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EXPERIÊNCIA Nº 1 – DESEMPENHO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO

INTERNA

1. OBJETIVO DO EXPERIMENTO

Levantar curvas de desempenho de um motor de combustão interna alternativo, ciclo

4 tempos, estacionário, a rotação constante.

2. INTRODUÇÃO

2.1. Ensaios de motores de combustão interna

Na indústria, os ensaios de motores de combustão interna são feitos em geral com os

seguintes objetivos:

a) Levantamento das curvas características;

b) Verificação do desempenho do conjunto e de componentes específicos;

c) Ajustes e regulagens do conjunto e de componentes específicos;

d) Desenvolvimento de novos projetos.

2.2. Curvas características

Propriedades

As propriedades, conjugado na árvore de manivelas ou torque (T), potência ( ) e

consumo especifico (Ce), são as que serão utilizadas para o "levantamento" das curvas

características de um motor de combustão interna, todas elas obtidas em função da

rotação para motores em que se pode controlar a quantidade de ar e combustível

admitidas (caso dos motores de automóveis). Estas curvas estão mostradas na Fig. 1.

No caso de motores estacionários, que acionam maquinas que necessitam de rotação

constante (como geradores e bombas), estas curvas são apresentadas em função do

consumo total de combustível. Normalmente estes motores apresentam um governador

(mecânico ou eletrônico) que aciona a borboleta do ar do carburador de modo que com

o aumento da carga (torque) sobre o eixo do motor, ele corrige a posição da borboleta

de forma a manter a rotação constante. Como a posição da borboleta de ar também atua

sobre o controle de combustível (por válvula agulha regulável) ou por diferença de

velocidade no Venturi, consegue-se a compensação adequada à nova carga.

Figura 1. Curvas características de um motor

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2.3 Torque ou conjugado na árvore de manivelas

Como mostra a Fig. 2, o conjunto pistão-biela-manivela, faz aparecer um momento

instantâneo (Ta) no eixo do motor, causado pela força tangencial (Ftan).

Figura 2. Forças aplicadas à árvore de manivelas de um motor.

Na Fig. 2, Ft é a força total; Fb é a força na biela; Ftan é a força tangencial e Ta é o

torque instantâneo. Embora o raio da manivela seja constante, esse momento varia com

o ângulo α, que a manivela faz com relação à linha de centro do cilindro. Com o

funcionamento do motor a uma dada rotação se obtém um momento médio positivo que

será chamado de torque (T).

2.4. Potência e consumo

Para um motor de combustão interna, são definidas quatro potências:

Potência Térmica ( ) é o calor fornecido por unidade de tempo pela queima do

combustível; onde: PCI é o poder calorífico inferior do combustível, ou seja, energia

por unidade de massa, é a vazão em massa de combustível que o motor consome.

(1)

Potência indicada ( ) é a potência desenvolvida na cabeça dos pistões;

Potência de atrito ( ) é a potência consumida pelas resistências internas do motor;

Potência efetiva ( ) é a potência medida no eixo do motor.

– (2)

Ft

Fb

Ta

Ftan

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3

Onde pode ser expresso em função do torque (T) e do número de rotação do motor

(n), normalmente expresso em rotações por minuto ou rpm.

(3)

Onde é a velocidade angular do motor.

2.4.1 Rendimentos

Rendimento térmico indicado (ηi): Conhecido também apenas como rendimento

térmico, sendo expresso por:

(4)

Rendimento mecânico (ηm): Engloba as perdas por atrito do motor. Pode ser

medido com um ensaio especifico chamado Ensaio de Atrito Interno e só pode ser

realizado com dinamômetro elétrico que permita acionar o motor de combustão

desligado. Teoricamente:

(5)

Rendimento térmico efetivo (ηe): Conhecido também como rendimento global do

motor ou como eficiência térmica.

(6)

Sendo que: ηe = ηi.ηm (7)

Rendimento volumétrico (ηv): É a relação entre a massa de ar realmente admitida

pelo motor e a massa de ar que poderia ser admitida se as condições de entrada (patm e

tamb) fossem mantidas.

Para um motor de 4 tempos, com volume deslocado igual a Vs o rendimento

volumétrico é dado por:

(8)

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4

2.4.2 Consumo específico (Ce)

Ce =

(9)

Onde, c é a vazão em massa de combustível que o motor consome e é a

potencia efetiva.

A figura 3 mostra a distribuição das potências e rendimentos pelo motor.

Figura 3. Potências e rendimentos em um motor

2.5. Dinamômetro (freio dinamométrico)

Equipamento destinado a determinar o torque e a potência efetiva de um motor de

combustão interna. Basicamente se compõe de um rotor e um estator com um elemento

de acoplamento entre eles, que pode ser água ou um fluxo elétrico, sendo chamado de

dinamômetro hidráulico ou dinamômetro elétrico respectivamente (Fig.4).

Figura 4. Esquema de um dinamômetro

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5

2.6. Medida do torque e da potência

2.6.1 Freio de Prony - É um elemento usado com finalidade didática que é utilizado

para se compreender o funcionamento dos dinamômetros. Foi também utilizado no

passado como dinamômetro. Está esquematizado na Fig. 5.

Figura 5. Freio de Prony

Ao acelerarmos o motor, a sua rotação tende a aumentar. Apertando-se na cinta

ajustável, freia-se o volante do motor, conseguindo o equilíbrio dinâmico mantendo,

portanto a rotação constante. Devido à ação motora (momento), aparece no braço uma

força que será lida no medidor. Logo,

T = F.b (10)

Onde T é o torque do motor; F é a força lida no medidor e b é o comprimento do

braço do dinamômetro.

2.6.2 Dinamômetro hidráulico

Um dinamômetro hidráulico de alta potência, para altas e baixas rotações, é

composto por uma carcaça contendo dentro um rotor com vários alvéolos semielípticos,

de frente para igual número de alvéolos semelhantes, na face interna da carcaça. A água,

admitida para a carcaça, passa através de furos existentes nos alvéolos, atingindo os do

rotor. A potência do motor em prova é dissipada pela água entre a carcaça e o rotor. A

absorção de energia se manifesta pelo aumento de temperatura da água, que deve estar

disponível em quantidade suficiente para absorver a potência máxima.

2.7. Medida do consumo de combustível

2.7.1 Método em massa

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No prato de uma balança coloca-se um reservatório de combustível, que irá alimentar

o motor. Utilizando-se da escala da balança como referência, quando o ponteiro passar

por um valor conhecido aciona-se um cronômetro e quando o ponteiro passar por um

novo valor conhecido, desliga-se o cronômetro. Teremos então uma massa consumida

num certo tempo (t), o que é exatamente a vazão em massa de combustível (mc)

consumido. Ver esquema na Fig. 6.

Figura 6. Método de medição de consumo por balança.

2.7.2 Método em volume

Utiliza-se um rotâmetro (medidor de vazão em volume mostrado na Fig. 7), na linha

de alimentação de combustível para o motor, que irá fornecer direto o volume de

combustível consumido por unidade de tempo. A desvantagem deste método é que é

necessário conhecer a massa específica do combustível, para determinar a vazão em

massa.

Figura 7. Rotâmetro, medidor de vazão volumétrica.

Na falta do rotâmetro, pode-se utilizar uma bureta graduada e um cronômetro (Fig.8),

executando-se um processo semelhante ao do método em massa, só que será medido o

volume (Vc) consumido por tempo (t).

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Figura 8. Bureta para medida volumétrica do consumo de combustível.

2.8. Medida do consumo de ar (flow-box)

A figura 9 mostra um equipamento que utiliza um medidor de “placa de orifício”

para a medida de consumo de ar. Seu princípio básico de funcionamento leva em conta

que a admissão de ar para o motor é pulsante, não sendo, portanto um escoamento em

regime permanente. Para resolver esse problema, a tomada de ar para o motor é feita em

um tanque que, devido ao seu tamanho, elimina a pulsação, fazendo que pelo “orifício”

exista uma vazão constante de ar. A pressão dentro tanque será medida por um

micromanômetro diferencial, com escala em mmca.

Figura 9. Sistema para medição da vazão de ar.

Aplicando-se a equação de Bernoulli entre as seções (1) e (2) teremos:

Onde, para escoamento incompressível:

v1 << v2

(1)

L

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8

ar = .g = cte.

P1 – P2 = h .H2O

Onde h = L senθ , sendo θ a inclinação do tubo de leitura do manômetro (OBS

alguns manômetros, como é o caso do deste experimento, já possuem L senθ na escala).

Portanto: √

(11)

A vazão teórica é:

√

(12)

Sendo a vazão real: Qr = Cd,o Qt (13)

e sendo a vazão mássica: ar = ar Qr

A densidade do ar pode ser determinada considerando-o como um gás ideal:

(14)

Temos,

√ (15)

Onde, ar é a vazão mássica de ar realmente admitida pelo motor.

Quando o ar é admitido para o motor, à medida que ele se aproxima do cilindro,

sofre aquecimento e perda de pressão e, portanto a sua massa específica (ar) diminui.

Devido a essa diminuição, a massa de ar realmente admitida pelo motor, é menor do que

a que caberia no cilindro, se as condições de entrada, Patm e Tamb , fossem mantidas.

2.9. Razão ar/combustível

É a relação entre a massa de ar e a massa de combustível que formam a mistura que

será admitida pelo motor (λ), ou seja:

(16)

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A razão ar/combustível estequiométrica (ou teórica) é obtida considerando a

quantidade de ar necessária para a combustão completa do combustível, sendo

representada por e. Seu valor normalmente é utilizado como referência.

Em condições reais, para que a combustão completa ocorra, deve ser maior que e.

Exemplo: Cálculo da vazão ar/combustível estequiométrica (e) para a gasolina:

C8H18 + 12,5 O2 + 47 N2 8 CO2 + 9 H2O + 47 N2

Massa de combustível: 8x12 + 18x1 = 114 kg

Massa de ar: 12,5 x 32 + 47 x 28 = 1716 kg

Logo: e =15

A razão entre a relação ar combustível real e a estequiométrica () é conhecida como

excesso de ar, podendo ser maior ou menor que a unidade.

(17)

Se φ > 1 teremos uma mistura pobre . Se φ = 1 teremos mistura estequiométrica. Se

φ < 1 teremos mistura rica.

2.9.1 Influência do tipo de mistura no comportamento do motor.

- Mistura muito rica (limite rico)

O excesso de combustível dificulta a propagação da chama, provocando uma

instabilidade na rotação do motor. Provoca também um resfriamento da câmara de

combustão e em consequência disso a extinção da chama, impedindo o motor de

funcionar. (motor “afogado”)

- Mistura de máxima potência

É uma mistura levemente rica, que na condição de plena carga do motor produz a

máxima potência.

- Mistura econômica

É uma mistura levemente pobre, que devido ao excesso de ar permite a queima

completa do combustível. Nesta condição o motor pode produzir o mínimo consumo

específico.

- Mistura muito pobre (limite pobre)

Devido ao excesso de ar, a chama se torna excessivamente lenta, mantendo a

combustão durante grande parte da expansão, provocando o superaquecimento da

câmara de combustão.

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3. SISTEMA EXPERIMENTAL

A bancada de instrumentação é projetada para operar junto com o motor em teste.

A fotografia da bancada dinamométrica é vista na Fig. 10, enquanto a vista da

bancada de instrumentação é mostrada na Fig. 11.

Figura 10. Vista da bancada dinamométrica junto ao motor a ser ensaiado.

Figura 11. Painel de controle da bancada

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3.1. Medição da velocidade de rotação do motor

A velocidade do motor é medida eletronicamente por um sistema de contagem

de pulsos. Um sensor óptico é montado sobre o chassi do dinamômetro contendo um

transmissor e receptor de infravermelho. Um disco rotativo com fendas radiais é

colocado entre o transmissor e o receptor.

A medida que o motor e o disco giram os raios do emissor são interrompidos e o

trem de pulsos resultante é processado eletronicamente para fornecer a velocidade do

motor.

Este tacômetro eletrônico é calibrado com um gerador de sinais de precisão. A

Fig. 12 mostra um esquema da montagem do dinamômetro.

Figura 12. Esquema da montagem do dinamômetro.

3.2. O dinamômetro hidráulico e medição de torque

O torque do motor é medido pelo dinamômetro hidráulico e transmitido para o

indicador de torque na bancada de instrumentação.

3.2.1. Fornecimento de água

Uma fonte de água limpa de altura constante (pressão constante) entre 6 a 12 m.

Tipicamente o fluxo de água é 4 L/min numa pressão de 6mca usando tubo plástico de

10 mm de diâmetro.

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3.2.2. O dinamômetro hidráulico

A figura 12 mostra o principio de operação e o esquema do dinamômetro. O

fluxo de água é controlado pelo registro A entrando pelo topo do casco do dinamômetro

B e saindo pela válvula C para o dreno. A quantidade de água no dinamômetro e

consequentemente a potência absorvida do motor, depende de ajuste da válvula A e da

válvula C.

O eixo do motor aciona o rotor hidráulico dentro do casco aletado agitando a

água. O casco é impedido de rotação pelas duas molas fixadas à corda de nylon e que

passa em torno do casco B e é fixo ao topo do casco. As duas molas (F) são idênticas.

O amortecedor (G) é conectado ao casco. A posição angular do casco (B)

depende do torque T e da constante das molas (F). O deslocamento periférico do casco é

proporcional ao torque (T) e é medido por um potenciômetro rotativo (H), cujo saída é

alimentada a entrada do medidor do torque.

3.2.3 Calibração da linearidade

A leitura do medidor de torque obtida pode ser calibrada, se necessário. É

interessante verificar a linearidade global do sistema pela comparação do torque

indicado contra torques conhecidos aplicados. Para realizar isto, utilizam-se pesos até 4

kg em incrementos de 0,5 kg, e registram-se o torque indicado e o torque aplicado para

cada peso.

O torque aplicado pode ser calculado conforme a relação

mgaT (Nm) (18)

Onde, T é o torque aplicado (em Nm), m é a massa (em kg), g é a aceleração da

gravidade e a é a distancia entre o peso de calibração e o eixo do dinamômetro (em m).

O valor de a é 0,25 m.

Considerando o motor de 4 tempos utilizado neste experimento, o volume deslocado

(Vs) é igual a 193 cm3.

A Fig. 13 mostra um gráfico típico de verificação da linearidade.

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Figura 13. Curva de calibração do indicador de torque.

3.3. Medição da temperatura dos produtos de combustão

A temperatura dos produtos de combustão é medida por um termopar tipo J

(cromel/alumel) soldado ao tubo de exaustão próximo ao bloco do cilindro.

3.4. Sistema de combustível

O sistema de combustível é alimentado a partir de um tanque de combustível de

capacidade de 4,5 litros, montado no topo da unidade de instrumentação (Fig. 15).

Sendo alimentado por gravidade, o carburador do motor deve estar abaixo do nível do

tanque. A Fig. 14 mostra o sistema de combustível. A marca mais baixa na pipeta de

combustível deve ser montada mais alta que o carburador do motor para garantir que o

reservatório de 32 mL esvazie completamente antes da parada do motor.

O combustível escoa no fundo da pipeta graduada em volumes de 8, 16 e 32 mL. A

torneira T isola o tanque do motor permitindo o consumo de combustível que está na

pipeta. O consumo de combustível é determinado pela medição do tempo (t) que o

motor leva para consumir um dado volume, 8 mL por exemplo.

A torneira T2 isola o motor do sistema de fornecimento de combustível. Esta torneira

deve ser fechada somente quando o dispositivo não está em uso.

Assumindo a densidade relativa da água como 1000 kg/m³ e para um volume de 8

mL temos:

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14

t

Sm

gf

f

61081000 [kg/s] (19)

Obs: Um valor típico para a densidade relativa da gasolina é 0,74.

Figura14. Sistema de alimentação de combustível.

3.5. Medição de consumo de ar

Na unidade de instrumentação está instalado um medidor de vazão do tipo fluxo

laminar (Fig. 15).

Figura 15. Sistema de medição de vazão de ar.

O número de Reynolds do escoamento no medidor é abaixo de 2300 para permitir

utilizar a equação de Hagen-Poiseuille.

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2

..32

d

ulP

(20)

Para ar de uma dada densidade, o fluxo de massa de ar é proporcional à velocidade

média, de modo a queda de pressão através do medidor é proporcional ao fluxo de

massa. A Fig. 16 mostra a curva de calibração do medidor. A Equação de Hagen-

Poiseuille é usada como base para corrigir o fluxo de massa medido em condições de

pressão e de temperatura diferentes da pressão padrão.

Figura 16. Curva de calibração do medidor de vazão de ar.

O fluxo de massa no tubo é dado por: Auma

Onde A é área transversal do tubo

Para um dado tubo e elemento: P =

Da formula do Sutherland, a viscosidade do ar é dependente apenas da temperatura

absoluta, ou seja: BT

AT

2/3

Para ar , as constantes A e B são:

114

10.1465,0 5

B

A

A densidade do ar é função da temperatura (T) e pressão ambientes (P) podendo ser

obtida aplicando-se a equação dos gases ideais.

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RT

P

Combinando as equações acima o fluxo de massa do ar é proporcional a

2/5

114

T

PTP

Para uma dada diferença de pressão através do medidor de escoamento viscoso (ou

laminar) o fluxo de massa dado na curva de calibração deve ser multiplicado por

2/5

2/5)114(

564,3114

114

T

TP

T

T

T

T

P

Pcalib

calibcalib

Pois Tcalibração = 293 K e Pcalibração= 1013 mbar.

Na figura 16 é apresentada a equação do fator de correção a ser aplicado para a

determinação da vazão mássica de ar corrigida para as condições de P e T ambientes.

3.6. Cálculo da razão ar/combustível.

A razão ar/combustível pode ser obtida pela divisão de fluxo de ar/ fluxo de

combustível como obtidos anteriormente

4. PROCEDIMENTO

Etapa 1: Calibração de medidas de torque

Esta calibração deve ser feita antes de cada teste.

O medidor de torque deve ser zerado e calibrado antes de cada teste usando o

seguinte procedimento.

1. Ajustar o potenciômetro de faixa “span” para sua posição máxima.

2. Vibrar o dinamômetro para liberar o eixo.

3. Ajustar o potenciômetro de zero até o indicador de torque indicar zero.

4. Verificar que o zero está bem ajustado vibrando o motor novamente.

5. Pendurar um peso de 3,5 kg no braço de calibração (J).

6. Ajustar o controle de faixa “span” para ler um torque de 8,6 Nm (valor

correspondente a 3,5 kg).

7. Remover o peso de calibração e repetir uma vez as etapas (2) a (8). A curva de

calibração de torque obtida pelo fabricante está apresentada na Fig. 13.

8. Verificar a linearidade da curva medindo o torque para massas de 0,5 a 4 kg, com

incrementos de 0,5 kg. Levante a curva de calibração do dinamômetro. (OBS: ESTE

PASSO NÃO É NECESSÁRIO)

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Etapa 2: Controle do fluxo de água para o dinamômetro.

1. Verificar se a válvula de fornecimento de água ao motor está aberta.

2. Abrir a válvula de fornecimento de água ao dinamômetro (T4) em

aproximadamente 1 volta.

3. Abrir a válvula agulha (T5) do dinamômetro até o máximo.

Etapa 3. Procedimento para ligar o motor (partida fria)

1. Verificar se a válvula T2 está fechada e se a válvula de fornecimento de

combustível (T3) está aberta.

2. Abrir a válvula T1.

3. Preencher a proveta com combustível, eliminando bolhas de ar caso necessário.

4. Abrir a válvula T2.

5. Mover a alavanca “choke” do afogador no sentido anti-horário, fechando a

entrada de ar no motor e em seguida acelerá-lo (manivela vermelha para cima).

6. Ligar a ignição.

7. Puxar, com vigor, a partida do motor.

8. Esperar o motor estabilizar. Acelerar se necessário.

Etapa 4. Levantar dados de desempenho do motor

1. Aplicar carga ao dinamômetro regulando a válvula T4 e aguardar a estabilização

do torque.

2. Fazer as leituras de torque, rotação, temperatura de saída dos gases e vazão de

ar.

3. Fechar a válvula T1 e fazer a medida de consumo de combustível seguindo o

procedimento apresentado no item 2.7 (volume x tempo).

4. Alterar a carga (controlando a válvula T4) e retornar ao item 1 para regular a

nova condição operacional a ser testada (cerca de 5 condições operacionais

diferentes devem ser testadas, procurando manter o torque entre 4 e 9,5 Nm)

5. APRESENTAÇÃO DOS RESULTADOS

Apresentar e discutir os resultados de potência efetiva, rendimento efetivo e consumo

específico em função da vazão de combustível e da vazão de ar.

Apresentar e discutir os resultados de consumo específico, razão ar/combustível e

rendimento efetivo em função do torque no motor.

Apresentar e discutir os resultados de consumo específico em função da potência

efetiva.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Oliveira Junior, Motores de combustão interna, FATEC – SP, 1997.

Heywood, J. B. Internal Combustion Engines Fundamentals, McGraw-Hill Inc., 1988.

Taylor, C. F., Análise dos Motores de Combustão Interna. Edgar Blucher, 1976.

EM886 – Laboratório de Calor e Fluidos II

18

Taylor, C. F., Análise dos Motores de Combustão Interna. Edgar Blucher Vol. II, 1984.

Rowland S. Benson, N.D Whitehouse, Internal Combustion Engines Vol. I, 1979.

Rowland S. Benson, N.D Whitehouse, Internal Combustion Engines Vol. II, 1979.

Michael, P., Anthony M. Engine Testing – Theory and Practice, BH, 2nd

Edition,1999.

Richard, S., Introduction to internal combustion engines, 1999.

Ferguson, Colin R., Internal Combustion Engines : Applied Thermo Sciences, New

York, NY: John Wiley, c1986.