistão e volume da câmara de combustão
- Curso do Pistão: Distância que o pistão percorre entre o seu ponto morto superior
(PMS) e o seu ponto morto inferior (PMI). O ponto morto superior e inferior são aqueles em
que ocorre a inversão no sentido de movimento do pistão, conforme é ilustrado na figura
abaixo;
- Volume da Câmara (v): Trata-se do volume existente no cabeçote e/ou no pistão
quando este encontra-se no PMS (v).
26
Figura 4 – Vista em corte da célula de força – MCI [15]
2.1.2.7 Cilindrada
Cilindrada: É definida como sendo o volume total deslocado entre o Ponto Morto
Superior (PMS) e o Ponto Morto Inferior (PMI) do cilindro, multiplicado pela quantidade de
cilindros existentes no motor. A sua unidade mais usual é o cm3 e é dada pela expressão:
𝐶 =𝜋 ∗ 𝑑2 ∗ 𝑐𝑢𝑟𝑠𝑜 ∗ 𝑁
4
Equação 2.11 [16]
Onde:
d = diâmetro do cilindro (cm)
curso = distância entre os pontos mortos (PMS – PMI) (cm)
N = número de cilindros
27
2.1.2.8 Taxa de compressão
Taxa de Compressão (TC): É a relação que indica o número de vezes em que a mistura
ar/combustível ou apenas ar (ciclo Diesel), aspirada para dentro da câmara de combustão, é
comprimida antes de ocorrer à combustão. De acordo com as leis da termodinâmica, a taxa de
compressão influencia diretamente no rendimento térmico dos motores. Portanto, a TC é
diretamente proporcional ao aproveitamento energético do combustível consumido pelo
motor, ou seja, quanto maior a taxa maior será o rendimento do MCI. A taxa é dada pela
seguinte relação:
𝑇𝐶 =𝑉𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 + 𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑎 𝑐â𝑚𝑎𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡ã𝑜
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑎 𝑐â𝑚𝑎𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡ã𝑜
Equação 2.12 [16]
Portanto:
𝑇𝐶 =𝑉+𝑣
𝑣 , 𝑉 =
𝐶
𝑁
Equação 2.13 [16]
Onde:
C = cilindrada do motor
N = n° de cilindros do motor
v = volume de um cilindro (cilindrada unitária)
Normalmente a taxa de compressão é apresentada no formato 7,2:1, conforme é
ilustrado pela figura 2.4, e lê-se “sete virgula dois para um”.
28
2.1.2.9 Eficiência volumétrica
Trata-se da relação entre a massa de ar realmente admitida no interior da câmara de
combustão e a quantidade de ar que poderia ser admitida com a mesma massa especifica do
ambiente de entorno do motor. A relação pode ser calculada pelas expressões abaixo:
Como: 𝑚𝑎𝑒 =𝜌𝑒∗𝑉∗𝑛
𝑥
Equação 2.14 [16]
E também: 𝑚𝑎 =𝜌𝑒∗𝑉∗𝑛
𝑥∗ 𝑁𝑣
Equação 2.15 [16]
Então,
𝑁𝑣 =𝑚𝑎
𝑚𝑎𝑒
Equação 2.16 [16]
Onde:
Nv = eficiência volumétrica
ma = massa de ar real
mae = massa de ar teórica
𝜌𝑒 = massa especifica do ar atmosférico
V=volume de ar
n= número de mols do gás
29
2.1.2.10 Eficiência térmica
Os MCIs são intrinsecamente máquinas térmicas que, portanto, dependem do
fornecimento de calor, advindo da combustão da mistura combustível-ar, e sua posterior
transformação em trabalho para então gerar potência.
Logo, as máquinas térmicas devem idealmente converter todo o calor fornecido em
trabalho, porém, não é o que ocorre. Parte do calor fornecido é dissipado por combustões que
ocorrem de forma incompleta, pelos gases de escape, pelo sistema de arrefecimento e também
por radiação que cede calor à fonte fria. Portanto, a eficiência térmica é a relação entre a
energia térmica convertida pelo motor em trabalho pela energia térmica total gerada na
combustão, conforme ilustrado na equação 2.13.
Como o calor fornecido ao motor é dado por:
𝑄 = 𝑚𝑐 ∗ 𝑝𝑐𝑖
Equação 2.17 [16]
Onde:
Q = calor fornecido (kcal/s, kcal/h, CV, MJ/s, kW, etc)
mc = consumo, fluxo ou vazão em massa (kg/s, kg/h, etc)
pci = poder calorífico do combustível (kcal/kg, MJ/kg, etc)
E também, como a potência indicada é dada por:
𝑁𝑖 = 𝑁𝑒 + 𝑁𝑎
Equação 2.18 [16]
30
Onde:
Ni = potência indicada
Ne = potência específica
Na = potência de atrito
Então, a eficiência térmica pode ser calculada por:
𝑁𝑡 =𝑁𝑖
𝑄
Equação 2.19 [16]
Onde:
Nt = eficiência térmica
Ni = potência indicada
Q = calor fornecido (kcal/s, kcal/h, CV, MJ/s, kW, etc)
Pode-se ainda definir a eficiência térmica efetiva (Ng), como sendo:
𝑁𝑔 =𝑁𝑒
𝑄
Equação 2.20 [16]
Onde:
Ng = eficiência térmica efetiva
Ne = potência efetiva
Q = calor fornecido (kcal/s, kcal/h, CV, MJ/s, kW, etc)
Ou
𝑁𝑔 = 𝑁𝑡 ∗ 𝑁𝑚
Equação 2.21 [16]
Onde:
Ng = eficiência térmica efetiva
Nt = eficiência térmica indicada
Nm = eficiência mecânica
31
2.1.2.11 Relação combustível-ar
A relação combustível-ar é a relação entre a massa de combustível pela massa de ar que
compõem a mistura a ser consumida pela combustão. A relação é dada por:
𝐹 =𝑚𝑐
𝑚𝑎
Equação 2.22 [16]
Onde:
F = relação combustível-ar
mc = massa de combustível que compõem a mistura
ma = massa de ar que compõem a mistura
2.1.2.12 Eficiência mecânica
A eficiência mecânica é a relação entre a potência específica (Ne) e a potência indicada
(Ni). A relação é dada por:
𝑁𝑚 =𝑁𝑒
𝑁𝑖
Equação 2.23 [16]
Onde:
Nm = eficiência mecânica
Ne = potência específica
Ni = potência indicada
32
2.2 Testes de Motor
Os testes de motor, realizados em bancos de prova, possuem a premissa básica de
simular as mais variadas condições de funcionamento que um MCI e seus componentes
podem enfrentar ao longo de suas vidas úteis e, verificar assim se os mesmos irão apresentar,
do ponto de vista da Engenharia, o desempenho esperado.
Além disso, medidas como a implantação da norma europeia EURO V e a criação do
programa INOVAR AUTO, por parte do governo brasileiro, têm estimulado o
desenvolvimento de motores cada vez menos poluentes e, também, com menor consumo de
combustível. Deste modo, têm-se utilizado cada vez mais os testes dinamométricos para
validação das novas tecnologias criadas para atender a demanda dessas leis.
Segundo [4], os principais testes realizados pelos fabricantes de automóveis podem ser
classificados em:
Testes de desenvolvimento;
Testes de durabilidade;
Testes especiais.
2.2.1 Testes de desenvolvimento
Nos testes de desenvolvimento os parâmetros de performance do motor são testados a
plena carga, ou seja, quando o MCI está em aceleração máxima. Os parâmetros relevantes são
determinados variando-se a velocidade em plena carga. Porém, apesar de que os programas
geralmente incluem uma alta proporção de pontos a plena carga em velocidade nominal, bem
como pontos de torque máximo, dependendo do objetivo do desenvolvimento, pontos
adicionais também podem ser incluídos no teste, como carga parcial e pontos de carga nula.
33
Nesta fase, gastam-se em torno de 50 a 100 horas por teste, tipicamente.
Alguns dos principais testes aplicados aos MCI’s em bancos de prova, descritos em
[17], são:
Teste de emissões;
Teste de consumo de combustível;
Teste de amaciamento;
Teste de desempenho de lubrificantes;
Teste de performance.
Apesar de terem sido destacados apenas os principais testes, existem inúmeros outros
testes de desenvolvimento, aos quais os motores são submetidos. Torna-se, também, relevante
salientar que os testes de amaciamento e performance, respectivamente, são rotineiramente
aplicados, de forma a preceder um teste especifico de desenvolvimento, quer seja teste de
emissões ou outro qualquer.
2.2.1.1 Teste de emissões
Esse teste é utilizado para analisar quantitativamente e qualitativamente os gases
expelidos pelo sistema de exaustão do motor, sendo os mesmos compostos por CO, CO2, HC
e NOx. O teste de emissões tange um dos temas mais importantes da atualidade, que são as
reduções dos impactos causados pelos gases emitidos, pelos veículos, ao meio ambiente. Por
isso, o presente teste é um dos poucos há possuir normatizações como a norma EURO V, de
origem europeia e, atualmente aplicada no Brasil.
Neste contexto, a tabela 1 apresenta o ciclo de 13 pontos, proveniente da norma EURO
V, o qual deve ser seguido para a execução do teste de emissões.
34
Tabela 1 - Ciclo padrão para realização de testes de emissões [17]
Ponto do
Ciclo Rotação (RPM) Torque (%) Tempo de Estágio (s) Tempo Acumulado (s)
1 Marcha lenta 0 360 360
2 Intermediária 10 360 720
3 Intermediária 25 360 1080
4 Intermediária 50 360 1440
5 Intermediária 75 360 1800
6 Intermediária 100 360 2160
7 Intermediária 0 360 2520
8 Nominal 100 360 2880
9 Nominal 75 360 3240
10 Nominal 50 360 3600
11 Nominal 25 360 3960
12 Nominal 10 360 4320
13 Nominal 0 360 4680
2.2.1.2 Teste de consumo de combustível
O teste de consumo de combustível tem a finalidade óbvia de mensurar a quantidade
de combustível demandada pelo MCI durante a realização do teste em questão. Os dados
coletados são de grande valia para a Engenharia automobilística, pois através da análise dos
dados de consumo compilados, podem-se obter parâmetros de projeto que levem ao
desenvolvimento de motores cada vez mais econômicos, o que representa atualmente uma
enorme exigência de mercado.
Portanto, o ciclo de teste de consumo de combustível é apresentado na tabela 2, de
acordo com a norma NBR ISO 1585.
35
Tabela 2 - Ciclo para realização de testes de consumo de combustível [17]
Rotação (RPM) Posição do Acelerador (%) Tempo de Estágio (s) Tempo Acumulado (s)
1000 25 120 120
1000 50 120 240
1000 75 120 360
1000 100 120 480
1000 0 120 600
1200 25 120 720
1200 50 120 840
1200 75 120 960
1200 100 120 1080
1000 0 120 1200
1400 25 120 1320
1400 50 120 1440
1400 75 120 1560
1400 100 120 1680
... ... ... ...
4000 25 120 9120
4000 50 120 9240
4000 75 120 9360
4000 100 120 9480
1000 0 120 9600
36
2.2.1.3 Teste de amaciamento
O teste de amaciamento tem por objetivo promover o “assentamento” dos componentes
em teste, uma vez que geralmente utiliza-se de componentes protótipos e, portanto sem uso,
para compor o motor a ser ensaiado. Além disso, este é um dos testes preliminares, realizados
antes dos testes de consumo de combustível, emissões, enfim, dos testes de desempenho.
Conforme a norma NBR ISO 1585, o ciclo de amaciamento é dividido em duas etapas
representadas nas tabelas 3 e 4.
Etapa I
Tabela 3 - Etapa I para a realização do ciclo de amaciamento [17]
Passo Rotação (RPM) Torque (%) Tempo de Estágio (s) Tempo Acumulado (s)
1 2000 25 1800 1800
2 2500 30 1800 3600
3 3000 30 1800 5400
4 3500 30 1800 7200
5 2000 30 1800 9000
6 3000 40 1800 10800
37
Etapa II
Tabela 4 - Etapa II para a realização do ciclo de amaciamento [17]
Passo Rotação (RPM) Torque (%) Tempo de Estágio (s) Tempo Acumulado (s)
1 3000 40 1800 1800
2 3500 40 1800 3600
3 4000 40 1800 5400
4 2500 50 1800 7200
5 3000 60 1800 9000
6 3500 60 1800 10800
7 4000 60 1800 12600
8 4500 100 1800 14400
9 3000 100 1800 16200
10 3500 100 1800 18000
11 4000 100 1800 19800
12 4500 100 1800 21600
2.2.1.4 Teste de desempenho de lubrificantes
A evolução dos lubrificantes tem proporcionado avanços nos projetos de novos MCI’s
como, menores índices de desgaste dos componentes, menores coeficientes de atrito, maior
eficiência na troca de calor entre as partes moveis e também o aumento da durabilidade dos
órgãos internos dos motores. Devido a isso, tem-se testado exaustivamente o desempenho dos
lubrificantes.
38
Apesar de não haver norma ISO ou NBR para determinação do ciclo desse teste, os
fabricantes automotivos desenvolveram ciclos próprios, baseados em sua expertise. A tabela 5
apresenta o ciclo utilizado pela GM (General Motors), baseado em sua norma interna IIIE
GM151S.
Tabela 5 - Parâmetro para realização do teste de lubrificantes [17]
Parâmetros Limites
Tempo total de teste 64 horas
(8 x 8 horas)
Rotação 3000 RPM
Potência 33,1 kW
2.2.1.5 Teste de performance
O teste de performance, a ser aplicado neste estudo, é geralmente realizado após o teste
de amaciamento. Esse teste tem por objetivo levantar as curvas, à plena carga, de potência e
torque, características do MCI e assim comparar com os valores especificados em projeto.
O ciclo deste teste não possui normalização, portanto, cada fabricante automotivo utiliza
um ciclo próprio para realizar o teste e assim levantar as curvas de potência e torque do MCI.
Devido a isso, as tabelas 2.6 e 2.7 apresentam os ciclos para os testes de performance em
motores Otto e Diesel, respectivamente, utilizados pela empresa MAHLE. As tabelas a seguir
são baseadas na norma W-RMS-0448 da empresa.
39
Ciclo para motores Otto
A curva de desempenho dos motores Otto é construída, à plena carga, adotando a
rotação inicial como sendo a rotação obtida no pico de potência, acrescidos 200 rpm e passos
com rotações decrementais de 250 rpm, com duração de 5 minutos cada, até atingir a rotação
de 1000 rpm, conforme a tabela 6. Devem ser registrados os valores de torque e potência em
cada passo.
Tabela 6 - Parâmetro para realização do teste de desempenho em motores Otto [20]
Passo Carga Rotação (RPM) Tempo de Estágio
(min)
Tempo Acumulado
(min)
1 Plena Potência máxima + 200 5 5
2 Plena Passo 1 - 250 5 10
3 Plena Passo 2 - 250 5 15
4 Plena Passo 3 - 250 5 20
... ... ... ... ...
n Plena 1000 5 N
Ciclo para motores Diesel
A curva de desempenho dos motores Diesel é construída, à plena carga, adotando a
rotação inicial como sendo a rotação obtida no pico de potência, acrescidos 100 rpm e passos
com rotações decrementais de 250 rpm, com duração de 5 minutos cada, até atingir a rotação
de 1000 rpm, conforme a tabela 7. Devem ser registrados os valores de torque e potência em
cada passo.
40
Tabela 7 - Parâmetro para realização do teste de desempenho em motores Diesel [20]
Passo Carga Rotação (RPM) Tempo de Estágio (min) Tempo Acumulado
(min)
1 Plena Potência máxima + 200 5 5
2 Plena Passo 1 - 100 5 10
3 Plena Passo 2 - 100 5 15
4 Plena Passo 3 - 100 5 20
... ... ... ... ...
N Plena 1000 5 N
41
2.2.1.5.1 Apresentação dos resultados do teste
Os dados obtidos, após o teste de desempenho, são normalmente apresentados de forma
gráfica. A figura 5 ilustra uma curva de performance típica de um motor Otto.
Figura 5- Curva de performance típica de um motor Otto [20]
2.2.2 Testes de durabilidade
O programa de durabilidade consiste em aplicar, basicamente, os mesmos testes
realizados no desenvolvimento, porém, estes diferem devido ao fato de serem executados
levando o motor a condições extremas de funcionamento, por longos períodos de tempo. Um
único teste de durabilidade pode levar até 1000 horas no caso de motores Otto, aplicados a
carros de passeio. Já os motores Diesel, empregados em aplicações comerciais, chegam a
3000 horas rodando um único teste.
42
Os custos altos desses programas de teste fazem com que estes sejam rodados apenas
ao final dos testes de desenvolvimento, e com os componentes definitivos. Os testes de
durabilidade visam documentar a eficácia das medidas de design que foram aprovadas nos
testes anteriores, e assim provar que os componentes do motor possuem um longo tempo de
vida útil. Além do que, passar no teste de durabilidade é atualmente um dos requisitos básicos
para estar apto a realizar a produção em serie dos componentes testados.
.
2.2.3 Testes especiais
Os testes especiais tem a função de testar de forma focada, apenas um componente, de
forma que seja possível estudar comportamentos específicos do motor. Os principais testes
especiais são:
Teste de partida a frio: Teste desenvolvido para avaliar o revestimento
(tratamento superficial) dos pistões afim de evitar que o mesmo sofra riscos /
danos (engripamento) durante a partida à frio. Isto pode ocorrer em motores à
gasolina caso o aumento no volume de combustível remova o filme lubrificante
da câmara do cilindro.
Teste de Microwelding: Teste onde é verificado o nível de desgaste entre o anel
e o canal do pistão visando evitar o engripamento entre os componentes
Teste de Fretting: Teste onde é avaliado o desgaste do anel em função da
vibração causada pela passagem / presença dos gases no canal do pistão
Teste de Burning Marks: Teste onde o anel é submetido à altas cargas térmicas,
objetivando identificar sinais de engripamento, microtrincas e desplacamento do
revestimento do pistão.
Teste de templug: Teste para verificar a temperatura na câmara de combustão
através de um sistema de sensores conectados ao pistão.
Teste de desgaste: Teste para avaliar a durabilidade de todos os componentes do
motor.
43
2.3 Dinamômetros
Os dinamômetros são máquinas construídas com a finalidade básica de mensurar o torque
produzido pelos MCI’s, em diversas condições de rotação e carga do mesmo. Seu
funcionamento se dá através da imposição de uma força contrária ao sentido de giro do eixo
do motor, fazendo com que este sofra uma força de frenagem. Devido ao fato de existirem
variados modelos, a escolha do dinamômetro mais adequado é de fundamental importância,
pois este determinará não apenas a gama de motores abrangida, mas também irá delimitar a
opções de testes que este será capaz de submeter os motores. Além disso, a escolha do
dinamômetro influencia ainda, na forma de controle do banco e também na medição de
diversas propriedades, entre elas o torque.
44
Em [4], os diferentes dinamômetros existentes podem ser separados em quadrantes, de acordo
com a sua forma de atuação. A figura 6 mostra basicamente que, os dinamômetros do
primeiro e segundo quadrante atuam de forma a frear o MCI em teste, por isso, são
classificados como dinamômetros passivos. No entanto, os modelos presentes no terceiro e
quarto quadrantes são conhecidos como dinamômetros ativos, devido à capacidade de
atuarem tanto como geradores quanto como motores.
Figura 6 - Quadrantes de operação dos dinamômetros [12]
Entre os dinamômetros ativos e passivos, destacam-se alguns modelos principais, são
eles:
Dinamômetros Hidrocinéticos;
Dinamômetros de Correntes Parasitas;
Dinamômetros Elétricos – Corrente Alternada (CA).
Dinamômetros Elétricos – Corrente Continua (CC);
45
2.3.1 Dinamômetros hidrocinéticos
Os dinamômetros hidrocinéticos são máquinas projetadas pra absorver e medir o torque
e a consequente potência gerada por um MCI, que por sua vez aciona o instrumento. Essas
máquinas produzem torque a partir do fluxo interno de um fluido pré-determinado, onde
normalmente utiliza-se água.
Esse tipo de dinamômetro é composto por eixo motriz, dotado de um rotor e, este por
sua vez, é envolvido por um estator, apresentando uma folga extremamente pequena entre
ambos que, além disso, são dotados de aletas contendo recessos que formam um toróide.
Seu funcionamento se dá de forma que quando o rotor é acionado, a força centrífuga
estabelece uma circulação intensa sobre o fluido, conforme indicado pelas setas na figura 7(a).
Tal circulação acaba por transferir o momento do rotor ao estator e assim, gerar um torque
resistivo no eixo. Em detrimento do movimento, um vortex toroidal é criado, que ocasiona
turbulências no escoamento do fluido no interior da máquina e, além disso, a conturbação do
fluido acaba por dissipar, em forma de calor, a potência gerada.
Figura 7 - Principio de operação de um dinamômetro hidrocinético: (a) seção vertical;
(b) vista frontal; (c) seção a-a do rotor e estator; (d) representação do vortex toroidal
[12]
46
Esses tipos de dinamômetros possuem desvantagens como, o elevado grau de
dificuldade que apresentam para serem controlados, além de possuírem um sistema de
medição que se apresenta pouco preciso em uma grande faixa de operação. Possuem ainda a
desvantagem de não serem capazes de motorizar o MCI em teste. Devido a isso, os
dinamômetros hidrostáticos tem sido substituídos, nos últimos anos, pelos dinamômetros
elétricos, por se apresentarem mais versáteis.
2.3.2 Dinamômetros de corrente parasita
Os dinamômetros de corrente parasita ou dinamômetros de corrente de Foucault, como
são conhecidos, são amplamente aplicados em bancos de prova.
O funcionamento desse dispositivo é definido em [17] e, baseia-se no principio de
indução eletromagnética, ou seja, trata-se do surgimento de correntes elétricas induzidas no
interior de uma massa metálica maciça que, por sua vez, está imersa em um campo magnético
de intensidade variável. Essas correntes percorrem as linhas de fluxo da massa metálica,
conforme é ilustrado na figura 8, e são chamadas de Correntes de Foucault. A obtenção de
correntes induzidas só é possível mediante ao movimento relativo entre a massa metálica e o
imã, ou seja, quanto maior a velocidade de movimentação da massa metálica, maior será a
corrente induzida que passará por ele e consequentemente maior será o fluxo magnético.
47
Figura 8 - Esquema de funcionamento dos freios eletromagnéticos [17]
A figura 2.8 apresenta um desenho esquemático do funcionamento dos freios
eletromagnéticos, no qual um disco metálico pode girar sem restrição alguma enquanto não há
corrente passando pelos imãs. Porém, a partir do instante em que a corrente elétrica passa a
circular pelos imãs, cria-se um campo magnético que transpassa o disco que, enquanto gira,
apresenta correntes induzidas no seu interior. As correntes de Foucault geradas no interior do
disco metálico geram um campo magnético de sentido oposto ao fluxo que o produziu e,
consequentemente, oferece resistência ao deslocamento do disco.
As forças eletromagnéticas que atuam sobre o disco condutor aumentam
proporcionalmente à velocidade de rotação do mesmo e possuem sentido oposto ao sentido de
rotação do disco, devido a isso, torna-se possível frear o disco em movimento sem
intervenção mecânica sobre o mesmo. Portanto, o torque resistivo do dinamômetro e a
consequente potência são controlados através da variação da corrente aplicada às bobinas e,
com isso, mudanças rápidas nos valores de torque podem ser aplicadas.
Esse tipo de dinamômetro é montado em balanço e composto por um rotor,
normalmente dentado, bobinas de excitação, que são percorridas por uma corrente continua, e
também um sistema de refrigeração, que em geral utilizam agua como fluido refrigerante,
conforme é ilustrado na figura 9.
48
Por fim, os dinamômetros de correntes de Foucault apresentam algumas vantagens
como tamanho reduzido, baixa inércia, capacidade de geração de altos valores de torque e
velocidade. O mesmo apresenta também, facilidade no seu controle e respostas rápidas, o que
viabiliza a realização de testes em ciclos transientes.
Figura 9 - Desenho de um dinamômetro Schenck de correntes parasitas [12]. 1.Rotor;
2.Eixo do rotor; 3.Flange de acoplamento; 4. Saída da água de refrigeração; 5.Bobina;
6.Carcaça; 7.Buchas de refrigeração; 8.Espaçamento; 9.Sensor de rotação; 10.Mancais
49
2.3.3 Dinamômetros elétricos - corrente alternada (C.A.)
Segundo [12], os dinamômetros de corrente alternada constituem o modelo mais
indicado para fins de pesquisa, pois se trata de um modelo extremamente sensível. Além
disso, podem operar na configuração ativa, de forma a acionar o MCI, para estimar as perdas
por atrito e suas resistências.
Esse tipo de dinamômetro geralmente utiliza o motor de indução trifásico ou “gaiola de
esquilo”, como é conhecido, pois apresentam vantagens como o fato da tensão da rede ser
corrente alternada (CA) e também a possibilidade de controle da velocidade, através dos
inversores de frequência. Um rotor e um estator compõem, basicamente, um motor trifásico, e
seu funcionamento se dá através do principio do campo girante.
Esse dinamômetro possibilita, ainda, amplas variações de velocidade e de potências
absorvidas, conforme se varia a alimentação de campo e rotor. Isso ocorre devido ao fato
deste dinamômetro possuir o campo de excitação independente.
Uma grande vantagem dos dinamômetros elétricos ocorre quando estão operando como
freio, pois se torna possível devolver à rede de transmissão, por meio de um banco de
resistores, a energia elétrica gerada.
2.3.4 Dinamômetros elétricos - corrente contínua (C.C.)
Esses modelos de dinamômetros são compostos e caracterizados essencialmente por um
motor elétrico de corrente contínua.
Os motores de corrente contínua são amplamente empregados em aplicações tais como,
máquinas de papel, bobinadeiras e desbobinadeiras, laminadores, máquinas de impressão,
extrusoras, prensas, elevadores, moinhos de rolo e bancadas de testes de motores de
combustão. Mas estão sendo substituídos pelos motores trifásicos de corrente alternada.
50
Figura 10 - Vista em corte de um motor elétrico de corrente continua [14]
O motor CC, como é conhecido, é composto basicamente por duas estruturas
magnéticas, que são o estator (imã permanente ou enrolamento de campo) e o rotor
(enrolamento de armadura). Segundo [14], o estator é constituído por uma estrutura
ferromagnética dotada de pólos salientes, as quais são enroladas as bobinas responsáveis por
gerar o campo magnético, ou de um imã permanente. Já o rotor é um eletroímã composto por
um núcleo de ferro com enrolamentos em seu entorno que, por sua vez, recebe a alimentação
através de um sistema mecânico de comutação. Tal sistema, ilustrado na figura 11, é
composto por um comutador solidário ao eixo do rotor, dotado de uma superfície cilíndrica,
que apresenta múltiplas laminas onde são conectados os enrolamentos do rotor. O mesmo
sistema é composto ainda por escovas fixas, que realizam pressão sobre o comutador e são
ligadas aos terminais de alimentação. O comutador tem como objetivo inverter a corrente na
fase de rotação adequada, de modo que, o torque seja gerado sempre na mesma direção. Os
enrolamentos do rotor apresentam bobinas de múltiplas espiras. Ambos os lados dos
enrolamentos são inseridos em canais espaçados igualmente a distancia entre os dois pólos do
51
estator, assim no instante em que os condutores de um lado estão sob o polo norte, os
condutores do lado oposto devem estar sob o pólo sul. As bobinas são ligadas em série entre
as laminas do comutador de modo que, o final da última seja conectado ao início da primeira
e consequentemente não ocorra ponto específico no enrolamento.
Figura 11 - Vista explodida de um motor de corrente contínua [14]
O funcionamento de um motor de corrente contínua pode ser entendido, de maneira
simplificada, através de um modelo de dois pólos.
A figura 12 ilustra esquematicamente o funcionamento de um motor cc, no qual o
estator é composto por imãs permanentes e o rotor é composto por uma bobina de cobre, onde
passa a corrente elétrica. Essa bobina torna-se, então, um imã permanente, contendo os pólos
norte (N) e sul (S), devido à corrente elétrica que gera um campo magnético.
52
Segundo [14], no ciclo de operação do motor, primeiramente, a bobina encontra-se
posicionada horizontalmente. O mesmo está, então, sob a ação de um conjugado, que tende a
girar a bobina no sentido anti-horário, devido à ação de atração dos pólos opostos, conforme é
ilustrado na figura 12 (a). A bobina continua a rotacional no sentido anti-horário, sofrendo a
aceleração angular, explicita na figura 12 (b).
Quando os pólos da bobina encontram-se próximos aos pólos opostos dos imãs fixos
(estator), o torque deixa então de agir. Assim, a bobina realizou um movimento de rotação de
90°, e neste instante não está sob a ação do toque, pois as forças estão direcionadas para o
centro de rotação, conforme a figura 12 (c). E o rotor encontra-se em equilíbrio, pois a
resultante de suas forças e torques encontram-se nulas neste momento. Neste momento,
inverte-se o sentido da corrente que passa pela bobina, e consequentemente, os lados de
mesmo pólo estão próximos, gerando uma força de repulsão. A inércia inerente ao rotor e o
momento angular, de sentido anti-horário, presente na bobina, fazem com que o rotor
continue apresentando movimento de rotação, no mesmo sentido. Além disso, o torque
proveniente das forças de repulsão dos imãs auxilia na aceleração do movimento rotacional,
conforme a figura 12 (d).
Neste momento, a bobina realizou uma rotação de 180°, em relação a sua posição de
origem. A mesma segue rotacionando até que atinja a posição de 270° (vertical), onde o
torque é anulado e a corrente elétrica tem seu sentido alterado, outra vez, e então surge um
novo torque que rotacional a bobina até a posição de 360°, figura 12 (a). O ciclo é finalizado e
novamente se inicia.
Figura 12 - Principio de funcionamento do motor de corrente contínua [14]
53
Segundo [14], as revoluções do rotor ocorrem graças ao sincronismo entre as ações de
atração e repulsão dos imãs, que é provocado pela inversão do sentido da corrente. Tal fato é
chamado de comutação, e estes garantem o bom funcionamento dos motores cc, através da
manipulação do torque, fazendo com que o mesmo atue sempre no sentido de giro do eixo do
motor.
O comutador é composto por duas placas de cobre, de formato curvo, fixadas de forma
independente ao eixo do rotor. A bobina têm seus terminais soldados às placas de cobre. Uma
das escovas (+) transmite então a corrente elétrica, que através da placa, circula pela bobina
do rotor e então segue para a outra placa, e sai pela escova oposta (-). Tal processo leva o
rotor a rotacionar 180°, quando então, as placas do comutador invertem suas posições,
realizando contato com a escova oposta, o que consequentemente inverte o sentido de trajeto
da corrente no rotor. A figura 13 ilustra de modo simplificado o processo executado pelo
comutador.
Figura 13 - Principio de operação do comutador [14]
Além do funcionamento, outros aspectos extremamente relevantes dos motores, tais
como as propriedades da velocidade, torque e a potência devem ser explorados. Segundo [14],
antes de mostrar as equações que levam aos valores de torque e velocidade, torna-se
54
importante abordar o modelo de circuito elétrico presente nos motores cc, que é ilustrado na
figura 14.
Figura 14 - Modelo de circuito elétrico aplicado aos motores cc [14]
A lei de Kirchhoff relacionada ao circuito de armadura é expressa pela seguinte
equação:
𝑈𝑎 = 𝑅𝑎 ∗ 𝐼𝑎 + 𝐸
Equação 2.24 [14]
Onde:
Ua = tensão de armadura (Volts)
Ra = resistência de armadura (Ohms)
Ia = corrente de armadura (Amper)
E = força eletromotriz induzida ou força contra-eletromotriz da armadura (Volts)
A lei da indução de Faraday enuncia que a força eletromotriz induzida é proporcional ao
fluxo e a rotação, então:
𝐸 = 𝑘1 ∗ ∅ ∗ 𝑛
Equação 2.25 [14]
Unindo as equações 12 e 21, a velocidade do motor CC é então expressa por:
𝑛 = 𝑘1
𝑈𝑎 − 𝑅𝑎 ∗ 𝐼𝑎
∅
Equação 2.26 [14]
Onde:
n = velocidade de rotação (rad/s)
55
k1 = constante que depende do tamanho do rotor, número de pólos e também de como
os mesmos são interconectados.
Φ = número total de linhas de fluxo que entra na armadura por um pólo N, Wb
Considerando-se a queda de tensão na armadura muito pequena, ou seja, Ra * Ia ≈ 0,
então a velocidade do motor passa a ser expressa por:
𝑛 = 𝑘1
𝑈𝑎
∅
Equação 2.27 [14]
Onde:
n = velocidade de rotação (rad/s)
k1 = constante que depende do tamanho do rotor, número de pólos e também de como
os mesmos são interconectados.
Φ = número total de linhas de fluxo que entra na armadura por um pólo N, Wb (Amper)
Ua = Tensão de armadura (Volts)
Portanto, a velocidade a velocidade é proporcional à tensão de armadura, e
inversamente proporcional ao fluxo no entreferro.
Segundo [2], variando-se a tensão de armadura do motor, com fluxo constante, controla-
se a velocidade do mesmo, até a nominal. Também é possível atingir velocidades acima da
nominal, diminuindo o fluxo e mantendo constate a tensão de armadura. Devido a isso, torna-
se pertinente mencionar o equacionamento do fluxo, que é proporcional à corrente de campo,
portanto:
∅ = 𝑘2 ∗ 𝐼𝑓
Equação 2.28 [14]
Onde:
k2 = constante
If = corrente de campo
Contudo, mantendo a tensão de armadura constante e diminuindo-se a corrente de
campo, tornam-se atingíveis tais velocidades. Já o torque do motor, é obtido pela equação:
56
𝑇 = 𝑘3 ∗ 𝐼𝑎 ∗ ∅
Equação 2.29 [14]
Onde:
T = conjugado eletromagnético do motor (kgm)
k3 = constante que depende das dimensões físicas da máquina
Ia = Corrente de armadura (Amper)
Φ = número total de linhas de fluxo que entra na armadura por um pólo N, Wb.
O fluxo é gerado pelo estator pode ser gerado de diversas formas: (Amper)
Imã Permanente – montado no estator está limitado a aplicações de pequeno
porte;
Excitação Série – enrolamento de poucas espiras e alta capacidade de corrente
ligado em série com o enrolamento de armadura;
Excitação Shunt – enrolamento conectado em paralelo com a armadura;
Excitação Independente – enrolamento independente para geração do campo,
como mostrado na Figura 2.14.
Dependendo da aplicação do motor, é escolhida uma forma de excitação sendo que a
excitação independente é considerada a mais adequada para aplicações que envolvam
controles precisos de velocidade ou torque.
Estes “motores” são considerados “máquinas” de corrente contínua pois operam como
motores convertendo energia elétrica em energia mecânica e como geradores convertendo
energia mecânica em energia elétrica. Assim pode-se estabelecer nestas máquinas um fluxo
bi-direcional de energia. [23].
Sabendo que o fluxo é proporcional à corrente de campo, no caso de excitação
independente a equação 2.25 se torna:
𝑇 = 𝑘3 ∗ 𝐼𝑎 ∗ 𝑘∅ ∗ 𝐼𝑓
Ou ainda:
𝑇 = 𝑘T ∗ 𝐼𝑎 ∗ 𝐼𝑓
Equação 2.30 [23]
Analisando a EQUAÇÃO 2.26 é possível notar que a corrente de armadura se eleva de
modo transitório, favoravelmente, pois produz o torque total solicitado pela carga, e também o
torque requisitado para a aceleração.
57
Para [4], o torque acelerador aumenta a velocidade da máquina, e conforme a equação x
ocorre também à elevação da força eletromotriz induzida. A equação x explicita que a
corrente transitória sofre decréscimo até um ponto de equilíbrio, que equivale à manutenção
do conjugado imposto pela carga. Tal ponto de estabilidade é obtido pelo valor da tensão na
armadura aplicado, e pela queda de tensão na resistência da armadura, conforme a equação x.
Isto é, quando o torque requerido pela carga é constante, o motor tende a supri-lo,
continuamente absorvendo uma corrente de armadura considerada constante. Apenas nos
momentos de aceleração instigado pelo aumento da tensão, ocorre o aumento da corrente que
leva à aceleração da máquina, reestabelecendo seu valor inicial após isso. Logo, em regime, o
motor de corrente contínua trabalha com o valor da corrente de armadura também constante.
Além disso, a carga no eixo determina o valor dessa corrente. Portanto, através do controle da
tensão de armadura, até a rotação nominal, o motor é capaz de mobilizar a carga aplicando um
torque constante, seja qual for a rotação do regime estabelecida, conforme a figura 2.15, que
apresenta as curvas características dos motores de corrente contínua. Limitado ao valor
nominal, o torque pode assumir qualquer valor, que se assemelha a corrente de armadura
nominal, dimensionada com base nos aspectos construtivos do motor.
Figura 15 - Curvas características de um motor CC [14]
58
Já o controle após a rotação nominal é realizado através da variação do fluxo, enquanto
mantém-se constate da tensão de armadura, também conhecido como zona de
enfraquecimento de campo.
De acordo com a equação 2.27, reduzindo o fluxo, aumenta-se a velocidade, portanto,
há entre ambos uma relação hiperbólica. Ao combinar as equações 2.24 e 2.25, obtém-se:
𝑇 =𝑘4 ∗ 𝑈𝑎 ∗ 𝐼𝑎
𝑛
Equação 2.31 [14]
Dessa forma, devido à tensão e a corrente de armadura serem constantes, o torque torna-
se inversamente proporcional à rotação, acima da rotação nominal.
2.4 Medição e Controle de Velocidade angular
A medição de velocidade angular comumente é feita ou por um sistema composto por
uma roda dentada e um transdutor, geralmente um pick-up magnético, ou por um transdutor
foto sensível, ou por encoders.
Encoders são transdutores capazes de medir velocidade de rotação através de pulsos
luminosos. Existem dois tipos: absoluto e o incremental.
No encoder absoluto cada posição é codificada e torna-se possível saber sua posição
angular mesmo que ocorra algum evento inesperado (queda de energia ou movimento
enquanto está desenergizado). Este equipamento é de alto custo e são utilizados apenas
quando é necessário posicionamento preciso e um elemento a cada instante de tempo.
Os incrementais geram pelo menos três sinais usualmente caracterizados como A, B e
Z. Os dois primeiros são trem de pulsos defasados de 90 graus onde é possível determinar o
sentido de giro. Já o sinal Z é utilizado como referencia (o equipamento sabe quando realizou
uma volta completa)[11]. A resolução, menor ângulo medido, pode varia de 1 ppr (pulso por
resolução) até 4096 ppr.
Tacômetros manuais são dispositivos que utilizam uma das técnicas acima para indicar
a velocidade angular de uma máquina em um display digital diretamente em unidades de
engenharia, sendo a mais comum o RPM (revolução por minuto)
59
2.5 Medição e Controle de Torque
A escolha do motor elétrico implica diretamente no tipo de medição de torque. Caso o
motor seja colocado em balanço, o método de medição de torque é conhecido como Indireta.
Caso tenha pé de fixação, o método é direto.
O tipo de medição direta, também conhecido como flange de torque, tem a capacidade
de medir torques de até 2KNm. É possível medir o torque de duas formas: Tensão (0 a 10 V)
e frequência (30 a 90 KHz, onde 60KHZ representa torque nulo e a frequência de -3dB igual a
3KHz). O método de medição por tensão é bastante usual e de fácil implantação, porém está
suscetível a interferências eletromagnéticas. Já a medição por frequência é utilizada em
ambientes sujeitos a grandes interferências eletromagnéticas. [11].
O tipo Indireto é aquele a partir da medida de força e do braço de alavanca, previamente
conhecido, obtém-se o torque. O caso mais comum em bancadas é a medição de força por
célula de carga. Esta forma de medição exigirá um projeto minucioso a fim de evitar erros.
Além disso, de acordo com [7] a calibração deve ser precisa. Será necessário se atentar com o
aumento da alavanca devido à variação da temperatura e os diferentes modos de operação.
O grande problema deste tipo de medição é o fato de haver grandes massas e a
necessidade de obter medidas dinâmicas quando os momentos de inércia das massas atuam
como um filtro passa baixas. [10].
Neste projeto, será utilizado o modo Indireto, porém as medições de Torque fornecido
pelo MCI à MCC serão estimadas pela corrente elétrica fornecida pela MCC a uma resistência
elétrica, ou seja, o MCC operará como gerador sendo que o Torque é proporcional ao produto
da corrente de campo (If) e a corrente de armadura (Ia.) A constante de proporcionalidade é
obtida pelas curvas de desempenho fornecidas pelo fabricante da MCC [7].
60
2.6 Modos de Controle do Sistema Dinamômetro-Motor
Um programa de testes estabelecido para um MCI acoplado a um dinamômetro é, antes
de qualquer coisa, uma sequência de valores requeridos de torque e velocidade para o motor
em teste.
Esse objetivo é alcançado manipulando-se apenas duas propriedades: a velocidade do
motor (carga aplicada) e o ajuste do torque do dinamômetro. Para qualquer valor de carga
aplicada ao motor, ou seja, qualquer que seja a posição angular da válvula borboleta do MCI,
o mesmo desenvolverá uma curva torque-rotação característica, assim como os dinamômetros
possuem suas curvas particulares. Portanto, a estabilidade do conjunto dinamômetro-motor,
para a realização de um dado ensaio, será determinada pela interação entre as duas curvas.
Os modos de controle permitem manipular os motores, em teste, de três diferentes
maneiras:
Mantendo constante a aceleração (modo de carga);
Mantendo constante a rotação (modo rotação);
Mantendo constante o torque (modo torque).
No entanto, os dinamômetros podem ser manipulados de quatro formas diferentes:
Mantendo constantes as configurações de controle (modo de posição);
Mantendo constante a rotação (modo rotação);
Mantendo constante o torque (modo torque);
Reproduzindo uma curva característica de torque x rotação (modo de potência).
Frente à existência dos vários modos de operação, tornou-se possível a utilização das
seguintes combinações dos mesmos em banco de prova:
Carga/posição;
Rotação/carga;
Torque/carga;
Potência/carga;
Torque/rotação;
Rotação/torque.
61
2.6.1 Modo carga/posição
O controle carga/posição é descrito em [12] como sendo o modo de operação típica
atribuída aos bancos de prova equipados com dinamômetros hidráulicos. Neste modo os
parâmetros de carga (ângulo de abertura da válvula borboleta) do MCI e os ajustes do
dinamômetro (curva torque x rotação) são fixados. Neste modo, porém, não há como verificar
a resposta do conjunto, pois o mesmo opera em malha aberta e, consequentemente, não é
possível garantir que o sistema atinja um ponto estável de operação. Comportamentos
instáveis podem ocorrer em dinamômetros hidráulicos, quando em baixas cargas.
No entanto, este modo é largamente utilizado na verificação de pontos de operação nos
quais o sistema pode operar livre das influencias do sistema de controle aplicado.
2.6.2 Modo potência/carga
Para [12], o modo potência/carga consiste em uma variabilidade do modo de operação
carga/posição, na qual o controlador do dinamômetro é manipulado a fim de obter uma curva
torque x rotação característica, dada pela equação 2.27.
𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑖𝑣𝑜 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 ∗ 𝑟𝑜𝑡𝑎çã𝑜𝑛
Onde, n ≥ 1.
Equação 2.32 [12]
2.6.3 Modo rotação/carga
O modo rotação/carga conserva a rotação do sistema dinamômetro-motor constante,
sem sofrer a influencia da carga (aceleração) aplicada, devido à existência de um sistema de
controle. A aplicação mais comum do presente modo de controle destina-se a levantar as
curvas de torque x rotação dos motores à plena carga (100% de aceleração) e também em
cargas parciais (acelerações intermediárias).
62
2.6.4 Modo torque/carga
Segundo [12], o este modo é similar ao modo potência/carga, exceto pelo fato de que o
controle é efetuado sobre o torque do dinamômetro para diferentes cargas aplicadas. Este
modo deve ser executado com extrema atenção, pois a imposição de um torque superior ao
valor gerado pelo MCI poderá acarretar danos aos equipamentos.
2.6.5 Modo torque/rotação
Esse modo possui um sistema de controle que é encarregado de definir o valor de
torque, pelo dinamômetro e, além disso, o mesmo controla a rotação do motor de combustão,
através da carga imposta a este.
Os testes de amaciamentos de motor são exemplos típicos da aplicação do modo
torque/potência, pois nesse tipo de teste não é indicado à imposição de cargas elevadas sobre
o MCI. De acordo com [12], no decorrer desse tipo de teste, o atrito entre as partes móveis
tende a diminuir, e com isso ocorre à elevação da potência transmitida ao sistema bem como o
aumento da rotação do conjunto, que ocorre em virtude do torque constante imposto pelo
controle sobre o dinamômetro. Ocorre então, uma diminuição da rotação por meio do controle
da carga, forçando assim os valores de torque e rotação a se manterem em condições pré-
determinadas.
2.6.6 Modo rotação/torque
O presente modo objetiva simular um automóvel em situação de aclive. Neste teste, o
dinamômetro realiza o controle da rotação do sistema, de modo a mantê-la constante.
Enquanto isso, o motor é controlado através da carga aplicada, visando o acerto do torque
produzido.Para os modos de operação em que o dinamômetro controla a rotação do sistema,
medidas de segurança preventivas devem ser tomadas, pois tal controle ocorrerá
independentemente do MCI estar ou não sendo motorizado. Anomalias no motor, como por
exemplo, falhas de ignição, ou operação sobre pontos de instabilidade do mesmo, podem
levar a tal problemática
63
3. METODOLOGIA
3.1. Descrição do Motor
Neste trabalho o motor escolhido é do ciclo OTTO, fabricante Toyama Power
Products de modelo TF25FX, com potência máxima de 2,4HP a 4000RPM e torque de
4,26Nm a 3000RPM. [6]
Tabela 8 - Descrição fornecida na Ficha Técnica do Motor Toyama [6].
64
Figura 16 - Curva Potência – Rotação Disponível no Manual do Motor [6].
3.1.2 Descrição do Dinamômetro
Através de estudos de viabilidade, e de acordo com a necessidade e objetivos definidos
no inicio deste projeto, será utilizado como base do dinamômetro o motor de corrente
continua da marca Reliance Electric Company de 10hp e 1750 rpm. [7]. Embora seja
propriamente uma máquina, tem a denominação de “motor” por ser projetado para operar
convertendo energia elétrica em energia mecânica.
Neste dinamômetro, a Máquina de Corrente Contínua MCC foi utilizada para partir o
MCI e depois como carga mecânica para o mesmo.
Como a velocidade nominal do MCI e da MCC são diferentes, foi necessário um
sistema de transmissão por polias e a montagem do conjunto em uma base.
65
3.2. Transmissão
A partir do motor de corrente continua Reliance com rotação de 1750rpm e 10 HP de
Potência indicada, e também o motor de combustão interna da Toyama com 4000 rpm e 2,4
HP de potência máxima, visto que há necessidade de uma transmissão de relação mínima 2,3
para acoplarmos o motor CC e o MCI para que seja possível fazer os testes também em plena
carga.
As análises se iniciaram com as opções disponíveis no mercado. Os tipos de
transmissões disponíveis são:
Correias em V ou trapezoidal, tem rendimento de 95% a 98% quando novas.
Isso diminui para 93% à medida que a correia se gasta e o deslizamento
aumenta. Por causa do deslizamento, a relação de velocidade não é exata e nem
constante.
Correias Sincronizadas resolvem o problema da sincronia evitando o
deslizamento, mantendo as vantagens da correia em V e podem custar menos do
que engrenagens e correntes. As correias sincronizadas são capazes de transmitir
torques e potencias relativamente altas. Elas são mais caras do que as em V,
porém tem maior durabilidade e rendimento de 98% em uso.
Transmissões por correntes, frequentemente são utilizadas em aplicações nas quais a
sincronia é necessária e requisitos de alto torque e altas temperaturas impedem o uso de
correias dentadas. A única limitação do acionamento por correntes é a chamada “ação
cordal”. A medida que os elos entram e saem da roda dentada, elas dão “trancos” no eixo
movido, causando uma certa vibração na velocidade de saída. Se uma velocidade de saída
com muita precisão for requerida, uma transmissão por correntes pode não ser a melhor
escolha.
A última opção é a transmissão por engrenagem, que para o nosso projeto é totalmente
inviável devido ao alto custo [9].
Deste modo, iniciaram-se os cálculos com a primeira opção citada, a transmissão por
correias V.
66
3.2.1 Cálculos da Transmissão por Correia Trapezoidal (V)
As cargas atuantes nesta transmissão são determinadas a partir da potência e torque
transmitidos e na equação fundamental das correias.
1. Potência:
Equação 3.1[18 e 21]
As correias trapezoidais são fabricadas basicamente em dois conjuntos de perfis: o perfil
Hi Power (A, B, C, D e E) e o perfil PW (3V, 5V e 8V). As diferenças entre os perfis são
dimensionais, conforme tabela a seguir:
Tabela 9 - Conjunto de Perfis de correias Trapezoidais.[ 18 e 21].
O procedimento para seleção da correia mais adequada segue a seguinte sequência:
1. Determinação da potencia do projeto.
2. Escolha da Seção mais adequada.
3. Calculo da potencia transmitida por uma correia.
4. Determinação do número de correias.
5. Determinação do comprimento e especificação da correia.
67
3.2.1.1 Determinação da Potência do Projeto
Devido ao conhecimento da potência da máquina condutora, o motor de corrente
contínua. Esta deve ser multiplicada por um fator de segurança que levará em consideração
condições de funcionamento, por exemplo, o tempo de funcionamento, a carga (intermitente
ou contínua), o tipo de choque. Segue abaixo a equação:
Equação 3.2[18 e 21]
A determinação do fator de serviço é auxiliada pelas tabelas mostradas abaixo.
Tabela 10 - Condições de trabalho e Fator de serviço.
Neste projeto, o tipo de trabalho é considerado normal, de modo que o fator é igual a 1,2.
68
Tabela 11 - Condições de Funcionamento. [18 e 21].
A condição de funcionamento é adicionada ao fator de serviço. Devido ao fato de que o
motor CC ter menor rotação e maior potencia e o MCI maior rotação e menor potencia, a
necessidade deste desenvolvimento é uma relação de transmissão redutiva, ou seja, a polia
motora é maior do que a conduzida. Adicionando ao fator de serviço 0.2.
Desta maneira, o resultado da equação é: PHP = 2,5 x (1.2 + 0.2) = 3,5hp ,
considerando a potencia máxima do motor testado.
3.2.1.2 Escolha da seção mais adequada
A determinação da seção mais adequada à transmissão é feita com o auxílio do gráfico
para determinação da seção das correias, fornecido pelo fabricante (mostrada a seguir). Há
dois tipos de correias trapezoidais usuais, O PW de seção 3V, 5V e 8V e o tipo High-power
de seção A,B,C,D e E.
69
Figura 17 - Gráfico para determinação da seção das correias PW. [18 e 21]
Figura 18 - Gráfico para determinação de correias Hi-Power.[18 e 21]
70
Primeiramente, decidiu-se previamente o tipo da correia a ser utilizado (Hi-power). Em
seguida, encontrou-se a interseção entre a rotação da polia menor (ou eixo mais rápido) e a
potência do Projeto (PHP), calculada no primeiro passo. A região em vermelho no gráfico
representa o procedimento e o tipo de correia indicada, perfil A ou 3V.
Lembrando:
PHP =3,5hp.
Rotação do eixo mais rápido = 4000rpm.
Devido à facilidade de material de consulta e também do tipo ser mais ofertado pelo
mercado, as análises e métodos utilizados daqui para diante será embasado nas correias Hi-
Power.
3.2.1.3. Potência por Correia
Esta etapa consiste na determinação da potência que uma correia do tipo Hi-power,
determinado no passo anterior, pode transmitir na velocidade de 4000rpm (eixo mais rápido).
A potência por correia é determinada pelo fabricante, e normalmente fornecida em
forma de tabelas, coeficientes a serem aplicados em formulas ou gráficos e varia de acordo
com o fabricante, em função da composição da correia. A seguir será apresentado o processo
de seleção baseado no catalogo da Goodyear.
Equação 3.3[18 e 21]
Onde:
HP básico é a capacidade de transmissão da correia caso as polias possuam o mesmo
diâmetro.
HP adicional é o fator de correção devido à relação de transmissão.
FL é o fator de correção para o comprimento da correia e seu perfil.
O HP é obtido através do Anexo 3.1, levando em consideração a rotação do eixo mais
rápido e o menor diâmetro recomendado.
71
Rotação é 4000rpm.
Diâmetro 3”= 76,2mm. HP= 2.26 hp.
HP adicional também é obtido no Anexo 3.1 (mesma linha), sendo i=2,28
HP adicional= 0.53.
O fator de correção para o comprimento (FL) é obtido através dos cálculos do
comprimento da correia e a comparação com a tabela de comprimentos padrões (Anexo 3.2),
para em seguida conseguir o valor na tabela 3.5.
Comprimento da Correia:
Equação 3.4[18 e 21]
Sendo i < 3, C = (D+d)/2 + d. Como o diâmetro maior é 76.2 x 2.28 = 173.7mm, então
C = 201.15mm.
Logo L calculado = 872mm
Consultando a tabela abaixo retirada do anexo 2, o comprimento padrão da correia
segue identificada.
Tabela 12 - Comprimento padrão de Correias. [18 e 21]
L real de acordo com a Tabela é 870mm = A-33, que na tabela 5 está entre 0.82 e 0.85
conforme tabela resumida abaixo.
72
Tabela 13 - Fator de Correção. [18 e 21]. Interpolando chega-se ao valor exato de FL=
0.835
Assim: PB= (2.26+0.53) x 0.835 =2.33hp
3.2.1.4 Determinação do número de correias da seção A
O numero de correias (N) mais adequado à transmissão é determinado através da
relação entre a potência a ser transmitida (PHP) e a capacidade de transmissão da correia
escolhida (Pcorr), conforme a equação abaixo.
Equação 3.5[18 e 21]
Onde: Ca é o fator de correção para o arco de contato. Levando em consideração o tipo
de polias, V-V ou V-plana.
O fator de correção (Ca) é escolhido de acordo com a tabela abaixo, sendo (D-d)/C =
(173.7-76.2)/201= 0.48 – tabela 6 Ca(v-v)= 0.932
73
Tabela 14 - Fator de correção para tipos de Polias (Ca). [18 e 21]
Logo, N= 3,5/(2.33 x 0.935) = 2 correias A-33
3.2.1.5 Análise e determinação das cargas da Transmissão
Figura 19 – Cargas atuantes na Transmissão. [18 e 21]
74
As correias estão submetidas basicamente a dois tipos de tensões. A tensão devido à
flexão da correia em torno da polia e a tensão de tração.
F = (F1²+F2²+2 x F1 x F2 x COS(y))¹/²
A força resultante F depende das forças F1 e F2 e estão relacionadas da seguinte forma:
Equação 3.6[18 e 21]
F1- F2 = 117,11N.
Equação 3.7[18 e 21]
A equação acima é denominada a equação fundamental das correias. Essa equação
representa a relação máxima entre as forças F1 e F2 que a correia pode operar sem deslizar.
Na relação desenvolvida neste trabalho, a relação é de 5,58.
Através das duas equações representadas acima, é possível relaciona-las e encontrar a
força no ramo tenso (F1) e no ramo frouxo (F2). Respectivamente, 143N e 25,6N.
Assim, F = 156,65N.
A carga inicial aplicada à transmissão é Fi= F1+F2 / 2 = 84,3N.
75
3.2.1.6 Utilizando Correias Industriais Sincronizadoras
Para o projeto desenvolvido, utilizamos uma correia sincronizada 322L 100, em razão
de que foi preciso fazer uma transmissão de, 2,286:1, considerando essa uma transmissão de
maior dificuldade em se obter com polias trapezoidal em V, sendo necessário solicitar a
fabricação de uma das polias e elevando o custo da transmissão.
As transmissões sincronizadas representa uma alternativa bastante superior em termos
de transmissão de potência, se comparadas às correias em V tradicionais, pois requerem muito
menos manutenção, maior estabilidade dimensional, possuem uma secção transversal
uniforme que proporciona um menor desgaste, prolongando o tempo entre trocas, dentes
moldados que permite uma maior flexibilidade da correia, permite o uso de polias com
diâmetros menores e alta rigidez transversal que previne distorções.
Por não necessitarem de lubrificação, diminuem os custos de limpeza e manutenção dos
sistemas de transmissão e devido a sua estabilidade, não requerem retensionamentos [24].
3.3 Desenvolvimento da Estrutura de Testes
Para testes de um dinamômetro para ensaios de motores a combustão interna, o projeto
de uma base para assentar os mesmos deve ser executado rigorosamente. Falhas podem
ocasionar problemas tanto nas obtenções dos resultados, quanto na estrutura que suporta os
equipamentos. De acordo com [12], a base deve ser suficientemente resistente a ponto de
suportar todos os esforços gerados durante os testes.
Os carregamentos externos levados em consideração no desenvolvimento da estrutura
são os pesos dos motores e também a capacidade máxima de torque de ambos os motores com
as polias de transmissão acopladas e sentido de torques opostos.
76
Figura 20 - Correia Sincronizadora
Figura 21 – Simulação de deslocamento máximo (SolidWorks 2012).
Na simulação realizada no SolidWorks2012, foi observado um deslocamento máximo
de 0,37mm na região do eixo do motor a combustão, porém este deslocamentos se deve ao
fato de ter sido considerado o eixo como elemento rígido, concentrando carregamento no
mesmo em um instante antes de ser desligado pelo dinamômetro.
Sobre o centro de gravidade do MCC, está aplicada uma força de 1528,8N, simulando o
peso motor. No eixo do mesmo, considerado rígido, está aplicado um torque de sentido anti-
horário de 831Nm, simulando o torque máximo do Dinamômetro.
Já no eixo do MCI, também considerado rígido, está aplicado um torque com sentido
horário de 447N, estudando a reação máxima de torque de reação do mecanismo.
77
As restrições estão adicionadas em todas as conecções das vigas U e também nas
junções dos motores com a estrutura. Os eixos foram considerados rígidos, de modo a
transmitir o máximo do carregamento para a estrutura.
O objetivo da análise é a viabilização e estudo das reações do carregamento na
estrutura.
Figura 22 – Simulação no (SolidWorks 2012) das Tensões de Von Misses (N/m²)
Na simulação das tensões também foi observado uma concentração das cargas no eixo
do motor a combustão, conforme descrito acima foi considerado os maiores carregamentos
possíveis com o instante estático de maior esforço.
A estrutura foi aprovada nas simulações e foi construída conforme projeto.
3.4 Seleção dos Isoladores de Vibração
A seleção dos isoladores de vibração é de fundamental importância para o sucesso do
projeto como um todo. Dentre as principais funções que exercem, as que mais justificam o
investimento é a redução significativa da transmissão de vibrações provenientes do motor em
teste, de modo que evite o desalinhamento do sistema.
Para que uma fundação rígida possua um grau de isolamento superior a 85%, é
recomendada uma base inercial de 10 a 20 vezes a massa do motor [13].
78
Com base apenas das massas dos motores, foi selecionado isoladores de 2500kg cada. A
partir do correto nivelamento com relação ao solo os isoladores de vibração funcionaram
dentro do esperado.
3.5 Medições de Torque
O torque fornecido pelo MCI à MCC foi estimado pela corrente elétrica fornecida pela
MCC a uma resistência elétrica.
De acordo com a equação 2.26 [23] o Torque é proporcional ao produto de If e Ia. A
constante de proporcionalidade é obtida pelas curvas de desempenho fornecidas pelo
fabricante da MCC [7].
Na Figura 23 podem ser vistas as curvas da MCC na qual se constatou a relação linear
entre a Corrente de Armadura Ia e o Torque T.
Figura 23 – Curvas de Desempenho da MCC [7].
79
Utilizando a Tabela 15 obtida no manual do fabricante da MCC pode-se estimar o valor
da constante kT pela equação 3.1
Tabela 15 – Dados da MCC
Tabela 15 - Tabela do manual do fabricante MCC
Sendo a relação linear, consultando a parte “Load Performance” da Tabela 3.1 e
aplicando na Equação 2.26 obtêm-se:
𝑘T = T
𝐼𝑎∗𝐼𝑓≈ 0,50 𝑁𝑚/𝐴2 Equação 3.8 [18 e 21]
A relação de transmissão deve ser utilizada para conhecer o torque absorvido pela MCC
e a equação do torque desenvolvido pelo MCI se torna:
𝑇 = 0,5 ∗ 2,286 ∗ 𝐼𝑎 ∗ 𝐼𝑓 = 1,372 ∗ 𝐼𝑎 ∗ 𝐼𝑓 (𝑁𝑚) Equação 3.9 [18 e 21]
Outra parcela absorvida é o torque de atrito do MCC que pode ser dividido em duas
parcelas: o atrito seco e o atrito viscoso.
O atrito seco é praticamente constante e pode ser desprezado.
80
Já o torque de atrito viscoso tem uma relação linear com a velocidade e geralmente é
desprezado quando as cargas são próximas às nominais do motor.
𝑇𝑎𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 = 𝑇𝑣𝑖𝑠𝑐𝑜𝑠𝑜 + 𝑇𝑠𝑒𝑐𝑜 (𝑁𝑚)
𝑇𝑎𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 = 𝐵 ∗ 𝜔 + 𝐹 (𝑁𝑚) Equação 3.10 [18 e 21]
A potência total na MCC é obtida por:
𝑃𝑀𝐶𝐶 = 𝑃 𝑀𝑒𝑐â𝑛𝑖𝑐𝑎 + 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝐸𝑙é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎𝑠 + 𝑃𝑒𝑟𝑑𝑎𝑠𝑀𝑒𝑐𝑎𝑛𝑖𝑐𝑎𝑠 (𝑊)
𝑃𝑀𝐶𝐶 = 𝑇 ∗ 𝜔 + 𝑅𝐴𝑟𝑚 ∗ 𝐼𝑎2 + 𝑇𝑎𝑡𝑟𝑖𝑡𝑜 ∗ 𝜔 (𝑊)
Equação 3.11 [18 e 21]
Desprezando o atrito seco:
𝑃𝑀𝐶𝐶 = 𝑇 ∗ 𝜔 + 𝑅𝐴𝑟𝑚 ∗ 𝐼𝑎2 + 𝐵 ∗ 𝜔2 (𝑊)
Equação 3.12 [18 e 21]
Utilizando o mesmo ponto das curvas de desempenho pode ser estimado o coeficiente
de atrito viscoso B:
𝐵 = 𝑃𝑀𝐶𝐶 − 𝑇 ∗ 𝜔 − 𝑅𝐴𝑟𝑚 ∗ 𝐼𝑎
2
𝜔2 (𝑊)
Equação 3.13 [18 e 21]
Como pode ser visto no Apêndice 1, o valor de B foi estimado em:
𝐵 ≈ 0,013 𝑁𝑚𝑠/𝑟𝑎𝑑
Finalmente, a equação para a potência absorvida pela MCC a partir das grandezas
medidas será:
𝑃𝐴𝐵𝑆𝑂𝑅𝑉𝐼𝐷𝐴 = 1,372 ∗ 𝐼𝑎 ∗ 𝐼𝑓 ∗ 𝜔 + 0,013 ∗ 𝜔2 (𝑊)
Equação 3.14 [18 e 21]
81
3.6 Medição da Velocidade Angular.
A medida da velocidade angular foi realizada por um tacômetro digital de contato marca
Minipa cujo eixo tem um apalpador de borracha que quando em contato com a máquina, gira
à mesma velocidade sem escorregamento.
Internamente um sensor de um 1 ppr tem o sinal enviado a um contador de pulsos
digital que mostra a velocidade diretamente em RPM em um display. O tacômetro foi
acoplado diretamente ao eixo do MCI.
Figura 24 – Medida da velocidade (rpm)
3.7 Circuito elétrico
Na Figura 24 é apresentado o esquema elétrico do conjunto cuja posição mostrada é a posição
de partida.
Foi utilizada uma placa de retificador controlado modelo CVE8804E fabricada pela
Motron [22]
82
Inicialmente montou-se a chave comutadora com uma chave tipo alavanca com centro
morto porém a chave não foi robusta o suficiente para a aplicação. Optou-se então por
construí-la com seis disjuntores acoplados mecanicamente com uma haste metálica tal que
todos sejam manobrados simultaneamente.
Retificador Controlado
Retificador Não Controlado
+
-
+
-
Campo
Armadura
Ia
If
MCC
CHcarga
Rcarga
DISJUNTORESCVE8804E
Ajustede
Tensão
Figura 25 - Esquema Elétrico do Dinamômetro
Após o MCI entrar em operação autônoma, os disjuntores são comutados
simultaneamente e a MCC passa a operar como gerador elétrico alimentando uma carga
resistiva. Nesta condição, o enrolamento de campo passa a ser alimentado pelo retificador
controlado, variando a corrente de campo If.
A chave CHcarga acopla a carga resistiva Rcarga à MCC e deve permanecer desligada no
momento da partida do motor e posteriormente acionada durante o ensaio. A carga resistiva
adotada foi um aquecedor de água comercial marca FAME.
83
4. RESULTADOS
Nos resultados apresentam-se os dados dos ensaios realizados no dinamômetro de
pequeno porte.
Figura 26 - Foto do Dinamômetro e MCI prontos para teste.
4.1 Resultados dos Ensaios
Na realização do primeiro ensaio, à plena carga, foram constatadas anomalias, como
emissões de gases excessivos (fumaça), superaquecimento e também ruídos incomuns.
Conforme descrito na tabela 16 de causas e defeitos do manual do motor, dentre as possíveis
causas, foi constatado que a falta de arrefecimento combinados com o funcionamento sobre
carga excessiva justificavam tais anomalias.
84
Tabela 16 - Causas e defeitos do MCI [6].
Com receio de causar danos ao MCI, optou-se por refrigerar com um ventilador
residencial e operar em carga menor, considerando-se razoável iniciar os ensaios com o motor
à 4.200 rpm em vazio.
Nas tabelas 17 e 18 são apresentados dois ensaios similares sendo que o primeiro foi
realizado com ventilador em potência mínima e o segundo com ventilador em potência
máxima, sendo todo fluxo de ar direcionado ao motor. Os dados medidos estão em vermelho
e os demais foram calculados pelas equações desenvolvidas.
Tabela 177 – Ensaio 1 - baixa ventilação
Veloc
MCI
Veloc
MCI
If Ia T
MCC
T
MCI
Pmec
MCC
Veloc
MCC
Tatrito
MCC
Patrito
MCC
Teixo
MCI
Peixo
MCI
Peixo
MCI
(rpm) (rad/s) (A) (A) (Nm) (Nm) (W) (rad/s) (Nm) (W) (Nm) (W) (HP) 4200 439,8 0,00 0,90 0,00 0,00 0 192 0,25 48,1 0,25 48 0,07
3700 387,5 0,08 2,00 0,08 0,18 71 169 0,22 37,3 0,40 108 0,15
3200 335,1 0,21 3,25 0,34 0,78 261 147 0,19 27,9 0,97 289 0,39
2700 282,7 0,32 4,25 0,68 1,55 440 124 0,16 19,9 1,72 459 0,62
2200 230,4 0,40 4,50 0,90 2,06 474 101 0,13 13,2 2,19 487 0,66
1700 178,0 0,47 4,00 0,94 2,15 383 78 0,10 7,9 2,25 390 0,53
1200 125,7 0,55 4,00 1,10 2,51 316 55 0,07 3,9 2,59 320 0,43
85
Tabela 18 – Ensaio 2 – Alta ventilação
Veloc
MCI
Veloc
MCI
If Ia T
MCC
T
MCI
Pmec
MCC
Veloc
MCC
Tatrito
MCC
Patrito
MCC
Teixo
MCI
Peixo
MCI
Peixo
MCI
(rpm) (rad/s) (A) (A) (Nm) (Nm) (W) (rad/s) (Nm) (W) (Nm) (W) (HP) 4200 439,8 0,00 0,75 0,00 0,00 0 192 0,25 48,1 0,25 48 0,07
3950 413,6 0,07 2,00 0,07 0,16 66 181 0,24 42,6 0,40 109 0,15
3450 361,3 0,17 3,50 0,30 0,68 246 158 0,21 32,5 0,89 278 0,38
2950 308,9 0,30 4,95 0,74 1,70 524 135 0,18 23,7 1,87 548 0,74
2450 256,6 0,56 4,98 1,39 3,19 818 112 0,15 16,4 3,33 834 1,13
2140 224,1 0,48 4,98 1,20 2,73 612 98 0,13 12,5 2,86 625 0,85
1880 196,9 0,47 4,95 1,16 2,66 524 86 0,11 9,6 2,77 533 0,72
1710 179,1 0,51 4,95 1,26 2,89 517 78 0,10 8,0 2,99 525 0,71
1340 140,3 0,56 4,00 1,12 2,56 359 61 0,08 4,9 2,64 364 0,49
Nas Figuras 26 e 27 são mostradas as curvas de desempenho do motor nas condições
de ensaio. Optou-se por utilizar os gráficos nas unidades mais comuns para este tipo de
ensaio.
Figura 27 - Curva Torque x Velocidade
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
4,00
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Torq
ue
(Nm
)
Velocidade (rpm)
Torque x Velocidade
Ensaio 1
Ensaio 2
86
Figura 28 – Curva Potência versus Velocidade
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Po
tên
cia
(hp
)
Velocidade (rpm)
Potência x Velocidade
Ensaio 1
Ensaio 2
87
5. CONCLUSÃO
Os objetivos de obter as curvas de Torque x RPM e Potência x RPM de um motor,
através de um dinamômetro de pequeno porte foram atingidos, porém foi possível apenas
variar as condições de rotação através da resistência proporcionada pelo sistema
eletromagnético do dinamômetro e assim, estudar o comportamento em diferentes faixas de
rotação.
O motor de corrente contínua se mostrou bastante versátil e adequado à construção do
dinamômetro assim como toda a estrutura e transmissão que o compõe, embora a
instrumentação e o circuito de apoio devam ser melhorados de forma a simplificar os ensaios.
Os poucos ensaios realizados não permitiram explorar completamente o dinamômetro.
A partir das análises dos dados, observou-se uma variação considerável entre o ensaio com
máxima e com mínima ventilação. Sendo assim, foi possível levantar as curvas mais comuns
que caracterizam um motor à combustão interna, porém ensaios complementares devem ser
realizados com o objetivo de explorar uma região restrita do funcionamento que não
comprometa a integridade do motor quando operando em vazio.
Finalmente sugerem-se como melhorias, equipamentos como condicionadores do ar de
admissão e trocadores de calor, para controlar a temperatura de trabalho do motor e do óleo.
Além disso, equipamentos capazes de medir emissões de consumo de combustível e também
são necessários.
5.1 Dificuldades
Escolha do motor elétrico, AC ou DC, nesse caso influenciando diretamente no
projeto, controle do sistema e ao custo;
Comprar um desses motores citados anteriormente a baixo custo;
Desenvolver uma transmissão, utilizando polias e correias, com rendimento de 98%
sem precisar que ao longo dos testes ser tencionada evitando o deslizamento;
Encontrar material didático e catálogos técnicos para o dimensionamento de uma
transmissão sincronizada;
Obter uma transmissão com relação de 2.3:1 a baixo custo;
88
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] EGÚSQUIZA, J.C.C. Avaliação experimental de um motor do ciclo Diesel Operando no
Modo Bicombustível: Diesel/Etanol e Diesel/gás. Tese (Doutorado) – Departamento de
Engenharia Mecânica, PUC-Rio, 2011.
[2] Decreto estabelece as regras do Inovar-Auto
http://www.desenvolvimento.gov.br. Acesso 04 março 2014.
[3] MRE. Ministério de Relações Exteriores
http://www.itamaraty.gov. Acesso 25 setembro 2014.
[4] BRUNETTI, Franco. Motores de Combustão interna. São Paulo: Blucher, 2012. 485p.
[5] PEREIRA, J.C Dinamômetros. Brasil, Fevereiro 2014. Disponível em:
http://www.joseclaudio.eng.br/dinos1.html
[6] TOYAMA POWER PRODUCTS. Manual do usuário. Disponível em
http://www.toyama.com.br. Acesso: 20 de maio de 2014.
[7] RELIANCE ELECTRIC COMPANY. Balder 501 Catalog. Disponível em:
http://www.reliance.com. Acesso em 20 de maio de 2014.
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[9] NORTON, Robert L. Projeto de Máquinas: uma abordagem integrada. 2.ed. Porto Alegre:
Bookman, 2004. 931 p.
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Druckdienste KG, 2002.
[11] VIANNA, G, C. Desenvolvimento de uma Bancada de Testes para Motores a Combustão
Interna. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) Pontifícia Universidade Católica do
Rio de Janeiro, Rio de Janeiro.
[12] MARTYR, A.J.;PLINT, M. A. Engine Testing. Inglaterra: Butterworth-Heinemann,
2007.
[13] BUZDUGAN, G. Dynamique des Fondations de Machines. Paris: Eyrolles, 1972.
89
[14] SIEMENS. Motores de Corrente Contínua – Guia rápido para uma especificação precisa.
Brasil, 2006.
[15] BRUNETTI, F., Motores de Combustão Interna. São Paulo: 1989.
[16] MAHLE METAL LEVE, Manual Técnico – São Paulo: 2008.
[17] SOUZA R. D, 2005, Balança Currie e Correntes de Foucault, UNICAMP SP.
[18] NIEMANN, Gustav, Elementos de Máquinas, 1. ed. São Paulo: Edgard Blücher LTDA,
1961.
[19] MAHLE GmbH, Pistons and engine testing. Stuttgart: 2012.
[20] W-RMS-0448. Ciclo para Levantamento da Curva de Desempenho em Plena Carga. São
Paulo: 2013.
[21] MELCONIAN, Sarkis, Elementos de Máquinas, 10. ed. São Paulo: Érica, 2000.
6.1 Catálogos
[22]Goodyear-cálculos e recomendações para correias
[23]Goodyear-Correias de Transmissão de Potência – Guia de instalação, manutenção e
Solução de Problemas.
