RESUMO O ensaio de levantamento das curvas características de motores foi realizado no dia 27 de Maio de 2014 no Laboratório de Máquinas Térmicas (LMT) da Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). O motor ensaiado foi um motor da marca YANMAR NBS 75 R, alternativo, 4 tempos, 1 cilindro, refrigerado a água, tendo como combustível óleo diesel. Sua potência é de 5,5 CV à 7,5 CV com rotação de 1800 a 2400 rpm. O ensaio consistiu em aplicar uma carga constante ao motor ensaiado através da utilização de um freio hidráulico. Variando-se a posição do acelerador do motor, alterava-se a rotação do mesmo. Após definir um decréscimo de aproximadamente 100 rpm, a partir da posição de acelaração máxima, para cada ponto de medição, foram medidos para cada posição do acelerador os valores do consumo de combustível, tempo de consumo, rotação do motor e força aplicada no f reio. Medições foram feitas até que o motor atingisse uma rotação na qual não conseguiria se estabilizar. Assim obteve-se os parâmetros necessários ao levantamento das curvas características da máquina ensaiada. A partir dessas curvas pode-se fazer uma análise mais minuciosa do motor em questão, verificando, através de resultados padronizados por norma, as condições de operação deste motor, de forma a se poder discutir as condições ideias de operação da máquina ensaiada, admitindo-se a partir dai possíveis problemas para a não verificação real destas condições.
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O ensaio de levantamento das curvas características de motores foi realizado no dia
27 de Maio de 2014 no Laboratório de Máquinas Térmicas (LMT) da UniversidadeFederal de Itajubá (UNIFEI). O motor ensaiado foi um motor da marca YANMAR NBS75 R, alternativo, 4 tempos, 1 cilindro, refrigerado a água, tendo como combustívelóleo diesel. Sua potência é de 5,5 CV à 7,5 CV com rotação de 1800 a 2400 rpm. Oensaio consistiu em aplicar uma carga constante ao motor ensaiado através dautilização de um freio hidráulico. Variando-se a posição do acelerador do motor,alterava-se a rotação do mesmo. Após definir um decréscimo de aproximadamente100 rpm, a partir da posição de acelaração máxima, para cada ponto de medição,foram medidos para cada posição do acelerador os valores do consumo decombustível, tempo de consumo, rotação do motor e força aplicada no freio. Mediçõesforam feitas até que o motor atingisse uma rotação na qual não conseguiria se
estabilizar. Assim obteve-se os parâmetros necessários ao levantamento das curvascaracterísticas da máquina ensaiada. A partir dessas curvas pode-se fazer umaanálise mais minuciosa do motor em questão, verificando, através de resultadospadronizados por norma, as condições de operação deste motor, de forma a se poderdiscutir as condições ideias de operação da máquina ensaiada, admitindo-se a partirdai possíveis problemas para a não verificação real destas condições.
3.1 MOTORES A PISTÃO DE COMBUSTÃO INTERNA ........................................................ 5
3.2 CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES ............................................................................. 7
3.2.1 Quanto ao tipo de ignição do combustível ................................................... 7
3.2.2 Quanto ao ciclo de trabalho (mecânico) ...................................................... 8
3.2.3 Quanto ao sistema de alimentação de combustível .................................... 83.2.4 Quanto ao número e disposição dos cilindros ............................................. 8
3.2.5 Quanto à utilização ...................................................................................... 9
3.3 DESCRIÇÃO DO FUNCIONAMENTO DE MOTORES .................................................... 10
3.3.1 Funcionamento dos motores de quatro tempos (4T) ................................. 10
3.3.2 Funcionamento dos motores de dois tempos (2T) ..................................... 12
3.4 COMPONENTES PRINCIPAIS DE UM MOTOR ........................................................... 13
4. ESQUEMA DO ENSAIO ....................................................................................... 19 4.1 B ANCO DE ENSAIO .............................................................................................. 19
4.2 TÉCNICA DE ENSAIO ............................................................................................ 19
5. DESENVOLVIMENTO DOS DADOS .................................................................... 21
5.1 T ABELA DE V ALORES LIDOS ................................................................................. 21
5.2 FORMULÁRIOS E C ÁLCULOS................................................................................. 22
5.3 C ÁLCULOS PARA A PRIMEIRA MEDIÇÃO ................................................................. 25
5.4 ANÁLISE DOS RESULTADOS ................................................................................. 29
5.4.1 Tabela de valores calculados .................................................................... 29
Máquina térmica refere-se à todo transformador de energia que troca com o
meio externo as formas de energia trabalho e calor, e o fluido de trabalho retorna às
condições iniciais após realizar um ciclo (FLORES, 2014).
De maneira geral pode-se ter:
Máquina Térmica Motora: recebe uma forma disponível de energia e a converte
em trabalho mecânico.
Máquina Térmica Geradora: recebe energia na forma de trabalho e a converte
numa forma de energia disponível.
Motores são máquinas térmicas motoras destinadas a converter qualquer forma
de energia (térmica, elétrica, hidráulica, etc.) em energia mecânica. No caso de
motores de combustão interna, há transformação de energia térmica/química (queima
de combustível) em trabalho mecânico. (MAHLE METAL LEVE S.A., 2012) A
obtenção de trabalho é ocasionada por uma sequência de processos realizados numasubstância denominada fluido motor ou fluido ativo, que evolui ciclicamente e
transmite aos órgãos mecânicos do motor a energia térmica liberada pelo combustível.
O fluido fornece trabalho aos órgãos mecânicos do motor através de variações de
pressões e volume criadas pelo fornecimento de calor (MARTINS, 2013).
O fluido motor pode evoluir de forma intermitente numa cavidade de volume
variável (máquina volumétrica ou à pistão) ou pode ter fluxo contínuo, com a utilização
de sua energia cinética. Neste caso, a máquina designa-se por dinâmica ou de fluxo. As máquinas volumétricas dividem-se em alternativas e rotativas Nas primeiras, o
fluido ativo evolui dentro de dum cilindro de volume variável, e transmite sua energia
à parede móvel desse cilindro (êmbolo ou pistão) que no movimento de vaivém
impulsiona o motor, geralmente usando um sistema biela-manivela. Nas máquinas
rotativas, o volume variável desenvolve-se entre um rotor e uma carcaça envolvente,
estando o motor direta ou indiretamente acoplado ao rotor (MARTINS, 2013).
Os motores térmicos denominam-se de combustão externa quando o fluido
motor não participa da combustão, isto é quando a combustão se processa
Além da classificação das máquinas térmicas apresentada anteriormente,
podemos ainda fazer uma classificação dos motores de combustão interna,volumétricos, alternativos quanto a inúmeros outros fatores, alguns dos quais serão
descritos a seguir.
3.2.1 Quanto ao tipo de ignição do combustível
A combustão é um processo químico exotérmico de oxidação de um
combustível. Para que o combustível reaja com o oxigênio do ar necessita-se dealgum agente que provoque o inicio da reação. Denomina-se ignição o processo que
provoca o inicio da combustão.
Quanto à ignição os motores alternativos são divididos em dois tipos
fundamentais:
MIF – Motores de ignição por faísca ou Otto
Nesses motores, a mistura ar/combustível é admitida, previamente dosada ouformada no interior dos cilindros, quando há injeção direta de combustível (GDI –
Gasoline Direct Injection), e inflamada por uma faísca que ocorre entre os eletrodos
de uma vela.
MIE – Motores de ignição espontânea ou Deisel
Nesses motores, o pistão comprime somente ar, até que o mesmo atinja uma
temperatura suficientemente elevada. Quando o pistão aproxima-se do ponto mortosuperior (PMS), injeta-se o combustível que reage esponteneamente com o oxigênio
presente no ar quente, sem a necessidade de uma faísca. A temperatura do ar
necessária para que aconteça a reação espontânea do combustível denomina-se
Ciclo de trabalho, ou simplesmente ciclo, é a sequência de processos sofridos
pelo fuido ativo, processos estes que se repetem periodicamente para a obtenção detrabalho útil. Entende-se por tempo o curso pistão, e não se deve confundir tempo
com processo, pois, ao longo de um tempo, poderão acontecer diversos processos.
Quando ao numero de tempos, os motores alternativos, sejam MIF ou MIE, podem
ser divididos em dois grupos.
Motores alternativos a quatro tempos (4T)
Neste caso o pistão percorre quatro cursos, correspondendo a duas voltas da
manivela do motor, para que seja completado um ciclo. Os quatro tempos são: tempo
de admissão, tempo de compressão, tempo de expansão e tempo de escape.
Motores alternativos a dois tempos (2T)
Nesses motores o ciclo se completa com apenas dois cursos do pistão,
correspondendo a uma única volta doo eixo do motor. Os processos indicados no
motor 4T são aqui realizados da mesma maneira, entretanto, alguns deles se
sobrepõem num mesmo curso (BRUNETTI, 2012).
3.2.3 Quanto ao sistema de alimentação de combustível
Os motores ciclo Otto são alimentados por combustível por meio de um
carburador ou de um sistema de injeção de combustível. O carburador é utilizado em
aplicações e baixa potência nas quais as limitações de emissão de poluentes são
menos restritivas do que em aplicações automotivas. A injeção de combustível, além
de mais precisa premite melhores resutados no controle de emissões podendo ocorrer
no coletor de admissão ou diretamente na câmara de combustão (GDI – Gasoline
Direct Injection) (BRUNETTI,2012).
3.2.4 Quanto ao número e disposição dos cilindros
Quanto ao número de cilindros os motores podem ser classificados em
monocilíndricos ou policilindricos. Esses cilindros podem estar dispostos de diversas
Para o estudo experimental dos motores de combustão interna, buscando
conhecer suas características de desempenho para posterior aplicação ou a fim de
desenvolve-lo de forma a torna-lo mais eficiente, é utilizado um conjunto de
propriedades que, além de fornecer informações relevantes sobre suas condições de
funcionamento, pode gerar curvas que irão caracteriza-lo individualmente.
As propriedades, conjugado na árvore de manivelas ou torque (Ʈ), 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.
O motor ensaiado foi um motor da marca YANMAR, alternativo, 4 tempos, 1cilindro, refrigerado a água, tendo como combustível óleo diesel. Iniciou-se o ensaio
fazendo as leituras das condições ambientais iniciais momentâneas. Em seguida deu-
se então partida manual, por meio de uma manivela, no motor a ser ensaiado. O
acelerador do motor foi então colocado, inicialmente, na condição teórica de rotação
máxima (acelerador no máximo). Variando-se a posição do acelerador, alterava-se
assim a rotação do motor. Foram então pré-estipulados alguns valores aproximados
de rotação, adotando-se uma diferença de aproximadamente -100 rpm de uma
rotação para outra. Essas rotações eram medidas através de um tacômetro e admitia-
se como rotação para medição a medida estabilizada próxima ao valor estipulado.
Com a estabilização, media-se, para cada posição do acelerador, os valores do
consumo de combustível, tempo de consumo, rotação e força aplicada no freio. O
consumo de combustível foi medido volumetricamente. Utilizou-se um frasco devolume calibrado com uma válvula de três vias, que podia ser acionada para
preencher o frasco e posteriormente alimentar o motor. Um volume de consumo de
combustível foi então pré-determinado, estabelecendo-se o valor de 5 cm³ para cada
uma das medições realizadas. O tempo necessário para consumir o combustível em
cada medição foi cronometrado. Para se medir o torque numa dada rotação do motor
foi necessário, como já mencionado, impor ao eixo um momento externo resistente ao
produzido pelo motor (momento torçor motor). Esse efeito pode ser obtido aplicando-se uma carga constante ao motor através de um freio hidráulico. Esse freio estava
acoplado à um dinamômetro, através do qual leituras da força aplicada no freio era
realizada. O numero de medições realizadas foi determinada pela rotação na qual o
motor não conseguia mais se estabilizar. Quando um valor assim foi atingido,
encerraram-se os procedimentos. Mediu-se então por último, as condições ambientais
finais momentâneas. Desta forma, obteve-se os parâmetros necessários ao
levantamento das curvas características da máquina ensaiada.
A fim de se obter resultados em condições padronizadas, o fator αA é um fator
de redução dado na Tabela 6.4.1.A, da norma MB-749 (NBR-6396), para pressões
barométricas de B = 760 mmHg à 600 mmHg, a intervalos de 5 mmHg, e temperaturas
de 10 ºC a 50 ºC, a intervalos de 2 ºC e humidade relativa de 30 % a 100 %, a
intervalos de 10 %, assumindo-se um rendimento mecânico de ɳ m
= 0,85. Para valores
diferentes de ɳ m, o fator de redução αA, obtido da Tabela 6.4.1.A, deve ser reduzidoconforme a Tabela 6.4.1.B, que dá os valores correspondentes para ɳ = 0,85 até
0,65, a intervalos de 0,05. Valores de αA para condições intermediárias podem ser
Nesta seção serão explicitados os cálculos das grandezas de acordo com os
dados coletados para a primeira leitura. Todas as demais leituras seguirão o mesmoprincipio de cálculo, e portanto não serão também explicitadas aqui, tendo seus
resultados diretamente dispostos na Tabelas 2 - Valores Calculados.
Os valores correspondentes à primeira leitura estão dispostos na Tabela 1.1 a
seguir.
Tabela 1.1 - Valores lidos para a primeira medição
O fator αA é um fator de redução dado na Tabela 6.4.1.A, da Norma MB-749
(NBR-6396), para motores estácionários Este fator é função das condições ambientais
medidas durante a realização do ensaio: humidade relativa () , temperatura (T) epressão atmosférica/barométrica (Pb). Temos como condições médias ambientais
medidas para este esaio, as seguintes:
Condições Ambientais Média
Ψ % 76,5
T °C 18,5
Pb mmHg 697
Para essas condições, de acordo com a Tabela 6.4.1.A da referida norma MB-
Neste subitem, os resultados deste ensaio serão explicitados em forma de uma
Tabela de valores calculados (Tabela 2). A partir do ensaio realizado foram tambémconstruídas curvas características do motor ensaiado, uma vez que as propriedades
calculadas variam em função das condições de funcionamento, e estas curvas
auxiliam na visualização dessa variação Os gráficos apresentados são:
Relativamente à potência efetiva, como esta é dada pelo produto do torque pela
rotação, a sua forma advirá da curva de torque
Da análise então dos Gráficos (Ʈ, Pef
, Pef R
×n) e (PC, Ppm
, Pef
×n), pode-se observar
parcialmente os comportamentos teóricos esperados descritos anteriormente. Ao
analisar os números obtidos para o torque, por exemplo, verificamos que este
aumentou continuamente no decorrer do ensaio, estando condizente com parte da
teoria. No entanto, não obteve-se um ponto de “máximo” e o decaimento posterior
deste. Esta fato pode estar relacionado à faixa de rotação de ensaio, que pode não
ter abrangido toda a faixa de operação do motor, ou mesmo as condições do
equipamento ensaiado, que pode estar fora das sua condições ideais de operação
Quanto à potência efetiva, ressalta-se a utilização das normas (MB-372) para motores
veiculares e (MB-749) para motores estacionários, que tiveram a função de padronizar
os resultados obtivos, de forma a se obter maior precisão para efeito de comparação
dos valores finais obtidos. No entanto, analisando-se tais valores, e tomando como
base a potência efetiva corrida para a norma (MB-372), observou-se que a máxima
potência verificada à rotação máxima, obteve o valor de 2,3518 CV. Este valor está
extremente divergente se comparado com os valores estipulados pelo fabricante para
o motor ensaiado (5,5 à 7,5 CV). Esse fato apenas reforça a hipótese de que o
equipamento ensaiado está fora de suas condições ideais de operação e/ou mal
regulado.
Resalta-se então que todas as divergências verificadas, principalmente quanto
aos valores finais de algumas grandezas obtidas, podem ter sido geradas por
problemas que vão desde às condições de operação do motor até incertezas inerentes
ao processo de medição do ensaio, incertezas estas que podem ser provenientes
tanto do operador junto a medição das grandezas de ensaio quanto de fatores como,
por exemplo, a não calibração antecedente dos instrumentos de medição, o que que
garantiria a exatidão destes.
As curvas características mostraram-se portanto de extrema importância para
determinação das condições ótimas de operação do equipamento ensaiado quanto a
correção de possíveis fatores/condições de operação. No entanto, para se obter
valores mais próximos do real, aconselha-se fazer a construção do campo básico defuncionamento da máquina térmica, que consiste em outro ensaio no qual, utiliza-se