Análise de Vibrações em um Motor de Combustão Interna
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
Curso de Graduação em Engenharia Mecânica
TRABALHO DE GRADUAÇÃO "Análise de Vibrações em um Motor de Combustão
Interna”
Autor: Claudio Marcio Santana
Orientador: Jose Eduardo Mautone Barros
Co-Orientador: Alessandro Simões Correa
Colaboradores: Luis Carlos Monteiro Sales Leonardo Alvim Michelini
Julho de 2010
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Curso de Graduação em Engenharia Mecânica
ANÁLISE DE VIBRAÇÕES EM UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA
Claudio Marcio Santana
Trabalho de graduação apresentado ao Curso de
Graduação em Engenharia Mecânica da
Universidade Federal de Minas Gerais
Área de concentração: Engenharia Mecânica
Orientador: Prof.: Jose Eduardo Mautone Barros
Co-Orientador: Alessandro Simões Correa
Colaboradores: Luis Carlos Monteiro Sales
Leonardo Alvim Michelini
Belo Horizonte
Escola de Engenharia da UFMG
2010
iii
DEDICATÓRIA Dedico esse trabalho a minha família e em especial ao meu pai que sempre me apoiou nessa jornada, mas que infelizmente não pode estar presente na conclusão desse trabalho.
iv
AGRADECIMENTOS Agradeço a todos aqueles que estiveram presentes e me apoiaram durante o desenvolvimento deste trabalho e em particular: A minha namorada Alice Alves Andrade pela paciência e compreensão. Ao Luis Carlos Monteiro Salles pela oportunidade de execução do trabalho. Ao professor Jose Eduardo Mautone Barros pelas orientações. Aos colegas de trabalho Alessandro Simões e Leonardo Alvin pelas orientações e ajuda nos testes experimentais. Aos colegas de trabalho Geraldo Bahia e Edson pela execução dos ensaios no dinamômetro. Ao colega Saulo Anderson Bibiano Jardim do Laboratório de Combustão da UFMG, pela ajuda na interpretação dos dados e nos cálculos das transformadas de Fourier. Agradeço aos colegas Marcelo do Mini Baja e Olavo pelo auxilio no software ANSYS. Agradeço ao colega Andreas pela ajuda no SOLID WORK.
v
RESUMO Na analise de vibração e ruído em um motor de combustão interna, vê se que as maiores
fontes de vibrações e ruídos são produzidas pelas forças devido à combustão e as forças
mecânicas. Essas forças ocorrem numa ampla faixa de freqüência e são transmitidas
para a superfície externa do motor através de diversos caminhos; um deles é através do
mecanismo pistão - biela - virabrequim - bloco do motor. Como resultado da atuação
destas forças, as superfícies externas do motor ficam sujeitas a vibrações de diversas
amplitudes. O controle de vibrações do motor através da modificação de sua estrutura
(bloco do motor e cabeçote) é uma tarefa complexa e requer considerações de diversos
aspectos da engenharia, tais como: a análise modal, análise de amortecimento, análise
de serie de tempo, entre outros. O objetivo desse trabalho é a aplicação dos novos
métodos para serem aplicados a problema típicos de vibrações e ruídos em motores, que
consiste da aplicação conjunta de técnicas analíticas e experimentais, para estudos de
estruturas submetidas a altas amplitudes de vibrações. Espera-se com isso determinar e
conhecer as principais fontes excitadoras de vibrações no motor.
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LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – O eixo de manivelas converte o movimento do pistão em movimento rotatório, que é transmitido para as rodas (www.oficinabrasil.com.br) ..........................3 Figura 2.2 - (a) Diagrama PV e (b) Diagrama TS para o ciclo Otto, (HEYWOOD, 1988)..................................................................................................................................4 Figura 2.3 - Os quatro tempos do ciclo real, (BAÊTA, 2006)..........................................6 Figura 2.4- Vista em corte de um motor ciclo OTTO de quatro tempos (www.automobil.com.br)..................................................................................................7 Figura 2.5- Ciclo de dois tempos com ignição por centelha (www.automobil.com.br)....9 Figura 2.6- Vista em corte de um motor simples de dois tempos (www.automobil.com.br)................................................................................................. 9 Figura 2.7- Ilustração de um bloco motor com 4 cilindros. (fonte: www.whbrasil.com.br)....................................................................................................11 Figura 2.8- Bloco de um motor de 4 cilindros de alumínio(WIKIPEDIA).....................11 Figura 2.9- Formato típico de um cabeçote (www.oficinabrasil.com.br).......................12 Figura 2.10- carter de um motor de quatro tempos (www.automobil.com.br)................13 Figura 2.11- parâmetros geométricos de um pistão (BARROS e BAETA, 2005)..........15 Figura 2.12- Pistão de motor automotivo (www.oficinabrasil.com.br)...........................15 Figura 2.13- Anéis de segmento (www.infomotor.com.br)............................................17 Figura 2.14 – Ilustração de uma biela, juntamente com suas principais partes ( Barros e Baeta, 2005).....................................................................................................................17 Figura 2.15- Biela de um motor de combustão interna (www.automobil.com.br)..........18 Figura 2.16- Eixo de manivela (www.imp.ufsc.com.br)................................................19 Figura 2.17- Principio de funcionamento do virabrequim (www.automobil.com.br).....20 Figura 2.18- Sistema de funcionamento de um sistema de valvulas(WIKIPEDIA).......21 Figura 2.19- Eixo comando de válvula (www.oficinabrasil.com.br)..............................22 Figura 2.20- Detalhes do motor de combustão interna (www.automobil.com.br)..........22 Figura 2.21 – As três fases da combustão em um motor ciclo Otto – adaptada de (HEISLER, 1995)............................................................................................................25
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Figura 2.22 – Desenvolvimento da pressão no interior de um cilindro, com e sem combustão-adaptada de (HEISLER, 1995)...................................................................26 Figura 2.23– Seqüência de fotos onde se pode verificar o fenômeno da detonação (www.mech-eng.leeds.ac.uk/res-group/combustion)......................................................29 Figura 2.24 – Zonas de pré-ignição (MARTINS, 2005).................................................31 Figura 0,25 Efeito no avanço de ignição no diagrama PV (GIACOSA, 2004)..............31 Figura 0,26 Registro da vibração e espectro (Transformada de Fourier)........................33 Figura 2.27- Vista em corte de um motor ciclo OTTO de quatro tempos (www.automobil.com.br)................................................................................................35 Figura 2.28- forças reversíveis atuando sobre o pistão (GERGES, S. N. Y. 2005)........37 Figura 3.1 Dinamômetro hidráulico ( Borghi & Saveri Itália, 1999)..............................39 Figura 3.2 Dinamômetro elétrico ( Borghi & Saveri, 1999)...........................................40 Figura 3.3 Tacômetro digital...........................................................................................40 Figura 3.4 Vela de ignição instrumentada.......................................................................41 Figura 3.5 Montagem dos acelerômetros nos mancais fixos lado transmissão e distribuição......................................................................................................................42 Figura 4.1 Diferença de vibração transversal ao eixo a 1500 RPM................................48 Figura 4.2 Diferença de vibração longitudinal ao eixo a 1500 RPM..............................48 Figura 4.3 Diferença de vibração no bloco do motor longitudinal ao veiculo a 1500 RPM.................................................................................................................................49 Figura 4.4 Diferença de vibração transversal ao eixo a 4000 RPM................................49 Figura 4.5 Diferença de vibração longitudinal ao eixo a 4000 RPM..............................50 Figura 4.6 Diferença de vibração no bloco do motor longitudinal ao veiculo a 4000 RPM.................................................................................................................................50 Figura 4.7 Diferença de vibração transversal ao eixo a 6000 RPM................................51 Figura 4.8 Diferença de vibração longitudinal ao eixo a 6000 RPM..............................51 Figura 4.9 Diferença de vibração no bloco do motor longitudinal ao veiculo a 6000 RPM.................................................................................................................................52
viii
Figura 4.10 Diferença de pressão de combustão entre etanol e gasolina a 4000 RPM...53 Figura 4.11 Diferença de pressão de combustão entre etanol e gasolina a 6000 RPM...53 Figura 4.12 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor..............................................................................................................55 Figura 4.13 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor..............................................................................................................55 Figura 4.14 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor..............................................................................................................56
Figura 4.15 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor..............................................................................................................56 Figura 4.16 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor..............................................................................................................57 Figura 4.17 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor..............................................................................................................57
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LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1 – Parâmetros geométricos de pistão para os motores ciclo Otto (BARROS e BAETA, 2005).................................................................................................................14 Tabela 3.1 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida..........................................................................................................44 Tabela 3.2 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida..........................................................................................................44 Tabela 3.3 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida..........................................................................................................45 Tabela 3.4 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida......................................................................................................... 45 Tabela 3.5 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida..........................................................................................................45 Tabela 3.6 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida........................................................................................................45 Tabela 3.7 - Rotação de ensaio e freqüência dominante e seus harmônicos ate a décima ordem. ................................................................................................................46 Tabela 4.1 – Calculo das freqüências de ressonância no coletor de admissão................58 Tabela 4.2 – Calculo das freqüências de ressonância no coletor de descarga.................59 Tabela 4.3 – modos de vibrações do eixo virabrequim...................................................59
x
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
C(s) = sinal de saída
cp = calor específico a pressão constante
cv = calor específico a volume constante
I = momento de inércia
IC = internal combustion
K = constante de ganho
m = massa
ma = massa de ar no cilindro em um ciclo
M/K = resposta em amplitude
Pa = potência de atrito
Patm = pressão atmosférica
Pe = potência efetiva
Pi = potência indicada
PMI = ponto morto inferior
PMS = ponto morto superior
PREF = potência nas condições de referência
Ps = pressão seca
Pso = pressão seca do ambiente
PV = diagrama pressão – volume
Pθ = diagrama pressão – ângulo do virabrequim
Pγ = potência medida
Qr = calor rejeitado
Qs = calor fornecido
rc = razão volumétrica de compressão
R(s) = sinal de entrada
SI = ignição por centelha (spark ignition)
T = temperatura
T0 = temperatura de referência
Tar = temperatura do ambiente
TS – diagrama temperatura - entalpia
UCE = unidade de controle eletrônico
Ur = umidade relativa do ar
xi
VD = volume deslocado
Letras Gregas
αc = fator de correção
γ = peso específico
ηm = rendimento mecânico
ηOTTO = eficiência térmica do ciclo Otto
ηv = rendimento volumétrico
φ= ângulo de fase
θ = atraso por transporte
ξ = fator de amortecimento
ρa = massa específica do ar
τ = tempo de resposta
τa = torque de atrito
τe = torque efetivo
τe-j = torque efetivo com cilindro j desligado
τi = torque indicado
τM = torque no motor
ω = velocidade angular; freqüência de entrada
xii
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO...........................................................................................................01 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA....................................................................................02
2.1 Motores de combustão interna.............................................................................02
2.2 Revisão histórica..................................................................................................03
2.3 Ciclos de trabalho no motor de combustão interna.............................................03
2.3.1 Ciclo Otto ideal.........................................................................................03
2.3.2 Ciclo Otto real de quatro tempos..............................................................05
2.3.3 Ciclo Otto real de dois tempos..................................................................08
2.4 Componentes do motor de combustão interna ..................................................10
2.4.1 Bloco do motor.........................................................................................10
2.4.2 Cabeçote...................................................................................................11
2.4.3 Cárter........................................................................................................12
2.4.4 Pistão........................................................................................................13
2.4.5 Anéis de Segmento...................................................................................16
2.4.6 Biela..........................................................................................................17
2.4.7 Virabrequim..............................................................................................18
2.4.8 Válvulas....................................................................................................20
2.4.9 Eixo de Comando de Válvulas.................................................................21
2.5 Combustões em um motor de combustão interna.................................................23
2.5.1 Períodos da Combustão............................................................................23
2.5.2 Desenvolvimento da Pressão no Interior dos Cilindros............................25
2.5.3 O Avanço de ignição ideal........................................................................27
2.5.4 Produtos da combustão............................................................................28
2.5.5 Combustão incompleta.............................................................................28
2.5.6 Situações adversas da combustão.............................................................28
2.5.7 Detonação.................................................................................................29
2.5.8 Pré-ignição................................................................................................30
2.6 Vibrações..............................................................................................................32
2.6.1 Sinais de vibrações e ruídos.......................................................................32
2.6.2 Vibrações na área automotiva....................................................................33
2.6.3 Vibrações e ruídos provenientes do motor................................................34
2.6.3.1 Vibrações devido ao processo de combustão..................................35
xiii
2.6.3.2 Vibrações devido às forças mecânicas............................................36
2.6.3.3 Vibrações induzidas pelo mecanismo – força de excitação reversi-
vel....................................................................................................................................36
2.6.4 Estrutura do motor.....................................................................................37
3. METODOLOGIA.......................................................................................................39
3.1 Equipamentos e instrumentos utilizados nos ensaios...................................39
3.1.1 Dinamômetro.......................................................................................39
3.1.2 Tacômetro digital.................................................................................40
3.1.3 Vela de ignição instrumentada............................................................40
3.1.4 Equipamentos de aquisições de dados................................................41
3.2 Montagem experimental...............................................................................41
3.3 Procedimentos experimentais.......................................................................42
3.4 Análise dos dados experimentais..................................................................43
4. RESULTADOS E DISCURSSÕES...........................................................................48
5. CONCLUSÕES...........................................................................................................60
6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS......................................................61
7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................62
1
1 INTRODUÇÃO
Os problemas de ruídos e vibrações em motores de combustão interna são comuns,
devido à grande diversidade de peças e componentes que compõem um motor. O eixo
virabrequim sofre vibrações transversais, laterais e torcionais, devido à dinâmica dos
esforços sofridos principalmente no tempo de combustão do motor. Mancais
hidrodinâmicos podem induzir vibrações orbitais de grande amplitude em rotores neles
apoiados. Cita-se também os efeitos de discos acoplados em eixos, a combustão e efeito
giroscópio de eixos massivos. Esses efeitos produzem desgastes prematuros nos
componentes internos do motor, reduzindo o tempo de vida do próprio motor. Alem de
prejudicar a saúde das pessoas. Esse trabalho tem como objetivo geral identificar e
relacionar as fontes de vibrações e ruídos no motor. Como objetivo especifico pretende-
se fazer a modelagem numérica de problemas de ruídos e vibrações no motor e caso
haja necessidade, fazer a modelagem computacional do motor.
2
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1 Motores de combustão interna
Os motores de combustão interna têm a finalidade de transformar a energia química
contida no combustível em energia mecânica, por meio da queima da mistura deste
combustível com ar (HEYWOOD,1988).
Na máquina de combustão externa os produtos da produtos da mistura ar-combustível
transmitem calor a outro fluido que toma a si a tarefa de produzir trabalho. Na máquina
de combustão interna, os produtos são os próprios executores do trabalho. Em virtude
dessa simplificação, o motor é uma das mais leves maquinas motrizes existentes
(OBERT,1971).
A conversão de energia química em calor é através da combustão, enquanto a
conversão subseqüente em trabalho mecânico é realizada graças à energia do calor que
permite o aumento de pressão dentro de um meio, que então realiza o trabalho na
medida em que se expande (BOSCH, 2005).
Para seu funcionamento, o motor necessita de uma fonte de energia: o combustível.
Combustíveis podem ser líquidos ou gasosos. Os combustíveis mais popularmente
utilizados são a gasolina, o álcool e o óleo diesel, todos líquidos. O gás natural vem
sendo ultimamente empregado como uma fonte de energia alternativa. Fatores
econômicos, requerimentos de potência ou de atendimento a legislações ambientais
determinam o tipo de combustível a ser utilizado. O combustível pode ser definido
como sendo o alimento de motores (BOSCH, 2005).
A transmissão do movimento do pistão às rodas do veículo pode ser comparada à
transmissão do movimento de um pedal à roda traseira de uma bicicleta, conforme
mostra a Fig. 2.1. O movimento das pernas de um ciclista exerce efeito similar ao
movimento do pistão de um motor de combustão interna, ou seja, o movimento linear
dos pistões dentro do cilindro produz movimento de rotação na árvore de manivela
(virabrequim), que por sua vez produz torque necessário o movimento do veiculo
(www.oficinabrasil.com.br).
3
Figura 2.1 – O eixo de manivelas converte o movimento do pistão em movimento rotatório, que é transmitido para as rodas (www.oficinabrasil.com.br).
2.2 Revisão histórica.
Em 1876, Nikolaus August Otto construiu com sucesso o primeiro motor quatro
tempos. Em 1886, Karl Benz e Gottlieb Daimler simultaneamente e independentemente
desenvolveram motores leves, de alta velocidade, dos quais os atuais motores a gasolina
foram originados. Em 1892, Rudolf Diesel criou seu motor de ignição por compressão,
sendo utilizado inicialmente apenas para aplicações estacionárias, (BAÊTA, 2006).
Existem dois tipos de processos de combustão que dominam as aplicações automotivas,
denominados motores do ciclo Otto e motores do ciclo Diesel. Os motores de ciclo Otto
são primeiramente caracterizados pela ignição na presença de uma centelha e com
combustão a volume constante. Já o motor Diesel apresenta combustão espontânea à
pressão constante iniciada pelas altas pressões e temperaturas no cilindro.
2.3 Ciclos de trabalho no motor de combustão interna.
2.3.1 Ciclo Otto ideal.
Esse ciclo de operação pode ser dividido na seguinte seqüência de processos separados:
admissão, compressão, combustão, expansão e exaustão. O ciclo Otto é o ciclo
4
termodinâmico básico de referência para um motor ignição por centelha. Para a análise
deste ciclo, considera-se que somente ar, comportando-se como gás ideal, é admitido
para dentro do cilindro. Os diagramas de PV e TS são apresentados na Figura 2.2 e
mostra às fases do ciclo OTTO, composto por dois processos isovolumétricos e dois
processos isentrópicos.
Figura 2.2 - (a) Diagrama PV e (b) Diagrama TS para o ciclo Otto, (HEYWOOD, 1988)
Os processos 0→1 e 1→0 no diagrama PV, representam os processos de admissão e
exaustão respectivamente. O processo 1→2 representa a compressão isentrópica do ar
quando o pistão se desloca do ponto morto inferior (PMI) para o ponto morto superior
(PMS). Durante o processo 2→3 calor é fornecido a volume constante. Este processo
corresponde à ignição por centelha e à combustão no motor. Os processos 3→4 e 4→1
representam a expansão isentrópica e a rejeição de calor a volume constante
respectivamente, (HEYWOOD, 1988).
A eficiência térmica do ciclo Otto pode ser descrita como:
s
rsOtto Q
QQ −≡η (2.1)
Considerando constante o volume dos processos 2→3 e 4→1, o calor fornecido e o
calor rejeitado podem ser descritos como:
( )23 TTcmQ vs −××= (2.2)
( )14 TTcmQ vr −××= (2.3)
5
Assim. Substituindo-se as equações 2.2 e 2.3 em 2.1 tem-se:
23
141TT
TTOtto −
−−≡η (2.4)
A equação 2.4 também pode ser escrita da forma:
( )1
11 −−≡ γη
c
Ottor
(2.5)
Sendo γ a razão entre os calores específicos e rc a razão volumétrica de compressão.
Através desta equação de eficiência, vê-se que a eficiência térmica do motor
funcionando com o ciclo teórico Otto depende somente da razão volumétrica de
compressão e da relação dos calores específicos (GANESAN, 1995).
2.3.2 Ciclo Otto real de quatro tempos
O ciclo real dos motores ignição por centelha difere muito do ciclo ideal em diversos
fatores. A eficiência do ciclo real é muito menor do que o ciclo ideal devido às várias
perdas que ocorrem na operação de um motor real (GANESAN, 1995).
As maiores perdas são:
-Variação do calor específico com a temperatura;
-Dissociação dos produtos da combustão;
-Combustão progressiva;
-Combustão incompleta do combustível;
-Transferência de calor nas paredes da câmara de combustão;
-Blow-dowm no inicio do processo de exaustão;
-Processo de troca de gases;
Pode-se descrever o ciclo real em quatro tempos: Admissão, compressão, combustão,
expansão e exaustão como mostrado na Figura 2.3.
6
Figura 2.3 - Os quatro tempos do ciclo real, (BAÊTA, 2006).
Primeiro tempo – Admissão: Durante a admissão o pistão desce do PMS para o PMI
enquanto a válvula de admissão está aberta e a válvula de escape está fechada, isso gera
uma depressão dentro do cilindro, com isso certa quantidade de ar é aspirada para o
interior do cilindro. Enquanto o ar entra pela válvula de admissão uma quantidade de
combustível necessária é injetada pelo carburador ou injetor para gerar a mistura
ar/combustível que será queimada dentro do cilindro, (BAÊTA, 2006).
Segundo tempo – Compressão: Assim que o pistão atinge o PMI inicia-se o tempo de
compressão com a válvula de admissão ainda aberta. Ela se fechará alguns graus depois
do PMI para aproveitar a inércia dos gases aumentando o enchimento do cilindro. Logo
após o pistão retorna ao PMS com todas as válvulas fechadas e comprimindo a mistura.
Isso aumenta a pressão e a temperatura dentro do cilindro e próximo do final da
compressão uma centelha é fornecida pela vela de ignição e inicia-se a combustão,
(BAÊTA, 2006).
Terceiro tempo – Combustão e expansão: A combustão inicia-se antes do PMS e
termina no inicio da expansão. A combustão eleva a temperatura e a pressão para seus
valores máximos do ciclo alterando a composição da mistura ar/combustível para os
produtos da combustão. Com as válvulas fechadas, a alta pressão gerada pela combustão
empurra o pistão para baixo produzindo o trabalho do ciclo do motor e diminuindo a
pressão e a temperatura dentro do cilindro, (BAÊTA, 2006).
7
Blowdown: É a abertura da válvula de descarga durante a expansão dos gases. A
pressão dentro do cilindro ainda é alta e a diferença entre a pressão do cilindro e a
pressão ambiente faz com que os gases da combustão sejam expelidos e a pressão no
cilindro diminui bruscamente. Esses gases ainda possuem muita entalpia, o que reduz a
eficiência do ciclo térmico, (BAÊTA, 2006).
Quarto tempo – Exaustão: Quando o pistão atinge o PMI ainda existe uma quantidade
de gases no cilindro aproximadamente a pressão atmosférica. Como a válvula de
exaustão permanece aberta o cilindro expulsa esses gases remanescentes da combustão
durante seu percurso do PMI para o PMS, restando somente o volume da câmara de
combustão ocupado por esses gases. No final do tempo de exaustão, a válvula de
admissão começa a se abrir e a válvula de exaustão a se fechar. Esse tempo em que as
duas válvulas estão abertas ao mesmo tempo é chamando de cruzamento de válvulas.
Isso ajuda na troca dos gases remanescentes da combustão por mistura fresca vinda da
válvula de admissão. Ao final da exaustão o ciclo se reinicia, (BAÊTA, 2006). A figura
2.4 mostra um motor ciclo OTTO de quatro tempos.
Figura 2.4- Vista em corte de um motor ciclo OTTO de quatro tempos (www.automobil.com.br).
8
2.3.3 Ciclo Otto real de dois tempos.
O ciclo de quatro tempos exige duas rotações no eixo de manivela para cada curso
motor. Com o objetivo de aumentar a potencia de motores do mesmo porte e simplificar
o sistema de válvulas, DUGALD CLERW idealizou em 1978 o ciclo de dois tempos.
Este ciclo adapta-se indiferentemente aos motores ignição por e ignição por
compressão, mas o sucesso de seu emprego tem sido maior com o segundo (OBERT,
1971).
No PMS, pode ocorrer (conforme o caso) a injeção de combustível pulverizado em uma
atmosfera de ar comprimido em altas temperaturas, ou a ignição por centelha de uma
mistura de combustível, pondo em liberdade a energia necessária para o curso motor
que segue. Quase no fim deste curso, o embolo descobre uma janela existente na parede
do cilindro, permitindo que a quase totalidade dos produtos da combustão escapem para
o coletor de descarga. Imediatamente após, ainda no curso motor, uma segunda janela é
descoberta pelo embolo, sendo o ar (ou a mistura ar-gasolina) forçado para dentro do
cilindro. Ocorre neste momento a chamada “lavagem cruzada”. Defletores colocados na
cabeça do embolo, impedem que a mistura fresca (ar ou mistura aspirada) encontre a
passagem direta para a janela de descarga, enquanto os gases resultantes da queima são
expulsos de dentro do cilindro. O curso de subida é o de compressão. O ciclo completo
é executado enquanto o eixo de manivela da uma volta (OBERT, 1971). As figuras 2.5
e 2.6 ilustram respectivamente o princípio de funcionamento do motor de dois tempos e
a vista em corte de um motor simples de dois tempos.
9
Figura 2.5- Ciclo de dois tempos com ignição por centelha (www.automobil.com.br).
Figura 2.6- Vista em corte de um motor simples de dois tempos (www.automobil.com.br).
10
2.4 Componentes do motor de combustão interna.
2.4.1 Bloco do motor. Peça base do motor onde são usinados os cilindros ou furos para a colocação destes
(bloco com camisa). O material utilizado, na maioria das vezes, para fabricação do
bloco motor é o ferro fundido cinzento, que apresenta baixo custo e boa atenuação de
vibrações (TAYLOR, 1976).
Outro material empregado na construção de blocos é o Alumínio, este mais leve e com
melhores propriedades dissipadoras, mas de preço mais elevado. Resistindo pior ao
atrito dos pistões os blocos de alumínio têm os cilindros normalmente revestidos com
camisas de aço (WIKIPEDIA).
Na parte inferior do bloco motor estão os alojamentos dos mancais do eixo virabrequim,
e ainda os pontos para fixação do cárter. Os pontos de fixação restantes no bloco motor
são para acoplamento dos componentes periféricos: suportes, filtro de óleo, bomba
d´água, bomba de óleo, alternador, motor de partida, bomba de direção hidráulica,
dentre outros componentes. O material deve tambem permitir a moldagem de todas as
aberturas e passagens indispensáveis, como também suportar as elevadas temperaturas
geradas pela deflagração do combustível no interior do bloco e permitir a rápida
dissipação do calor. No interior do bloco existem também cavidades tubulares através
das quais circula a agua de arrefecimento, bem como o oleo lubrificante (WIKIPEDIA).
As figura 2.7 e 2.8 ilustram respectivamente o formato típico de um bloco motor e um
bloco feito de alumínio.
11
Figura 2.7- Ilustração de um bloco motor com 4 cilindros. (fonte: www.whbrasil.com.br).
Figura 2.8- Bloco de um motor de 4 cilindros de alumínio(WIKIPEDIA).
2.4.2 Cabeçote.
MARTINELLI, 1998 define o cabeçote como sendo a parte acoplada ao topo do bloco
motor, sendo responsável por formar, juntamente com a cabeça do pistão, a câmara de
combustão. O cabeçote ainda é composto por galerias para circulação do fluido de
arrefecimento e óleo de lubrificação, dutos para acoplamento das válvulas de admissão
e descarga, bem como furos roscados para fixação das velas de ignição (ciclo Otto) ou
bicos injetores (ciclo Diesel).
12
Freqüentemente é utilizada uma liga de alumínio fundido para a fabricação do cabeçote.
Esta escolha é em virtude da boa condutividade térmica e adequadas propriedades
mecânicas oferecidas pela liga (TAYLOR, 1976). A figura 2.9 ilustra o formato típico
de um cabeçote.
Figura 2.9- Formato típico de um cabeçote (www.oficinabrasil.com.br).
2.4.3 Cárter. Este componente este localizado na parte inferior do bloco motor, sendo acoplado ao
mesmo, na maioria das vezes, por meio de parafusos de fixação. O cárter tem a função
de armazenar o óleo do motor, proteger a parte de baixo do motor contra impactos
externos, assegura a lubrificação das partes móveis do motor e protege a cambota e
bielas das agressões do exterior.
o bloco motor, e de atenuação de
em alumínio. Num motor de dois tempos o cárter está selado pois, com a subida do
pistao, tem que se criar um vácuo que leve à entrada de nova quantidade de mistura
ar/combustível. Quanto o pistão sobe, a mistura passa da zona do cárter para o cilindro
Distintamente dos motores de quatro tempos o óleo do motor não está no cárter, sendo
misturado com o combustível e o ar proporcionando assim a lubrificação das partes
móveis (ARIAS_PAZ, 1970).
quatro tempos.
Figura 2.10- carter de um motor de quatro tempos
2.4.4 Pistão.
O pistão é uma peça cilíndrica normalmente feita de alumínio ou
se move longitudinalmente
a parte móvel da câmara de combustão, que é complementada pelo cabeçote.
tem a forma de um copo cilíndrico invertido sendo a superfície direccionada para a
câmara de combustão denominada
normalmente chamada de corpo
pistão que o une à biela. A parte mais afastada da cabeça é denominada a
do pistão. Este componente recebe a força de combustão da mistura ar + combustível,
assegura a lubrificação das partes móveis do motor e protege a cambota e
das agressões do exterior. O cárter ainda pode ter a função estrutural, enrijecendo
o bloco motor, e de atenuação de vibrações mecânicas do conjunto, quando fabricado
Num motor de dois tempos o cárter está selado pois, com a subida do
pistao, tem que se criar um vácuo que leve à entrada de nova quantidade de mistura
ar/combustível. Quanto o pistão sobe, a mistura passa da zona do cárter para o cilindro
Distintamente dos motores de quatro tempos o óleo do motor não está no cárter, sendo
misturado com o combustível e o ar proporcionando assim a lubrificação das partes
(ARIAS_PAZ, 1970). A figura 2.10 apresenta o desenho de um carter de motor
carter de um motor de quatro tempos (www.automobil.com.br
uma peça cilíndrica normalmente feita de alumínio ou liga de
longitudinalmente no interior do cilindro dos motores de explosão
a parte móvel da câmara de combustão, que é complementada pelo cabeçote.
tem a forma de um copo cilíndrico invertido sendo a superfície direccionada para a
denominada fundo ou cabeça do pistão. A parte média, é
corpo, onde existem dois orifícios circulares alojar o eixo do
. A parte mais afastada da cabeça é denominada a
Este componente recebe a força de combustão da mistura ar + combustível,
13
assegura a lubrificação das partes móveis do motor e protege a cambota e
O cárter ainda pode ter a função estrutural, enrijecendo
vibrações mecânicas do conjunto, quando fabricado
Num motor de dois tempos o cárter está selado pois, com a subida do
pistao, tem que se criar um vácuo que leve à entrada de nova quantidade de mistura
ar/combustível. Quanto o pistão sobe, a mistura passa da zona do cárter para o cilindro.
Distintamente dos motores de quatro tempos o óleo do motor não está no cárter, sendo
misturado com o combustível e o ar proporcionando assim a lubrificação das partes
apresenta o desenho de um carter de motor
www.automobil.com.br).
de alumínio, que
motores de explosão, considerado
a parte móvel da câmara de combustão, que é complementada pelo cabeçote. O pistão
tem a forma de um copo cilíndrico invertido sendo a superfície direccionada para a
A parte média, é
, onde existem dois orifícios circulares alojar o eixo do
. A parte mais afastada da cabeça é denominada a calça ou saia
Este componente recebe a força de combustão da mistura ar + combustível,
14
transmitindo-a a biela por meio de um pino de aço (pino do pistão). A localização
excêntrica dos pinos do pistão em relação à linha de centro do mesmo pode minimizar a
vibração e o desgaste decorrente do funcionamento deste componente em atrito com a
parede do cilindro (TAYLOR, 1976).
Segundo (BARROS e BAETA, 2005) são funções dos pistões:
-Suportar forças laterais e axiais;
-Selar a câmara de combustão;
-Auxiliar na dissipação de calor que o pistão recebe após a combustão;
-Guiar a biela dentro do cilindro.
A tabela 2.1 ilustra a faixa das principais proporções do pistão sugerida por (BARROS e
BAETA, 2005).
Tabela 2.1 – Parâmetros geométricos de pistão para os motores ciclo Otto (BARROS e BAETA, 2005).
Descrição Unidade Valor
Diâmetro, D mm 65 a 105
Altura/Diâmetro, GL/D - 0,6 a 0,7
Altura de Compressão/ Diâmetro, KH/D - 0,3 a 0,45
Diâmetro do Pino do pistão/ Diâmetro, BO/D - 0,20 a 0,26
Rebaixo de queima, F mm 2 a 8
Posição 1º anel/ Diâmetro, St/D - 0,040 a 0,055
Altura de rasgo do 1º anel mm 1,0 a 1,75
Altura da saia/Diâmetro, SL/D - 0,4 a 0,5
Largura de encaixe da biela/ Diâmetro, AA/D - 0,20 a 0,35
Espessura da parede da cabeça/Diâmetro - 0,06 a 0,10
15
A figura 2.11 ilustra alguns dos parâmetros listados na tabela 2.1.
Figura 2.11- parâmetros geométricos de um pistão (BARROS e BAETA, 2005).
Os pistões devem ter baixo coeficiente de expansão térmica e uma boa condutividade
térmica, para dissipar bem o calor gerado pela queima do combustível dentro do
cilindro. Materiais típicos utilizados na fabricação de pistões são ligas de Al-Si, que
podem ser fundidas, forjadas ou até mesmo usinadas. Estes componentes podem, ainda,
receber diversos revestimentos, para garantir uma redução no desgaste e melhorar suas
propriedades térmicas:
-Zinco;
-Grafite;
-Anodização Pura;
-Cerâmica;
A figura 2.12 ilustra um pistão de motor automotivo.
Figura 2.12- Pistão de motor automotivo (www.oficinabrasil.com.br).
16
2.4.5 Anéis de Segmento.
Os anéis de segmento estão inseridos em dois ou três canais, localizados na cabeça do
pistão. Pode-se dizer que as principais funções dos anéis são: evitar o vazamento de gás
de dentro do cilindro (blow-by) e ainda auxiliar na lubrificação do cilindro e pistão.
(TAYLOR, 1976).
Os anéis de segmento são significativas fontes de perda de energia por atrito. A força de
atrito é devido à carga tangencial que o anel exerce sobre a parede do cilindro e também
devido à pressão do gás que passa pelos canais entre o anel e o êmbolo (TAYLOR,
1976).
Estima que os anéis de segmentos sejam responsáveis por cerca de 20% do atrito das
partes móveis do motor (BARROS, 2005).
Os anéis de pistão (figura 2.13) são peças muito importantes para o perfeito
funcionamento do motor. Estas peças de forma circular são fabricadas com uma liga de
aço-carbono com um teor de carbono bem elevado, o que da dureza a esses
componentes, com certa fragilidade. Os anéis de segmentos, assim conhecidos também,
são geralmente divididos em três tipos. Com finalidades diferentes e envoltas ao pistão,
o primeiro tipo de anel que fica quase na cabeça do pistão tem a função de conter a
pressão gerada pela explosão nos cilindros e evitando a perda de pressão na hora do
segundo tempo do motor chamado de compressão. O segundo anel mais abaixo do
primeiro tem duas funções, uma de ajudar a reter a compressão como o primeiro e outra
de criar uma película de óleo quando o mesmo raspa as paredes internas do cilindro. O
terceiro anel tem a função de raspar o excesso de óleo e criar uma fina película de
lubrificação para que os outros anéis tenham o mínimo de atrito evitando o desgaste
entre anéis e cilindro. As posições de colocação dos anéis nos pistões também
obedecem a uma ordem por que os graus e geometria de cada anel estão para cada
função que ele exerce (www.infomotor.com.br).
17
Figura 2.13- Anéis de segmento (www.infomotor.com.br).
2.4.6 Biela. A biela no motor de combustao interna (figuras 2.14 e 2.15), é a peça responsavel por
transmitir ou transformar o movimento rectilíneo alternativo em circular contínuo. A
cabeça (a parte mais larga) é apertada à cambota (eixo de manivela) por meio de
parafusos e a extremidade oposta é trancada pela cavilha do êmbolo, no interior da saia
do pistao. Enquanto esta extremidade se desloca para cima e para baixo (solidária com o
movimento do pistão), a cabeça descreve um movimento circular. Algumas bielas
dispõem de uma cabeça com ligação oblíqua, facilitando o acesso durante a montagem e
desmontagem do motor (MARTINELLI, 1998).
Figura 2.14 – Ilustração de uma biela, juntamente com suas principais partes ( Barros e Baeta, 2005).
A razão do comprimento da biela pelo raio da manivela deve ser de 3,33 a 5 de forma a
minimizar o ruído interno do motor (Valores para Ciclo Otto). Os materiais típicos para
18
a fabricação da biela são: ferro fundido nodular, aço forjado e ainda bielas especiais em
Titânio (necessidade de uso de casquilhos). Este componente pode ser fabricado por
fundição, sinterização e forjamento, com posterior etapa de usinagem. (BARROS,
2005).
Figura 2.15- Biela de um motor de combustão interna (www.automobil.com.br).
2.4.7 Virabrequim. Eixo virabrequim ou árvores de manivelas (figura 2.16) e´o componente do motor para
onde é transferida a força da explosão ou combustão do carburante por meio da cabeça
da biela (que, por sua vez, se liga com o êmbolo), transformando a expansão de gás em
energia mecanica (MARTINELLI, 1998).
Na extremidade anterior do virabrequim encontra-se uma roldana responsável por fazer
girar vários dispositivos como por exemplo, bomba da direção hidráulica, bomba do ar-
condicionado,bomba de água etc. Na outra extremidade encontra-se o volante do motor,
que liga à caixa de velocidades — cuja força-motriz será transmitida ou não, consoante
a pressão da embreagem (www.oficinabrasil.com.br).
(BARROS e BAETA, 2005) relacionam importantes características geométricas que
dizem respeito ao eixo virabrequim:
-O curso do pistão é determinado pelo braço do virabrequim, ou seja, a distância
entre os centros dos moentes e dos munhões.
-A definição do ângulo das manivelas é dada pelo número de cilindros do motor e
garante uma melhor distribuição das forças aplicadas sobre o eixo.
-A redução de forças inerciais minimiza os esforços sobre mancais, bloco motor e
bronzinas.
19
-Uma maior área de contato nos mancais do eixo virabrequim auxilia na redução das
tensões aplicadas sobre o eixo.
-Os contrapesos auxiliam no balanceamento das forças inerciais, provocadas devido
ao movimento alternativo de bielas-pistões e rotativo do eixo virabrequim. Reduz
ainda os esforços sobre o mancal central.
-Arredondamento ( gola ) nas bordas dos mancais é necessário para alívio de
tensões.
A presença de furos comunicantes ao longo do eixo virabrequim tem o intuito de
aumentar a circulação de óleo/lubrificação nos mancais fixos e móveis. Porém, deve-se
evitar a localização destes furos de óleo nas proximidades de filetes ou cantos vivos,
devido à grande concentração de tensão que pode ser gerada (TAYLOR, 1976).
Os materiais típicos na fabricação dos eixos virabrequim são: aço forjado, ferro fundido
(nodular ou cinzento). Sendo a utilização de aço forjado recomendada para motores de
alta potência específica. (TAYLOR, 1976).
Figura 2.16- Eixo de manivela (www.imp.ufsc.com.br).
20
A figura 2.17 apresenta o principio de funcionamento do virabrequim.
Figura 2.17- Principio de funcionamento do virabrequim (www.automobil.com.br).
2.4.8 Válvulas.
São dispositivos mecânicos que permitem a entrada da mistura ar/combustível (válvula
de admissão) e a saída (válvula de escape) dos gases provenientes da combustão da
mistura. (MARTINELLI, 1998).
São responsáveis por proporcionar um correto assentamento com a sede de válvulas, de
forma garantir uma boa vedação do cilindro, não deixando escapar a pressão originada
da combustão da mistura. (TAYLOR, 1976).
As válvulas devem possuir uma dureza suficientemente alta, capaz de assegurar uma
boa resistência ao impacto, devido à alta velocidade de trabalho e contato com a sede de
válvulas. É comum encontrarmos revestimentos sobre o metal base da válvula, tais
como: nitretos e cromo. (TAYLOR, 1976).
21
A válvula (figura 2.18) é constituída por uma cabeça em forma de disco (1) na imagem
da figura (2) fixa a uma haste cilíndrica (2). A haste desliza dentro de uma guia (7)
constituída por metal que provoque reduzida fricção( por. ex. ferro fundido, bronze).
O topo da haste está em contacto mecânico com um impulsor (4) que, accionado pelo
excêntrico (5) da árvore de cames, provoca a sua abertura e a consequente entrada ou
saída dos gases do motor. Uma mola (3) assegura que a válvula regressa à sua posição
de fecho mas deixe de haver pressão mecânica para a sua abertura. Em alguns motores
este regresso da válvula à sua posição de repouso sobre o assento, também chamado
"sede", da válvula (6) é conseguido por comandos pneumáticos e não mecânicos
(WIKIPEDIA).
Figura 2.18- Sistema de funcionamento de um sistema de valvulas(WIKIPEDIA).
2.4.9 Eixo de Comando de Válvulas.
O eixo de comando de válvulas (figura 2.19) tem como função principal realizar a
abertura das válvulas de admissão e escape, respectivamente, nos tempos de aspiração
da mistura ar e combustível e descarga dos gases após o efeito da combustão. Esta
abertura é possibilitada por meio de ressaltos (cames), ao longo de sua extensão
(MARTINELLI, 1998).
Este componente é acionado pelo eixo de manivelas através de engrenagem, corrente e
ainda, correia dentada. É considerado ainda uma peça fundamental do trem de válvulas
do motor, ou seja, todo o conjunto que realiza a abertura e fechamento de válvulas,
22
compreendido por: tuchos, haste ou não, balancins, calço de válvulas, válvulas e eixo
de comando de válvulas (MARTINELLI, 1988).
Figura 2.19- Eixo comando de válvula (www.oficinabrasil.com.br).
A figura 2.20 mostra os diversos componentes de um motor de combustão interna.
Figura 2.20- Detalhes do motor de combustão interna (www.automobil.com.br).
23
2.5 Combustões em um motor de combustão interna.
Motores de combustão interna também são popularmente chamados de motores a
explosão. Esta denominação, apesar de freqüente, não é tecnicamente correta. De fato, o
que ocorre no interior da câmara de combustão não é uma explosão de gases, é uma
combustão (queima controlada com frente de chama) ou deflagração. O que pode-se
chamar de explosão (queima descontrolada sem frente de chama definida) é uma
detonação dos gases, que deve ser evitada nos motores de combustão interna, a fim de
proporcionar maior durabilidade dos mesmos e menores taxas de emissões de poluentes
atmosféricos provenientes da dissociação de gás nitrogênio gerados durante a queima
descontrolada. Ela ocorre quando um resto de combustível no final da combustão tem
sua temperatura e pressão elevada a ponto de se auto-ignitar. Essa queima não
controlada do combustível gera um ruído característico (conhecido como batida de pino
apesar de nenhum pino bater, o ruído é proveniente da ressonância da câmara de
combustão transmitida ao bloco) e eventualmente dano mecânico ao motor
(ARIAS_PAZ, 1970).
A taxa de compressão do motor ciclo OTTO, juntamente com a octanagem do
combustível e a temperatura de operação do motor sao os responsáveis por definir o
limite de detonação(ARIAS_PAZ,1970).
Nos motores de combustão interna por centelha, a mistura ar e combustível é formada,
em geral, nos dutos do coletor de admissão, passando pela válvula de aspiração e se
misturando com o gás residual da combustão anterior. Em condições normais de
funcionamento, ao final da fase de compressão é dada a centelha iniciando o processo
de aumento de temperatura e pressão da mistura, ou seja, a combustão dos gases.
(HEYWOOD, 1988).
2.5.1 Períodos da Combustão. Segundo (HEISLER, 1995), a combustão em um motor ciclo Otto, se processa em três
fases:
-Período de atraso;
24
-Período de elevação da pressão (propagação da chama);
-Período pós-combustão.
Período de atraso – essa fase compreende o momento em que uma centelha elétrica
cruza os eletrodos das velas e o instante em que uma chama é formada, liberando a
energia em forma de calor que irá realizar a combustão da mistura ar combustível
admitida pelo motor. O momento em que essa fase se encerra pode ser visualizado no
gráfico da Figura 2.21, onde a elevação de pressão com combustão se desgarra do
gráfico da pressão em ciclo motor, sem combustão. A duração dessa fase, segundo
(HEISLER, 1995) é de tipicamente 1-2 ms, o que corresponde a 15-30º do virabrequim
com o motor a 2.500 RPM. A variação desse tempo depende de diversos fatores que
também influenciam o momento em que a centelha é gerada (avanço de ignição):
-Temperatura da chama gerada pela vela de ignição;
-Propriedades do combustível;
-Pressão e temperatura ao qual a mistura ar combustível foram comprimidas;
-Relação ar combustível admitida;
-Perfeição com que a mistura foi preparada.
Período de Propagação da chama – compreende a formação da frente de chama até o
pico máximo de pressão no interior dos cilindros, que geralmente ocorre entre 10 e 20º
após o Ponto Morto Superior (PMS). Essa fase da combustão é a responsável pela
efetiva realização de trabalho, sendo importante o seu correto posicionamento frente aos
ângulos do virabrequim, de forma a aproveitar ao máximo a energia resultante do
aumento da pressão no interior dos cilindros (HEISLER, 1995).
A duração da propagação da chama é relativamente constante com relação ao ângulo do
virabrequim. Essa informação é chave no momento de se determinar as curvas de
avanço de ignição em função da rotação do motor. Um motor que funcione mais rápido
necessitará maior antecedência na centelha, de modo que o pico máximo de pressão
aconteça em um momento adequado. Segundo (HEISLER, 1995), a duração da
propagação da chama depende da riqueza da mistura ar combustível queimada, além de
outros fatores como rotação do motor, geometria da câmara de combustão, posição da
25
vela de ignição e da própria velocidade da combustão que, por sua vez é dependente da
temperatura, turbulência e combustível que está sendo queimado.
Período de Pós-combustão – após a frente de chama atingir as paredes dos cilindros,
ainda existe cerca de 25% da mistura a ser queimada (HEISLER, 1995). Nessa fase da
combustão a pressão já passou pelo seu máximo valor e o movimento de descida do
pistão faz com que a pressão decaia, tornando mais difícil a reação do oxigênio com a
gasolina. Uma das características dessa etapa é a grande perda de energia para os
componentes do motor, energia essa dissipada para o sistema de arrefecimento,
lubrificação ou em forma de calor para os gases de escapamento. O gráfico da Figura
2.21 ilustra as três fases da combustão, onde se pode verificar nesse exemplo que o
momento da centelha ocorre 20º antes do PMS e pico de pressão a cerca de 16º após o
PMS.
Figura 2.21 – As três fases da combustão em um motor ciclo Otto – adaptada de (HEISLER, 1995). 2.5.2 Desenvolvimento da Pressão no Interior dos Cilindros. Dentro dos cilindros de um motor de combustão interna, uma centelha elétrica
proveniente de uma vela de ignição promove a queima da mistura ar combustível
admitida, iniciando o processo de combustão. A combustão promove a elevação da
temperatura e pressão no interior do cilindro que, sendo empurrado para baixo, tem seu
movimento retilíneo transformado em rotacional por intermédio do eixo de manivelas
(virabrequim). Essa pressão é influenciada por diversos fatores, sendo que o próprio
deslocamento descendente do pistão contribui fortemente para a sua redução após o
26
momento de pressão máxima decorrente da combustão ocorrida no cilindro (HEISLER,
1995).
Segundo (HEISLER, 1995), uma informação de interesse especial é o trabalho feito
sobre o pistão dividido pelo volume do deslocamento do mesmo. Essa quantidade tem
as dimensões de pressão e corresponde à pressão constante que se fosse exercida sobre o
pistão durante todo o deslocamento motor do PMS ao PMI, que fornece trabalho
idêntico ao realizado pelo ciclo, e é conhecida como pressão média efetiva. No gráfico
da Figura 2.22, pode-se visualizar a pressão no interior de um cilindro, onde o tracejado
corresponde à pressão sem a ocorrência de combustão.
Figura 2.22 – Desenvolvimento da pressão no interior de um cilindro, com e sem combustão-adaptada de (HEISLER, 1995). Desse gráfico é possível extrair importantes informações:
-A aproximadamente 15º antes do ponto morto superior (representado pelo ângulo
zero do virabrequim), nota-se que o gráfico da pressão com combustão se destaca,
determinando uma elevação da pressão;
-Ao ultrapassar o PMS, a pressão continua a crescer devido à combustão que ainda
está ocorrendo;
27
-A pressão máxima é atingida entre 10 e 20º depois do ponto motor superior. Nesse
ponto a combustão está praticamente completa, e o movimento de descida do pistão
acompanha a expansão do volume, com conseqüente queda na pressão;
-Com relação à transferência de trabalho, nota-se que enquanto o gráfico com
combustão supera o gráfico sem combustão, trabalho está sendo transferido para o
motor. Por outro lado, nos tempos de exaustão, admissão e compressão são necessários
fornecer trabalho ao sistema;
-Embora a pressão entre 15º antes e o PMS seja superior ao do ciclo motor, sem
combustão, essa mesma pressão demandará trabalho para que a fase de compressão
vença essa resistência até atingir o PMS, representando perdas por bombeamento. Ainda
segundo de (HEISLER, 1995), fica evidente que é desejável a maior pressão possível
após o ponto Morto Superior, de forma a aproveitar ao máximo a energia oriunda da
queima. Essa pressão também deve ter seu comportamento tal que a força seja
aproveitada ao máximo, considerando o ângulo formado pelo conjunto biela e
virabrequim. Esse ângulo influi na decomposição das forças, determinando as forças
resultantes que irão efetivamente rotacionar o virabrequim e as que irão provocar
vibrações indesejáveis à operação do motor.
2.5.3 O Avanço de ignição ideal.
A combustão deve ocorrer perto do PMS para que se obtenha o máximo de torque e
potência, desse modo, o instante em que a centelha é gerada é importante para o
rendimento do motor. Devido às etapas de combustão descritas anteriormente, a
centelha elétrica ocorre antes de o pistão chegar ao PMS, ou seja, na fase final de
compressão. Devido a essa antecedência, o momento em que a centelha é gerada é
denominado avanço de ignição, sendo medido em graus APMS, ou seja, antes do ponto
morto superior. Esse momento depende de uma série de fatores (HEISLER, 1995):
-Rotação do motor - rotações elevadas tornam o tempo de trajeto do pistão menor.
Dessa forma, existe um tempo menor para o cilindro dissipar o calor da combustão. O
aumento da velocidade do motor é superior ao aumento da velocidade de combustão,
exigindo-se aumentar o avanço de ignição, para permitir uma queima eficiente da
mistura;
28
-Relação ar combustível admitida pelo motor - misturas pobres utilizadas em
condições de baixa carga queimam em velocidades menores comparadas a situações de
mistura rica. Desse modo, cargas altas - misturas ricas - demandam um atraso na
ignição, o que corresponde a um avanço menor
-Composição do combustível - as características do combustível determinam a taxa de
compressão a que podem ser submetidas sem o risco da ocorrência de detonação. Essas
características, representadas pela octanagem do combustível, influem no avanço de
ignição na medida em que combustíveis de maior octanagem permitem um maior
avanço de ignição, garantindo maiores pressões após a combustão, ao passo que
combustíveis de menor octanagem exigem um avanço mais conservador.
Modernamente, sensores detectam a condição de detonação, proporcionando um
controle do avanço em tempo real, o que garante um alto rendimento sem a ocorrência
de detonação.
2.5.4 Produtos da combustão.
Quando a combustão de hidrocarbonetos é completa, os resíduos da queima são vapor
de água (H2O) e gás carbônico (CO2). A presença de Enxofre provoca a formação de
dióxidos desse elemento químico (SO2) (HEYWOOD, 1988).
2.5.5 Combustão incompleta.
Em um motor de combustão interna a combustão não é completa, e outros resíduos são
gerados, como Monóxido de Carbono (CO), Hidrocarbonetos (HC) e Óxidos de
Nitrogênio (NOX). Os Hidrocarbonetos são gerados especialmente devido às paredes
internas do motor que resfriam a camada de mistura carburada, tornando mais lenta à
combustão. Os Óxidos de Nitrogênio são formandos por sua vez devido a elevadas
pressões e temperaturas que o Oxigênio e o Nitrogênio do ar atingem no interior do
motor (HEYWOOD, 1988).
2.5.6 Situações adversas da combustão. Determinadas condições de operação do motor podem dar origens a situações
indesejáveis de queima, na qual podem ocorrer problemas tais como: perda de
29
rendimento, consumo elevado, maior emissão de gases poluentes e redução na vida útil
do motor (HEISLER, 1995).
Dois fenômenos merecem ser estudados mais detalhadamente - a detonação e a pré-
ignição, visto que influenciam bastante o processo de combustão.
2.5.7 Detonação.
Quando ocorre a centelha da vela, uma frente de chama é formada, elevando
rapidamente a pressão no interior da câmara de combustão. A detonação ocorre quando
essa elevação provoca uma nova onda de pressão em algum local, devido ao surgimento
da queima da mistura. A elevação de pressão provoca o surgimento de pontos de
combustão, conforme se pode ver na seqüência da Figura 2.23.
Figura 2.23– Seqüência de fotos onde se pode verificar o fenômeno da detonação
(www.mech-eng.leeds.ac.uk/res-group/combustion).
Segundo (HEISLER, 1995) a detonação decorre da auto-ignição do gás na extremidade,
que é aquela parte da mistura ar combustível admitida que ainda não foi atingida pela
frente de chama. A elevação da pressão e temperatura devido à expansão dos gases
30
queimados é tamanha que provoca o fenômeno. Esse fenômeno indesejável traz
prejuízos à queima devido aos esforços desordenados gerados no interior do cilindro,
que podem inclusive gerar ruídos metálicos, denominados batidas de pino. Esses ruídos
decorrem de vibrações nas paredes dos cilindros, provocadas pelas intensas ondas de
pressão da mistura. A intensidade e freqüência desse ruído dependem da intensidade do
fenômeno, temperatura e geometria do motor. Sistemas eletrônicos de gerenciamento,
por intermédio de sensores apropriados acoplados ao bloco do motor, detectam a
ocorrência do fenômeno. A detonação pode ser causada por combustível inadequado,
temperatura muito elevada ou sistema de ignição regulado inadequadamente. É possível
eliminar ou atenuar a detonação retardando o atraso da ignição. Nesse caso a pressão no
interior dos cilindros é ligeiramente menor, o que acaba por impedir a formação de
novas frentes de chama. Se permanecer durante longos períodos, além da queda no
rendimento e ruído, o fenômeno da detonação traz sérios danos ao motor, em especial
aos pistões.
2.5.8 Pré-ignição.
Segundo (HEISLER, 1995), pré-ignição é a ignição da carga admitida (ar +combustível)
antes de ocorrer a centelha. Também denominada ignição de superfície, a principal
fonte de pré-ignição são superfícies quentes, ou seja, a presença de um ponto quente no
interior da câmara, dando origem a uma frente de chama independente da centelha da
vela de ignição. A pré-ignição tem geralmente as origens em impurezas de carvão e
válvulas ou velas incorretas. Um motor carbonizado costuma apresentar problemas de
pré-ignição na medida em que o carvão depositado na cabeça do pistão, válvulas e sedes
de válvulas agem como pontos quentes, dando origem a frentes de chama anteriores à
combustão provocada pela vela de ignição. O fenômeno é muito confundido com a
detonação, embora tenha características e momento de ocorrência bastante distinta. No
entanto, quando se tem detonação severa e prolongada, os pontos da vela ou as
partículas de carbonos podem ser aquecidos a ponto que provoquem a pré-ignição. Esse
fenômeno pode ser ilustrado no gráfico da figura 2.24, onde se verifica as zonas de pré-
ignição em função da taxa de compressão e relação ar combustível.
31
Figura 2.24 – Zonas de pré-ignição (MARTINS, 2005).
O ponto de ignição mais atrasado possível é determinado pelo limite de combustão ou
pela máxima temperatura permitida dos gases de escape, e o ponto de ignição mais
adiantado possível pelo limite de detonação. O ponto de ignição influencia o torque, as
emissões de gases de escape e o consumo de combustíveis ( BOSCH, 2005).
Em geral, o instante no qual se comanda a ignição corresponde ao ponto no qual a
pressão é cerca da metade da pressão obtida no PMS (GIACOSA, 2004). O efeito do
trabalho perdido quando o ângulo de ignição está atrasado ou adiantado em relação ao
ponto ideal pode ser visto na Figura 2.25.
Figura 2,25 Efeito no avanço de ignição no diagrama PV (GIACOSA, 2004).
32
2.6 Vibrações. A vibração é uma resposta repetitiva, periódica ou oscilatória de um sistema mecânico.
A taxa dos ciclos de vibração é chamada de "freqüência". Movimentos repetitivos que
são um tanto limpa e regular, e que ocorrem em freqüências relativamente baixas, são
comumente chamados de oscilações, enquanto qualquer movimento repetitivo, mesmo
em altas freqüências, com amplitudes baixas, ter um comportamento irregular e
aleatório cai na classe geral de vibração. No entanto, os termos "vibração" e "oscilação"
são muitas vezes utilizados de forma indiscriminada. Vibrações podem ocorrem
naturalmente em um sistema de engenharia e pode ser representante de sua livre
e comportamento dinâmico natural. Além disso, as vibrações podem ser forçadas em
um sistema através de alguma forma de excitação. As forças de excitação podem ser
geradas internamente dentro do sistema dinâmico, ou transmitida ao sistema através de
uma fonte externa. Quando a freqüência da excitação coincide com a do movimento
natural, o sistema irá responder de forma mais vigorosa, com aumento de amplitude.
Esta condição é conhecida como ressonância, e a freqüência associada, e chamada de
freqüência de ressonância. Há "boas vibrações", que servem a um propósito útil. Além
disso, existem "más vibrações", que podem ser desagradáveis ou prejudiciais. Para
muitos sistemas de engenharia, operação de ressonância seria indesejável e pode ser
destrutivo. Supressão ou eliminação de vibrações ruins e geração de formas desejadas e
os níveis de vibração boa são os objetivos gerais da engenharia de vibração (SILVIA
CLARENCE, 2000).
2.6.1 Sinais de vibrações e ruídos. Acelerômetros, microfones, auto falantes, exitadores eletrodinâmicos, dentre outros, são
usados para transformar sons ou vibrações em um sinal analógico elétrico ou vice-versa.
Os sinais elétricos contem todas as informações sobre o fenômeno físico, mas precisa
ser colocado em uma forma apropriada para análise. A representação da amplitude
instantânea como função do tempo raramente permite tirar conclusões aplicáveis a
solução de um problema. Por isso foram desenvolvidas outras formas de análise, como a
análise no domínio da freqüência, onde as amplitudes são funções da freqüência, e a
análise estatística, que pode ser feita tanto no domínio do tempo quanto da freqüência.
Para a maioria dos objetivos, a análise no domínio da freqüência tem se mostrado ser
mais útil (GERGES, S. N. Y. 2005).
33
Ruídos são vibrações senoidais criadas pelas vibrações mecânicas em virtude de
variação de pressão ou velocidade das moléculas num determinado meio. O som é a
forma de energia que transmitida (GERGES, S. N. Y. 2005).
A análise de um sistema de vibração pode ser feito tanto no domínio do tempo ou da
freqüência. No domínio do tempo, a variável independente de um sinal de vibração é o
tempo. Neste caso, o próprio sistema pode ser modelado como um conjunto de equações
diferenciais em relação ao tempo. No domínio da freqüência, a variável independente de
um sinal de vibração é a freqüência. Neste caso, o sistema pode ser modelado por
funções de transferência entrada-saída que são algébricas, em vez de diferencial. Os
dois domínios estão conectados pela transformada de Fourier, que pode ser tratado
como um caso especial da transformação de Laplace (SILVIA CLARENCE, 2000).
A Figura 2.26a mostra um registro no tempo de uma medição realizada em um rotor. O
sinal tem características de difícil interpretação. O espectro em freqüência mostrado na
Figura 2.26b, entretanto, apresenta uma clara predominância de uma determinada
freqüência em relação às demais. (Isto pode ser utilizado para identificar a causa da
vibração, por exemplo: a velocidade de rotação do rotor é igual à freqüência
predominante).
Figura 2,26 Registro da vibração e espectro (Transformada de Fourier)
2.6.2 Vibrações na área automotiva. Os veículos são projetados pela incorporação de engenharia de vibração, não só para
garantir a integridade estrutural e operacionalidade funcional, mas também para
34
alcançar necessários níveis de qualidade de passeio e conforto (SILVIA CLARENCE,
2000).
O veiculo automotor é um sistema extremamente complexo, em se tratando de fontes
geradoras de vibrações e ruídos. Isso porque as vibrações e ruídos emitidos pelo veiculo
é o resultado da contribuição de varias fontes que atuam de forma simultânea,
transmitidas de suas origens. Estas características dificultam, na maioria das vezes, uma
análise individual das fontes em relação às questões legislativas, no sentido de se
conhecer a contribuição de cada uma no resultado externo global (GERGES, S. N. Y.
2005).
De modo geral, (GERGES, S. N. Y. 2005) considera que as principais fontes de
vibrações e ruídos externos podem ser classificadas como:
-Vibrações e ruídos provenientes do motor.
-Vibrações e ruídos da caixa de cambio.
-Ruídos provenientes do sistema de aspiração.
-Ruídos provenientes do sistema de exaustão.
-Vibrações e ruídos provenientes dos pneus.
2.6.3 Vibrações e ruídos provenientes do motor. Do ponto de vista da fonte geradora de vibração, os veículos podem ser classificados
pelo seu peso, capacidade ou potência tais como: veículos comerciais pesados, veículos
comerciais leves, veículos de serviço publico, veículos pequenos, veículos grandes e
veículos de grande performance. A vibração gerada depende do tipo de veiculo e de seu
comportamento. O motor, devido as suas características construtivas e funcionais,
conforme visto na figura 2.27, é sem duvida nenhuma à principal fonte de vibração e
ruído do veiculo, pois, é através do motor que as vibrações e ruídos são transmitidos
para a carroceria e conseqüentemente sentidos pelos ocupantes do automóvel. As
vibrações totais proveniente do motor podem ser divididas, basicamente em dois
grandes grupos (GERGES, S. N. Y. 2005):
35
-Vibração devido ao processo de combustão.
-Vibração devido às forças mecânicas.
Figura 2.27- Vista em corte de um motor ciclo OTTO de quatro tempos (www.automobil.com.br).
2.6.3.1 Vibrações devido ao processo de combustão.
Nesse caso, a vibração é gerada devido à reação de explosão da mistura ar combustível
sob altas temperatura e pressão no interior da câmera de combustão, provocada pela
adição de calor em cada um dos cilindros (em motores de ciclo OTTO, a adição de calor
é feita pela centelha elétrica da vela de ignição). O tipo de combustível utilizado tem
influencia direta estabelecendo características particulares para esse tipo de vibração.
Normalmente nos motores a diesel, devido sua elevada taxa de compressão, as
vibrações são mais intensas em relação aos motores do ciclo OTTO (GERGES, S. N. Y.
2005).
36
2.6.3.2 Vibrações devido às forças mecânicas.
Para esse tipo de vibração, que é considerado de menor influência em relação às
vibrações geradas pela explosão dos gases, as contribuições mais importantes são dos
pistões e válvulas. As vibrações provenientes dos pistões são causadas pelos impactos
dos mesmos nas paredes dos cilindros, devidos seu movimento transversal ou inclinado.
Já as vibrações geradas pelas válvulas podem ser causadas pelo contato metálico
instantâneo entre as áreas de vedações das válvulas e sedes de válvulas durante a
abertura e fechamento das válvulas, movidas pelas forças impulsivas gerada pela
geometria excêntrica do eixo de comando de válvulas (GERGES, S. N. Y. 2005).
2.6.3.3 Vibrações induzidas pelo mecanismo – força de excitação reversível.
As forças reversíveis F são geradas pelo movimento do eixo virabrequim e mudam de
direção segundo as características do motor produzindo forças de inércia, como mostra
a figura 2.28. Essas forças contribuem para uma apreciável amplitude de vibração que
aceleram os componentes do motor, que dependendo do valor das folgas entre seus
componentes podem produzir impactos que induzem vibração na estrutura do motor
(GERGES, S. N. Y. 2005).
A equação que governa essa condição nesse instante é baseada no fato de que o
movimento transversal é governado pela taxa de mudança da aceleração.
Assim,
�. � � = ��� ≈ �� ��� �� (2.6)
Onde: ���� ͌ é aproximadamente constante enquanto os componentes se movimentam nas
folgas.
Para o estudo dos componentes que se movimentam de forma rotativa, considerando o
torque produzido em função do ângulo do motor, a equação deste modelo é similar a
apresentada anteriormente, mas introduzidas as considerações de aceleração angular e
momento de inércia.
Assim,
37
�. �� = ��� ≈ �� ��� �� (2.7)
O resultado da aceleração dos componentes através das folgas é o impacto produzido
nos componentes do motor. A energia cinética transmitida na estrutura na forma de
carga instantânea depende do tempo que os componentes se deslocam nas respectivas
folgas. As aplicações destas folgas reversíveis produzem excitação na estrutura do
motor (GERGES, S. N. Y. 2005).
Figura 2.28- forças reversíveis atuando sobre o pistão (GERGES, S. N. Y. 2005).
2.6.4 Estrutura do motor.
Na análise de vibração e ruído na estrutura do motor, vê-se que as maiores fontes de
vibrações e ruídos são produzidas pelas forças devido à combustão e as forças
mecânicas. Essas forças ocorrem numa ampla faixa de freqüência e são transmitidas
para a superfície externa do motor através de diversos caminhos; um deles é através do
mecanismo pistão - biela - virabrequim - bloco do motor. Como resultado da atuação
destas forças, as superfícies externas do motor ficam sujeitas a vibrações de diversas
amplitudes (GERGES, S. N. Y., 2005).
38
Para se obter uma redução e controle do nível de vibração total da estrutura do motor,
deve se reduzir a amplitude vibracional nessas superfícies. Esse controle através da
modificação de sua estrutura é uma tarefa complexa e requer considerações de diversos
aspectos da engenharia, tais como: o conhecimento de elementos finitos, análise modal,
analise de amortecimento, análise de isoladores, análise de serie de tempo, entre outros.
Novos desenvolvimentos estão sendo realizados para serem aplicados a problema
típicos em motores. Um exemplo é a aplicação conjunta das técnicas analíticas e
experimentais, para estudos de estruturas submetidas a altas amplitudes de vibrações
(GERGES, S. N. Y. 2005).
39
3 METODOLOGIA
A metodologia envolve o procedimento experimental para a realização de ensaios em
motores de combustão interna, tais procedimentos envolvem equipamentos utilizados,
instrumentação motor, equipamentos de aquisições de dados e os procedimentos de
cálculos e tratamento dos dados experimentais.
3.1 Equipamentos e instrumentos utilizados nos ensaios.
3.1.1 Dinamômetro.
No primeiro ensaio utilizou-se um dinamômetro hidráulico modelo FE 150s passivo,
que é um dispositivo destinado a absorção e medição de potência produzida por uma
fonte capaz de acioná-lo, no caso, o motor de combustão interna. Para que funcione, é
necessário o suprimento de um fluxo de água contínuo, para absorver a energia
mecânica gerada no processo. A figura 3.1 mostra a fotografia de um dinamômetro
hidráulico (Borghi & Saveri Itália, 1999).
Figura 3.1 Dinamômetro hidráulico ( Borghi & Saveri Itália, 1999).
No segundo ensaio utilizou-se um dinamômetro elétrico W 130. Esse equipamento
utiliza correntes magnéticas para frear o motor. A figura 3.2 mostra a fotografia de um
dinamômetro elétrico (Borghi & Saveri Itália, 1999).
40
Figura 3.2 Dinamômetro elétrico ( Borghi & Saveri, 1999).
3.1.2 Tacômetro digital.
Esse instrumento foi utilizado para medir e aquisitar a rotação do motor. Essa mediçao
foi feita na roda fonica (polia fixada na extremidade do eixo virabrequim). A figura 3.3
mostra o tacometro digital utilizado nos ensaios.
Figura 3.3 Tacômetro digital.
3.1.3 Vela de ignição instrumentada.
Esse instrumento foi utilizado para medir a pressão de combustão do motor. A idéia
inicial do trabalho era de coletar as pressões de combustões dos quatro cilindros, mas
em virtude da não disponibilidade das velas, optou-se por medir a pressão de combustão
do primeiro cilindro. A pressão dentro do cilindro é medida por um sensor instalado na
vela de ignição, que é capaz de resistir às altas pressões e temperaturas dentro do
41
cilindro. A figura 3.4 mostra a vela de ignição instrumentada. Os valores de pressão no
cilindro foram aquisitados e armazenados no Software INDICOM.
Figura 3.4 Vela de ignição instrumentada.
3.1.4 Equipamentos de aquisições de dados.
Os aparelhos de aquisição de dados utilizados nos ensaios foram o Software LMS TEST
LAB e o Software “INDICOM” da AVL.
3.2 Montagem experimental.
Utilizou-se dois acelerômetros tri axiais fixados nos 1° e 5° mancais fixos do eixo
virabrequim lado distribuição e transmissão respectivamente. Para implantação desses
acelerômetros foi necessário a retirada do Carter para se ter acesso aos mancais. No
próprio carter foi feito dois furos de forma a permitir a ligação, via fio, dos
acelerômetros ao equipamento de aquisição de dados (LMS TEST LAB). Como forma
de se evitar vazamento do óleo no período de funcionamento do motor, em virtude dos
furos mencionados, utilizou-se uma pasta de silicone de alta perfomance para vedação
de flange. A figura 3.5 mostra a montagens dos acelerômetros nos mancais fixos do
virabrequim lado transmissão e distribuição. Utilizou se um 3° acelerômetro no bloco
do motor junto ao sensor de detonação. A instalação deste ultimo sensor foi mais
simples em relação aos dois primeiros, visto exigir apenas a fixação com cola especial
na superfície do bloco.
42
Figura 3.5 Montagem dos acelerômetros nos mancais fixos lado transmissão e distribuição.
Para instalação dos acelerômetros, como mostrado na figura acima, os mancais tiveram
que ser removidos e usinados de forma a permitir a fixação dos sensores.
Utilizou-se também microfones adaptados junto aos coletores de admissão e descarga
com a finalidade de registrar os dados de pressão no interior desses condutos. Os dados
referentes a essas medições foram aquisitadas no Software “INDICOM” da AVL.
3.3 Procedimentos experimentais Utilizou-se no primeiro trabalho um motor flex 8 válvulas de baixa cilindrada. O ensaio
foi realizado na condição de plena carga, ou seja, com 100% de abertura da válvula
borboleta. Utilizou-se também como condição para aquisição dos dados a temperatura
media da água em torno de 95°C e do óleo em 135°C. O ensaio foi realizado em
rotações especificas entre 1000 a 6000 RPM com incrementos de 500 em 500 RPM.
Nesse ensaio utilizou-se o óleo lubrificante 5W30 SL INFINEUM e combustível
gasolina. Posteriormente repetiu-se o experimento com o mesmo óleo, porem o
combustível utilizado foi o etanol. O ensaio consistiu em funcionar o motor na rotação
especifica e após estabilização das temperaturas da água e óleo os dados (medidos
referentes aos acelerômetros e vela instrumentada) foram aquisitados e armazenados no
Software LMS TEST LAB.
O segundo teste utilizou-se um motor 8 válvulas de media cilindrada. Esse ensaio foi
realizado nas rotações de 1500 RPM com carga parcial (16% da abertura da válvula
43
borboleta), 2250 RPM com carga parcial e total, 3875 RPM com carga parcial e total e
5500 RPM com carga total. Utilizou-se o óleo lubrificante 15W40 e combustível
gasolina. Os dados medidos referentes aos microfones e a vela instrumentada foram
aquisitados e armazenados no Software INDICOM.
3.4 Análise dos dados experimentais.
Após analise inicial dos dados, referente ao primeiro ensaio, decidiu-se por utilizar as
rotações especificas de 1500 RPM, 4000 RPM (rotação de torque Maximo) e 6000
RPM (rotação de potencia máxima). Para melhor visualização dos resultados
transformou-se os dados originais que foram medidos no domínio do tempo para o
domínio da freqüência, o Software utilizado foi o LMS TEST LAB. Plotou-se para cada
rotação citada acima os gráficos de aceleração em função da freqüência para os
acelerômetros e pressão em função da freqüência para vela instrumentada. Realizou-se
esse procedimento tanto para o ensaio utilizando etanol quanto para o ensaio com
gasolina. Os resultados obtidos pelos acelerômetros fixados nos mancais ficaram
parecidos tanto nos ensaios realizados com etanol quanto nos ensaios realizados com
gasolina, em virtude disso decidiu-se descartar os dados do acelerômetro lado
transmissão e trabalhar com os dados do acelerômetro lado distribuição.
Na seqüência comparou-se os resultados, plotando no mesmo gráfico, os dados dos
ensaios com etanol e gasolina levando em conta a rotação e a orientação do
acelerômetro (como os acelerômetros são tri axiais eles são capazes de captar sinais de
vibrações nos três eixos ortogonais). Na seqüência subtraiu-se os dados do etanol em
relação aos dados da gasolina e obteve-se gráficos com uma única curva que representa
a diferença de vibração entre etanol e gasolina.
No segundo ensaio os dados medidos referentes às rotações de 1500 RPM com carga
parcial, 2250 RPM com carga parcial e total, 3875 RPM com carga parcial e total e
5500 RPM com carga total foram previamente aquisitados e armazenados no Software
INDICOM e no osciloscópio. Decidiu-se exportar os dados, através de um arquivo de
texto txt, para o Software MATLAB. No MATLAB plotou-se para cada rotação citada
acima os gráficos de pressão de combustão no cilindro, pressão no coletor de admissão,
pressão no coletor de descarga e rotação do motor todos em função do tempo. Para
44
melhor visualização dos resultados transformou-se os gráficos que estavam no domínio
do tempo para o domínio da freqüência. Na seqüência para cada rotação e tipo de carga
(parcial ou total) agruparam-se no mesmo gráfico os parâmetros pressão de combustão
no cilindro, pressão no coletor de admissão, pressão no coletor de descarga e rotação do
motor. Não foi possível uma análise perfeita nesses gráficos em virtude da grande
diferença de pressão entre o cilindro (pressão de combustão) e os coletores de admissão
e descarga. Decidiu-se então dividir os valores das amplitudes de pressão no cilindro,
pressão no coletor de admissão e coletor de descarga por valores específicos de forma a
deixar os parâmetros na mesma ordem de grandeza e assim facilitar a visualização dos
resultados. Ressalta-se que esse procedimento não interfere nos resultados, visto que, o
que é importante na análise são os picos de freqüências dominantes e não as amplitudes.
As tabelas de 3.1 a 3.6 mostram as amplitudes originadas da transformada de Fourier, o
fator de correção pelo qual a amplitude original foi dividida e a amplitude corrigida.
Tabela 3.1 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida.
Tabela 3.2 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida
ParâmetrosAmplitude
original
Fator de
correçao
Amplitude
corrigida
Cilindro 492300 246150 2
Admissao 1362 972,8571 1,4
Exaustao 3439 1910,556 1,8
Rotaçao 29,52 29,52 1
1500 carga parcial
ParâmetrosAmplitude
original
Fator de
correçao
Amplitude
corrigida
Cilindro 399500 199750 2
Admissao 1236 882,8571 1,4
Exaustao 4506 2503,333 1,8
Rotaçao 7,701 7,701 1
2500 carga parcial
45
Tabela 3.3 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida
Tabela 3.4 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida
Tabela 3.5 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida
Tabela 3.6 - Amplitudes originadas da transformada de Fourier, fator de correção e amplitude corrigida
ParâmetrosAmplitude
original
Fator de
correçao
Amplitude
corrigida
Cilindro 697300 348650 2
Admissao 2951 2107,857 1,4
Exaustao 8257 4587,222 1,8
Rotaçao 21,05 21,05 1
2500 carga total
ParâmetrosAmplitude
original
Fator de
correçao
Amplitude
corrigida
Cilindro 269200 134600 2
Admissao 2292 1637,143 1,4
Exaustao 2591 1439,444 1,8
Rotaçao 11,66 11,66 1
3875 carga parcial
ParâmetrosAmplitude
original
Fator de
correçao
Amplitude
corrigida
Cilindro 769500 384750 2
Admissao 5010 2783,333 1,8
Exaustao 4856 3468,571 1,4
Rotaçao 27,67 27,67 1
3875 carga total
ParâmetrosAmplitude
original
Fator de
correçao
Amplitude
corrigida
Cilindro 686400 343200 2
Admissao 11150 6194,444 1,8
Exaustao 9468 6762,857 1,4
Rotaçao 21,56 21,56 1
5500 carga total
46
Estipulou-se as freqüências dominantes referentes a cada rotação, isso foi feito
dividindo a rotação nominal medida em RPM por 60, o que resulta em valores em Hz.
A tabela 3.1 mostra as rotações de ensaio, as freqüências dominantes e seus múltiplos
também conhecidos como harmônicos.
Tabela 3.1- Rotação de ensaio e freqüência dominante e seus harmônicos ate a décima ordem.
A fim de relacionar possíveis fontes de excitação de vibrações com algumas amplitudes
de freqüência, calculou-se as freqüências de ressonância dos coletores de admissão,
descarga e plenum. As equações 3.1 e 3.2 propostas por Kinsler,1980 são utilizadas para
o cálculo dessas freqüências.
����. = � × � ��×� ( 3.1)
Onde:
C= velocidade de propagação do som no ar. S= área de seção transversal. L=comprimento do tubo. Vo= volume do plenum.
����. = � × ?@×� ( 3.2)
Onde:
C= velocidade de propagação do som no ar.
ROTAÇAO 1/2N N 2N 3N 4N 5N 6N 7N 8N 9N 10N
1500 12,50 25,00 50,00 75,00 100,00 125,00 150,00 175,00 200,00 225,00 250,00
2250 18,75 37,50 75,00 112,50 150,00 187,50 225,00 262,50 300,00 337,50 375,00
3875 32,29 64,58 129,16 193,74 258,32 322,90 387,48 452,06 516,64 581,22 645,80
5500 45,83 91,67 183,34 275,01 366,68 458,35 550,02 641,69 733,36 825,03 916,70
47
N= numero de harmônicos. L=comprimento do tubo. A fim de determinar os modos de vibrações do eixo virabrequim utilizaram-se os
softwares SOLID WORK para desenhar a peça e o ANSYS para fazer a simulação.
48
4 RESULTADOS E DISCURSSÕES
Os gráficos apresentados nas figuras de 4.1 a 4.9 mostram as diferenças de vibrações
encontras nos ensaios realizados com etanol e gasolina nas rotações de 1500, 4000 e
6000 RPM. As curvas mostradas nos gráficos representam essas diferenças, assim
quando a curva estiver acima de zero significa que a intensidade de vibração do etanol é
maior que na gasolina e abaixo de zero o contrario.
Vibração no mancal lado distribuição.
Figura 4.1 Diferença de vibração transversal ao eixo a 1500 RPM.
Vibração no mancal lado distribuição.
Figura 4.2 Diferença de vibração longitudinal ao eixo a 1500 RPM.
Vibração no bloco do motor
49
Figura 4.3 Diferença de vibração no bloco do motor longitudinal ao veiculo a 1500 RPM.
Observando os gráficos acima se constata que na rotação de 1500 RPM não se consegue
definir qual combustível (etanol ou gasolina) os mancais e o próprio motor vibram com
maior intensidade, uma vez que as amplitudes de vibrações são mais ou menos iguais,
observa-se baixas freqüências de vibrações em torno de 160 Hz.
Os gráficos 4.4, 4.5 e 4.6 mostram os resultados dos ensaios realizados a 4000 RPM,
observa-se neles aumento de intensidade de vibração nos mancais e no bloco do motor
em relação aos ensaios em 1500 RPM.
Vibração no mancal lado distribuição.
Figura 4.4 Diferença de vibração transversal ao eixo a 4000 RPM.
Vibração no mancal lado distribuição.
50
Figura 4.5 Diferença de vibração longitudinal ao eixo a 4000 RPM.
Vibração no bloco do motor
Figura 4.6 Diferença de vibração no bloco do motor longitudinal ao veiculo a 4000 RPM.
Observando os gráficos 4.4, 4,5 e 4.6 se constata que, na rotação de 4000 RPM, a
intensidade de vibração no ensaio realizado com etanol é maior que no ensaio realizado
com gasolina tanto nos mancais quanto no bloco do motor. Outro fato observado é que
na direção longitudinal ao eixo a intensidade de vibração foi maior que na direção
transversal, isso se justifica pelo fato das folgas na direção longitudinal ao eixo serem
maiores que direção transversal. Observa-se nessa rotação medias freqüências de
vibrações em torno de 400 a 600 Hz.
51
Os gráficos 4.7, 4.8 e 4.9 mostram os resultados dos ensaios realizados a 6000 RPM,
observa-se neles aumento da intensidade de vibração tanto nos mancais quanto no bloco
do motor em relação aos ensaios em 1500 e 4000 RPM, outro observado é o aumento
das freqüências de vibrações em torno de 1000 Hz para o eixo virabrequim e 2000 Hz
para o bloco do motor.
Vibração no mancal lado distribuição.
Figura 4.7 Diferença de vibração transversal ao eixo a 6000 RPM.
Vibração no mancal lado distribuição.
Figura 4.8 Diferença de vibração longitudinal ao eixo a 6000 RPM.
52
Vibração no bloco do motor
Figura 4.9 Diferença de vibração no bloco do motor longitudinal ao veiculo a 6000 RPM.
Os gráficos 4.1 a 4.9 mostram que os níveis de vibrações nos ensaios realizados com
etanol são maiores que nos ensaios realizados com gasolina e na medida em que se
aumenta a rotação do motor à intensidade vibracional também aumenta. O que explica
esses fatores é que o etanol tem maior poder de resistência a se inflamar em altas
pressões e temperaturas na câmera de combustão em relação à gasolina. Assim no motor
abastecido com etanol tem-se o adiantamento do ponto de ignição, ou seja, a centelha é
adiantada em relação ao PMS, isso faz com que a biela trabalhe mais inclinada
aumentando as forças laterais do conjunto biela pistão batendo na parede do cilindro,
com isso há o aumentando da vibração no motor. O que explica o aumento das
freqüências de vibrações com o aumento de rotação do motor é o aumento do efeito
giroscópio, ou seja, aumento de impactos do eixo nas bronzinas em função das folgas.
Os gráficos 4.10 e 4.11 apresentam as diferenças de pressão de combustão nos ensaios
realizados com etanol e gasolina nas rotações de 4000 e 6000 RPM em função do
ângulo de rotação do eixo virabrequim.
53
Pressão de combustão
Figura 4.10 Diferença de pressão de combustão entre etanol e gasolina a 4000 RPM.
Pressão de combustão
Figura 4.11 Diferença de pressão de combustão entre etanol e gasolina a 6000 RPM.
Observa-se nos gráficos 4.10 e 4.11 que na rotação de 4000 RPM a diferença de pressão
de combustão é maior que na rotação de 6000 RPM, isso ocorre porque 4000 RPM
corresponde à região de máximo torque do motor onde são apresentados os maiores
carregamentos dinâmicos do motor.
54
As figuras de 4.12 a 4.17 mostram os gráficos de pressão no cilindro, pressão no coletor
de admissão, pressão no coletor de descarga e rotação do motor. O ensaio foi realizado
nas rotações de 1500 RPM com carga parcial, 2250 RPM com carga parcial e total,
3875 RPM com carga parcial e total e 5500 RPM com carga total. Para melhor
visualização os gráficos são apresentados no domínio da freqüência.
Abaixo são apresentadas as freqüências dominantes em função da rotação do motor:
1500 RPM – 25 Hz.
2250 RPM – 37.5 Hz.
3875 RPM – 64.58 Hz.
5500 RPM – 91.67 Hz.
Nos geral se observa que as curvas de pressões de combustões apresentam amplitudes
de freqüências em meia rotação, o causa o comportamento continuo e uniforme dessa
curva ate 400 Hz.
No geral se observa que nas curvas de rotações há amplitudes de freqüências bem
definidas em 2, 4, 6 e 8x a freqüência dominante. Essas freqüências são influenciadas
pela pressão de combustão no cilindro. Isso se explica pelo fato de haver quatro
combustões (uma por cilindro) em 720° de rotação do eixo virabrequim, que equivale a
duas voltas do eixo. Portanto considerando 360° tem-se duas combustões ocorrendo o
que faz aparecer essas amplitudes em múltiplos de 2 a partir da freqüência dominante.
Nessa mesma curva é visível uma amplitude de freqüência próxima de 300 Hz em todas
as rotações. Estima-se que essa excitação esteja relacionada com algum evento ligado
ao eixo virabrequim, pode ser: o primeiro modo de vibração flexional, primeiro modo
de vibração torcional ou a freqüência natural do eixo. Essa questão será abordada mais
adiante.
Nas curvas referentes aos coletores aparecem amplitudes de freqüência que não sofre
influência nem pela pressão de combustão nem pela rotação do motor, a saber, 137 a
240 Hz na admissão e de 450 a 680 Hz na descarga, adiante será adotada uma
metodologia para relacionar as possíveis fontes de excitação dessas freqüências.
55
Figura 4.12 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor.
Figura 4.13 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor.
12.525 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 700
0
0.5
1
1.5
2
FFTs a 1500 rpm em carga parcial
frequencia(Hz)
Am
plitu
de c
orrig
ida
FFT da pressão de combustão no cilindroFFT da rotação do motorFFT da pressão no coletor de admissãoFFt da pressão no coletor de descarga
18.7537.5 75 112.5 150 187.5 225 262.5 300 337.5 375 412.5 450 487.5 525 562.5 600 637.5 675 712.5
0
0.5
1
1.5
2
FFTs a 2250 rpm com carga parcial
frequencia(Hz)
Am
plitu
de c
orrig
ida
FFT da pressão de combustão no cilindroFFT da rotação do motorFFT da pressão no coletor de admissãoFFt da pressão no coletor de descarga
56
Figura 4.14 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor.
Figura 4.15 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor.
18.737.5 75 112.5 150 187.5 225 262.5 300 337.5 375 412.5 450 487.5 525 562.5 600 637.5 675 712.5
0
0.5
1
1.5
2
FFTs a 2250 rpm com carga total
frequencia(Hz)
Am
plitu
de c
orrig
ida
FFT da pressão de combustão no cilindroFFT da rotação do motorFFT da pressão no coletor de admissãoFFt da pressão no coletor de descarga
32.29 64.58 129.16 193.74 258.32 322.9 387.48 452.06 516.64 581.22 645.8 710.38
0
0.5
1
1.5
2
2.5
FFTs a 3875 rpm com carga parcial
frequencia(Hz)
Am
plitu
de c
orrig
ida
FFT da pressão de combustão no cilindroFFT da rotação do motorFFT da pressão no coletor de admissãoFFt da pressão no coletor de descarga
57
Figura 4.16 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor.
Figura 4.17 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor.
32.29 64.58 129.16 193.74 258.32 322.9 387.48 452.06 516.64 581.22 645.8 710.38
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
FFTs a 3875 rpm com carga total
frequencia(Hz)
Am
plitu
de c
orrig
ida
FFT da pressão de combustão no cilindroFFT da rotação do motorFFT da pressão no coletor de admissãoFFt da pressão no coletor de descarga
45.83 91.67 183.34 275.01 366.68 458.35 550.02 641.69 733.36
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
FFTs a 5500 rpm com carga parcial
frequencia(Hz)
Am
plitu
de c
orrig
ida
FFT da pressão de combustão no cilindroFFT da rotação do motorFFT da pressão no coletor de admissãoFFt da pressão no coletor de descarga
58
As tabelas 4.1 e 4.2 mostram respectivamente os cálculos das freqüências de
ressonância dos coletores de admissão e descarga levando em conta os comprimentos
dos tubos centrais, tubos laterais dos coletores, volume do plenum no coletor de
admissão e volume do silencioso no coletor de descarga. Os cálculos têm o objetivo de
avaliar se alguma das freqüências de ressonância esteja atuando como fonte de
excitação, uma vez que há a presença de freqüências de vibrações destacadas e quase
constantes em todas as rotações tanto na curva de admissão quanto na curva de
descarga. Essa metodologia de cálculo utilizou as equações 3.1 e 3.2 mostradas na
pagina 46.
Na curva de admissão essas freqüências aparecem numa faixa que varia de 137 a 250
Hz. Nos cálculos, como de observa na tabela abaixo, os valores são o dobro. Conclui-se
que o coletor de admissão é uma fonte excitadora, cujas freqüências de excitação são
mais ou menos a metade da freqüência de ressonância.
Tabela 4.1 – Calculo das freqüências de ressonância no coletor de admissão.
Na curva de descarga as freqüências aparecem numa que varia de 450 a 680 Hz. A
tabela abaixo mostra que os valores calculados estão na mesma ordem de grandeza,
considerando as duas primeiras situações. Conclui-se que o coletor de descarga é uma
fonte excitadora, cujas freqüências de excitação são mais ou menos igual à freqüência
de ressonância.
freq.
Ressonan
cia (Hz)
467,2715
468,2596
447,9342
449,8307
992,2789Considerando o plenum e a distancia da valvula borborleta ate a entrada do plenum
condiçao
Considerando o plenum e comprimento lateral do tubo do coletor
Considerando o plenum e comprimento central do tubo do coletor
Considerando o comprimento lateral do tubo do coletor
Considerando o comprimento central do tubo do coletor
Freqüência de ressonância no coletor de admissão
59
Tabela 4.2 – Calculo das freqüências de ressonância no coletor de descarga.
A tabela 4.3 mostra o resultado da simulação feita do eixo virabrequim no software
ANSYS, o objetivo dos cálculos é relacionar algum modo de vibração a freqüência de
300 Hz encontradas nas curvas de rotação. Verifica-se pela tabela que a freqüência esta
sendo excitada pelo primeiro modo de vibração torcional do eixo virabrequim.
Tabela 4.3 – modos de vibração do eixo virabrequim.
freq.
Ressonan
cia (Hz)
417,7941
757,6382
1064,563
3500,824
Freqüência de ressonância no coletor de descarga
condiçao
Considerando o silencioso comprimento lateral do tubo do coletor
Considerando o silencioso e comprimento central do tubo do coletor
Considerando o comprimento lateral do tubo do coletor
Considerando o comprimento central do tubo do coletor
frequencia (Hz)
134,21
190,61
278,4
Modos de vibração do eixo virabrequim
Primeiro modo de vibraçao flexional vertical
Primeiro modo de vibraçao flexional horizontal
Primeiro modo de vibraçao torcional
60
5 CONCLUSÕES.
Verificou-se que no geral o nível de vibração nos motores abastecidos com etanol é
maior que nos motoros abastecidos com gasolina, isso se deve ao fato dos motores a
etanol trabalharem com a biela mais inclinada em função do maior avanço de ignição o
que faz aumentar as forças laterais.
Aumentando-se a rotação do motor aumenta-se o nível de vibração tanto no bloco
quanto no eixo, a vibração no bloco esta relacionada com o aumento das forças laterais
e a vibração no eixo esta relacionada ao aumento do efeito giroscópio.
Observou-se que a pressão de combustão é maior na região de torque maximo do que na
região de potência máxima.
O primeiro modo de vibração torcional do eixo virabrequim influencia na curva de
rotação do modo excitando uma freqüência de 300 Hz.
61
6. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS.
Realizar ensaios comparativos de vibração em um motor de combustão interna
utilizando óleos diferentes e assim verificar a influencia do lubrificante nos motores no
que se refere a absorver ruídos e vibrações, uma vez que uma das propriedades do
lubrificante é reduzir os níveis de vibração em componentes mecânicos.
62
7 REFERNCIAS BIBLIOGRAFICAS
BAÊTA, J. G. Metodologia Experimental para a Maximização do Desempenho de um
Motor Multicombustível Turbo alimentado sem Prejuízo à Eficiência Energética
Global. Belo Horizonte: Tese de Doutorado, Engenharia Mecânica, UFMG, 2006.
BARROS, J. E. M. Estudo de Motores de Combustão Interna Aplicando Analise
Orientada a Objetos
Belo Horizonte: Engenharia Mecânica, UFMG, 2003.
BOSCH, R. Manual de Tecnologia Automotiva. 25.ed. São Paulo: Edgard Blücher,
2005. 1232 p.
GANESAN, V. Internal Combustion Engines. 1.ed. New York: McGraw-Hill, Inc.,
1995. 540 p.
GERGES, SAMIR NAGI YOUSRI Ruídos e Vibrações veiculares. 1° edição –
Florianópolis - 2005.
GIACOSA, D. Motores Endotérmicos. Editorial Dossat S.A. Madrid, 2004.
HEYWOOD, John B. Internal Combustion Engine Fundamentals. 1.ed. New York:
McGraw-Hill, Inc., 1988. 930 p.
OBERT, E. F. Motores de Combustão Interna. Porto Alegre: Ed. Globo, 1971. 618 p.
SILVA,C,W Vibration: Fundamentals and Practice Boca Raton: CRC Press LLC, 2000
TAYLOR, C. F. Análise dos Motores de Combustão Interna. 1.ed. São Paulo: Edgard
Blücher, 1968. 558 p.