INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E

TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EM

MECATRÔNICA

VITOR LUIS RODRIGUES BARBOSA

ADEQUAÇÃO TECNOLÓGICA EM SISTEMA DE MEDIÇÃO DE POTÊNCIA PARA MOTOR À COMBUSTÃO MOVIDO A GÁS NATURAL

Dissertação apresentada ao Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina - IFSC- Campus Florianópolis, para obtenção do título de Mestre em Mecatrônica.

Professor Orientador: Dr. Eng. Mecânico Milton Pereira Professor Co-Orientador : Dr. Eng. Mecânico Marcelo Vandresen

Florianópolis – SC Junho/2012

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE SANTA CATARINA

DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE METAL-MECÂNICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO STRICTO SENSU EM

MECATRÔNICA

ADEQUAÇÃO TECNOLÓGICA EM SISTEMA DE MEDIÇÃO DE POTÊNCIA PARA MOTOR À COMBUSTÃO MOVIDO A

GÁS NATURAL VITOR LUIS RODRIGUES BARBOSA CURSO:

MESTRADO PROFISSIONAL EM MECATRÔNICA

ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: Sistemas Mecatrônicos

LINHA DE PESQUISA: Projeto de Sistemas de Supervisão e Controle

ORIENTADOR: Professor Dr. Eng. Mecânico Milton Pereira CO-ORIENTADOR: Professor Dr. Eng. Mecânico Marcelo Vandresen

Florianópolis - SC Junho/2012

3 FICHA CATALOGRÁFICA TERMO DE APROVAÇÃO

TERMO DE APROVAÇÃO

Barbosa, Vitor L. Rodrigues. Adequação tecnológica em sistema de medição de potência para motor à combustão movido a gás natural. V. L. R. Barbosa – Florianópolis: Instituto Federal de Santa Catarina, 2012. 158 f. Dissertação – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. Pós-Graduação. Curso de Pós-Graduação em Ensino de Ciências stricto sensu. Modalidade: Mestrado Profissional em Mecatrônica. Orientador: Milton Pereira, Dr. 1.Sistemas Mecatrônicos 2.Supervisão e Controle

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ADEQUAÇÃO TECNOLÓGICA EM SISTEMA DE MEDIÇÃO DE POTÊNCIA PARA MOTOR À COMBUSTÃO MOVIDO A

GÁS NATURAL

VITOR LUIS RODRIGUES BARBOSA Este trabalho foi julgado adequado para obtenção do Título de Mestre em Mecatrônica e aprovado na sua forma final pela banca examinadora do curso de Mestrado Profissional em Mecatrônica do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina. Florianópolis, 06 de Junho de 2012. Banca examinadora: ________________________________________ Milton Pereira, Professor Doutor Engenheiro Mecânico. _______________________________________ Marcelo Vandresen, Professor Doutor Engenheiro Mecânico. ________________________________________ Lauro César Nicolazzi, Professor Doutor Engenheiro Mecânico. ________________________________________ André Roberto de Sousa, Professor Doutor Engenheiro Mecânico.

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À minha esposa Raquel e aos meus pais pelo apoio, paciência e dedicação durante todo o curso.

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AGRADECIMENTOS

O que iniciou como uma idéia para melhorar minha formação, agregar conhecimento sobre os motores a combustão utilizado nos motocompressor de GN e diminuir suas falhas sistemáticas de detonação acabou me proporcionando uma das melhores oportunidades de aprendizado e aperfeiçoamento que já tive. Alias o processo todo do Mestrado, desde escolher o tema, juntar a documentação necessária para a inscrição, esperar a avaliação dos projetos e saber que o meu foi um dos pré-escolhidos. Depois veio a confecção da apresentação, a responsabilidade de apresentar uma idéia e defendê-la perante um corpo de Doutores e a satisfação de saber que o meu projeto foi um dos escolhidos. Também foi importante a negociação na empresa para poder folgar nas sextas feiras, as aulas interessantíssimas -sem exceção-, o desenvolvimento e apresentação do PDM, as aulas de laboratório, os trabalhos em equipe, o fundamental estudo dirigido sobre motores, a orientação responsável e eficiente de meus orientador e co-orientador e, finalmente, a dissertação e sua defesa. Agradeço imensamente aos meus professores orientador Milton Pereira e co-orientador Marcelo Vandresen, pela orientação, postura profissional e ensinamentos transmitidos ao longo do desenvolvimento deste trabalho. À minha esposa Raquel Piazza Branca pelo incentivo e apoio durante a realização do Mestrado. Aos meus familiares pelo apoio, atenção e compreensão ao longo do desenvolvimento desta pesquisa. À TBG pela oportunidade de utilizar suas dependências e equipamentos durante a pesquisa. Ao Eng. Mario Veiga por permitir as compensações das saídas antecipadas do trabalho para o acompanhamento das aulas. Vou procurar utilizar muito bem este título e, como sempre fiz, passarei adiante todo o conhecimento que puder, pois não existe melhor meio de crescimento do que a educação.

Muito Obrigado. Vitor Luis Rodrigues Barbosa – Junho de 2012.

7 BARBOSA, V. L. R. Adequação tecnológica em sistema de medição de potência para motor à combustão movido a gás natural. 2012. 158 F. Dissertação (Mestrado Profissional em Mecatrônica) – Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina.

RESUMO A finalidade deste projeto é desenvolver e testar um sistema de aquisição de dados e gerenciamento de sinais para adequação tecnológica de um motor à combustão interna visando aumentar a sua eficiência e confiabilidade na medição e monitoramento de potência. Esse motor é utilizado como propulsor nos compressores de gás natural (GN) tipo alternativo instalados nas estações de compressão da empresa TBG S/A (proprietária e operadora do gasoduto Bolívia Brasil). Estas estações de compressão recebem o GN a uma pressão de até 58kgf/cm² e comprimem o GN a uma pressão de até 75kgf/cm². Atualmente a medição de potência despendida pelos motocompressores que comprimem o GN não acontece de maneira precisa e esta medição é um parâmetro importante para a operação dos equipamentos. Após estudos, constatamos que esta imprecisão é um dos fatores que por vezes ocasiona a operação dos motocompressores fora da faixa de potência sugerida pelo fabricante do motor. Quando estes desvios acontecem, os motocompressores ficam sujeitos ao aparecimento do fenômeno da detonação e outras falhas de funcionamento ocasionando eventuais paradas de operação, diminuição da vida útil do motor e consequentes prejuízos. Para resolver este problema, foi feita uma adequação tecnológica no motor, com a instalação de novos sensores de pressão, oxigênio, temperatura e rotação, em conjunto com a aquisição destes dados com um sistema de aquisição, e posteriormente estes dados foram utilizados em uma equação para cálculo de potência fornecida pelo fabricante do motor. Com isso, foi possível disponibilizar ao operador do motocompressor um parâmetro que permita operar o motor mais próximo possível da potência máxima sem atingir o ponto crítico de detonação. Palavras-chave: Medição, Potência, Motores, Gás Natural, Compressores.

8 BARBOSA, V. L. R. Technological adaptation in power measurement system for combustion engine fueled by natural gas. 2012. 158 S. Dissertation (Professional Master in Mechatronics) - Federal Institute for Education, Science and Technology of Santa Catarina.

ABSTRACT The purpose of this project is to develop and test a technological adaptation in an internal combustion engine to increase it´s efficiency and reliability of its system of monitoring and measurement of power. Such engines are used as propellants in reciprocating compressor of natural gas (NG) in compression stations installed in the company TBG S/A (owner and operator of the Bolivia Brazil Pipeline). These compression stations receive NG at a pressure of up 58kgf/cm ² and compress natural gas at a pressure of up 75kgf/cm ². Currently the measurement of power expended by the compressors that compress the GN does not happen precisely, this measurement is an important parameter for the operation of equipment. After studies, it was found that lack of imprecision is one of the factors that sometimes cause the operation of compressors off the power range recommended by the engine manufacturer. When these deviations occur, the compressors are subject to detonation and other malfunctions causing any stops, decresed engine life and consequential demages. To solve this problem, ther was a technological adaptation in the engine, whit the installation of new sensors for pressure, oxygen, temperature and speed measurements, in conjunction with data acquisition system. These data were subsequently used in an equation to calculate the power being, this equation supplied by the technique documentation of the engine manufacturer. Thus, it was possible to provide to the operator of a compressor, operating parameters that allows the engine to work closest to the maximum power without reaching the critical point of detonation. Keywords: Measurement, Power, Engines, Natural Gas Compressors.

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LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1 - Mapa do traçado do gasoduto Bolívia-Brasil Figura 2 - Gráfico de disponibilidade mensal dos motocompressores Figura 3 - Conversão do movimento vertical em rotatório Figura 4 - Geometria do conjunto cilindro/pistão/biela Figura 5 - Câmara de Combustão construída na cabeça do pistão Figura 6 - Definição de Taxa de Compressão Figura 7 - Variação da potência e consumo em função do Lambda Figura 8 - Ciclo operativo Otto de quatro tempos Figura 9 - Gráfico da pressão no cilindro nos momentos de .. .... .............. compressão e expansão Figura 10 - Torque e consumo em função do avanço de ignição Figura 11 - Ocorrência da pré-ignição Figura 12 - Pistão danificado por pré-ignição Figura 13 - Ignição espontânea no interior do cilindro Figura 14 - Comportamento da pressão no interior do cilindro Figura 15 - Danos no pistão provocados pela detonação Figura 16 - Comparativo entre combustão normal e detonação Figura 17 - Vista em corte de um motor à combustão interna Figura 18 - Linha de alimentação do combustível Figura 19 - Sistema convencional de ignição Figura 20 - Sistema de lubrificação Figura 21 - Sistema de refrigeração à água do motor à combustão Figura 22 - Módulo de injeção eletrônica Figura 23 - Injeção eletrônica com seus sensores e atuadores Figura 24 - Sonda Lambda Narrowband vista em corte Figura 25 - Curvas de atuação das sondas Narrow e Wide Band Figura 26 - Sensor de temperatura tipo NTC para líquido de . .... arrefecimento Figura 27 - Sensor de temperatura tipo NTC para ar de combustão Figura 28 - Sensor de pressão absoluta para ar de admissão (MAP) Figura 29 - Sensor de posição da borboleta (TPS) Figura 30 - Sensor de fluxo de ar para combustão (MAF) Figura 31 - Sensor de detonação Figura 32 - Sensor de fase (Hall) Figura 33 - Sensor de velocidade Figura 34 - Sensor de rotação do virabrequim Figura 35 - Válvula de injeção Figura 36 - Diagrama esquemático do sistema de ignição eletrônica Figura 37 - Esquema de uma válvula atuadora de marcha lenta

18 21 24 26 27 28 31 33 34 35 37 37 38 39 40 41 42 45 46 47 48 50 51 53 54 55 56 56 57 58 59 60 61 61 62 63 64

10 Figura 38 - Sistema de supervisão e controle Figura 39 - Componentes de um sistema de aquisção de dados Figura 40 - Placa de aquisição de dados Figura 41 - Datalogger Figura 42 - Controlador lógico programável Figura 43 - Estação de compressão de gás natural de Araucária PR Figura 44 - Balanço de consumo de GN entre termoelétrica e motor ...................de combustão interna a gás natural Figura 45 - Faixas de potências dos motores Waukesha Figura 46 - Motor Waukesha modelo VHP/GSI de 12 cilindros Figura 47 - Vista lateral do motor VHP de 12 Cilindros Figura 48 - Vista frontal do motor VHP de 12 Cilindros Figura 49 - Controlador de velocidade Woodward Modelo 2301 A Figura 50 - Compressor de processo tipo alternativo a pistão Figura 51 - Faixas típicas de aplicações para compressores a pistão Figura 52 - Faixas de utilização dos tipos de compressores Figura 53 - Princípio construtivo do compressor a pistão Figura 54 - Disposição dos cilindros em compressores alternativos Figura 55 - Ciclo de compressão dos compressores a pistão Figura 56 - Formas construtivas dos compressores alternativos de ....... dupla ação Figura 57 - Compressor alternativo Nuovo Pignone modelo 2HM Figura 58 - Sistema de lubrificação do motocompressor Figura 59 - Sistema de arrefecimento do motocompressor Figura 60 - Controle de carga e velocidade do motocompressor Figura 61 - Sistema de partida, gás combustível e gases de queima Figura 62 - Datalloger modelo Pro24 fabricado pela FuelTech Figura 63 - Sensor de pressão MAP fabricado pela ODG Inst. Figura 64 - Sensor de oxigênio modelo LSU 4.2 Figura 65 - Sensor de velocidade indutivo fabricado pela Woodward Figura 66 - Sensor de temperatura TK fabricado pela ODG Inst. Figura 67 - Condicionador de temperatura TMX da ODG Inst. Figura 68 - Condicionador Lambda Wideband X1 da ODG Inst. Figura 69 - Software de registro de eventos FuelTech V 3.28 Figura 70 - Diagrama do conector elétrico do datalloger Figura 71 - Precisão das faixas de medição/simulação do Fluke 741 Figura 72 – Faixas de precisão do módulo de pressão 700P09 Figura 73 - Tela de configuração do canal de rotação do motor Figura 74 - Tela de configuração do canal do sensor de %O2 Figura 75 - Tela de configuração do canal do sensor MAP Figura 76 - Tela de configuração do canal do sensor de temperatura

67 68 70 71 71 73 76 78 79 81 82 84 86 86 88 89 89 90 91 93 94 95 96 97 100 101 101 102 102 103 103 104 108 109 110 111 111 112 113

11 Figura 77 - Arranjo para calibrar o canal de entrada de rotação Figura 78 - Arranjo para calibrar o canal de entrada de pessão Figura 79 - Arranjo para calibrar o canal de entrada de temperatura Figura 80 - Arranjo para calibração do canal de entrada de % O2 Figura 81 - Tela do gráfico de teste mostrando o grupo “Arrancada” Figura 82 - Tela de visualização on-line das variáveis do motor Figura 83 - Tela do grupo de sensores instalados no motor Figura 84 - Instalação do sensor de rotação reserva Figura 85 - Ligação do sensor de rotação reserva Figura 86 - Ligação do sensor de temperatura reserva Figura 87 - Posição do sensor de temperatura no bloco do motor Figura 88 - Ligação da sonda de O2 ao condicionador de sinal . Figura 89 - Posição do sensor de O2 no coletor de saída dos gases Figura 90 - Arranjo de conexão ao motor do sensor de pressão MAP Figura 91 - Sensor de pressão no coletor de admissão do motor Figura 92 - Arranjo da instalação do datalogger, notebook e fonte Figura 93 - Inicio das aquisições de dados para pesquisa Figura 94 - Gráfico com as tendências do ensaio no motor Figura 95 - Indicações no tempo 30005,58 s do gráfico de tendência Figura 96 - Sintaxe do comando do DDE na célula do Excel Figura 97 - Gráfico de tendência das variáveis monitoradas Figura 98 - Diagrama esquemático da solução do problema Figura 99 - Proposta para medição on-line de potência do motor

114 115 116 116 118 119 120 122 122 123 123 124 125 125 126 127 129 130 133 134 135 143 146

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LISTA DE TABELAS TABELA 1 - Identificação de necessidades dos usuários TABELA 2 - Classificação dos motores de combustão interna TABELA 3 - Relação estequiométrica dos principais combustíveis TABELA 4 - Características Contratuais do Gás Natural TABELA 5 - Poder calorífico dos principais combustíveis TABELA 6 - Modelos de motores da série VHP TABELA 7 - Especificação básica motor do VHP/GSI TABELA 8 - Especificações do compressor Nuovo Pignone HM/1 TABELA 9 - Conexões do chicote elétrico do datalloger TABELA 10 - Indicação das variáveis e resultado do cálculo de ... ...... potência do motor Waukesha TABELA 11 - Entrada dos valores das variáveis, conversão das .... .... unidades e resultado do cálculo TABELA 12 - Resultado do teste comparativo de medição de ..... ..... potência

21 25 52 74 75 78 84 92 107 132 133 141

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SUMÁRIO CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO......................................................... 1.1 Delimitação do tema...................................................................... 1.2 Objetivos........................................................................................

1.2.1 Objetivo principal.......................................................... 1.2.2 Objetivos específicos.....................................................

1.3 Justificativa.................................................................................... 1.4 Estrutura do trabalho...................................................................... CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.................................. 2.1 O Motor de combustão interna a pistão......................................... . 2.1.1 Descrição geral.............................................................

2.1.2 Classificação dos motores à combustão interna (MCI). 2.2 Definições...................................................................................... 2.2.1 Ponto morto superior e ponto morto inferior.................

2.2.2 Cilindrada...................................................................... 2.2.3 Câmara de compressão ou de combustão...................... 2.2.4 Taxa de compressão...................................................... 2.2.5 Mistura ar/combustível.................................................. 2.2.6 Ciclo operativo..............................................................

2.2.6.1 Ciclo operativo Otto quatro tempos............ 2.2.7 Avanço de ignição......................................................... 2.2.8 Auto-ignição..................................................................

2.2.8.1 Pré-ignição.................................................. 2.2.8.2 Detonação...................................................

2.2.9 Componentes do motor................................................. 2.2.9.1 Componentes fixos.....................................

2.2.9.2 Componentes móveis – Sistema de força... 2.2.10 Sistemas auxiliares do motor.......................................

2.2.10.1 Sistema de alimentação de combustível... 2.2.10.2 Sistema de ignição....................................

17 19 20 20 20 21 22 23 23 23 24 25 25 26 27 28 30 31 32 33 36 36 38 41 42 43 45 45 46

14 2.2.10.3 Sistema de lubrificação.............................

2.2.10.4 Sistema de arrefecimento.......................... 2.3 Gerenciamento eletrônico dos motores à combustão interna........

2.3.1 Injeção eletrônica.......................................................... 2.3.1.1 Classificação dos sistemas de injeção

... eletrônica de combustível...................................... 2.3.1.2 Módulo de processamento......................... 2.3.1.3 Sensores.....................................................

2.3.1.4 Sensor de oxigênio..................................... 2.3.1.5 Sensor de temperatura do líquido de arrefecimento.......................................................... 2.3.1.6 Sensor de temperatura do ar (ATS)............

2.3.1.7 Sensor de pressão absoluta (MAP)............ 2.3.1.8 Sensor de posição da borboleta (TPS)....... 2.3.1.9 Sensor de fluxo de ar (MAF)..................... 2.3.1.10 Sensor de detonação (Knock sensor)........ 2.3.1.11 Sensor de fase (Hall)................................ 2.3.1.12 Sensor de velocidade................................ 2.3.1.13 Sensor de rotação do virabrequim............ 2.3.1.14 Válvula de injeção.................................... 2.3.2 Ignição eletrônica.......................................................... 2.3.3 Válvula atuadora de marcha lenta.................................. 2.4 Sistema Supervisório..................................................................... 2.4.1 Hardware de um sistema supervisório.......................... 2.4.2 Válvula atuadora de marcha lenta.................................. 2.5 Sistema de aquisição de dados....................................................... 2.5.1 Características de um sistema de aquisição de dados.... 2.5.2 Tipos de sistemas de aquisição de dados........................ 2.6 Considerações finais...................................................................... CAPÍTULO 3 - ESTAÇÃO DE COMPRESSÃO DE GÁS NATURAL 3.1 A combustão do GN ( características e particularidades )............

3.1.1 Poder calorífico do gás natural...................................... 3.2 Motores Waukesha........................................................................

3.2.1 Motor modelo VHP L5794 GSI.................................... 3.2.2 Descrição básica do motor VHP/GSI............................ 3.2.3 Especificações do motor Série VHP/GSI.....................

3.3 Compressor de gás natural............................................................ 3.3.1 Descrição....................................................................... 3.3.2 Compressores de gás ou de processo............................

47 48 49 49 50 50 50 51 54 55 56 57 57 58 59 60 61 62 63 63 64 65 67 68 69 70 72 73 74 75 77 78 80 84 85 85 85

15

3.3.3 Classificação quanto ao princípio de concepção........... 3.3.4 Compressores alternativos............................................. 3.3.5 Compressor alternativo Nuovo Pignone........................

3.4 Sistemas auxiliares de uma estação de compressão..................... 3.4.1 Sistema de lubrificação................................................. 3.4.2 Sistema de arrefecimento.............................................. 3.4.3 Sistema de controle de carga e velocidade.................... 3.4.4 Sistema de gás de partida, gás combustível e gases de

... escapamento............................................................................ 3.5 Considerações sobre operação dos equipamentos na Ecomp........ CAPÍTULO 4 - METODOLOGIA...................................................... 4.1 Recursos necessários para o desenvolvimento da pesquisa........... 4.2 Sistema de aquisição de dados......................................................

4.2.1 Instalação do PRO24 Datalogger.................................. 4.3 Calibração dos sensores.................................................................

4.3.1 Ensaios de calibração.................................................... 4.3.2 Configurações das entradas de sinal do datalogger...... 4.3.3 Calibração das entradas do datalogger.........................

4.4 Programa de aquisição de dados................................................... 4.4.1 Adequação do motor para utilização do datalogger..... 4.4.2 Ligação dos sensores e datalloger ao motor................

4.5 Considerações finais sobre a metodologia..................................... CAPÍTULO 5 - RESULTADOS E ANÁLISE.................................... 5.1 Desenvolvimento dos ensaios........................................................ 5.2 Desenvolvimento da planilha do cálculo de potência.................... 5.3 Análise dos resultados................................................................... 5.3.1 Sistema de arrefecimento do motor .......................... . 5.3.2 Sistema de controle de combustão............................. . 5.3.3 Sistema de alimentação da mistura ar/combustível..... 5.3.4 Sistema de controle de rotação.................................... 5.4 Monitoramento dos sensores de detonação.................................. 5.5 Avaliação da incerteza da medição da potência......................... 5.6 Teste comparativo de medição de potência.................................. 5.7 Considerações prévias sobre os resultados.................................... 5.8 Proposta para a solução do problema...........................................

87 88 91 93 93 94 95 96 97 99 99 105 106 108 110 110 113 117 120 121 127 128 128 130 135 136 136 137 137 138 138 140 142 142

16 CAPÍTULO 6 - CONCLUSÕES......................................................... 6.1 Ganhos obtidos na utilização do datalloger................................... 6.2 Sugestão de estudos futuros.......................................................... REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR ANEXO I - Especificação técnica do motor VHP Série 5794-GSI ANEXO II - Certificados de calibração dos instrumentos padrões

144 144 145

17 CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO O Gasoduto Bolívia-Brasil operado pela empresa TBG, Transportadora Brasileira Gasoduto Bolívia Brasil S/A, tem a finalidade de transportar o gás natural (GN) da Bolívia para o Brasil, a partir da cidade de Rio Grande na Bolívia, atravessando, no Brasil, os estados de Mato Grosso do Sul, São Paulo, Paraná, Santa Catarina e parte do Rio Grande do Sul através de um complexo de bases operacionais compostas basicamente de 19 Estações de Compressão (Ecomp), 4 Estações de Medição (Emed), 40 Estações de Entrega (EE), 1 Central de Supervisão e Controle (CSC) e 2.593km de um dutos de aço com diâmetros que variam de 812mm (32”) no trecho norte até 406mm (16”) no final do gasoduto na cidade de Canoas no estado do Rio Grande do Sul. Ao longo de seu percurso em solo Brasileiro, abastece consumidores de GN, tais como, refinarias de petróleo, usinas termelétricas, distribuidoras estaduais de GN e outros consumidores, constituindo um sistema integrado de transporte de gás. A capacidade de transporte de GN é de 30 milhões de metros cúbicos por dia (equivalentes a 200 mil barris/dia de petróleo). A TBG é responsável por transportar GN para um mercado onde é gerado aproximadamente 70% do PIB nacional. As Ecomps do Trecho Norte (Mato Grosso do Sul e São Paulo) mantêm a pressão do gás em condições para transporte por meio de compressores centrífugos acionados por turbinas a gás. As Ecomps do Trecho Sul (Paraná e Santa Catarina) mantêm a pressão do gás em condições para transporte, por meio de compressores alternativos acionados por motores de combustão, sendo a supervisão e operação das unidades operacionais executadas remotamente via Central de Supervisão e Controle (CSC), localizada na cidade do Rio de Janeiro.

18

FIGURA 1 - Mapa do traçado do gasoduto Bolívia-Brasil

Fonte: TBG 2010 Atualmente são três as Ecomps do Trecho Sul:

• Araucária / PR (4 motocompressores) • Biguaçu / SC (3 motocompressores) • Siderópolis / SC (4 motocompressores)

Os motocompressores de GN são equipamentos robustos e constantemente exigidos durante a operação do gasoduto Bolívia-Brasil. .. Os conjuntos de motocompressores são formados por compressores alternativos com dois cilindros e duplo efeito com um estágio de compressão, fabricados pela empresa italiana Nuovo Pignone, acionadores do tipo motor à combustão de ciclo Otto com 12 cilindros em “V”, utilizando o próprio GN como combustível, fabricados pela empresa americana Dresser Waukesha.

19 A potência máxima dos motores Waukesha modelo VHP é de 1100Hp e deve ser suficiente para impulsionar o compressor alternativo para uma vazão de GN aproximadamente de 1,2 milhão de metros cúbicos dia a uma pressão máxima na descarga de 75kgf/cm². O controle da pressão de saída dos compressores pode ser feito através de acionamento de válvulas de admissão de GN nas câmaras de compressão dos cilindros nos pontos fixos de 25%, 50%, 75% ou 100% de capacidade e ainda da variação de rotação do motor que pode girar entre 680 até 1000 rpm, que correspondem a 0% a 100% de velocidade. Cada conjunto de motocompressor possui um alto nível de automação para a operação e segurança. Dentre as variáveis medidas na operação dos motocompressores, uma das mais importantes é a potência despendida pelos motores Waukesha para impulsionar os compressores Nuovo Pignone. Esta medição é feita de modo indireto, levando-se em consideração variáveis como consumo de gás combustível, temperatura de saída dos gases de queima, diferencial de pressão do compressor, dentre outras. 1.1 Delimitação do tema Em determinadas situações operacionais, os motores apresentam falhas na combustão dos cilindros, ocasionando o fenômeno denominado “detonação”. Segundo Câmara (2009), a detonação ocorre quando o aumento da pressão no interior da câmara provoca a geração de combustão espontânea em pontos diferentes da câmara. A detonação pode causar os seguintes danos:

• Gerar esforços desordenados no interior do cilindro; • Provocar ruídos metálicos – batida de pino; • Gerar em longos períodos, danos severos ao motor; • Aumento de temperatura de operação.

Quando a detonação ocorre, quase sempre acarreta o acionamento do sistema de segurança do motor, que acaba tirando o equipamento prematuramente de operação e diminuindo a capacidade da Ecomp em comprimir o GN para o próximo trecho do gasoduto e seus consumidores conectados.

20 Segundo o fabricante, este fenômeno normalmente acontece quando o motor é exigido acima da sua capacidade de fornecimento de potência, porém, no caso da TBG, na hora do aparecimento do fenômeno a indicação de potência continua numa faixa tolerável. Com isto fica difícil o diagnóstico preciso da causa do aparecimento do fenômeno e suas conseqüëncias danosas. Neste trabalho buscou-se aperfeiçoar a medição de potência do motor do motocompressor de GN para que sirva de parâmetro e seja possível operar estes equipamentos em uma faixa de potência onde não apareça este fenômeno da detonação e seus efeitos indesejados. 1.2 Objetivos Como forma de prevenir a integridade dos motores e manter a disponibilidade operacional dos motocompressores, o autor propõe atingir os seguintes objetivos nesta pesquisa: 1.2.1 Objetivo principal Estudar os processos envolvidos na operação e as recomendações do fabricante do motor, propor, desenvolver e testar o funcionamento de uma adequação tecnológica do sistema de medição de potência do motor para torná-la mais eficiente. 1.2.2 Objetivos específicos Disponibilizar para o operador uma indicação de potência que permita operar o motor em uma faixa mais próxima da máxima potência sem o aparecimento do fenômeno da detonação. Atender a outras necessidades específicas levantadas com os clientes/usuários internos conforme a tabela 1.

21

CLIENTE / USUÁRIO NECESSIDADE

Controladores do CSC

(Centro de Supervisão e Controle)

Operar os motocompressores o mais próximos possível

da potência máxima permitida, otimizando os recursos

sem que aconteça a falha por detonação.

Mecânico de manutençãoUtil izar o novo sistema como ferramenta de diagnóstico

de falhas e otimização da operação.

Supervisor de instalações Diminuição da incidência de manutenções corretivas.

Departamento de engenharia

Sistema desenvolvido em ferramenta já uti l izada pela

empresa aproveitando ao máximo a instrumentação

atualmente instalada no motor. TABELA 1 – Identificação de necessidades dos usuários.

1.3 Justificativa

A importância deste projeto se justifica pela implementação da adequação tecnológica do modelo de medição de potência dos motores Waukesha que acionam os compressores de GN, por um modelo de medição de potencia mais precisa. Com isso o autor espera diminuir a incidência do fenômeno de detonação, permitindo operar os motocompressores em uma razão entre Vazão de GN X Diferencial de pressão de GN mais aproximado possível do ponto de parada do motor por alta detonação e assim manter a meta de disponibilidade dos motocompressores para operação acima do índice desejado. A figura 2 mostra o gráfico com a meta de disponibilidade dos motocompressores e os valores alcançados ao logo do tempo.

FIGURA 2 – Gráfico de disponibilidade mensal dos motocompressores

Fonte: TBG 2009

22 Sendo: Disponibilidade Mensal = (Horas de Paradas Planejadas + Horas de Operação Limitada + Horas de Paradas Não Planejadas) / 8.760 horas. Além disso, este projeto trará uma diminuição nos custos com manutenção corretiva e proporcionará a utilização do sistema de medição para diagnóstico de falhas no motor. 1.4 Estrutura do trabalho Este trabalho esta dividido em 6 capítulos, 2 anexos e as referências bibliográficas. O capítulo 1 apresenta uma introdução descrevendo a atividade desenvolvida pela empresa TBG S/A, a delimitação do tema abordado, os objetivos da pesquisa bem como as justificativas que nortearam o desenvolvimento da pesquisa. Para uma melhor compreensão do tema abordaremos, no capitulo 2, a revisão bibliográfica na qual apresentamos um breve histórico dos motores à combustão, os aspectos funcionais com os principais sistemas auxiliares de um motor a combustão e os fenômenos indesejados no funcionamento do motor. No capítulo 3, são mostradas uma estação de compressão de gás natural, seus sistemas auxiliares, as principais características e particularidades do GN e é feita uma descrição do compressor alternativo utilizado na estação de compressão assim como uma descrição do motor propulsor Waukesha VHP. No capítulo 4, há a descrição da metodologia empregada na pesquisa assim como o detalhamento dos ensaios realizados para embasar o estudo do problema. No capítulo 5, são mostrados os resultados obtidos na pesquisa e as análises desenvolvidas que serviram para formulação da proposta de solução do problema assim como a descrição da ferramenta de diagnósticos do motor desenvolvida durante os testes para a pesquisa. No capítulo 6, são mostradas as conclusões após as análises e apontamos possibilidades de estudos futuros para aprimorar o sistema e a ferramenta de diagnóstico do funcionamento do motor. O anexo I mostra a especificação técnica do motor VHP/GSI Série 5794GSI e no anexo II os certificados de calibração dos equipamentos padrões de calibração.

23 CAPÍTULO 2 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A revisão bibliográfica é de suma importância no desenvolvimento de qualquer pesquisa, nela se buscam os conceitos e conhecimentos nas mais atuais obras científicas que tratam sobre os assuntos abordados na pesquisa, proporcionando embasamento prático e teórico para o desenvolvimento da pesquisa. A revisão bibliográfica também serve para creditar a criação intelectual e balizar o trabalho com o “estado da arte” no assunto pesquisado. 2.1 O Motor de combustão interna a pistão Neste tópico é mostrada uma descrição geral de um motor à combustão interna (MCI) a pistão e seu princípio de funcionamento assim como a classificação dos MCI quanto as suas principais característica e as tecnologias disponíveis. 2.1.1 Descrição geral Segundo Costa (2002), o motor a pistão é a fonte de energia dos veículos que converte a energia calorífica produzida pela combustão da gasolina em energia mecânica o que lhe permite o transporte de cargas (pessoas ou materiais) e outras aplicações para motores estacionários. A capacidade de carga, assim como a velocidade máxima dos veículos, está associada à potência de seus motores. A utilização dos motores para atingir maiores velocidades ou aumentar sua capacidade de carga é definida nos projetos específicos do sistema de transmissão para cada aplicação. O sistema de transmissão é o responsável por transferir a potência do motor para o eixo da rodas de um veículo. Para funcionar o motor precisa de uma fonte de energia, normalmente uma mistura de ar/combustível que é queimada no interior dos cilindros. Os 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 (GN) vem sendo utilizado como combustível alternativo aos combustíveis líquidos. O tipo de

24 combustível que será utilizado nos motores é determinado pelo fabricante, levando-se em considerações fatores como preço, disponibilidade no mercado, potência requerida e legislação ambiental. No interior do motor a mistura ar/combustível é comprimida nos pistões dentro dos cilindros e depois queimada por uma centelha (ciclo Otto) ou alta temperatura (ciclo Diesel) produzindo altas pressões. ... A expansão dos gases queimados empurra os pistões para baixo, gerando um movimento que é transmitido ao eixo de manivelas. A figura 3 mostra esquematicamente o comparativo do principio básico da conversão do movimento do pistão no movimento que é transmitido até as rodas com o movimento do pedal em uma bicicleta.

FIGURA 3 - Conversão do movimento vertical em rotatório.

Fonte: Costa 2010 2.1.2 Classificação dos motores de combustão interna (MCI) Segundo Martinelli (2000), pode-se classificar os MCI conforme a tabela 2:

25

TABELA 2 - Classificação dos motores de combustão interna.

Fonte: Adaptado de Martinelli 2000. 2.2 Definições Para compreender o funcionamento dos MCI é necessário conhecer as seguintes definições: 2.2.1 Ponto morto superior e ponto morto inferior Segundo Heywood (1988), Ponto Morto Superior (PMS) {Top Dead Center - TDC} e Ponto Morto Inferior (PMI) {Bottom Dead Center - BDC}, são as posições na qual o êmbolo do pistão atinge seu curso máximo e mínimo. Nestes pontos acontecem as inversões do

26 sentido de movimento do pistão, sendo que na posição TDC o volume Vc é o mínimo e na posição BDC o volume Vd é o máximo (Figura 4).

FIGURA 4 – Geometria do conjunto cilindro/pistão/biela

Fonte: Adaptado de Heywood 1988. 2.2.2 Cilindrada Segundo Martinelli (2000), cilindrada é o volume total deslocado pelo pistão entre o PMI e o PMS, multiplicado pelo número de cilindros do motor. Ela é indicada em centímetros cúbicos (cm³), conforme a equação (1):

(1)

Sendo: C = Cilindrada do motor (cm³); D = Diâmetro do cilindro (cm); N = Número de cilindros (unidade); Curso = Curso do pistão (cm). Tomando como exemplo o motor Waukesha VHP L5796 GSI. De seu catálogo têm-se os seguintes dados: Motor estacionário em V alimentado por gás natural Número de Cilindros = 12 Diâmetro cilindro = 216,0 mm

27 Curso do pistão = 216,0 mm Taxa de Compressão = 8,25:1 assim:

C = ( π . 216² . 216) . 12 C = 94980,17 mm³ 4 C = 9498,0 cm³ C 10 l Este motor é conhecido como 10,0 litros.. 2.2.3 Câmara de compressão ou de combustão A câmara de compressão/combustão ou ainda volume morto, é o espaço livre que fica acima do pistão quando este se encontra no PMS. ... Nela, a mistura ar/combustível do motor à gasolina, que entrou pela válvula de admissão, será comprimida e, após a faísca emitida pela vela, explodirá para que a expansão dos gases movimente o pistão e dê sequência ao funcionamento do motor. Dependendo do grau de modernidade do motor, a câmara pode estar inserida no cabeçote ou na cabeça dos pistões (figura 5). .. ... .... Basicamente, o volume da câmara de combustão define a taxa de compressão do motor. Quanto menor for seu volume, maior será essa relação e, consequentemente, maior rendimento do motor. Todos os componentes que atuam em sua formação ou ao seu redor influenciam diretamente em sua eficiência: a posição das válvulas e o desenho dos dutos de admissão, por exemplo.

FIGURA 5 - Câmara de Combustão construída na cabeça do pistão.

Fonte: Braga 2007.

28 2.2.4 Taxa de compressão A Taxa de compressão é o número que indica quantas vezes a mistura ar/combustível ou simplesmente o ar aspirado (no caso do Diesel) para dentro dos cilindros pelo pistão é comprimido na câmara de combustão antes que se inicie o processo de queima. Assim, um motor a GNV que tenha especificada uma taxa de compressão de 8,25:1, por exemplo, indica que o volume aspirado para dentro do cilindro foi comprimido 8,25 vezes no PMS (figura 6).

FIGURA 6 - Definição de Taxa de Compressão.

Fonte: Braga 2007.

Do ponto de vista termodinâmico, a taxa de compressão é diretamente responsável pelo rendimento térmico do motor. Assim, quanto maior a taxa de compressão, melhor será o aproveitamento energético que o motor estará fazendo do combustível consumido. Por esse motivo é que os motores a diesel consomem menos que um similar a gasolina, funcionando com taxas de compressão altíssimas (17:1 nos turbo-diesel e até 22:1 nos diesel aspirados) e geram a mesma potência consumindo menos combustível. Há limitações físicas e técnicas para a simples ampliação da taxa. No primeiro caso, ocorre a dificuldade de obtenção de câmaras de combustão minúsculas. Já o seguinte apresenta restrições quanto às propriedades do combustível, o quanto cada um “tolera” de compressão antes de se auto-inflamar (resistência a queima espontânea). A taxa de compressão TC é expressa pela relação:

29 TC = cilindrada do motor + volume da câmara de combustão volume da câmara de combustão Chamando de C a cilindrada do motor e ν o volume da câmara de combustão (volume morto), têm-se a equação (2): TC = C + ν ν (2) Tomando como exemplo o motor de um automóvel Corsa Sedan GL (GM), do catálogo, obtêm-se as seguintes informações: Motor Transversal MPFI Gasolina Cilindrada 1.6 1600 cm³ Número de Cilindros 04 Diâmetro do Cilindro 79,0 mm Curso do Pistão 81,5 mm Para um motor de 04 cilindros à 1600 cm³ a cilindrada do cilindro é: C = π . D² 4 C = π . 7,9² . 8,15 4 C = 399,486 cm³ Para uma Taxa de Compressão de 9,4:1 Volume morto v é: ν = C__ TC -1 ν = 399,486 9,4 -1 ν = 47,56 cm³ Pode-se então calcular a altura (h) deixada no cilindro para a abertura das válvulas: ν = π.D² . h 4

30 h = 4. n π.D² h = 4 . 47,5 π . 7,9² h = 97 mm Com isso, pode-se concluir que a Taxa de Compressão é uma propriedade inerente ao motor (bloco, cabeçote, pistões) e não ao combustível utilizado no mesmo. Não se altera a Taxa de Compressão de um motor apenas modificando o tipo de combustível consumido. 2.2.5 Mistura ar/combustível Segundo Braga (2007), a mistura ar/combustível deve ter uma proporção adequada entre a massa de ar e a massa de combustível, de forma que a reação de combustão seja completa, gerando como produtos apenas gás carbônico (CO2) e água (H2O), alem dos gases inertes presentes na atmosfera. A mistura que proporciona uma combustão completa é chamada de estequiométrica e deve ter uma razão de 14,7:1 no caso da gasolina pura, 13,8:1 para a gasolina comun, e 9:1 para o etanol entre as massas de ar e combustível. Define-se então o fator Lambda (λ), que corresponde a razão entre relação ar/combustível real e a estequiométrica, de acordo com a equação (3); λ = ( ar/combustível real) . ( ar/combustível estequiométrico) (3) O fator λ determina a condição instantânea da mistura ar/combustível. Para λ = 1 a massa de combustível injetada esta na proporção correta em relação a massa de ar admitida, e deste modo a combustão será, teoricamente, completa. Para λ < 1 a mistura esta com deficiência de ar, sendo chamada mistura rica. Para λ > 1 existe excesso de ar e diz-se que a mistura esta pobre. O Lambda é muito importante para o funcionamento do motor, pois influi de forma direta no

31 desempenho, no consumo de combustível e nas emissões de poluentes. .. A figura 7 mostra a variação da potência e do consumo especifico em função do λ, considerando que o avanço de ignição, a rotação e a posição da válvula borboleta são mantidos constantes.

FIGURA 7 - Variação da potência e consumo em função do Lambda.

Fonte: Costa 2010. Observa-se que a máxima potência é obtida com mistura ligeiramente rica, enquanto o menor consumo é obtido com mistura ligeiramente pobre. A condição estequiométrica se situa na região intermediária, proporcionando um bom desempenho com baixo consumo. Os sistemas modernos controlam o λ em diferentes valores dependendo das condições de operação do motor. Situações como aceleração rápida, desaceleração, partida, baixa carga e plena carga, entre outras, exigem mistura diferente da estequiométrica. 2.2.6 Ciclo operativo Segundo Rahde (2006), ciclo operativo é a sucessão de operações termodinâmicas que o fluido executa no interior do motor e repete com periodicidade. Os motores a combustão interna podem funcionar

32 segundo o ciclo Otto ou ciclo Diesel. O presente trabalho está relacionado com um motor que funciona segundo o ciclo Otto, o qual será, a seguir, melhor detalhado. 2.2.6.1 Ciclo operativo Otto quatro tempos O ciclo principia no PMS do pistão; compreende quatro cursos sucessivos necessitando duas rotações do virabrequim. A entrada e saída dos gases são comandadas pelas válvulas de admissão e descarga, definindo os quatro tempos de funcionamento do motor (figura 8). 1° TEMPO. ADMISSÃO. Acionado pela biela e pelo virabrequim, o pistão afasta-se do cabeçote e cria uma depressão provocando a aspiração de certa quantidade de mistura ar/combustível (A/C). Esta mistura de A/C penetra no cilindro graças à válvula de admissão que durante todo o curso do pistão se mantém aberta. 2° TEMPO. COMPRESSÃO. Partindo do PMI o pistão sobe até o PMS. Ao iniciar este movimento, a válvula de admissão se fecha e os gases no cilindro sofrem então uma forte compressão. No final do 2° TEMPO, o virabrequim efetuou uma rotação completa; o pistão encontra-se novamente no PMS. As válvulas são hermeticamente fechadas e os gases ficam comprimidos num determinado espaço a que se chama câmara de compressão ou câmara de explosão. 3° TEMPO. EXPLOSÃO OU COMBUSTÃO. A inflamação da mistura A/C na câmara de compressão efetua-se no final do 2° TEMPO, instantes antes do pistão ter atingido o PMS. A inflamação de toda a massa de gás provoca uma considerável elevação da temperatura, o que vai dar origem a um grande aumento de pressão. Esta pressão comprime violentamente o pistão do PMS ao PMI, transmitindo deste modo ao virabrequim uma força motriz favorável à rotação. É o tempo motor. 4° TEMPO. DESCARGA OU ESCAPAMENTO. A poucos instantes antes do pistão atingir o PMI no final do 3° TEMPO, a válvula de descarga começa a abrir-se e os gases queimados podem escapar para o exterior do motor. A expulsão completa realiza-se durante todo o espaço de tempo em que o pistão faz o seu retorno ao PMS. Neste

33 momento a válvula de descarga fecha-se, e a de admissão abre-se e logo em seguida começa um novo ciclo. O ciclo de quatro tempos exige duas rotações do virabrequim (720°) e só fornece uma força motriz ao 3° TEMPO, pelo que há necessidade de acionar o motor por meio de uma força exterior. O 1°, 2°, e 3° TEMPOS absorvem energia mecânica, o que obriga o emprego de um volante ligado ao virabrequim.

FIGURA 8 - Ciclo operativo Otto de quatro tempos.

Fonte: Adaptado de Malpica 2007. 2.2.7 Avanço de ignição

Ao longo do ciclo de trabalho do motor, apenas durante o tempo de expansão é produzido trabalho no eixo do motor, enquanto durante os outros três há somente consumo de energia. Para que sejam atingidos os objetivos de máximo desempenho com menor consumo é importante maximizar a energia fornecida ao eixo do motor durante o ciclo de expansão, ou seja, aproveitar toda a energia química disponível na mistura ar/combustível admitida, de forma a empurrar o pistão com a maior força possível.

A figura 9 mostra o comportamento da pressão no interior do cilindro em função do ângulo do eixo de manivelas. Durante o tempo de compressão o pistão está subindo, o que gera uma diminuição no volume da mistura e consequentemente um aumento da pressão. Pouco

34 antes do PMS ocorre a ignição da mistura através da centelha, o que gera uma frente de chama, que cresce rapidamente em direção as paredes do cilindro. O interior da frente de chama contém os produtos quentes da combustão, enquanto a sua frente encontra-se a mistura ainda não queimada. Este processo acarreta em aumento da temperatura, o que contribui para o aumento rápido da pressão. O pico de pressão corresponde ao instante em que a frente de chama atinge as paredes do cilindro, porém nem todo o calor foi liberado ainda. Devido às condições de alta temperatura e pressão no início do ciclo de expansão, alguns componentes químicos no interior do cilindro sofrem dissociação. No entanto, na medida em que temperatura e pressão diminuem devido ao movimento de descida do pistão, ocorre o fenômeno de re-associação, que permite prolongar a combustão, de forma que um pouco mais de calor ainda é liberado.

FIGURA 9 – Gráfico da pressão no cilindro nos tempos de compressão e expansão.

Fonte: Braga 2007.

Observa-se que o adiantamento da centelha em relação ao PMS possibilita ao motor atingir um pico mais elevado de pressão no cilindro, o que corresponde a uma maior força empurrando o pistão. Ao ângulo no qual ocorre a centelha dá-se o nome de ângulo de avanço de ignição, sendo medido antes do PMS. O avanço de ignição deve ser otimizado de forma que o pico de pressão seja o maior possível e ocorra após o PMS.

35 . Deste modo, garante-se uma maior eficiência no uso da energia química do combustível, além de um torque elevado no eixo do motor.

O avanço de ignição ideal depende de dois fatores principais, a rotação do motor e a carga aplicada. Com o aumento da rotação a velocidade de deslocamento do pistão aumenta, fazendo com que o pico de pressão diminua e ocorra longe do PMS. Neste caso é necessário aumentar o avanço, para que a pressão comece a subir antes, de modo a compensar o aumento de velocidade do pistão. O ajuste do avanço de ignição em função da carga aplicada e também importante, já que misturas mais pobres, aplicadas em condições de baixa carga, levam um tempo maior para queimar, e deste modo um avanço adicional deve ser aplicado. Já em cargas elevadas usa-se mistura rica que queima mais rapidamente, e neste caso o avanço pode ser reduzido. De forma geral, em cada condição de operação o motor requer um valor de avanço de ignição ótimo. A figura 10 mostra a variação do torque e do consumo específico do motor em função do avanço, para a mesma condição de rotação, carga e relação ar/combustível. Observa-se que o torque máximo ocorre para um valor especifico de avanço, conhecido como “Ponto de Torque Máximo” ou Minimum advance for Best Torque (MBT).

Aumentando mais o avanço é possível atingir o ponto de menor consumo específico.

FIGURA 10 - Torque e consumo em função do avanço de ignição.

Fonte: Braga 2007.

36 2.2.8 Auto ignição Segundo Malpica (2007), algumas vezes o efeito auto ignição (queima espontânea do combustível) pode ocorrer em razão das altas temperaturas na câmara de combustão ou octanagem incorreta da gasolina para a taxa de compressão do motor. Pontos quentes no interior da câmara passam a fazer o papel da vela de ignição, incandescendo a mistura ar/combustível antes mesmo de a vela de ignição iniciar o processo através da centelha elétrica. Uma vela com grau térmico muito alto para a situação em que o motor está sendo utilizado pode também ser o motivo da auto ignição. Este fenômeno é muito prejudicial ao funcionamento do motor, fazendo com que perca potência e corra o risco de um superaquecimento. A auto ignição pode levar à destruição da câmara de combustão e, em casos extremos, furos na cabeça dos pistões ou mesmo sua fusão com o cilindro. Esses efeitos devastadores são idênticos aos provocados em motores com ponto de ignição muito adiantado, o que pode acabar provocando detonações.

2.2.8.1 Pré ignição A pré ignição provoca a queima da mistura antes do tempo normal de combustão, ao contrário da detonação que a atrasa. A pré ignição ocorre quando a mistura ar/combustível é queimada por uma fonte não controlada antes de ser ignizada pela faísca da vela. A pré ignição pode destruir um motor em minutos. Ela provoca uma reação muito rápida da mistura ar/combustível porque ela cria duas frentes de chama sendo queimadas simultaneamente. A figura 11 mostra como ocorre a pré ignição.

37

FIGURA 11 - Ocorrência da pré ignição.

Fonte: Braga 2007. A pré ignição gera altas temperaturas, às vezes acima de 2200º, e ao mesmo tempo, as pressões de pico são aproximadamente o dobro (cerca de 8200 kPa contra 4100 kPa) das pressões de combustão normal. . O instante destas pressões de pico agrava ainda mais o problema. Como a mistura foi queimada prematuramente, a pressão de pico é normalmente atingida um pouco antes do PMS (Ponto Morto Superior). . Isto deixa menos espaço para os gases em combustão, o que aumenta as pressões de pico. Entretanto, o pistão está sendo forçado para cima contra uma chama do tipo "maçarico" e, embora o pistão esteja próximo do PMS, as paredes do cilindro ficam pouco expostas, havendo assim uma área menor da sua superfície para a troca de calor. . À medida que a temperatura das peças se eleva, a pré-ignição começa a ocorrer cada vez mais cedo no ciclo, adiantando-se à faísca da vela e diminuindo a potência do motor. A figura 12 mostra o aspecto do pistão danificado por pré ignição onde a zona dos anéis e cabeça estão parcialmente destruídas além de um furo no topo do pistão.

FIGURA 12 – Pistão danificado por pré ignição.

Fonte: Nebra 2008.

38 Tudo isto significa que uma ou mais das seguintes situações pode estar ocorrendo: • Taxa de compressão elevada; • Ponto de ignição das velas adiantado; • Má regulagem da mistura de ar/combustível; • Combustível de baixa octanagem; • Depósitos de carvão que permanecem incandescentes nos pistões ou cabeçote; • Velas de tipo excessivamente quente para o motor; • Carga excessiva do motor. 2.2.8.2 Detonação

Segundo Braga (2007), o aumento do avanço em busca do MBT é limitado pelo fenômeno da detonação. Como foi visto anteriormente, a aplicação da centelha gera uma frente de chama que se propaga em direção as paredes do cilindro, elevando os valores de temperatura e pressão. A mistura ar/combustível ainda não queimada pode não suportar estas condições e sofrer ignição espontânea, antes da chegada da frente de chama, como mostra a figura 13.

FIGURA 13 - Ignição espontânea no interior do cilindro.

Fonte: Braga 2007.

39

A ignição espontânea da mistura produz ondas de choque que se propagam em direção contraria à frente de propagação normal, causando oscilações na pressão devido à interferência entre as ondas, sendo este fenômeno conhecido como detonação (knocking).

Segundo Nebra (2008), este fenômeno é registrado através da medição da variação da pressão durante a combustão, onde se registram os picos de pressão característicos deste fenômeno, como mostra a figura 14. As causas de seu aparecimento são variadas, depende fortemente das características do combustível, combustíveis com longas cadeias de carbonos tem mais tendência a produzir o fenômeno. Usam-se aditivos para diminuir este efeito. Os aditivos mais populares são compostos a base álcool.

Segundo Braga (2007), a frequência destas oscilações depende basicamente do diâmetro do cilindro e da temperatura na câmara de combustão, ficando tipicamente na faixa de 5 a 10kHz. As ondas de pressão se chocam contra a parede do cilindro, causando vibrações que se propagam pela estrutura do motor. Deste modo, a detonação pode ser detectada tanto pela medição direta da pressão no cilindro, quanto pela medição da vibração estrutural do motor. Observa-se também na figura 14 que quanto maior o avanço de ignição aplicado, maior valor de pressão e atingido, e deste modo, maior e a chance de ocorrência da detonação.

FIGURA 14 - Comportamento da pressão no interior do cilindro.

Fonte: Braga 2007.

40

Durante a ocorrência de detonação parte da energia presente no cilindro é desperdiçada, o que gera perda de potência entregue ao eixo. ... Além disso, danos progressivos e irreversíveis são causados aos componentes do motor. Deste modo a detonação se torna um fator limitante ao desempenho do sistema, impedindo que o MBT seja alcançado em determinadas condições de operação. Portanto e importante que o sistema de controle mantenha o avanço de ignição o mais próximo possível do MBT, mas sem a ocorrência elevada de detonação.

A figura 15 mostra um dano no pistão causado por detonação.

FIGURA 15 - Danos no pistão provocados por detonação.

Fonte: Costa 2010.

A figura 16 ilustra as diferenças entre combustão normal, detonação e auto ignição.

41

FIGURA 16 – Comparativo entre combustão normal e detonação.

Fonte: Adaptado de Costa 2010.

2.2.9 Componentes do motor A seguir mostramos a figura 17 com uma vista em corte de um motor com 4 cilindros em linha na qual aparecem os principais componentes do motor a combustão interna. Segundo Rahde (2006), podemos dividir os principais componentes do motor em componentes fixos e componentes móveis ou sistema de força.

42

FIGURA 17 – Vista em corte de um motor a combustão interna.

Fonte: Mahle 2005. 2.2.9.1 Componentes fixos Fazem parte dos componentes fixos do motor: a) Bloco de cilindros Segundo Oliveira (1997), o bloco é o componente que abriga em seu interior o virabrequim, bielas e pistões. Na prática, é a "estrutura de suporte" do motor, na qual ficam os suportes da sede de casquilhos e também os cilindros. Segundo Rahde (2006), os materiais do bloco de cilindros incluem o ferro fundido, alumínio fundido, alumínio forjado e aço forjado, usualmente soldado no último caso. b) Cilindros O cilindro é parte do motor onde o pistão se movimenta, os cilindros são fabricados em ferro fundido, cuja a fácil fundição permite executar as mais variadas formas do bloco e das câmaras de água. . Geralmente as fundições de bloco com cilindros inclusos contêm cromo, para aumentar a resistência dos cilindros ao desgaste. Um bloco de cilindros pode conter camisas que são tubos cilíndricos inseridos no bloco do motor no lugar dos cilindros. As camisas denominam-se secas quando sua superfície exterior não entra em contato com a água de

43 arrefecimento ou molhadas quando sua superfície externa esta em contato com a água de arrefecimento. c) Cárter O cárter de um motor é em ferro fundido ou em alumínio fundido. . Forma a parte principal do bloco do motor e contém o virabrequim, o eixo de cames (motor de válvulas laterais) e a bomba de óleo. As paredes extremas e as divisórias internas suportam os mancais do virabrequim. A parte inferior do cárter forma um depósito de óleo, feito de uma chapa embutida ou de liga de alumínio. d) Cabeçote O cabeçote tem a função de tampar os cilindros formando a câmara de combustão. Os motores refrigerados a água usam cabeçotes de ferro fundido ou ligas de alumínio. Este último quando a necessidade de peso leve, ou melhor, condução de calor uma vez que impedem a formação de pontos quentes nas paredes internas do cabeçote. O cabeçote é um dos elementos mais críticos no projeto de um motor porque ele combina problemas estruturais, fluxo de calor e escoamento de fluido em uma forma complexa. 2.2.9.2 Componentes móveis – Sistema de força Fazem parte dos componentes móveis do motor ou sistema de força: a) Virabrequim O eixo de manivelas ou virabrequim transforma o movimento linear do êmbolo em movimento circular. Ele recebe o torque linear através das bielas que estão conectadas aos pistões e transforma em torque circular, impelindo os outros componenetes acoplados nas extremidades de seu eixo (ex: volante, polias, comando de válvulas etc.). Os virabrequins são feitos de aço forjado, ou fundidos de aço, ferro maleável ou ferro cinza. Em termos qualitativos, as cargas em um

44 virabrequim resultam em tensões devido à flexão, torção e cisalhamento em todo seu comprimento. A linha de eixo é o conjunto de munhões nos quais gira o virabrequim apoiado no bloco do motor. Os moentes são as partes do virabrequim onde se apóiam as bielas. b) Volante É um disco de grande massa que se destina a regularizar a rotação do virabrequim e transferir o torque gerado no virabrequim para a caixa de velocidades. No momento da explosão, o volante absorve a energia desenvolvida e a restitui nos tempos não motores. O volante é confeccionado em ferro fundido ou em aço moldado. c) Bielas No motor à combustão interna a biela é a peça que liga o êmbolo do pistão ao munhão do virabrequim. A parte inferior da biela (cabeça) é ligada ao munhão por meio de parafusos e a parte superior da biela é unida ao embolo do pistão através da cavilha. As bielas são de aço-liga forjado e, por vezes, de liga de alumínio. d) Mancais São utilizados para reduzir o atrito e servir de apoio às partes giratórias do motor (moentes, munhões,...). Os mancais dividem-se em dois tipos principais: os fixos, alojados nos munhões e no bloco do motor, e os móveis, montados nos moentes e bielas. Podem ser de deslizamento ou de rolamento (com roletes, esferas, agulhas). O mancal é composto por duas partes, uma externa chamada capa e outra interna composta por metal antifricção. O metal antifricção pode ser uma liga de estanho, de cobre e de antimônio. e) Pistão O pistão é um êmbolo que se desloca dentro do cilindro. Ele recebe a força provocada pela explosão na câmara de combustão e a consequente expansão dos gases e transmite à biela através do pino de ligação chamado cavilha. Os pistões são fundidos em liga de alumínio ou em aço. O pistão do motor de combustão funciona em condições particularmente

45 desfavoráveis. Para um regime de 3600 rpm, ele pára 120 vezes por segundo. Entre cada parada ele atinge uma velocidade de 70 km por hora. No momento da explosão, ele recebe um impulso de mais ou menos 20000 N (2000 kg) 30 vezes por segundo. 2.2.10 Sistemas auxiliares do motor Para que o motor funcione existem sistemas auxiliares dedicados a alimentação de combustível, sincronismo de ignição, lubrificação e refrigeração dentre outros. A seguir, a descrição do funcionamento dos principais sistemas auxiliares do motor. 2.2.10.1 Sistema de alimentação de combustível O sistema de alimentação, através dos seus componentes que atuam em conjunto, tem a função de fornecer combustível pressurizado de forma constante para a combustão no cilindro. Este processo ocorre a partir do tanque de combustível, até a queima da mistura ar-combustível na câmara de combustão (figura 18).

FIGURA 18 - Linha de alimentação do combustível.

Fonte: Costa 2002.

46 2.2.10.2 Sistema de ignição Segundo Costa (2002), a combustão de uma mistura de ar e gasolina nos cilindros de um motor a gasolina resulta a energia necessária, para mover um automóvel. O sistema de ignição produz a faísca elétrica que inflama a mistura (figura 19). Cada cilindro possui uma vela provida de dois elementos metálicos (eletrodos) que penetram na câmara de explosão. Quando a corrente elétrica é fornecida às velas a uma voltagem suficientemente elevada, a corrente salta através do intervalo entre os eletrodos sob a forma de uma faísca. O sistema de ignição de um automóvel é constituído por quatro partes principais: - Bateria, que fornece a corrente elétrica; - Bobina, que eleva a tensão da corrente; - Distribuidor, que envia a corrente às velas no momento adequado; - Velas, que produzem as faíscas que inflamam a mistura contida nos cilindros.

FIGURA 19 - Sistema convencional de ignição.

Fonte: Malpica 2007.

47 2.2.10.3 Sistema de lubrificação A função do óleo no motor não consiste apenas em reduzir o atrito e o desgaste dos pistões, apoios e outras peças móveis, mas também em evitar o escapamento dos gases quentes a alta pressão, dissipar o calor das zonas quentes para o ar, através do Cárter, diminuir a corrosão e absorver alguns dos resíduos nocivos da combustão. O óleo que se encontra no Cárter, na parte inferior do motor, é enviado por uma bomba para os mancais principais através de um filtro. . O óleo em excesso é retirado dos cilindros por segmentos ou anéis raspadores existentes nos pistões e regressa ao Cárter (figura 20).

FIGURA 20 - Sistema de lubrificação.

Fonte : Costa 2002.

48 2.2.10.4 Sistema de arrefecimento Segundo Rahde (2006), o sistema de arrefecimento tem por objetivo impedir que os elementos mecânicos do motor atinjam uma temperatura muito elevada ao contato com os gases da combustão. ... .. Assim sendo, a manutenção da temperatura ideal de trabalho evitando o desgaste, detonação da mistura, as folgas adequadas e a viscosidade do lubrificante é responsabilidade do sistema de arrefecimento. Existem dois tipos principais de arrefecimento, o que utiliza o ar como agente refrigerante e outro tipo que utiliza a água. O tipo de refrigeração mais utilizado é o a água com circulação forçada por bomba, ele é mais rápido, o que resulta em uma menor diferença de temperatura nas extremidades do radiador e menos riscos de congelamento no inverno. Contudo, quando se aciona o motor, a água fria entra imediatamente em circulação, e o aquecimento do motor é mais lento. A utilização neste caso de uma válvula termostática freia a circulação de água pelo radiador se a sua temperatura não for superior a 353 ºK (80 ºC). A figura 21 mostra um circuito de arrefecimento por água de um motor à combustão interna, onde aparecem os percursos da água somente pelo bloco ou pelo bloco e radiador conforme a abertura da válvula termostática.

FIGURA 21 – Sistema de refrigeração à água do motor à combustão interna.

Fonte: Oliveira 1997.

49 2.3 Gerenciamento eletrônico dos motores à combustão interna Segundo Milhor (2002), o gerenciamento eletrônico dos motores a combustão interna tornou-se um avançado sistema de controle, com ele os motores diminuíram a emissão de gases poluentes e aumentaram seu desempenho e economia. Além disto, os sistemas de gerenciamento eletrônico também proporcionam uma interface avançada para utilização como ferramentas de diagnósticos e pesquisas para desenvolvimento de novas tecnologias aplicadas aos MCI. Basicamente são dois os controles eletrônicos utilizados por um sistema de gerenciamento de MCI, Injeção Eletrônica e Ignição Eletrônica. 2.3.1 Injeção eletrônica A injeção eletrônica consiste em um sistema microprocessado responsável pelo controle de injeção de combustível nos cilindros após a rotina de leitura dos sensores instalados no motor, o processamento destas informações e a ação de controle nos atuadores a fim de buscar as condições ótimas do funcionamento do motor e segurança na condução do veículo. Determinados sistemas reportam ao motorista através de indicação no painel do veículo se existe alguma anomalia no sistema de injeção, ficando estes dados armazenados e disponíveis para futuras verificações, avaliações e correções. 2.3.1.1 Classificação dos sistemas de injeção eletrônica de combustível Os sistemas de injeção eletrônica de combustível são normalmente classificados quanto a quantidades de bicos injetores, podendo utilizar somente um bico injetor para todos os cilindros (EFI) ou bicos ejetores para cada cilindro (MPFI). O sistema de injeção eletrônica é composto pelo módulo de processamento, sensores e atuadores (válvulas de injeção).

50 2.3.1.2 Módulo de processamento O módulo de processamento da injeção é o responsável em receber a leitura dos sensores instalados no motor, comparar estas leituras com seu programa interno gravado na sua memória EPROM e proceder às correções necessárias nos atuadores. Na eventualidade de falha de algum sensor (travamento do sinal) o módulo no mesmo instante substitui o sinal anormal por um valor constante pré-determinado em sua memória EPROM, impedido a parada de funcionamento do motor e permitindo que o condutor possa terminar seu percurso e poeteriormente corrigir o problema em uma oficina habilitada. A figura 22 mostra um módulo de injeção eletrônica.

FIGURA 22 – Módulo de injeção eletrônica.

Fonte: Manual Bosch 2002. 2.3.1.3 Sensores O módulo de injeção eletrônica está conectado à vários dispositivos de medição das condições de funcionamento do motor, estes dispositivos são denominados sensores e enviam ao módulo de processamento da ignição eletrônica sinais de vazão de ar, pressão do coletor de admissão, quantidade de oxigênio nos gases de escape, posição do pedal do acelerador etc. A figura 23 mostra o módulo de processamento da injeção eletrônica juntamente com seus principais sensores e atuadores conectados.

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FIGURA 23 – Injeção eletrônica com seus sensores e atuadores.

Fonte: Fiat 2003. 2.3.1.4 Sensor de oxigênio Os sensores utilizados para medir a presença de oxigênio nos gases de escapamento dos motores são denominados sonda Lambda, os quais geram um diferencial de tensão em função da quantidade de oxigênio nos gases de escape em relação à quantidade de oxigênio presente na atmosfera. O sinal de saída deste sensor é utilizado pelo

52 módulo de controle de combustão para saber se a mistura ar/combustível está balanceada (relação estequiométrica), ou seja, a quantidade de ar é proporcional a quantidade de combustível para haver uma queima total da mistura. Um valor de Lambda = 1 significa que a queima está sendo estequiométrica, um valor de Lambda > 1 significa que a mistura ar/combustível está “Rica” (mais combustível do que ar) e um valor de Lambda < 1 significa que a mistura ar/combustível está “Pobre” (mais ar do que combustível). O valor de Lambda pode ser convertido em leitura da relação Ar/Combustível utilizando o fator de conversão para o combustível empregado (tabela 3).

Combustível Relação Estequiométrica

Gasolina 13,8:1 Metanol 6,4:1 Etanol 9,0:1 GNV 9,53:1

TABELA 3 – Relação estequiométrica dos principais combustíveis.

Exemplo de conversão: Relação estequiométrica para Gasolina: 14,7 partes de ar para 1 parte de gasolina. Lambda = (relação A/C medida) ÷ (relação A/C estequiométrica do combustível) Lambda = 12,5:1 ÷ 14,7:1 = 0,85

a) Tipos de sensores sonda Lambda

Os principais tipos de sonda Lambda são:

• Banda estreita ( Narrowband ) Esta sonda é formada por um corpo cerâmico de óxido de zircônio, sendo sua superfície provida de eletrodos de platina permeáveis a gás.

53 O material cerâmico é poroso permitindo uma difusão do oxigênio presente no ar, em alta temperatura a cerâmica se torna condutora aparecendo uma diferença de teor de oxigênio entre o lado dos gases de escape e o ar atmosférico. A figura 24 mostra uma sonda Lambda Narrowband em corte.

FIGURA 24 – Sonda Lambda Narrowband vista em corte.

Fonte: http://www.carburel.com.br/dicas/sonda lambda.hm acessado em 18/07/2011. Estas sondas são utilizadas em motores com injeção eletrônica, ela fornece uma tensão de saída entre 0,1 e 1,0 Vdc e mede a relação ar/combustível em uma faixa estreita com taxas entre 14,5:1 (1,0Vdc) e 15,.4:1 (0,1Vdc). Este tipo de sonda tem um custo baixo, é precisa nas medições próximas da relação estequiométrica, mas pouco precisa em medições nas faixas de operação “pobre” e “rica” na relação ar/combustível.

• Banda larga ( Wideband ) Este tipo de sensor de oxigênio é mais sofisticado do que o sensor de Narrowband, sendo também utilizado como uma ferramenta para ajuste de combustão em motores. Além de uma resposta mais rápida de

54 leitura, este sensor também mede com mais precisão a razão de ar/combustível que o motor esta queimando, indicando linearmente os valores de Lambda entre 10.3:1 (1,7Vdc) e 18:01:1 (2,7Vdc). A figura 25 mostra as diferenças entre os sinais de saída de tensão em função da variação de ar/combustível das sondas de oxigênio tipo Narrow e Wide Band.

FIGURA 25 – Curvas de atuação das sondas Narrow e Wide Band.

Fonte: http://www.enginebasics.com/EFI%20Tuning/AF%20Ratio%20Basics.html acessado em 18/07/2011.

2.3.1.5 Sensor de temperatura do líquido de arrefecimento O sensor de temperatura do líquido de arrefecimento do motor informa ao módulo de injeção eletrônica a temperatura da água, permitindo o enriquecimento da mistura de ar/combustível durante a

55 fase de aquecimento do motor, e ajustando a mistura à medida que o motor entra em sua temperatura de regime. Este sensor de temperatura é um semicondutor do tipo NTC (Negative Temperature Coefficient). Seu princípio de funcionamento é a variação de resistência elétrica em função da variação de temperatura, ou seja, à medida que a temperatura sobe a resistência do sensor baixa. A figura 26 mostra o detalhe construtivo do sensor de temperatura tipo NTC.

FIGURA 26 – Sensor de temperatura tipo NTC para líquido de arrefecimento.

Fonte: Costa 2010. 2.3.1.6 Sensor de temperatura do ar (ATS) Assim como o sensor de temperatura do líquido de arrefecimento, este sensor também esta baseado nas características do semicondutor NTC. Ele mede a temperatura do ar aspirado pela admissão do motor e envia o sinal ao módulo de injeção eletrônica onde junto com o sinal de pressão absoluta de câmara de admissão permite ao módulo de injeção eletrônica calcular a densidade do ar e por conseqüência ajustar o tempo de abertura dos bicos ejetores e também o avanço de ignição. A figura 27 mostra alguns tipos de sensores de temperatura do ar de admissão.

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FIGURA 27 - Sensor de temperatura tipo NTC para ar de combustão.

Fonte: Costa 2010. 2.3.1.7 Sensor de pressão absoluta (MAP) Este sensor mede a pressão interna do coletor de admissão de ar para queima, também denominado de MAP (Manifold Absolute Pressure). É construído baseado nas propriedades de uma membrana de cerâmica instalada entre duas câmaras sendo que uma delas está com vácuo e a outra conectada ao coletor de admissão. A deformação desta membrada gerada pela diferença de pressão entre as câmaras gera um sinal que será amplificado por um circuito eletrônico que enviará o sinal correspondente à medição de pressão ao módulo de injeção eletrônica. A figura 28 mostra um sensor MAP.

FIGURA 28 - Sensor de pressão absoluta para ar de admissão (MAP).

Fonte: Costa 2010.

2.3.1.8 Sensor de posição da borboleta (TPS) Este sensor é do tipo potenciométrico, está acoplado ao eixo da borboleta do acelerador. À medida que o eixo gira a resistência do sensor varia em função da posição do eixo (demanda do condutor). O

57 módulo de injeção eletrônica utiliza este valor do ângulo da borboleta para calcular a quantidade de combustível necessária para atender a demanda do condutor. A posição do eixo é importante para os cálculos de avanço de ponto da ignição, quantidade de combustível além da rotação da marcha lenta. A figura 29 mostra o diagrama esquemático de ligação do sensor de posição da borboleta.

FIGURA 29 - Sensor de posição da borboleta (TPS).

Fonte: Costa 2010. 2.3.1.9 Sensor de fluxo de ar (MAF) O sensor MAF (Mass Air Flow) mede a massa de ar admitida pelo motor e normalmente fica localizado junto ao filtro de entrada de ar. Seu princípio de funcionamento consiste em dois elementos sensores (fios). .. Um deles (sensor) é aquecido a uma temperatura de 200°C a mais que a temperatura do outro fio que fica instalado a temperatura ambiente (referência). A quantidade de ar admitido causa o resfriamento do fio quente provocando a variação da resistência do fio aumentando o sinal de saída proporcionalmente ao aumento do fluxo de ar. Esta variação de sinal é transmitida para o módulo de injeção eletrônica que o utiliza para o cálculo da massa de ar admitida e a quantidade de combustível correspondente a ser injetada. A figura 30 mostra o diagrama esquemático da montagem do sensor MAF.

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FIGURA 30 - Sensor de fluxo de ar para combustão (MAF).

Fonte: Costa 2010. 2.3.1.10 Sensor de detonação ( Knock sensor ) O sensor de detonação detecta as vibrações no bloco do motor decorrentes do aparecimento da detonação. Quanto acontece a detonação são geradas vibrações em uma faixa de frequência conhecida. . O sensor de detonação baseia-se na característica de um detector piezoelétrico (cristal) que gera uma variação de tensão a medida que é exposta a uma variação de vibração mecânica, com isto o sensor consegue informar ao módulo de injeção eletrônica o aparecimento da detonação no motor. Como meio de evitar a detonação o gerenciamento eletrônico logo que sente o aumento do sinal do sensor de detonação inicia de forma lenta a redução do ponto de ignição, sendo o avanço de ponto restabelecido logo que o sinal de detonação volte aos valores normais. .. Estes sensores são montados junto ao bloco do motor e podem variar de quantidade conforme a tecnologia da injeção eletrônica utilizada. A figura 31 mostra o sensor de detonação instalado junto ao bloco do motor.

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. FIGURA 31 - Sensor de detonação.

Fonte: Costa 2010. 2.3.1.11 Sensor de fase ( Hall ) Determinados sistemas de injeção eletrônica utilizam o sensor de fase (Hall), para determinar a rotação e a posição do virabrequim. Normalmente estes sensores estão instalados dentro do distribuidor e conectados diretamente ao eixo de comando. O sensor Hall verifica a posição do virabrequim e transmite esta informação ao módulo de injeção eletrônica na forma de uma onda retangular. Este sinal retangular é utilizado pela ignição eletrônica para determinar o ângulo de ignição conforme a rotação, servindo também como referencia para uma boa regulagem do ponto de ignição. O princípio de funcionamento do sensor Hall é similar ao sensor de proximidade, utilizando uma célula de efeito Hall como detector das variações do campo magnético (figura 32).

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FIGURA 32 - Sensor de fase (Hall).

Fonte: Costa 2010. 2.3.1.12 Sensor de velocidade Este sensor mede a velocidade do veículo e envia um sinal ao módulo da injeção eletrônica na forma de uma onda quadrada de frequência conhecida correspondente a variação de velocidade. Quando menor a velocidade menor é a freqüência de saída do sensor e vice versa. Este sinal é utilizado para identificar se o veículo está em movimento ou não, no enriquecimento da mistura de combustível em caso de ultrapassagens, controle da rotação em marcha lenta e corte de combustível quando necessário. Normalmente os sensores de velocidade utilizam princípios magnéticos de funcionamento (Hall). A figura 33 mostra o sensor de velocidade para montagem em caixa de câmbio.

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FIGURA 33 - Sensor de velocidade.

Fonte: Costa 2010. 2.3.1.13 Sensor de rotação do virabrequim O sensor de rotação do virabrequim envia ao módulo de injeção eletrônica um sinal pulsante de onda quadrada que permite a sincronização entre o ponto morto superior do motor e os tempos de injeção e avanço de ignição e ainda identificando a posição angular relativa do eixo do virabrequim. Este sensor utiliza o princípio da indução eletromagnética, normalmente fica instalado na extremidade do volante do virabrequim e gera um pulso a cada dente ou ressalto da cremalheira ou roda fônica que passam na sua frente variando o fluxo magnético (figura 34).

FIGURA 34 - Sensor de rotação do virabrequim.

Fonte: Costa 2010.

Em algumas rodas fônicas retiram-se determinados dentes para que o módulo de controle possa identificar a posição em que a roda se

62 encontra com referencia a seu eixo, identificando também a posição da arvore de manivelas. 2.3.1.14 Válvula de injeção Segundo Bosch (2012), em sistemas de injeção Multiponto, cada cilindro possui uma válvula de injeção que pulveriza o combustível antes da válvula de admissão do motor, para que o combustível pulverizado se misture com o ar recebido, formando a mistura para combustão. As válvulas de injeção são comandadas eletromagneticamente, abrindo e fechando através de impulsos elétricos provenientes da unidade de comando, o que controla a quantidade de combustível injetado. Para obter a perfeita distribuição do combustível, sem perdas por condensação, deve-se evitar o umedecimento das paredes do coletor. Por esse motivo, o ângulo de injeção de combustível difere de motor para motor, assim como a quantidade de orifícios da válvula. Para cada tipo de motor existe um tipo de válvula de injeção, a figura 35 mostra uma válvula de injeção em corte com seus principais componentes.

FIGURA 35 – Válvula de injeção.

Fonte: Bosch 2012.

63 2.3.2 Ignição eletrônica Este sistema é composto por vários componentes do motor e tem a finalidade de iniciar a queima da mistura ar/combustível que está no interior da câmara de combustão do motor, no instante certo. Também chamados de ICM (Ignition Control Module), estes sistemas possuem uma unidade de processamento e controle que recebe sinais dos sensores instalados, processa estes sinais e aciona os atuadores. No sistema de ignição os sensores mais comuns são sensor da posição do acelerador, sensor de velocidade e o sensor de posição do virabrequim, sendo o atuador mais importante o conjunto bobina e velas de ignição. A figura 36 mostra o diagrama esquemático de um sistema de ignição eletrônico.

FIGURA 36 – Diagrama esquemático do sistema de ignição eletrônica.

Fonte: Câmara 2006. 2.3.3 Válvula atuadora de marcha lenta No sistema mono ponto esta válvula controla a admissão de ar nos cilindros durante o regime de marcha lenta do motor, com isto controla a rotação do motor não permitindo uma parada do motor mesmo quando se altera a carga ou quando o motor estiver frio e necessite aquecer mais

64 rapidamente. Também conhecida com motor de passo, esta válvula fica montada no coletor da borboleta de controle do ar. A válvula é atuada pelo módulo de injeção eletrônica que calcula a vazão de ar necessária e envia um sinal elétrico para este motor de passo que gira 360° a cada incremento de sinal, permitindo assim uma passagem maior ou menor de ar pelo by-pass da borboleta. A figura 37 mostra o diagrama esquemático da válvula atuadora de marcha lenta.

FIGURA 37 – Diagrama esquemático de uma válvula atuadora de marcha lenta..

Fonte: http://www.oficinaecia.com.br/bibliadocarro acessado em 15/05/2011. No sistema de injeção eletrônica multipoint, na maioria dos casos, esta válvula é atuada por uma solenoide; este tipo de válvula atuador de marcha lenta também é chamado de IAC (Idle Air Control). 2.4 Sistema supervisório

Segundo Silva e Salvador (2005), os sistemas supervisórios são softwares gráficos que permitem o monitoramento e a manipulação de informações de um processo produtivo ou instalação industrial. Essas informações são coletadas através de equipamentos de aquisição de dados e, em seguida, são manipulados, analisados e armazenados para posteriormente serem apresentados ao usuário. Estes sistemas também

65 são conhecidos como SCADA - Supervisory Control and Data Aquisition. Inicialmente os sistemas SCADA funcionavam como elementos telemétricos, permitindo atualizar a indicação das variáveis periodicamente, sem que houvesse interferência do operador nas variáveis de processo. Atualmente os sistemas de automação utilizam tecnologias computacionais para monitorar e controlar os processos industriais, coletando dados em ambientes distintos e disponibilizando esses dados de maneira apropriada para os operadores de processo e redes corporativas de empresas. Para tratar os dados, os sistemas SCADA identificam as variáveis alfa numéricas ou numéricas atribuindo uma identificações chamadas de tag,s. Com estes tag,s os SCADA podem executar funções aritméticas e operações lógicas com strings, vetores etc, além de representar graficamente os dados de entrada e saída dos processos controlados ou monitorados. Os dados de processo (Ex: pressão, temperatura, nível etc,) são apresentados ao operador na forma de unidades de engenharia. Os SCADA também monitoram sinais de alarmes de processo, permitindo o aviso ao operador de quando uma variável ultrapassa uma condição estabelecida, sendo estes eventos gravados em um banco de dados específico. Graças aos SCADA, o operador também pode verificar os mesmos a qualquer tempo.

2.4.1 Hardware de um sistema de supervisão Os principais componentes do hardware de um sistema de supervisão são atuadores, sensores, rede de comunicação, Remote Terminal Units (RTU) de aquisição/controle e PCs para monitoração central este conjunto também é denominado sistema computacional SCADA (figura 38). Sensores são transdutores ligados aos equipamentos monitorados pelo sistema SCADA, cuja função é converter grandezas físicas como nível, temperatura, pressão e vazão em sinais padrões analógicos ou digitais que serão lidos pelas RTUs.

Atuadores são dispositivos que atuam sobre o processo a ser controlado, acionando ou desacionando elementos finais de controle, tais como motores, aquecedores e válvulas de controle automáticas.

66

O controle e monitoramento do processo começa nas RTU, ou nos blocos de entrada/saída dos CLPs, com a aquisição dos dados das variáveis dos respectivos sensores.

Segundo Bega e Finkel (2006), o Controlador Lógico Programável (CLP ou PLC) é um equipamento de controle industrial microprocessado, criado inicialmente para efetuar especificamente o controle lógico de variáveis discretas e atualmente usado para praticamente todos os tipos de controle. O CLP foi criado para substituir os relés de um circuito lógico seqüencial ou combinacional para o controle industrial. O CLP funciona sequencialmente, notando o estado dos dispositivos ligados às suas entradas, operando a lógica de seu programa interno e determinando o estado dos dispositivos ligados às suas saídas. É o usuário quem carrega o programa, geralmente via software, que produz os resultados desejados.

A função original do CLP era simplesmente substituir os grandes gabinetes de lógica a relés, por algo menor, mais confiável, e, principalmente, mais flexível, quanto à facilidade de se alterar a programação. Qualquer pessoa que já tenha tido necessidade de modificar um programa feito por meio de interligação dos contatos de relés, sabe o quão trabalhoso isso é, sem contar a dificuldade em se detectar e corrigir prontamente quaisquer erros cometidos durante a execução da tarefa. A principal exigência colocada nos primeiros CLP era a robustez. Esta exigência de robustez se relacionava dois atributos principais: o CLP tanto precisava resistir aos ambientes industriais agressivos, (quando comparado a outros ambientes em que “computadores” eram instalados, na época), quanto deveria apresentar uma boa confiabilidade operacional característica em que os grandes sistemas a relés da época deixavam a desejar.

Rede de Comunicação é o meio por onde fluem as informações entre os CLP/RTU e o sistema SCADA. Considerando-se os requisitos dos sistemas e as distâncias envolvidas, podem ser implementadas por meio de fibras ópticas, linhas dedicadas ou discadas, ethernet ou sinal de rádio, entre outras opções.

As estações de interface com o operador são as principais unidades do sistema SCADA, sendo responsáveis por receber as informações vindas dos CLP/RTU e interagir com os processos conforme os eventos detectados. Estes dados podem estar disponíveis em um único PC ou em uma rede de PCs, permitindo que as informações adquiridas sejam compartilhadas.

67

FIGURA 38 - Sistema de supervisão e controle.

Fonte: Silva; Salvador (2005)

2.4.2 Componentes lógicos de um sistema SCADA

Segundo Bega e Finkel (2006), internamente, os sistemas SCADA, de modo geral, dividem suas principais tarefas em blocos ou módulos, que vão permitir maior ou menor flexibilidade e robustez, de acordo com a solução desejada. Os principais blocos são:

a) Núcleo de processamento; b) Comunicação com CLP/RTU; c) Gerenciamento de Alarmes; d) Históricos e Banco de Dados; e) Lógicas de programação interna (Scripts) ou controle; f) Interface gráfica; g) Relatórios; h) Comunicação com outras estações SCADA.

Geralmente para o funcionamento do sistema SCADA as

informações fluem dos equipamentos de campo para o núcleo de processamento principal. Esse núcleo é o responsável por coordenar a distribuição dessas informações com os demais componentes do sistema, até chegarem, de forma adequada, para o operador nas estações gráficas ou interface homem máquina (IHM), na forma de relatórios, gráficos de tendência, indicações numéricas, sinais de alerta e sinais sonoros, exibindo as indicações das variáveis de processo e mostrando

68 anomalias. Além disso, ele pode sugerir ou executar medidas para correção de desvios de processos.

2.5 Sistema de aquisição de dados

Segundo Laraia (2009), a aquisição de dados é uma atividade comum a todos os campos da física, química, engenharia ou qualquer atividade na qual um fenômeno físico necessite ser mensurado, analisado e documentado. Sua execução segue alguns princípios básicos comuns a todos os casos.

A aquisição de dados é utilizada para coletar informações de determinado processo através da medição de suas variáveis.

Posteriormente, tais informações serão digitalizadas para permitir seu uso com aplicativos de análise e armazenamento de dados desenvolvidos para este fim.

Os sistemas de aquisição de dados DAQ – Data Acquisition - possuem os seguintes componentes:

a) Sensores; b) Condicionamento de sinal; c) Conversor analógico digital; d) Processamento das informações. A figura 39 mostra as principais funções de um sistema de

aquisição de dados.

FIGURA 39 - Componentes de um Sistema de Aquisição de Dados

Fonte: Adaptado de Laraia (2009)

69

O sinal entre os sensores e o DAQ é de grandeza elétrica, normalmente de tensão ou corrente, que varia em uma faixa pré determinada pelos fabricantes dos sensores e configurada no DAQ.

Esses sensores podem ser analógicos medindo uma faixa determinada de variação da grandeza ou digitais medindo a quantidade de vezes em que os sensores variam seu sinal entre os dois sinais possíveis de OV e 5V, por exemplo.

Um DAQ poderá ter inúmeros canais de medição analógico e digital, seu condicionador de sinal transforma os sinais analógicos em digitais (A/D) proporcionalmente aos gerados pelos sensores.

A comunicação do computador com o DAQ é feita através de protocolos de comunicação digitais, permitindo assim maior facilidade de conexão a softwares de análise de dados existentes no mercado.

2.5.1 Características de um sistema de aquisição de dados

Para a escolha de um sistema de aquisição de dados é importante verificar as seguintes características do equipamento:

a) Quantidade de entradas analógicas e digitais A quantidade de entradas analógicas e digitais deverá ser ajustada ao número de sensores instalados.

b) Resolução

Esta é uma característica de cada sistema de aquisição de dados, que indica qual a menor variação do sinal analógico se consegue detectar. Normalmente é medida em bits. Por exemplo, se um sinal com um intervalo de variação entre 0 a 5V for lido num sistema com uma resolução de 12 bits, as variações de sinal menores de 5V/212 = 0,001V não serão detectadas. A resolução do sistema DAQ deverá ser melhor ou igual à resolução dos sensores a qual será ligado.

c) Intervalo de tensão de entrada

As entradas analógicas de tensão normalmente operam em intervalos de, por exemplo, -10 a 10V, 0 a 5V, que devem ser selecionados conforme a natureza dos sinais requeridos.

70

d) Frequência de amostragem É a frequência com que o conversor analógico-digital efetua leituras dos sinais de entrada. A frequência de leitura de cada canal de entrada corresponde à frequência do conversor dividida pelo número de canais em uso. Este aspecto é determinante quando pretendemos monitorar fenômenos com uma dinâmica muito rápida.

2.5.2 Tipos de sistemas de aquisição de dados

Atualmente existem várias configurações e soluções tecnológicas para um DAQ. As mais relevantes são:

• Placas de Aquisição (plug-in) As placas de aquisição podem ser inseridas diretamente num slot da placa-mãe ou se comunicam através da porta USB do computador. Geralmente são utilizadas em laboratórios devido ao menor número de entradas e saídas e por não serem robustas (figura 40).

FIGURA 40 - Placa de Aquisição de Dados.

Fonte: Laraia 2009

71

• Datalogger (“data recorder”) Este é um equipamento destinado a executar a aquisição e a gravação de dados durante um período de tempo, eliminando a necessidade da presença de um operador durante a coleta. Normalmente, são equipamentos portáteis, supridos de bateria, constituídos por controlador, memória interna para armazenamento dos dados, interface de aquisição e sensores (figura 41).

FIGURA 41 – Datalogger.

Fonte: Laraia 2009

• Controladores Lógicos Programáveis - CLP Os CLP são sistemas industriais, também chamados de autômatos programáveis que podem assumir diferentes formas, custos e desempenhos. Uma vez programado, o CLP desempenha a sua tarefa de monitoramento e controle de forma independente, podendo estar ligado a um computador apenas para permitir a supervisão externa. Tipicamente, os CLPs são sistemas modulares, podendo ser acrescentados ou retirados módulos conforme as necessidades de tipo e quantidade de entradas e saídas (figura 42).

FIGURA 42 - Controlador Lógico Programável.

Fonte: Laraia 2009

72 2.6 Considerações finais A pesquisa bibliográfica proporcionou muitos esclarecimentos sobre temas e equipamentos que o autor tinha idéia de como funcionavam, suas aplicações ou mesmo os seus princípios físicos básicos. Além de ser fundamental para o desenvolvimento do projeto, também ensinou o autor a procurar as fontes de conhecimento disponíveis para qualquer tema que venha a pesquisar. A pesquisa foi facilitada pelo acesso a farta documentação técnica disponível na empresa a respeito dos motores alvo de projeto e pelo acesso as bibliotecas do IFSC, UFSC, internet, livros, muita troca de experiência com o pessoal da manutenção mecânica e de automação da TBG e a preciosa ajuda dos professores orientador e co-orientador.

73 CAPÍTULO 3 - ESTAÇÃO DE COMPRESSÃO DE GÁS NATURAL

Uma estação de compressão de gás natural tem o papel de repor a pressão natural do gasoduto quando a pressão no gasoduto estiver abaixo dos parâmetros estabelecidos como mínimos.

O gasoduto Bolívia-Brasil foi projetado inicialmente com 16 estações intermediárias de compressão, sendo 4 na Bolívia e 12 no Brasil. Estas estações operam com compressores centrífugos movidos a turbinas a gás (trecho norte) e compressores alternativos movidos a motores à combustão de gás natural (trecho sul). Os compressores centrífugos são utilizados para uma vazão maior, visto que todo o consumo do gasoduto passa obrigatoriamente pelas estações do trecho norte. Já os compressores alternativos fornecem o gás natural para o sul do Brasil.

Para melhor entendimento do funcionamento de uma estação de compressão de GN que utiliza compressores alternativos como meio de impelir o gás para adiante no gasoduto, serão descritas a seguir as características do GN, os motores Waukesha VHP, os compressores alternativos e os sistemas envolvidos para o funcionamento de uma estação de compressão de gás natural. A figura 43 mostra a estação de compressão de Araucária no estado do Paraná.

FIGURA 43 – Estação de compressão de gás natural de Araucária –PR.

Fonte: TBG 2010.

74 3.1 A combustão do GN ( Características e particularidades )

Segundo TBG 2010, o gás natural é um combustível fóssil formado pela transformação da matéria orgânica sob a superfície da terra, há milhares de anos. É considerada uma fonte de energia menos poluente e mais segura que outros combustíveis fósseis. Por ser mais leve que o ar, em caso de vazamento espalha-se rapidamente na atmosfera. Porém, não deixa de ser perigoso, pois é inflamável e pode causar asfixia. Possui diversas aplicações e inúmeras vantagens em sua utilização. O gás natural para ser fornecido necessita estar especificado de acordo com características que garantam um bom produto aos clientes, livre de contaminantes ou produtos tóxicos. Na Tabela 4, seguem as especificações típicas previstas no projeto para o gás natural proveniente da Bolívia:

Características Unidades Valores Metano % molar 91,8 Etano % molar 5,58

Propano % molar 0,97 I-butano % molar 0,03 N-butano % molar 0,02

Pentano e mais pesados % molar 0,1

Nitrogênio % molar 1,42

Dióxido de Carbono %molar 0,08

Pêso Molecular u.m.a. 17,367 Poder Calorífico Superior kcal/Nm³ 9269,774 Poder Calorífico Inferior kcal/Nm³ 8364,224

Viscosidade dinâmica cP 0,01118

Enxofre Total ppm 70 K=Cp/Cv - 1,295

Teor de Água máx ppm 130 Teor de Ácido Sulfídrico - H2S ppm 7

TABELA 4 - Características Contratuais do Gás Natural. Fonte: www.tbg.com.br acessado em 01/11/2010.

75 3.1.1 Poder calorífico do gás natural

O poder calorífico dos gases quantifica a sua capacidade de gerar energia, uma vez efetuada a combustão. Os gases com maior capacidade calórica são os mais pesados, sendo no entanto mais instáveis e perigosos.

A tabela 5 mostra também os poderes caloríficos de outros combustíveis, para efeitos de comparação:

Tipo de Gás Poder Calorífico Gás Natural 1.100 BTU / ft³

Propano 1.500 BTU / ft³ GLP (gás de cozinha) 2.500 BTU / ft³

Butano 3.250 BTU / ft³ Gasolina 4.750 BTU / ft³

TABELA 5 - Poder calorífico dos principais combustíveis.

Segundo relatório da TBG (2010), a utilização do gás em motores de combustão interna, resulta nas seguintes características:

a) Resfriamento do sistema de admissão e da câmara de combustão:

Combustíveis líquidos – Transferência de calor do carburador e do coletor de admissão para vaporizar o combustível.

Combustíveis gasosos – Não há remoção do calor. b) O gás admitido ocupa um volume maior se comparado aos

combustíveis líquidos. Perda de potência da ordem de 10%. c) Mistura ar/gás ioniza menos o ambiente. Sistema de ignição em melhores condições de uso. d) Combustão gera pequena formação de depósito de carbono.

Menores taxas de desgaste que com combustíveis líquidos. e) O óleo lubrificante não é contaminado por resíduos de

fuligem nem sofre diluição.

76 Período de troca pode ser aumentado com base em acompanhamento laboratorial.

f) O gás natural possui um elevado poder anti-detonante

possibilitando maiores rendimentos sem detonação.

g) Emissões – Ausência de enxofre e tendências de menores emissões de CO (combustível não queimado), CO2 e NMHC. Tendências de maiores emissões de NOX e CH4 não queimado.

Segundo Moura de Mello (2005), outra observação que pode ser feita é com relação à comparação entre a utilização local da energia primária entre uma usina térmica a gás de ciclo combinado e um motor à combustão acoplado a um gerador, ambos utilizando o mesmo combustível, neste caso o gás natural.

A figura 44 apresenta o balanço de consumo do gás natural para as duas situações hipotéticas de mesma potência final de consumo, tanto para um motor elétrico, como para um motor de combustão.

FIGURA 44 - Balanço de consumo de GN entre termoelétrica e motor de combustão

interna a gás natural. Fonte: Mello 2007.

Esta figura é muito interessante, pois mostra quanto se gasta em vazão de gás natural para produção de 600kW em duas aplicações distintas. Nota-se que no caso de transporte por gasoduto o consumo de

77 GN no ponto equivalente a central termoelétrica é mais baixo, isto se deve principalmente as perdas na transmissão de energia via cabos elétricos o que não acontece com tanta intensidade no transporte de GN por gasoduto. 3.2 Motores Waukesha

A Dresser Waukesha fabricantes de motores movidos a gás natural atende vários segmentos de aplicação, dentre eles uma linha dedicada a compressão de gás natural. Conforme a aplicação existe uma série específica de motores para atender as demandas. As séries mais utilizadas são: a) Série VGF – Tem como características a flexibilidade de combustível, a robustez e ampla gama de opcionais. Potência máxima de 1175hp a 1800rpm. b) Série VHP - Projetada para máxima eficiência, durabilidade e versatilidade a Série VHP é o padrão do setor para aplicações de compressão de gás em qualquer local. Potência máxima de 2447hp a 1200rpm. c) Série ATGL - São motores de alto desempenho que permitem aos clientes maximizar a eficiência, minimizar o custo de combustível, simplificar e melhorar significativamente o conjunto de operação e manutenção. Potência máxima de 4836hp a 1000rpm.

A figura 45 demonstra as faixas de aplicação em potências das diferentes séries de motores fabricados pela Waukesha para utilização em compressão de gás natural.

78

FIGURA 45 - Faixas de potências dos motores Waukesha.

Fonte: Waukesha Power Ratings 2007. 3.2.1 Motor Série VHP L5794 GSI

Neste tópico é abordado especificamente o motor Waukesha Série VHP/GSI de 12 cilindros, alvo da pesquisa.

Segundo Waukesha (2001), os modelos VHP G, GSI e GL são motores de quatro tempos, podendo ser de 6 cilindros dispostos em linha ou ainda de 12 ou 16 cilindros dispostos em “V”. A tabela 6 mostra os modelos disponíveis de motores da série VHP.

Número de Cilindros Modelo

6 cilindros

F2895G / GSI F3521G / GSI

2895GL 3521GL

12 Cilindros

L5108G / GL / GSI L5794G / GL / GSI L7042G / GL / GSI

5115GL

16 Cilindros P9390G / GL / GSI

TABELA 6 - Modelos de motores da série VHP. Fonte: Waukesha 2001.

79

Os motores com terminação “G” são naturalmente aspirados, os motores “GSI” possuem turbocompressor e intercooler, os motores “GL” possuem turbocompressores e intercooler funcionando com mistura ar/combustível pobre.

Estes motores foram projetados para um baixo consumo de combustível e com baixa emissão de gases no escape. No projeto do cilindro existe uma pré-câmara de combustão de carga estratificada, assim uma mistura ar/combustível rica é fornecida na pré-câmara e uma mistura ar/combustível pobre no resto do cilindro, com isto a combustão acontece em estágios.

Para que tal fato se realize existe uma pequena câmara de combustão auxiliar chamada de pré-câmara estando localizada no cabeçote do cilindro.

Quando a vela de ignição inflama a mistura rica na pré-câmara uma tocha de chama se projeta através de orifícios de ligação para inflamar a mistura pobre na câmara principal. A ignição consistente da mistura rica da pré-câmara assegura a completa combustão dentro da câmara principal. A figura 46 mostra o motor Waukesha VHP/GSI de 12 cilindros utilizado na pesquisa.

FIGURA 46 - Motor Waukesha modelo VHP/GSI de 12 cilindros.

80 3.2.2 Descrição básica do motor VHP/GSI

No motor VHP/GSI, a caixa do virabrequim é uma peça rígida de ferro fundido, o eixo do virabrequim é contrabalançado e feito de aço forjado com sete mancais principais. Cada motor é equipado com um amortecedor de vibrações viscoso (êmbolo). As cabeças dos cilindros são intercambiáveis, cada uma com duas válvulas de entrada e duas de exaustão, sendo ambas as inserções das bases das válvulas de entrada e de exaustão substituíveis.

Os cilindros utilizam camisas úmidas substituíveis, os pistões usam um pino flutuante e o volante é usinado.

Os turbocompressores (são dois, um para cada lado do motor) são acionados pelos gases de exaustão e comprimem o ar de entrada para combustão. Este ar passa pelos intercoolers e então entra nos carburadores (lados direito e esquerdo) misturando-se com gás combustível pressurizado, esta mistura de ar/gás comprimida aumenta a potência e o desempenho do motor.

O sistema de lubrificação pressurizado consiste em um reservatório, bomba, tubulação, filtros e resfriador de óleo. Os dois filtros de óleo de passagem pleno e o trocador de calor do óleo estão montados externamente ao motor.

O sistema de resfriamento tem duas bombas de água, a bomba de água principal circula a água da camisa do motor e a bomba de água auxiliar circula água para o resfriador de óleo e o intercoolers.

As camisas do motor, as cabeças de cilindro, o coletor de exaustão, os turbocompressores, o sistema de lubrificação e o ar comprimido para combustçao são todos resfriados a água.

A ignição dos cilindros se dá através das centelhas geradas pelos conjuntos de 12 velas com doze bobinas individuais controladas pelo sistema de ignição eletrônica.

As figura 47 e 48 mostram as vistas traseira e lateral do motor VHP/GSI respectivamente com seus principais componentes.

81

FIGURA 47- Vista lateral do motor Waukesha VHP GSI de 12 Cilindros.

Fonte: Waukesha 2003.

82

FIGURA 48 - Vista frontal do motor Waukesha VHP GSI de 12 Cilindros.

Fonte: Waukesha 2003.

Além do sistema de ignição eletrônica o motor também possui sistemas eletrônicos de ajuste da mistura ar/combustível, controle de velocidade e proteção contra detonação.

A seguir descreveremos os principais sistemas de controle do motor VHP/GSI.

a) Módulo de Ignição (CEC)

O Módulo de ignição CEC (Custom Engine Control), utiliza um sensor de “efeito Hall” e um disco de ponto especial para determinar a posição exata do eixo de manivela. O módulo CEC interpreta os

83 impulsos do sensor para fixar a o tempo de avanço ótimo da ignição e após envia uma tensão a cada bobina de ignição no tempo correto.

b) Módulo de Detonação (DSM)

O Módulo Sensor de Detonação DSM (Detonation Sensor Module) funciona juntamente ao Módulo de Ignição CEC ele protege os motores dos danos provenientes das detonações individuais de cada cilindro. Sensores piezzoelétricos de detonação estão instalados no motor monitorando o seu rendimento a partir de cada cilindro. Quando o sinal excede um limite pré-determinado, o DSM retarda o tempo de ignição para o cilindro associado àquele sensor. Assim que as condições se normalizem o DSM adiantará o tempo de ignição ao ponto originalmente fixado. c) Sistema de Controle de Velocidade Woodward EG-3P

O sistema de regulagem eletrônica de velocidade Woodward EG-3P consiste em três componentes:

• O sensor magnético, a unidade de controle e o atuador. • O sistema é capaz de efetuar uma operação isócrona

(manterá a mesma velocidade do motor independente da carga do motor).

• A unidade de controle é montada fora do motor e fica geralmente na sala de controle, esta unidade recebe o sinal de velocidade do sensor magnético instalado na cremalheira do motor.

A unidade de controle então compara o sinal de velocidade do sensor magnético com o valor de velocidade estabelecido pelo operador do motor e efetua as correções apropriadas através do atuador.

O atuador do controlador de velocidade é um dispositivo elétrico/hidráulico montado no motor que movimenta fisicamente as borboletas dos carburadores a partir de um sinal de corrente elétrica vindo do controlador de velocidade. A figura 49 mostra o controlador de velocidade da Woodward.

84

FIGURA 49 - Controlador de velocidade Woodward Modelo 2301 A.

3.2.3 Especificações do motor Série VHP/GSI

Abaixo, na tabela 7 mostramos as especificações básicas do motor VHP/GSI que serviu de base para o desenvolvimento desta pesquisa, o Anexo X mostra as especificações completas do motor VHP/GSI conforme informações do manual do fabricante.

Modelo: L5794-GSI VHP® Tipo: 4 ciclos

Combustível: Gás Natural 900 Btu/cu.ft.

Aspiração: Turbocompressor com intercooler

Nº de cilindros: 12 em V com 4 válvulas por cilindro

Diâmetro X Curso: 216 X 216mm

Deslocamento: 95 litros

Relação de compressão: 8,2:1

Faixa de velocidade: 800 à 1200 rpm

Marcha lenta: 450 rpm

Partida: Turbina Pneumática 8 kgf/cm²

Potência máxima a 1200 rpm: 1380 hp

Capacidade de água de refrigeração 405 litros

Capacidade do óleo de lubrificação 719 litros

Pêso seco 10.320 kg TABELA 7 - Especificação básica motor do VHP/GSI.

Fonte: Waukesha 2001.

85 3.3 Compressor de gás natural Neste tópico são abordados os compressores de gás, seus princípios de funcionamento e aplicações, descrevendo com mais detalhes os compressores de gás de processo do tipo alternativos à pistão. 3.3.1 Descrição Segundo Neves (2003), compressores são utilizados para proporcionar a elevação da pressão de um gás ou um escoamento gasoso. Nos processos industriais, a elevação de pressão requerida pode variar desde cerca de 1,0 atm até centenas ou milhares de atmosferas. 3.3.2 Compressores de gás ou de processo Segundo Heinz (2006), compressores alternativos a pistão são os mais adequados para serviços em instalações de refino de petróleo e de processamento de gás. Conforme Neves (2003), as principais aplicações para compressores alternativos são: a) No estabelecimento de pressões necessárias a certas reações químicas; b) No transporte de gases em pressões elevadas; c) No armazenamento sob pressão; d) No controle do ponto de vaporização (processos de separação, refrigeração, etc.); e) Na conversão de energia mecânica em energia de escoamento (sistemas pneumáticos, fluidização, elevação artificial de ó1eo em campos de exploração, etc). Ainda lembrando Heinz (2006), é importante termos, uma boa visão geral desses tipos de máquina. O compressor alternativo mostrado na figura 50 é um dos modelos mais antigo e amplamente utilizado em processo industriais.

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FIGURA 50 - Compressor de processo tipo alternativo a pistão.

Fonte: Heinz 2006.

Esses compressores são fabricados em várias configurações, incluindo montagem vertical e horizontal.

Suas aplicações são bastante amplas e incluem modelos com e sem lubrificação dos cilindros, como mostrado no gráfico de faixas de aplicações na figura 51.

FIGURA 51 - Faixas típicas de aplicações para compressores alternativos.

Fonte: Heinz 2006.

87

A norma API Standard 618 descreve as principais características recomendadas em compressores alternativos de gás utilizados na indústria do petróleo, química e de gás. 3.3.3 Classificação quanto ao princípio de concepção

Segundo Livingston (1993), os compressores se dividem em quatro grandes grupos:

a) Os alternativos ou a pistão são aqueles nos quais o gás é comprimido pelo movimento de um pistão num espaço confinado, cilíndrico ou não. Essa categoria inclui os de diafragma;

b) As turbomáquinas são aqueles em que uma energia cinética é conferida ao gás mediante palhetas rotativas confinadas numa carcaça. A energia cinética é transformada depois em energia de pressão. Esta categoria inclui os de fluxo axial, radial e os centrífugos.

c) Os rotativos, como os de hélice, de lóbulos rotativos ou outros tipos, são os que impelem o ar pela ação de lóbulos rotativos ou por outro tipo de impelidor.

d) Os ejetores pertencem a outra categoria. São estáticos, sem peças móveis e funcionam na base da energia de uma corrente de gases a alta velocidade e alta pressão, que “suga”, numa câmara, uma outra corrente de menor pressão e velocidade.

A figura 52 mostra o gráfico com as faixas de utilização de cada

tipo de compressor.

88

FIGURA 52 - Faixas de utilização dos tipos de compressores.

Fonte: Livingston 1993. A seguir são abordados com mais detalhes os compressores alternativos, visto que é este o tipo utilizado como carga nos motores Waukesha empregado na pesquisa. 3.3.4 Compressores alternativos Segundo Barbosa (1984), esse tipo de máquina se utiliza de um sistema biela-manivela para converter o movimento rotativo de um eixo no movimento translacional de um pistão ou êmbolo. Esses podem ser simples ou dupla ação, a figura 53 mostra o princípio construtivo de um compressor alternativo de ação simples, comprimindo o gás somente em uma das extremidades do pistão. Nesse caso em um ciclo de rotação temos apenas um ciclo de compressão.

89

FIGURA 53 - Principio construtivo do compressor a pistão.

Fonte: Barbosa 1984.

A disposição destes cilindros poderá ser em “V”, em linha, em opostos, ou em estrela, dentre outras possibilidades. A figura 54 mostra as diversas configurações possíveis de disposição física dos cilindros em compressores alternativos.

FIGURA 54 - Disposição dos cilindros em compressores alternativos.

Fonte: Barbosa 1984. Segundo Neves (2003), o funcionamento de um compressor alternativo está intimamente associado ao comportamento das válvulas. ... Elas possuem um elemento móvel denominado obturador, que funciona como um diafragma, comparando as pressões interna e externa ao cilindro. O obturador da válvula de sucção se abre para dentro do cilindro quando a pressão na tubulação de sucção supera a pressão

90 interna do cilindro, e se mantém fechado em caso contrário. O obturador da válvula de descarga se abre para fora do cilindro quando a pressão interna supera a pressão na tubulação de descarga, e se mantém fechado na situação inversa. Com isso, temos as etapas do ciclo de funcionamento do compressor mostradas na figura 55.

FIGURA 55 - Ciclo de compressão dos compressores a pistão.

Fonte: Neves 2003.

Na etapa de admissão o pistão se afasta do cabeçote, fazendo com que haja uma tendência de depressão no interior do cilindro que propicia a abertura da válvula de sucção e o gás é então aspirado. Ao inverter-se o sentido de movimentação do pistão, a válvula de sucção se fecha e o gás é comprimido até que a pressão interna do cilindro seja suficiente para promover a abertura da válvula de descarga. Isso caracteriza a etapa de compressão. Quando a válvula de descarga se abre, a movimentação do pistão faz com que o gás seja expulso do interior do cilindro. Essa situação corresponde à etapa de descarga e dura até que o pistão encerre o seu movimento no sentido do cabeçote.

Ocorre, porém, que nem todo o gás anteriormente comprimido é expulso do cilindro. A existência de um espaço morto ou volume morto, compreendido entre o cabeçote e o pistão no ponto final do deslocamento deste, faz com que a pressão no interior do cilindro não caia instantaneamente quando se inicia o curso de retorno. Nesse momento, a válvula de descarga se fecha, mas a de admissão só se abrirá quando a pressão interna cair o suficiente para permitir a abertura. Essa etapa, em que as duas válvulas estão bloqueadas e o pistão se movimenta em sentido contrário à posição do cabeçote, denomina-se etapa de expansão, e precede à etapa de admissão de um novo ciclo.

91 A figura 56 mostra o principio construtivo de um compressor alternativo de dupla ação, comprimindo o gás em ambas as extremidades do pistão. Neste caso, em um ciclo de rotação, temos dois ciclos de compressão.

FIGURA 56 - Formas construtivas dos compressores alternativos de dupla ação.

Fonte: Adaptado de Pignone 2000. 3.3.5 Compressor alternativo Nuovo Pignone

No presente item é abordado especificamente o compressor alternativo modelo 2HM/1, construído a partir da norma API 618. Esse compressor é montado horizontalmente e consiste em uma caixa do virabrequim em ferro fundido, o eixo do virabrequim usinado, dois cilindros com selagem mecânica nas hastes de acionamento e pistões que comprimem o GN nas duas direções (dupla ação). Para controlar a carga dos cilindros existem duas válvulas de admissão controladas a distância via CLP e duas válvulas de descarga automáticas por pistão. O sistema de lubrificação pressurizado consiste em um reservatório, bomba, tubulação, filtros, resfriador de óleo e um sistema de lubrificação de alta pressão (Manzel) exclusivo para os pistões e haste.

92 Esse compressor utiliza como propulsor o motor Waukesha VHP/GSI, alvo de nossa pesquisa. A tabela 8 mostra as especificações do compressor alternativo modelo 2HM/1.

Descrição Quantidade

Cilindro por estágios 2 Ação dos cilindros 2

Pressão sucção 45 kgf/cm² Pressão descarga 75 kgf/cm²

Pressão máxima de operação 86 kgf/cm² Diâmetro 220mm

Curso do pistão 150mm Rotação máxima 1000 rpm

Velocidade do pistão 5 m/s Vazão 1308K m³/h

Válvulas de admissão por cilindro 2 Válvulas de descarga por cilindro 2

TABELA 8 - Especificações do compressor Nuovo Pignone modelo 2HM/1. Fonte: Pignone 2000.

A figura 57 mostra o compressor alternativo da 2HM/1 no qual podemos observar os dois cilindros montados nas extremidades do virabrequim (centro do corpo do compressor), as válvulas de admissão montadas na parte superior dos cilindros e as válvulas de descarga montadas na parte inferior dos cilindros. Observamos também o sistema de lubrificação de alta pressão (caixa azul montada na extremidade do Cárter do compressor e acoplada ao virabrequim) exclusivo para a haste e anéis dos pistões que são expostos às altas pressões do GN comprimido. Acima do compressor, observamos o vaso de sucção (pintado em alumínio), que serve aos dois cilindros, e, mais à frente, os filtros de óleo do cárter (sistema de lubrificação de baixa pressão).

93

FIGURA 57 - Compressor alternativo Nuovo Pignone model 2HM.

3.4 Sistemas auxiliares de uma estação de compressão

Para operação destas estações de compressão são necessários vários subsistemas auxiliares, que fornecem as condições para o funcionamento dos motocompressores. Os principais subsistemas são:

a) Sistema de lubrificação;

b) Sistema de arrefecimento;

c) Sistema de controle de carga e capacidade;

d) Sistema de gás de partida, gás combustível e gases de queima.

3.4.1 Sistema de lubrificação

O sistema de lubrificação é composto de um reservatório de óleo

do cárter, uma bomba auxiliar elétrica, uma bomba principal acoplada ao motor, um trocador de calor tipo oil cooler e uma válvula termostática auto-operada que mantém a temperatura do óleo entre 75°C e 85°C. Ele também conta com uma válvula de alívio auto-operada que

94 mantém a pressão do óleo em 3,5kgf/cm² e dois conjuntos de filtros em paralelo que são monitorados por um pressostato diferencial ajustado para atuar em 1,2kgf/cm², avisando da hora de trocar o conjunto de filtro que estiver operando. Para monitoramento e proteção do sistema estão instalados transmissores de pressão, pressostatos de alarme de baixa pressão, termostatos de alarme de alta temperatura, além de uma chave de nível que para o motor em caso de baixo nível de óleo no cárter. A figura 58 mostra a tela do SCADA do sistema de lubrificação.

FIGURA 58 - Sistema de lubrificação do motocompressor.

Fonte: Tela do sistema supervisório Nuovo Pignone. 3.4.2 Sistema de arrefecimento

O sistema de arrefecimento é composto por um reservatório de água, uma bomba auxiliar elétrica, uma bomba principal acoplada ao motor, um trocador de calor tipo air cooler e uma válvula termostática auto-operada que mantém a temperatura do motor entre 75°C e 85°C, os quais são instalados externamente ao motor com exceção da bomba principal. Para proteção do sistema estão instalados termostatos de alarme e parada do motor por de alta temperatura, além de um fluxostato

95 que para o motor em caso de fluxo baixo de água de arrefecimento. A figura 59 mostra a tela do SCADA do sistema de arrefecimento.

FIGURA 59 - Sistema de arrefecimento do motocompressor.

Fonte: Tela do sistema SCADA da TBG. 3.4.3 Sistema de controle de carga e capacidade

Os limites operacionais de pressão da estação de compressão de Biguaçu (local de nossa pesquisa) são as pressões de sucção entre 41,0 a 69,0kgf/cm² e a pressão de descarga máxima de 75,0kgf/cm² na temperatura de 50,0ºC.

A variação de carga nos compressores é efetuada através do acionamento de válvulas de carga, cada compressor pode ter o acionamento de uma a até quatro válvulas (UnLoader), de forma que os patamares possíveis de carga são 25% (mínimo), 50%, 75% e 100%. Entre cada um desses patamares, está prevista a variação da capacidade pela variação da rotação do motor (800 à 1200 rpm). Quanto maior é o

96 ∆P de GN sobre o compressor maior é a demanda de potência para o motor propulsor Waukesha. A figura 60 mostra a tela do sistema supervisório no qual é efetuada a variação de carga e velocidade de cada compressor.

FIGURA 60 - Controle de carga e velocidade do motocompressor.

Fonte: Tela do sistema supervisório Nuovo Pignone.

3.4.4 Sistema de gás de partida, gás combustível e gases de escapamento

Este sistema é composto por um filtro decantador de condensado, uma turbina pneumática de partida do motor, um abafador de ruído (muffler) e válvulas solenóides comandados pelo CLP do motocompressor. Para o monitoramento e proteção do sistema estão instalados transmissores de pressão, vazão e temperatura dos gases de partida, combustível e de queima, além de válvulas controladoras de pressão na câmara de admissão e turbina de partida. Também existem termostatos de alarme e parada do motor por alta temperatura do gás combustível (figura 61).

97

FIGURA 61 - Sistema de partida, gás combustível e gases de queima.

Fonte: Tela do sistema supervisório Nuovo Pignone.

3.5 Considerações sobre operação dos equipamentos na Ecomp

Na Ecomp de Biguçu/SC estão instalados três conjuntos de motocompressores, com capacidade de escoamento (transporte via gasoduto) de 1,5 milhão de m³/dia de GN cada. Normalmente a Ecomp trabalha com dois motocompressores operando e um motocompressor em stand-by, em condições esporádicas de muita demanda (como na entrada em operação de um grande consumidor, por exemplo, uma usina termoelétrica) é necessária a operação dos três motocompressores para assegurar o fornecimento de GN até que o gasoduto volte a sua condição normal de pressão. Nessa condição de operação para recuperação de pressão, os motores dos motocompressores são mais exigidos para diminuir o tempo de recuperação da pressão (acelera-se até próximo à capacidade máxima).

É nesta condição que aparece frequentemente o fenômeno indesejável da detonação. O fabricante orienta que em regime de

98 operação normal o ∆P no compressor não ultrapasse 15kgf/cm², porém com este ∆P a potência indicada fica abaixo da máxima permitida, pressupondo que o motor aceite um pouco mais de esforço em caso de necessidade operacional. Porém, por vezes, quando se exige mais potência o sistema de segurança anti detonação atua e para o motor a fim de evitar danos. Estas paradas inesperadas geram perdas operacionais e impactam os índices de disponibilidade operacional dos motocompressores, por isso resolve-se desenvolver e testar um sistema alternativo de medição de potência para ajudar na operação dos motocompressores em um ponto mais próximo da máxima potência sem que apareça o fenômeno da detonação.

99 CAPÍTULO 4 - METODOLOGIA

A presente pesquisa foi desenvolvida para verificar a possibilidade e a viabilidade da adequação tecnológica dos motores Waukesha VHP a fim de permitir uma medição de potência despendida a partir da equação proposta pelo fabricante dos motores dos motocompressores de GN. Sem dúvida, isso torna a medição mais eficiente e permite, assim, a operação destes motocompressores em uma faixa mais próxima da potência máxima, evitando o aparecimento do fenômeno da detonação já descrito anteriormente.

De um modo geral a pesquisa compreende, no estudo do funcionamento do motor e seus subsistemas envolvidos, a instalação de um sistema de aquisição de dados para levantamento de valores das variáveis utilizadas no cálculo de potência e a implementação de um algoritmo de cálculo de potência baseado nas equações fornecidas pelo fabricante do motor. Tal algoritmo será implementado em uma planilha Excel com um link dinâmico DDE adquirindo dados on-line diretamente do CLP de controle do motor.

Neste capítulo será descrita cada etapa da execução prática da pesquisa, desde os recursos necessários para o desenvolvimento da pesquisa até os testes práticos de funcionamento do sistema proposto. 4.1 Recursos necessários para o desenvolvimento da pesquisa

A pesquisa foi desenvolvida em quatro etapas descritas na sequência abaixo. Após a descrição de cada etapa foram listados os recursos utilizados para seu desenvolvimento.

Outro fator relevante para o desenvolvimento do trabalho é a dificuldade de disponibilidade do uso do motor a ser monitorado. Esses motores não operam continuamente, tendo em vista que a determinação da colocação em funcionamento do motocompressor depende da alta de demanda de GN para os consumidores do sul de Santa Catarina e norte do Rio Grande do Sul, o que normalmente não acontece de maneira constante. Deste modo, não é possível prever com precisão o tempo disponível do motor à disposição para realização dos ensaios. Os recursos necessários foram levantados em discussões com os professores orientadores, que sugeriram um sistema de aquisição de

100 dados desenvolvido para indústria automobilística e que atende aos requisitos das medições a serem efetuadas no motor. 1ª Etapa – Inicialmente foram realizadas as medições das variáveis do motor que estão inseridas na equação de potência. Os dados levantados foram tratados em um software específico do fabricante do datalogger e disponibilizados para utilização na planilha eletrônica com a equação do cálculo de potência.

Estes foram os recursos utilizados nesta etapa: a) Datalogger Modelo PRO24 fabricado pela FuelTech:

Especificações: - 16 entradas analógicas para sensores (0-5V); - 4 entradas digitais de sinal de rotação; - Canal interno de leitura da tensão de alimentação do

datalogger; - Acelerômetro interno (monitoramento dos eixos X, Y e Z); - Alimentação de 12 a 16V.

FIGURA 62 – Datalloger modelo Pro24 fabricado pela Fuel Tech.

Fonte: www.fueltech.com.br acessado em 05/06/2010. b) Sensor de pressão de ar Modelo MAP fabricado pela ODG Instruments:

Especificações: - Faixa de medição de -1 a 6bar; - Sinal de saída analógico (0-5V); - Alimentação de 12 a 16V.

101

FIGURA 63 – Sensor de pressão MAP fabricado pela ODG Instruments.

Fonte: www.odginstruments.com.br acessado em 06/06/2010. c) Sensor de oxigênio Modelo LSU 4.2 fabricado pela Bosch:

Especificações: - Faixa de medição de Lambda de 0,65 a 200; - Corrente de saída de -2,00 a 2,55mA; - Alimentação 9 Vdc; - Potência do aquecedor 10W; - Máxima temperatura de operação 930°C.

FIGURA 64 – Sensor de oxigênio modelo LSU 4.2. Fonte: www.bosch.com.br acessado em 03/03/2010.

d) Sensor de velocidade indutivo fabricado pela Woodward:

Especificações: - Alimentação 10 a 30V; - Diâmetro 12mm; - Tipo de chaveamento NPN; - Frequência de operação 400Hz.

102

FIGURA 65 – Sensor de velocidade indutivo fabricado pela Woodward.

Fonte: www.woodward.com acessado em 03/03/2012. e) Sensor de temperatura Modelo TK fabricado pela ODG Instruments:

Especificações: - Termopar tipo K (cromel/alumel); - Temperatura máxima de utilização 900ºC; - Cabo de extensão de 2 mts em silicone c/ malha metálica; - Bainha em aço inox 316, diâmetro de 6mm.

FIGURA 66 – Sensor de temperatura modelo TK fabricado pela ODG Instruments.

Fonte: www.odginstruments.com.br acessado em 03/03/2012.

f) Condicionador de sinal de temperatura Modelo TM-4 fabricado pela ODG Instruments:

Especificações: - 2 entradas para sensor NTC; - 4 entradas analógicas para termopares tipo K; - 4 saídas de tensão analógicas (0-5 v).

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FIGURA 67 – Condicionador de temperatura modelo TMX da ODG Instruments.

Fonte: www.odginstruments.com.br acessado em 03/03/2012. g) Condicionador de sonda Lambda Modelo Wideband X1 fabricado pela ODG Instruments:

Especificações: - Mostrador com display de 3 dígitos, barra gráfica com 24 LEDs e luz de alerta; - Indicação do valor em relação Ar/Combustível (AFR) ou em Lambda; - Saída analógica de 0,2 a 4,8V; - Tensão de funcionamento: 12 a 16V.

FIGURA 68 – Condicionador Lambda Wideband X1 da ODG Instruments.

Fonte: www.odginstruments.com.br acessado em 03/03/2012.

h) Software de registro dos eventos FuelTech Datalogger V3.28 fabricado pela FuelTech:

Especificações: - Parametrização das entradas analógicas e de pulso; - Criação de gráficos de tendência com os resultados obtidos; - Configuração de taxa de amostragem; - Indicadores digitais on-line dos canais selecionados; - Grava os resultados dos ensaios para futuras consultas.

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FIGURA 69 – Software de registro dos eventos FuelTech DataLogger V 3.28.

Fonte: www.fueltech.com.br acessado em 05/06/2010. 2ª Etapa – Nesta etapa foi desenvolvida uma planilha eletrônica de processamento Excel com a equação do cálculo de potência de motor, sendo essa equação compatível com a equação de potência listada em Waukesha (2005- pg 8) e apresentada neste trabalho no ìtem 5.2. Além da equação, a planilha eletrônica em Excel foi desenvolvida para permitir a entrada de dados remotamente via o driver de comunicação e atualização dinâmica DDE.

Esses foram os recursos utilizados nesta etapa:

a) Computador Pessoal Modelo Evo N600C Compaq; b) Sistema operacional Microsoft XP Professional V.2002 SP3; c) Software Microsoft Excel 2003.

3ª Etapa – O próximo passo foi instalar e configurar o driver de comunicação DDE entre CLP e a planilha Excel, possibilitando a aquisição de dados automática e on-line das variáveis de processo utilizadas no cálculo de potência do motor.

105

Esses foram os recursos utilizados nesta etapa: a) Software de comunicação GE SNP Invensys Wonderware; b) Giga de teste com CLP Modelo 9030 fabricado pela GE Fanuc; c) Computador Pessoal Modelo Evo N600C Compaq. 4ª Etapa – Vencida as etapas anteriores, efetuamos um teste de comunicação entre CLP e driver DDE, permitindo a atualização dinâmica dos dados do motor no cálculo de potência executado na planilha Excel.

Esses foram os recursos utilizados nesta etapa: a) Software de comunicação GE SNP Invensys Wonderware; b) Giga de teste com CLP Modelo 9030 fabricado pela GE Fanuc; c) Computador Pessoal Modelo Evo N600C Compaq. 4.2 Sistema de aquisição de dados

Segundo a FuelTech (2010), o sistema de aquisição de dados modelo PRO24 Datalogger é um dispositivo de monitoramento e ajuste de motores muito eficiente e compatível com a maioria dos tipos de motores à combustão. Ele efetua a leitura e o armazenamento de dados de qualquer sensor analógico com sinal de saída de 0-5 vdc, além da leitura de sinais de frequência que possibilita uma análise detalhada do funcionamento do motor e informações externas do veículo.

Esse equipamento possui quatro canais de entrada de frequência para captura de sinais de rotação e 16 canais de entradas analógicas configuráveis, além de um canal interno que informa a tensão da bateria.

Outra facilidade do datalogger é o acelerômetro interno configurável que possibilita a análise do movimento da carroceria em 3 eixos (X, Y e Z), tais como aceleração lateral e desacelerações, dentre outros. Ele tem uma conexão USB de alta velocidade que possibilita ligação em qualquer notebook ou computador desktop. Este tipo de datalloger desenvolvido especialmente para serviços em automóveis se mostrou uma ótima ferramenta para diagnósticos de defeitos no motor e seus sistemas auxiliares. Sua flexibilidade de uso com diferentes sensores permite que façamos testes com taxas de amostragem suficientemente rápidas para diagnosticar falhas que aconteçam num

106 pequeno espaço de tempo e que normalmente são difíceis de diagnosticar. O PRO24 Datalogger pode ser utilizado para fazer a leitura dos seguintes parâmetros do motor: • Pressão de turbo antes do cooler e no motor; • Pressão de óleo; • Pressão de escapamento; • Pressão do líquido de freio; • Pressão do líquido de arrefecimento; • Pressão da válvula wastegate; • Pressão interna do motor (Cárter); • Condicionador de Sonda Lambda WideBand; • Posição da borboleta (TPS); • Temperatura do ar da admissão; • Temperatura do ar antes e depois do cooler; • Temperatura do motor; • Temperatura dos gases de escapamento; • Temperatura da vela de ignição; • Rotação do motor; • Velocidade do eixo dianteiro/traseiro; • Deslocamento da suspensão dianteira / traseira. 4.2.1 Instalação do PRO24 Datalogger

O PRO24 Datalogger possui um conector de 24 vias que concentra as entradas de sensores, saída de 5V de alimentação e entrada para botão de gravação externo. Os canais utilizados devem ser configurados de acordo com o sensor que será utilizado. O fabricante alerta que o cabo USB o qual interliga o datalogger ao computador não pode exceder 1,8m sob risco de ocorrerem falhas de comunicação. A tabela 9 mostra as descrições e numeração dos pinos das conexões elétricas dos sensores aos terminais do datalogger.

107

TABELA 9 - Conexões do chicote elétrico do datalloger.

Fonte: www.fueltech.com.br acessado em 05/06/2010.

O diagrama da figura 70 mostra a disposição das ligações dos sensores no conector de entrada do datalogger.

108

FIGURA 70 - Diagrama do conector elétrico do datalloger.

Fonte: www.fueltech.com.br acessado em 05/06/2010. 4.3 Calibração dos sensores

Como fator de confiabilidade metrológica, antes de iniciarmos a aquisição de dados do motor para a pesquisa procedeu-se à calibração dos sensores e canais de entrada utilizados no datalloger.

As calibrações foram baseadas nas boas práticas da metrologia, procedimentos internos de calibração da TBG, bem como as recomendações dos fabricantes dos sensores e do datalogger.

A seguir são listados os padrões utilizados:

1° - Calibrador multifunções Modelo 741 fabricado pela empresa Fluke do Brasil.

Especificações: • Calibração de temperatura, pressão, tensão, corrente, resistência e frequência; • Medição e geração simultâneas; • Captura automática dos resultados de calibração; • Procedimentos de documentação e resultados de acordo com as normas ISO 9000, OSHA e outras exigências governamentais; • Medição/simulação de 13 tipos de termopares e oito RTDs.

109

Abaixo mostramos a figura 71 que apresenta os limites de medição e precisão de cada faixa de medição/simulação do calibrador.

FIGURA 71 - Precisão das faixas de medição/simulação do Fluke 741.

Fonte: Fluke 2006. 2° - Módulo de medição de pressão Modelo 700P09 fabricado pela empresa Fluke do Brasil (figura 72).

110 Especificações:

FIGURA 72- Faixas de precisão do módulo de pressão 700P09.

Fonte: Fluke 2005. 4.3.1 Ensaios de calibração

Para efetuar o cálculo de potência despendida pelo motor, o fabricante determina que sejam medidas as seguintes variáveis:

a) Pressão da câmara de admissão em psi; b) Temperatura do motor em °F; c) Rotação do motor em RPM; d) Percentual de O2 dos gases de escape.

Essas variáveis representam três medições analógicas e uma medição digital (entrada de pulso). O fabricante do datalogger que utilizamos nos ensaios sugere algumas configurações default de entrada das variáveis a serem medidas. Seguindo as recomendações do fabricante do datalogger escolhemos as seguintes entradas para as medições das variáveis durante a aquisição de dados no motor.

Canal de rotação 3 – Entrada para sensor tipo Hall/Indutivo; Canal entrada analógica 1 – Sonda de O2 em %; Canal entrada analógica 2 – Pressão de admissão; Canal entrada analógica 15 – Temperatura do motor.

4.3.2 Configurações das entradas de sinal do datalogger

A seguir são mostradas as telas de configuração das entradas

utilizadas do datalogger para medição das variáveis que foram utilizadas no cálculo de potência. A 1ª tela é a de configuração da

111 entrada de rotação e mostra os parâmetros ajustados para receber o sinal de um sensor de rotação reserva do motor que fica instalado próximo ao volante (figura 73).

FIGURA 73 - Tela de configuração do canal de rotação do motor.

Fonte: Fueltech 2009.

A 2ª tela é a de configuração da entrada analógica 1 e mostra os parâmetros ajustados para receber o sinal do sensor de % de O2 (figura 74).

FIGURA 74 - Tela de configuração do canal do sensor de %O².

112

Fonte: Fueltech 2009. A 3ª tela é a de configuração da entrada analógica 2 e mostra os

parâmetros ajustados para receber o sinal do sensor de pressão da câmara de admissão também chamado de sensor MAP (figura 75).

FIGURA 75 - Tela de configuração do canal do sensor de pressão MAP.

Fonte: Fueltech 2009.

A 4ª tela é a de configuração da entrada analógica 15 e mostra os parâmetros ajustados para receber o sinal do sensor termopar tipo K (cromel/alumel) que mede a temperatura do motor (figura 76).

113

FIGURA 76 - Tela de configuração do canal do sensor de temperatura.

Fonte: Fueltech 2009. 4.3.3 Calibração das entradas do datalogger

O primeiro canal a ser calibrado foi o de entrada de pulso (Rotação), para isto foi disposto o arranjo da figura 77 com o calibrador Fluke 741 simulando a frequência necessária para a calibração desta entrada.

114

FIGURA 77 - Arranjo para calibração do canal de entrada de rotação.

O segundo canal a ser calibrado foi o de entrada analógica 2 (Pressão), o arranjo foi disposto conforme a figura 78 com o calibrador Fluke 741 aliado ao conjunto bomba e módulo de pressão simulando a pressão necessária para calibração desta entrada.

115

FIGURA 78 – Arranjo para calibração do canal de entrada analógica de pressão.

O terceiro canal a ser calibrado foi o de entrada analógica 15 (Temperatura), o arranjo foi disposto conforme a figura 79 com o calibrador Fluke 741 simulando o sinal de termopar necessário para calibração desta entrada.

.

116

FIGURA 79 - Arranjo para calibração do canal de entrada analógica de temperatura.

O quarto canal a ser calibrado foi o de entrada analógica 1 (% O²), o arranjo foi disposto conforme a figura 80 com o calibrador Fluke 741 simulando o sinal de tensão necessário para calibração desta entrada.

FIGURA 80 - Arranjo para calibração do canal de entrada de % O².

117 4.4 Programa de aquisição de dados

Para registro e estudo dos dados colhidos no datalogger, utilizamos o programa de registro de eventos que acompanha o datalooger PRO24 utilizado na pesquisa, que é o programa FuelTech DataLogger V 3.28. Esse programa foi desenvolvido para aplicações de regulagens em motores de competição, mas atende as demandas da pesquisa em todos os aspectos. Nele podemos configurar os sensores de entrada, a taxa de amostragem compatível com os ensaios, o registro dos dados nos períodos dos testes e a visualização dos dados no formato gráfico que nos permite retirar os valores medidos para sua utilização na planilha Excel utilizada para calcular a potência do motor Waukesha em teste.

A taxa de amostragem na maioria dos ensaios dos motores é ajustada entre 1 a 30Hz, dependendo dos testes a serem executados. . .. Optamos por um ajuste de 5Hz ou 0,2s por amostragem, de modo a proporcionar um maior tempo de gravação dos ensaios no datalloger e ainda obtermos amostras significativas para análise posterior dos dados. ... Os ensaios podem ser divididos em grupos de sensores conforme os sistemas do motor a serem monitorados, os dados coletados serão salvos em arquivos denominados de sessões e renomeados conforme o usuário determinar. Abaixo, a figura 81 mostra o exemplo de um gráfico criado com o nome de grupo “Arrancada”, no qual aparecem os resultados das medições dos sensores de Lambda, rotação, pressão do combustível, posição de TPS e pressão do turbocompressor.

Quando selecionamos uma variável, automaticamente aparece no eixo y do gráfico a escala pré-determinada na configuração desta variável, sendo que no eixo x aparecem os valores de tempo decorrido do ensaio.

Junto com o gráfico o software também permite a passagem de um cursor entre os pontos inicial e final de cada curva em que mostra os valores de cada variável e seu tempo correspondente de aquisição.

118

FIGURA 81 – Tela do gráfico de teste mostrando o grupo “Arrancada”.

Fonte: Fueltech 2009.

Além dos gráficos, também podemos utilizar a ferramenta de indicadores digitais on-line, que nos permitem observar as variáveis medidas em tempo real simultaneamente em um mesmo painel. Essa opção pode ser usada somente quando o programa FuelTech DataLogger V 3.28 estiver on-line com o datalogger durante a execução dos testes (figura 82). Durante os ensaios no motor, monitoramos as variáveis nesta opção de display. Esta opção permite uma melhor visualização das variáveis não havendo sobreposição de linhas como no modo gráfico de tendência, o modo grafico de tendência foi utilizado para avaliação do ensaio após seu término.

119

FIGURA 82 - Tela de visualização on-line das variáveis do motor.

Fonte: Fueltech 2009.

Para os ensaios da pesquisa foi criada a sessão denominada “Teste de 24hs Sessão 1 - 11-11-2010.ftl” com somente um grupo de quatro sensores, rotação, sonda Lambda, pressão da câmara de admissão (MAP) e temperatura do motor. A figura 83 mostra a tela com o grupo e o gráfico correspondente das variáveis.

120

FIGURA 83 – Tela do grupo de sensores instalados no motor.

Fonte: Fueltech 2009. 4.4.1 Adequação do motor para utilização do datalloger. Para a escolha de qual motor seria utilizado para efetuar os testes de aquisição de dados dependia-se da demanda de GN para os consumidores e da preferência de entrada em operação dos motores. Na época, a ordem de entrada em operação era o motocompressor C, seguido pelo motocompressor A e, por último, o motocompressor B. Assim foi escolhido o motor MC6801C, visto que ficaria mais tempo operando e proporcionaria mais tempo de pesquisa. A adequação do motor para receber os sensores do datalloger foi executada pelo autor, com materiais disponíveis no almoxarifado da empresa e com a compra de alguns conectores pneumáticos, abraçadeiras e mangueira resistentes à temperatura. Houve algumas dificuldades na adaptação do sensor MAP, que tinha conexões diferentes das instaladas no coletor de admissão, necessitando a construção de uma peça adaptadora, utilizando conexões que sobraram de outras manutenções no motor. A instalação da sonda Lambda nescessitou de um condicionador de sinal externo antes de entrar no datalloger. Este condicionador foi instalado próximo à sonda

121 Lambda, mas de forma a não sofrer interferência do calor, visto que estava bem próximo da descarga dos gases do motor. Para aumentar a área de armazenamento de dados e, por consequência, obter um número maior de amostragens, o notebook foi conectado diretamente ao datalloger durante o período de 24h do ensaio no motor. O datalloger necessita de uma alimentação elétrica de 12V e, como o motor Waukesha trabalha com a alimentação de 24V, foi necessária a instalação de uma fonte de tensão com saída regulada em 12V. Todos esses equipamentos foram dispostos em uma mesa com rodízio, a qual foi colocada ao lado do motor para facilitar as conexões entre datalloger e sensores. 4.4.2 Ligação dos sensores e datalloger ao motor

A seguir, mostramos como foram efetuadas as ligações dos sensores no motor em teste. Os sensores de rotação e temperatura do motor já estavam instalados como sensores reservas do sistema atual de medição. A instalação de alguns sensores reservas é uma prática do fabricante Waukesha de modo a permitir uma flexibilidade operacional em caso de pane em determinados sensores.

Os sensores de O2 e pressão da câmara de admissão foram instalados em pontos de testes disponíveis no motor.

a) Instalação do sensor de rotação

A figura 84 mostra o sensor de rotação reserva instalado na roda dentada próximo ao volante do motor.

O sinal para a entrada do datalogger foi retirado junto ao módulo controlador de rotação localizado em uma caixa de junção próximo ao motor (figura 85).

122

FIGURA 84 – Instalação do sensor de rotação reserva.

FIGURA 85 - Ligação do sensor de rotação reserva.

b) Instalação do sensor de temperatura

A figura 86 mostra a ligação dos sensores (principal e reserva) de temperatura do motor. Para a medição de temperatura foi utilizado o

123 sensor reserva (termopar tipo K) conectado ao condicionador de temperatura do datalogger.

FIGURA 86 - Ligação do sensor de temperatura reserva.

Abaixo, na figura 87, mostramos a posição de instalação dos

sensores de temperatura na parte superior do bloco do motor.

FIGURA 87 - Posição do sensor de temperatura no bloco do motor.

124 c) Instalação do sensor de O2

A figura 88 mostra a ligação do sensor de O2 conectado ao condicionador de sonda Lambda (WideBand), do datalogger.

FIGURA 88 - Arranjo de ligação da sonda de O2 ao condicionador de sinal.

Abaixo, na figura 89, mostramos a posição de instalação do

sensor de O2 na parte superior do bloco do motor no coletor de saída dos gases de queima antes do silenciador de descarga.

125

FIGURA 89 - Posição do sensor de O2 no coletor de saída dos gases.

d) Instalação do sensor pressão (MAP)

A figura 90 mostra o sensor de pressão da câmara de admissão (MAP) com a válvula de bloqueio e tubulação flexível que será conectado ao motor. Esse sensor do tipo MAP não necessita de condicionador de sinal, sendo conectado diretamente ao datalogger.

FIGURA 90 - Arranjo de conexão ao motor do sensor de pressão MAP.

126

Abaixo, na figura 91, mostramos a posição de instalação do sensor de pressão MAP no coletor de admissão do motor.

FIGURA 91 - Sensor de pressão no coletor de admissão do motor.

e) Instalação do datalogger aos sensores.

A figura 92 mostra a disposição da instalação do datalogger, do notebook e da fonte de alimentação para permitir a aquisição de dados durante os testes.

127

FIGURA 92 - Arranjo da instalação do datalogger, notebook e fonte.

4.5 Considerações finais sobre a metodologia

Considera-se essa etapa como uma das mais importantes e difíceis de todo o projeto, pois nela são planejados e preparados todos os ensaios necessários para o embasamento das conclusões e propostas de solução. Foram calibrados os sensores/entradas do datalloger segundo as boas práticas da metrologia, o que garantiu valores medidos com mais precisão e confiabilidade. As calibrações foram facilitadas pela permissão de utilização dos equipamentos padrões de teste nas variáveis de pressão, tensão, temperatura e frequência pertencentes aos laboratórios da empresa TBG, os quais estão com certificados de calibração rastreados pela RBC. A sequência das atividades dessa etapa foi longamente debatida com os professores orientadores e executadas na mesma ordem acertada. Esse planejamento prévio contribuiu muito para o sucesso dos preparativos dos ensaios, diminuindo o tempo de instalação dos equipamentos de campo assim como da confecção da planilha em Excel.

128 CAPITULO 5 – RESULTADOS E ANÁLISE

Neste capítulo, abordadamos os ensaios, as análises dos

resultados dos dados levantados na pesquisa e apontamos uma proposta, para resolver o problema da medição de potência. É também abordado o comportamento das variáveis monitoradas ao longo do tempo de teste do motor, verificando se os valores apresentados mostram algum sintoma para o aparecimento do fenômeno da detonação ou outro mau funcionamento dos outros sistemas auxiliares do motor.

5.1 Desenvolvimento dos ensaios

Os ensaios consistem na aquisição de dados das variáveis de pressão da câmara de admissão, temperatura da água de arrefecimento, rotação e porcentagem de oxigênio dos gases de escape do motor durante seu funcionamento. Eles tambem verificam o aparecimento do fenômeno da detonação ou outra anomalia e gravam esses dados para posterior consulta e utilização no cálculo de potência.

É importante salientar que não é possível operar o motor nas condições próximas às de máxima potência, o que seria mais adequado para se observar o aparecimento do fenômeno da detonação. Esse motor estará operando em função das demandas da estação de compressão, não sendo permitido mudar os parâmetros operacionais durante os testes. . . Com essa premissa, as aquisições de dados foram realizadas em um intervalo de tempo de aquisição de 24h. Neste tempo obtivemos amostras significativas para a execução do cálculo de potência, a fim de futuramente analisar o funcionamento do motor. A figura 93 mostra a tela com o início das aquisições no dia 11/11/2010 às 16:30h.

129

FIGURA 93 - Início das aquisições de dados para pesquisa.

Inicialmente foi sincronizado o relógio do notebook utilizado na coleta de dados com o relógio do sistema SCADA de controle operacional dos motocompressores. Com isso podem-se relacionar mudanças rápidas nas variáveis com um determinado alarme ou ação operacional. A figura 94 apresenta os gráficos dos resultados da aquisição de dados para a pesquisa. O gráfico na cor preta mostra a tendência da rotação. O gráfico na cor magenta mostra a tendência de porcentagem de oxigênio dos gases de escape. O gráfico na cor vermelha mostra a tendência da pressão da câmara de admissão. O gráfico na cor azul mostra a tendência da temperatura do motor.

As aquisições de dados dessa sessão tiveram uma duração total de 103732s, aproximadamente 28h.

130

FIGURA 94 - Gráfico com as tendências do ensaio do motor.

A ferramenta de análise gráfica permite obter o valor instantâneo de cada variável à medida que passamos o cursor por sobre o gráfico. Desse modo pudemos analisar os resultados das medições em função do tempo. Para calcular a potência instantânea do motor, foram feitos cálculos utilizando dois momentos da curva, levando em consideração os valores mostrados ao lado das variáveis listadas no Grupo 1 previamente configurado no software de aquisição de dados. 5.2 Desenvolvimento de planilha de cálculo de potência

Para efetuar o cálculo da potência instantânea do motor será utilizada a equação desenvolvida por Waukesha (2005:08) e disponibilizada em sua documentação técnica. Além dos valores das variáveis de processo necessárias para a execução do cálculo, a planilha desenvolvida também deverá ter a capacidade de consultar os dados das

131 variáveis de processo na memória do CLP do motocompressor e efetuar o cálculo dinamicamente a cada ciclo de leitura das variáveis no CLP. No desenvolvimento da planilha de cálculo de potência, foi utilizada a seguinte sequência de operações:

a) Criação da planilha para cálculo de potência.

Nesta etapa foi desenvolvida uma planilha em Excel baseada na equação fornecida pelo fabricante do motor na qual aparecem os valores das variáveis e o resultado final do cálculo de potência.

Abaixo, são mostradas as variáveis envolvidas para o cálculo de potência do motor VHP L5790 GSI e a equação (4) que serviram para o desenvolvimento da planilha com vínculo dinâmico.

Variáveis com suas faixas de medição envolvidas: Pressão da câmara de admissão – Faixa de 65 a 160psi; Temperatura da água de arrefecimento – Faixa de 85 a 130°F; Rotação do motor – Faixa de 800 a 1200rpm; Percentual de oxigênio nos gases de exaustão – Faixa de 0,3 a 1,5 %; Altitude do local da instalação – em ft.

Pot = (P * 10,5) + (T * -1,01) + (R * 0,734) + ((P * R) * 0,0274) . + (Ox * -50,6) + (A x -0,0379) + c (4)

Sendo: Pot = Potência em Hp; P = Pressão do coletor de admissão em InHg; T = Temperatura do coletor de admissão em °F; R = Rotação do motor em rpm; P x R = Razão entre pressão do oletor e rotação do motor; Ox= Teor de oxigênio em %; A = Altitude do lugar da unidade operacional; c.= Constante no valor de 178

Como as variáveis utilizadas para o cálculo não estão no padrão SI (Sistema Internacional de Unidades) torna-se necessária a conversão para unidades aceitas no SI, visto que a representação das variáveis no CLP é toda no sistema métrico. Essa conversão será feita na

132 própria célula do Excel em que as variáveis serão escritas e posteriormente encaminhadas para as células de cálculo já nos valores do SI.

Os fatores de conversão utilizam os seguintes critérios:

Pressão: 1bar = 29,53 InHg manométrico; Temperatura: °C X 1,8 + 32 = °F;

Altitude: 1m = 3,28 ft. Após a verificação das faixas dos instrumentos, foi criado o

arquivo em Excel denominado “Cálculo de potência do motor VHP 5790GSI.xls”, contendo as planilhas “display” (tabela 10) e “medicao” (tabela 11). Optou-se por duas planilhas para facilitar a inteiração entre o operador do motocompressor com a tabela do cálculo de potência, ficando a planilha “display” somente com o quadro sinótico das variáveis e a planilha “medicao” com o link dinâmico DDE X PLC juntamente com a equação do cálculo de potência proposta pelo fabricante do motor.

TABELA 10 – Indicação das variáveis e resultado do cálculo de potencia do

motor Waukesha.

133

TABELA 11 – Entrada dos valores das variáveis, conversão das unidades e

resultado do cálculo. Após o desenvolvimento, foi realizado o teste de funcionamento da planilha, escolhendo aleatoriamente um momento no gráfico de tendência em 30005,58s (figura 95) e foram inseridos os valores manualmente nos campos de medição das variáveis da planilha “medicao”.

FIGUIRA 95 – Indicações no tempo 30005,58 s do gráfico de tendência.

b) Criação do vínculo dinâmico de atualização das variáveis utilizando DDE.

Nesta etapa foi criado um link com vínculo dinâmico de

atualização das variáveis (DDE), permitindo que a planilha recebesse os dados das variáveis diretamente do CLP do motocompressor.

Para implementação do vinculo dinâmico utilizando o serviço de DDE entre o PLC e a planilha “Cálculo de potência do motor VHP 5790GSI.xls” foi necessária a instalação do driver de comunicação GE SNP da empresa Wonderware. Nesta instalação também foram

134 implementadas a configuração do tópico de comunicação em que foi parametrizada a porta de comunicação em COM1 e o nome do tópico de “plcmotor” ficando os demais parâmetros no valor default. Abaixo, na figura 96, será descrita a sintaxe do link DDE colocado em cada célula na qual se desejava uma atualização dinâmica dos valores.

FIGURA 96 – Sintaxe do comando do DDE na célula do Excel.

Sendo: plcmotor: Identifica o tópico utilizado; 68_PLC_UA: Identifica o nome do PLC; AI0001: Identifica a posição de memoria do PLC que o DDE; vai transferir o conteúdo para a célula do Excel;

A instalação do link DDE não interfere no funcionamento da

tabela, já testado anteriormente,pois sua única função é a de promover a atualização dinâmica da tabela à medida que as variáveis sejam modificadas pelo processo. Baseado no gráfico de tendência, retirado do datalloger mostrado na figura 97, foi possível avaliar as condições do motor em função da sua demanda de potência ao longo do tempo de teste.

135

Figura 97 – Gráfico de tendência das variáveis monitoradas.

5.3 Análise dos resultados

Como mostrado anteriormente, foram escolhidas para monitorar as variáveis pertinentes à equação do cálculo de potência fornecida pelo fabricante do motor, mas essas mesmas variáveis permitem avaliar uma série de aspectos do funcionamento dos principais sistemas do motor tais como:

• Sistema de arrefecimento do motor; • Sistema de controle de combustão; • Sistema de alimentação da mistura ar/combustível; • Sistema de controle de rotação.

136 5.3.1 Sistema de arrefecimento do motor

Segundo o fabricante, a temperatura de operação desse motor fica

em torno de 75°C, podendo chegar a até 82°C sem que ocorra um alarme por alta temperatura no sistema supervisório do motor.

Analisando a curva de temperatura do motor (gráfico na cor azul), pode-se observar que a temperatura variou entre 74,8°C até 76,2°C dependendo do esforço a que o motor estava sendo imposto, o que caracterizou um funcionamento normal do sistema de arrefecimento.

Essa medição foi disponibilizada através de um sensor reserva tipo Termopar K instalado pelo fabricante do motor como precaução no caso de falha do sensor principal. 5.3.2 Sistema de controle de combustão Para que se possa medir a qualidade da queima no motor, foi utilizada uma sonda Lambda tipo Wideband que proporciona uma leitura mais precisa em uma faixa mais ampla da relação estequiométrica entre ar e combustível. Quanto mais próxima chega a queima da relação estequiométrica, melhor é o rendimento do motor, proporcionando uma queima com menos emissão de poluentes e melhor aproveitamento energético do combustível. Durante o teste, obteve-se uma variação entre 0,91 a 1,02 % de O2 medidos na sonda localizada após a turbina no sistema de exaustão. Esses valores também são considerados normais, visto que o motor foi desenvolvido para operar com a mistura ar/combustível levemente na condição rica. Porém, notando os dados (não disponíveis no sistema SCADA) observa-se que o percentual de oxigênio variava com as mudanças de carga e velocidade do motor. Notou-se também que os valores de O² não retornavam aos valores anteriores à variação de carga ou velocidade, sugerindo que o controle de combustão em função do percentual de O² está funcionando em malha de controle aberta (sem utilizar o sinal de realimentação da sonda Lambda para corrigir o offset da queima dos gases). Apesar da constatação do funcionamento da malha de combustão estar aberta, também não ficou evidenciado um mau funcionamento do sistema a não ser pela maior emissão de poluentes, o que não prejudicou o desempenho do motor durante o teste.

137 5.3.3 Sistema de alimentação da mistura ar/combustível Esse motor opera com a alimentação de ar para a combustão através de um turbocompressor. Esse dispositivo aumenta a potência do motor e mantém uma pressão positiva no coletor de admissão de até 9 in/Hg na condição de carga máxima. Quando o motor é exigido acima da sua capacidade máxima, a indicação da pressão do coletor de admissão é uma das indicações mais importantes para constatar esta condição. Vale ressaltar que a medição dessa variável não está disponível no sistema SCADA e que para fazê-la foi necessária a adaptação do coletor de admissão de ar para comportar um sensor de pressão. Em marcha lenta, o motor opera na condição aspirada, ficando o coletor de admissão com um pequeno vácuo. À medida que o motor é exigido, o turbocompressor entra em funcionamento aumentando a pressão no coletor de admissão e injetando mais mistura ar/combustível nos cilindros. Durante o período de teste, tivemos a variação entre 4,43 até 7,38 in/Hg, não evidenciando que o motor estivesse trabalhando em uma faixa de potência fora da especificada. 5.3.4 Sistema de controle de rotação Esse é o sistema responsável por manter a rotação do motor compatível e estável com a rotação solicitada no valor alvo do controlador de rotação. O sistema é composto por um sensor de rotação magnético, um controlador de rotação eletrônico e um atuador elétrico hidráulico, que posiciona a haste de aceleração dos carburadores, conforme a rotação solicitada. O sistema de controle também fornece um sinal digital de sobre-rotação ao CLP do motor para uma eventual parada de emergência se a rotação sair de controle. O sistema de controle de rotação é fabricado pela empresa Woodward, ele recebe um sinal de 4-20mA vindo do CLP do motor que é proporcional ao set-point de rotação solicitado pelo operador do motocompressor. Quando se analisa o comportamento da rotação em função da mudança de carga no motocompressor, nota-se uma anomalia no controle quando a carga atinge 100%. Nessa condição, o controlador não foi eficiente em manter a rotação estável e variou a velocidade entre 987rpm até 1030rpm, mesmo com valor alvo se mantendo em 1000rpm.

138 Mesmo com essa condição anormal de controle da rotação, o motor se manteve capaz de absorver a demanda de carga de 100% e não apresentou o fenômeno da detonação durante o período de oscilação de velocidade. Nota-se também que as oscilações de rotação influenciam diretamente os outros sistemas monitorados, causando uma perturbação semelhante em frequência na pressão do coletor e percentual de O2, ficando a temperatura com uma variação muito pequena em relação às outras variáveis. 5.4 Monitoramento dos sensores de detonação. O módulo DSM de proteção contra detonação atualmente só nos permite a visualização instantânea dos valores de cada sensor, o que dificulta uma análise mais criteriosa, utilizando um gráfico de tendência por exemplo. Durante os intervalos dos ensaios no motor, executou-se, a título de experiência, uma leitura dos sensores de detonação junto à borneira do módulo DSM. Obtivemos um sinal de pouca amplitude e alta frequência, porém conpatível com o nível de detonação de cada cilindro. Este resultado nos mostra que, além dos ganhos relatados anteriormente com o uso do datalloger nas medições das variáveis do cálculo de potência, após algumas configurações, pode-se utilizar esta ferramenta para obter um gráfico de tendência dos sensores de detonação, proporcionando uma grande facilidade na análise dos eventos no módulo DSM. 5.5 Avaliação da incerteza da medição da potência Em se tratando de uma medição indireta, pois o resultado da potência é obtido a partir da medição de outras grandezas, que são combinadas matematicamente através da equação (4), a incerteza de medição pode ser estimada seguindo a combinação de incertezas, como proposta em (Albertazzi, 2008). Nesse modelo, a contribuição individual das componentes de incerteza da pressão, temperatura, teor de oxigênio e rotação, são combinados pelo modelo matemático:

139

2

nn

2

22

2

11

2 )U(XXf

)U(XXf

)U(XXf

= (G)U

++

+

∂∂

∂∂

∂∂

L (5)

Onde: U(G) = Incerteza da grandeza medida indiretamente U(X) = Incerteza da grandeza de entrada

1X

f

∂∂

= Derivada parcial do modelo matemático do mensurando em

relação a cada grandeza de entrada Sabendo que a Potência descrita na equação (4) é dada por: Pot = (P * 10,5) + (T * -1,01) + (R * 0,734) + ((P * R) * 0,0274) . + (Ox * -50,6) + (A x -0,0379) + 178 A incerteza da medição da potência será dada por:

UPot 0.0274R⋅ 10.5+( ) uP⋅[ ]2

1.01−( ) uT⋅[ ]2+ 0.0274P⋅ 0.0734+( ) uR⋅[ ]

2+ +:= uP ...

... 50.6−( ) uOx⋅[ ]2

0.0379−( ) uA⋅[ ]2+ (6)

Onde: uP = Incerteza da Medição de Pressão uT = Incerteza da Medição de Temperatura uR = Incerteza da Medição de Rotação uOx = Incerteza da Medição do teor de O2 uA = Incerteza da Medição de altitude

140 Estas componentes de incerteza foram obtidas de catálogos dos sensores. Tendo havido bastante dificuldade em se obter de alguns fabricantes esta informação, pesquisou-se em sensores similares a incerteza de medição típica para a categoria do sensor. Dessa forma foram obtidos: Sensor de Pressão: ±1,5% Sensor de Temperatura: ±1,5º C Sensor de Rotação: ±0,5 % Sensor de Teor de O2: ±0,006% Sensor de Altitude: ±1% Para a magnitude medida nos ensaios as incertezas dos sensores ficam, nas unidades dos respectivos mensurandos: uP = ± 0,003 bar uT = ±1,5º C uR = ±4,5 rpm uOx = ±0,006 % uA: ± 0,01 m Substituindo estes valores na equação (6), com as devidas conversões de unidades para o Sistema Internacional, tem-se que:

UPot = ±3,7 kW Constata-se, assim que a incerteza de medição atinge cerca de 1% da potência medida, valor aceitável para os objetivos da análise realizada tendo em vista que a diferença entre a potência calculada e a potência indicada pelo sistema supervisório é bem superior a esta margem de erro trazida pelos sensores, como mostrado no item 5.6, a seguir. 5.6 Teste comparativo de medição de potência Para testar a eficiência do sistema, colocou-se o motor a operar e aguardamos até uma condição de consumo mais próxima possível da necessidade de operar com alta carga (∆P alto).

141 Após o ∆P chegar em 13,8 kgf/cm², lançaram-se manualmente os valores que não ficaram com atualização dinâmica na planilha (para isto recebeu-se a ajuda de um técnico mecânico verificando as leituras no datalloger e nos atualizando na sala de controle através de rádio) e comparou-se o resultado com a leitura de potência do sistema supervisório. A seguir é mostrada a tabela 12 com os resultados obtidos na comparação das indicações de potência do motocompressor no sistema supervisório e na planilha Excel.

TABELA 12 – Resultado do teste comparativo de medição de potência.

Conforme Waukesha (2005:06) essa equação para o cálculo de potência tem uma precisão de 5% para mais ou para menos. Nota-se que o resultado da indicação de potência calculada no Excel com os dados coletados diretamente do motor ficou 5% acima da indicação de potência do sistema supervisório. Apesar de o resultado apresentar uma diferença dentro da tolerância de +/- 5% da precisão, conclui-se que, com o motor operando em uma faixa mais próxima da potência máxima operacional do motor a 1000rpm (820kW), o sistema supervisório estará indicando algo em torno de 783kW, ou seja, 31kW a menos. A diferença encontrada justifica a maioria das detonações do motor quando este esteve operando próximo ao regime máximo, mesmo estando a indicação do sistema supervisório em uma faixa aceitável de operação. O resultado mostra como os motores ficam sensíveis a defeitos quando operados próximo a sua capacidade máxima por longos períodos e o quão importante é a correta medição da potência como forma de otimizar a operação e evitar danos aos motores.

142 5.7 Considerações prévias sobre os resultados Estes resultados indicaram que o motor operou bem quando exigido a uma potência média, mas infelizmente não houve oportunidade de monitorar o motor em uma condição crítica de operação. Os resultados obtidos mostraram perfeitamente a eficiência do método proposto de medição para que permita reconhecer o status operacional do motor na hora em que a detonação aparecer. Além disso, o ensaio mostrou algumas anomalias de funcionamento no sistema de controle da combustão e no controle de rotação. Outra constatação foi a comprovação do atendimento de uma das funcionalidades solicitada pelos mecânicos da TBG no início da pesquisa, a de que o sistema deveria servir como ferramenta de diagnóstico de falhas e análise de funcionamento e do motor. 5.8 Proposta para a solução do problema

De posse dos dados obtidos nos ensaios e após estudos sobre o aparecimento do fenômeno da detonação que ocorre com os motores dos motocompressores de GN quando exigidos a uma condição operacional mais severa, considera-se como causa mais provável para o aparecimento da detonação a operação dos motores em uma faixa muito próxima e, por vezes, ultrapassando a faixa de potência máxima do motor. Sabe-se que o fator operacional, por vezes, determina que os motores operem nesta faixa, porém, se for possível atingir o ponto máximo de potência sem detonação, melhor-se-ia a condição operacional e mecânica destes motores. Com base nessa conclusão, propõe-se como medida corretiva uma adequação tecnológica dos motores com instalação de novos sensores e implementação de uma planilha em Excel com a equação do cálculo de potência fornecida pelo fabricante do motor e que também permita a comunicação on-line com atualização dinâmica dos dados entre essa planilha e o CLP do motor do motocompressor (Ver Capítulo 4 item 4.6). Essas planilhas (uma por motor) ficariam ativas em um PC instalado ao lado do PC no qual funciona o sistema supervisório, bastando o operador selecionar o motor que quer consultar para ter acesso à leitura de potência dos motores.

143 A figura 98 mostra esquematicamente a solução proposta para medição de potência dos motores Waukesha VHP.

FIGURA 98 – Diagrama esquemático da solução do problema.

Essa solução foi parcialmente testada, visto que os sinais dos sensores de porcentagem de O2 e a pressão do coletor de admissão não estão disponíveis nos registros interno do CLP. Para efetuar o teste, esses dois valores das variáveis foram medidos com sensores ligados ao datalloger. Após, os valores lidos no datalloger foram inseridos manualmente na planilha para permitir efetuar o cálculo de potência.

144 CAPÍTULO 6 - CONCLUSÕES Neste capítulo são abordadas as conclusões obtidas após a execução da pesquisa e análise dos resultados. As conclusões foram descritas de modo a atender a sequência dos objetivos principal e específico, assim como as outras necessidades levantadas antes e durante a pesquisa. Também neste capítulo são mostradas as oportunidades levantadas para sequência desta pesquisa e seu aprimoramento. Durante as fases acadêmicas e de pesquisa do Mestrado Profissional em Mecatrônica, além dos importantes conhecimentos adquiridos das disciplinas curriculares do curso, houve a oportunidade de aumentar imensamente o conhecimento a respeito de motores à combustão interna, conhecimento este fundamental para o desenvolvimento da pesquisa e concepção da proposta de solução do problema apresentado. 6.1 Ganhos obtidos na utilização do datalloger Com a utilização do datalloger como ferramenta de aquisição de dados, obteve-se uma taxa de amostragem maior que a taxa do CLP do controle do motor. Isso proporcionou uma condição de análise mais criteriosa dos eventos acontecidos em função do tempo, facilitando a detecção do aparecimento da detonação e outras possíveis anomalias que acontecem em um curto espaço de tempo e que, em algumas vezes, não são detectadas pelos sistemas convencionais de monitoramento original do motor. Durante a pesquisa, confirmou-se a eficiência desse sistema para aquisição de dados, visto que, já na avaliação prévia dos resultados on-line que se apresentavam, conseguiu-se detectar que a malha de controle de combustão, que deveria funcionar corrigindo a queima em função da emissão de gases estava funcionando no modo de malha aberta. Desse modo o controle de combustão não estava levando em consideração o valor da porcentagem de O2 presente nos gases de escapamento para efetuar ajustes na mistura ar/combustível e manter o motor operando em uma faixa de emissão conhecida e adequada em toda sua curva de potência.

145 Continuando a análise dos dados, percebe-se uma variação muito rápida da velocidade em determinados pontos do gráfico sem que as outras variáveis monitoradas reflitam essas variações. Como o controle de velocidade está em malha fechada, não foi possível detectar, somente com os dados levantados, se o problema está no sensor, no controlador ou no atuador. As informações levantadas durante o teste foram levadas ao Supervisor de Manutenção que colocou na programação da próxima revisão programada do motor uma verificação detalhada do funcionamento do sistema de controle de combustão e do sistema de controle de velocidade. Outra facilidade de diagnóstico levantada com o uso do datalloger foi o monitoramento dos sensores de detonação. Esses sinais, mesmo não sendo utilizados para o cálculo de potência, podem facilmente ser configuradas as entradas do datalloger, permitindo sua leitura on-line. Além disso, os sinais foram utilizados como parâmetro para análise e diagnóstico de outros sistemas do motor. A utilização do datalloger como sistema de aquisição de dados foi plenamente aprovada, ela disponibilizou os dados para utilização no algoritmo de cálculo proposto para a solução do problema de medição e também disponibilizou a aquisição de dados de outras variáveis do motor, assim permitindo diagnóstico de outros problemas no motor não necessariamente associados à pesquisa. Com esses resultados, a empresa colocou no orçamento de 2012 uma verba para executar uma campanha de adequações igual à do motor MC6801C para todos os motores das Ecomp da região sul. Além disso, foi solicitada a compra de datallogers e de sensores para a utilização do conjunto, como ferramenta de diagnóstico e avaliações sistemáticas dos motores pelos Engenheiros e Técnicos de Manutenção. 6.2 Sugestão de estudos futuros Como sugestão de estudo futuro para melhoria desse sistema de medição de potência, indica-se a instalação definitiva dos sensores utilizados durante os testes e uma mudança no programa ladder do CLP, incluindo uma rotina com o mesmo cálculo utilizado na planilha Excel de teste, além de uma tela específica ou uma janela popup no sistema supervisório, que deva mostrar a indicação de potência com atualização on-line. A figura 99 mostra esquematicamente a sugestão de estudo

146 futuro para implementação do sistema de medição de potência de forma on-line com indicação no sistema supervisório local e no SCADA.

FIGURA 99 – Proposta para medição on-line de potência do motor.

Sugerimos, ainda, a implementação de alarme visual e sonoro, sinalizando a alta potência do motor no sistema supervisório. Dessa forma, será possível alertar o operador que o motor está operando próximo a faixa de potência máxima e com risco de acontecer o fenômeno danoso da detonação. Além das facilidades operacionais, a instalação dos novos sensores permitirá aprimorar os diagnósticos de falha do motor, melhorando as práticas de manutenção e, por consequência, deixando os motores disponíveis por mais tempo.

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154 ANEXO I – Especificação técnica do motor VHP L5794GSI

155 ANEXO II – Certificados de calibração dos instrumentos padrões

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