MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Medição de Potência de um motor utilizando um Dinamômetro composto de um Dínamo

DC

RELATÓRIO DE TRABALHO DE CONLUSÃO

Apresentado na disciplina de Medições Térmicas – ENG03108

Alexandre Duschitz

Carlo Kinopp Daniel Dillenburg

Luís Gustavo Andrade

Porto Alegre, Junho de 2007

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ÍNDICE ÍNDICE ..................................................................................................................................................... 2 RESUMO.................................................................................................................................................. 3 INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................ 4 DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO........................................................................................................ 5 ENSAIOS................................................................................................................................................ 10 CONCLUSÃO ........................................................................................................................................ 14

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RESUMO

O presente trabalho tem a proposta de realizar a medição de potência obtida diretamente no eixo de um motor a combustão dois tempos JLO. Um dínamo (gerador CC) será acoplado diretamente ao motor, que, estando a saída conectada a uma carga elétrica atua como freio, reduzindo ou até travando a rotação do motor. Como a acoplamento do conjunto eixo do motor / dínamo é acoplado diretamente, pode-se arbitrar perdas muito próximas a zero. Através das leituras de U (Tensão) e I (Corrente), além da rotação em um dado instante, pode-se realizar a aquisição de dados e plotar a curva de potência do motor (HP versus RPM). O acoplamento direto do motor não foi possível para a excitação do Dínamo, então foi utilizado um sistema de polias para aumentar a rotação do dínamo. Foram testados dois modelos de dínamo mas as medições encontradas não foram estáveis para retirar amostras significativas e graficáveis de potência e rotação, portanto verificamos que será necessário um maior tempo de estudo e investimento, com o uso de outro dinamômetro elétrico.

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INTRODUÇÃO

O objetivo do presente trabalho é a construção de um freio dinamométrico, acoplado a um motor 2 tempos pequeno (motor JLO), demonstrando o principio de funcionamento. O acoplamento do dínamo (gerador DC) ao eixo do motor e aplicação de carga, oferece resistência ao giro (eixo fica mais difícil de girar), inicialmente reduzindo o giro do motor (freiando-o) e até travando-o completamente. Com base na tensão e corrente medida, através da equação P=U x I [W], obtem-se a potência naquele instante de tempo (a uma dada RPM). Com base nos valores adquiridos, pode-se construir uma curva de potencia em função da RPM, que pode também ser transformada em uma curva torque versus RPM (Pois torque x rpm = potencia).

Este trabalho foi escolhido pois todos os integrantes do grupo possuem uma afinidade com máquinas e motores, unindo assim a teoria da disciplina com um trabalho prático.

Com esse trabalho pretende-se realizar uma bancada de medição de potência para pequenos motores, tanto à combustão como elétricos. Obviamente, muitos aspectos ainda deverão ser aperfeiçoados, exigindo mais tempo, estudo e investimento. Como este trabalho tem fins educacionais, a bancada construída foi utilizada para medir um único motor, demonstrando o funcionamento desse dinamômetro. Não existe intenção neste trabalho de utilizar essa bancada como um equipamento comercial.

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DESCRIÇÃO DO EXPERIMENTO

A bancada de medições de potência de pequenos motores, tem como objetivo realizar a medição

de potência versus a rotação de pequenos motores a combustão ou elétricos. Para motores elétricos deve-se ainda acoplarmos no motor elétrico que se deseja medir um variador de rotação (inversor ou dimmer) para conseguirmos variar a tensão elétrica e por conseqüência a rotação desse motor.

Como todos os dinamômetros o objetivo principal do mesmo é aplicar uma carga mecânica no eixo do motor a ser medido a potência. Existem dinamômetros comerciais que utilizam bombas hidráulicas acopladas, direta ou indiretamente, no eixo do motor, e a medição de potência é realizada verificando a vazão, pressão, rotação e torque no eixo do gerador. Um outro modelo de dinamômetro é constituído de geradores elétricos, onde uma carga elétrica é ligada na saída desses geradores. A potência nesse tipo de gerador é realizada verificando a corrente e tensão geradas pelo gerador, a rotação, bem como o torque sobre o eixo do gerador. (http://carros.hsw.uol.com.br/cavalo-de-forca.htm)

Todos os geradores elétricos se baseiam em um sistema onde um campo magnético induz uma Tensão elétrica em um conjunto de bobinas de fios elétricos. Para que ocorra essa indução deve-se fazer com que o campo magnético sofra uma variação constante sobre o conjunto de bobinas, chamado de rotor, essa variação é feita realizando rotações do conjunto de bobinas (rotor) dentro do campo magnético. Conseqüentemente umas das principais variáveis que controlam a potencia entregue por um gerador elétrico é o número de rotações realizadas pelo rotor dentro do campo magnético. (http://pt.wikipedia.org/wiki/motor_de_corrente_cont%c3%adnua)

A montagem inicial da bancada para este trabalho foi realizada somente para um motor a combustão dois tempos JLO fabricado na Alemanha em aproximadamente 1965. Serão medidos a tensão e corrente geradas pelo dínamo, bem como a rotação do motor. Como, a princípio, o acoplamento é direto entre o motor e o gerador, e também devido a facilidades de montagem e custos, não é medido o torque no eixo do motor. Ao final dos testes é sempre informado que a potência medida então será sempre um pouco menor que a potência realmente gerada pelo motor a ser testado.

Essa montagem pode ser melhor verificada na Figura 1, abaixo.

Figura 1. Bancada de Testes (dinamômetro) original

A letra A indica o ponto onde é realizada a medição de corrente. A letra V indica o medidor de

Tensão. As cargas elétricas são lâmpadas de 40 Watts na tensão de 12 V (contínuos) devido a ser essa a tensão média de geração do gerador elétrico.

A rotação do motor é medida com um Tacômetro (medidor de rotação) no eixo do gerador. A medição de corrente é realizada com a inserção, em série com a saída do gerador e o circuito elétrico,

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de um amperímetro digital. A medição de tensão é realizada com a inserção do voltímetro, em paralelo, na saída do gerador.

Para a realização do experimento, primeiramente foi necessário colocar o motor JLO em funcionamento. Como este se encontrava parado há algum tempo, foi feita uma limpeza no carburador e substituída a vela de ignição.

Após inúmeras tentativas, o motor funcionou, porém devido a problemas no carburador original (agulha travada) não se obteve marcha lenta estável (que deveria ser ao redor de 1000 RPM), normalmente oscilando entre 2000 RPM e rotação máxima do motor (aproximadamente. 3500 RPM).

Devido à dificuldade de encontrar peças de reparo para o carburador original, optou-se pela substituição do conjunto original carburador e coletor de admissão. Com uma doação obtida do colega (e formando) Adriano Salton e algumas adaptações, foi possível obter o comportamento desejado do motor JLO. Conforme detalhe a ser visto na Figura 2.

Figura 2. Detalhe do novo carburador instalado no moto JLO

Foi escolhido como gerador, um dínamo de automóvel Volkswagen Sedan devido à faixa de

rotações que se acreditava ser compatível com a do motor JLO e o baixo custo. A faixa de potencia já era sabido que seria menor que a faixa de potência estimada para o motor JLO. Outros geradores foram sugeridos, tal como um que está disponível no laboratório, mas o mesmo não possuí uma placa de identificação com os dados principais, Tensão, Rotação, Potência e interligação elétrica.

Após a verificação que o motor JLO estava com funcionamento estável, foi realizada a montagem de uma bancada que fosse possível o acoplamento do motor JLO diretamente com o dínamo escolhido. Acreditava-se que a rotação máxima na saída do motor JLO era, aproximadamente, 3500 RPM, o que infelizmente não foi confirmado.

Foi então comprado um acoplamento para a realização dessa função. Com as peças do acoplamento em mãos foi realizado a usinagem do mesmo, um lado compatível com a saída do eixo do motor e outro lado com o eixo do dínamo.

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Outra bancada também foi construída para o suporte das cargas elétricas (lâmpadas), com isso é possível utilizarmos essa bancada independentemente de estarmos com o motor JLO. Essas duas bancadas, com o motor JLO já acoplado com o gerador pode ser visto na Figura 3

Figura 3. Bancada do motor e cargas elétricas (Lampadas)

Em uma primeira etapa, acoplou-se diretamente o eixo do motor a ser medido com o eixo do

dínamo, conforme visto na figura acima (figura 3). Após inúmeras tentativas, sem sucesso, não se conseguiu realizar as medições esperadas. Foi verificado que existia uma redução da rotação real do motor para o eixo de saída de 2:1, ou seja, para cada 2 voltas no motor o eixo de saída rodava 1 volta.

Partiu-se então para o uso de polias entre o motor e o dínamo. O uso de polias, acarreta um erro um pouco maior na medição de potencia gerada devido à energia gasta para movimentar o conjunto polia, correia e mais as perdas devido a esse acoplamento. Como não realizamos a medição de torque no eixo do gerador teremos que acrescentar um erro um pouco maior aos valores lidos.

Realizou-se então a compra de um conjunto de polias com a relação próxima de 2:1 para compensar a redução de rotação interna do motor JLO, também foi comprado uma correia compatível com as polias. O conjunto de polias encontradas no comércio foi de 5” e 2” o que acarreta uma relação de 2,5:1, fazendo com que a rotação do gerador fique um pouco mais alta que o desejado, o material das polias é de alumínio. Após foi realizado usinagem das polias e instalação das mesmas no motor e no dínamo.

A seguir tem-se uma seqüência de figuras com as medições realizadas. Na figura a seguir (Figura 4), está sendo realizada a medição de rotação do gerador. Nessa figura também pode ser observado a instalação das polias e correia no motor e dínamo. Atentar que as alterações de rotação do motor são feitas no mecanismo de controle da válvula borboleta diretamente no corpo do carburador.

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Figura 4. Medição de rotação do gerador

Na figura a seguir (Figura 5) vemos a realização da medição de tensão e corrente.

Figura 5. Medição de tensão e corrente

Foi novamente realizada a medição, mas todas elas não apresentaram resultados confiáveis,

com a medição de Tensão gerada sempre oscilando muito e com valores muito pequenos e esses valores pequenos apresentaram pouca variação com relação à variação de rotação realizada no motor.

Um novo dínamo foi testado na bancada mas os resultados foram os mesmos, como pode ser verificado na Figura 6.

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Figura 6. Dinamos utilizados no teste

Devido a essa falta de valores coesos não foi possível realizar a medição da potencia, o que nos

leva a projetar futuras mudanças no sistema de medição de potencia (dinamômetro) para pequenos motores.

Com a troca do dínamo de Volkswagen para um alternador seria possível a medição de potencia, pois um alternador funciona melhor em uma faixa de rotação mais baixa. Um sistema com baterias também pode ser adicionado para garantir uma manutenção constante do campo magnético no dínamo/Alternador.

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ENSAIOS Para realizar as medições no motor, primeiramente devem ser observados os seguintes itens de segurança:

- Observar pulseiras, correntes e cabelos compridos próximos à bancada devem ser evitados; - O combustível no tanque deve ser na proporção de 40 partes de gasolina para 1 parte de óleo

2T, para manter lubrificação adequada no motor; - Colocar apenas a quantidade necessária de combustível para o experimento. Muito

combustível significa deixar gasolina no tanque, que pode resultar em vazamentos além de dificuldades de partida na próxima utilização;

- Evitar excesso de giro no motor, pois se trata de um motor antigo, não suportando altas cargas por longos períodos;

- Sempre realizar os experimentos com cautela e atenção. Partes móveis podem ferir o operador;

- Durante o uso, sempre tomar cuidado com partes quentes do motor, como escapamento e cabeçote;

Observados os itens acima, procede-se com a medição. O ideal e que se de partida e deixe o motor atingir a temperatura de funcionamento, o que é obtido em aproximadamente 5 minutos. Após o motor aquecido, conectar apenas uma lâmpada no soquete (uma lâmpada de um total de 5). Com o tacômetro acoplado no eixo do motor, e com dois multitestes, realizar leituras de corrente (I) e tensão (U) a cada RPM. Deve-se preencher uma tabela conforme exemplo abaixo: Tensão (U) – [V] Corrente (I) - [A] Rotação – [RPM] Nº Lâmpadas Potência (UxI) [W]

Para os cálculos a seguir demonstrados, deve-se observar que cada lâmpada representa uma carga de 40W.

Pode-se estabelecer algumas rotações para levantamento da curva, como por exemplo 1000, 1200, 1400, 1600, ..., 3600 RPM. Para variar a rotação, deve-se utilizar a alavanca controladora da posição da borboleta no carburador, tomando-se cuidado para não confundi-la com a alavanca acionadora do afogador. Conforme Figura 7.

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Figura 7. Detalhe do controle de aceleração

Para leitura de Tensão (U), ajustar o multiteste para leitura em Volts e realizar a medição em

paralelo com o circuito. Para a leitura de Corrente (A), realizar as medições em série com o circuito, certificando-se que a escala do aparelho encontra-se em Amperes.

Com a leitura realizada com uma lâmpada, deve-se acoplar a segunda lâmpada, acelerando um pouco o motor, para evitar que a carga adicional faça este apagar. Deve-se adotar o mesmo procedimento e realizar novamente todas as medições com duas lâmpadas. Á medida que se adicionam lâmpadas, aumenta a carga no motor, sendo que caso este apague, é necessária a desconexão de todas as lâmpadas, deixando-se apenas uma para dar partida no motor.

Com o preenchimento da tabela mostrada anteriormente, pode-se criar o gráfico potência versus RPM, conforme exemplo a seguir, visto na Tabela 1:

Tabela 1: Tabela com valores esperados de Medição

RPM V I W

1000 9 9,6 86,4 1200 9,41 10,3 96,923 1400 9,82 11 108,02 1600 10,23 11,7 119,691 1800 10,64 12,4 131,936 2000 11,05 13,1 144,755 2200 11,46 13,8 158,148 2400 11,87 14,5 172,115 2600 12,28 15,2 186,656 2800 12,69 15,9 201,771 3000 13,1 16,6 217,46 3200 13,2 17,7 233,64 3400 13,3 18,3 243,39 3600 13,4 18,5 247,9

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Curva de Potência Esperada

0

50

100

150

200

250

300

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

3200

3400

3600

Rotação [RPM]

Po

tên

cia

[W

]

Figura 8. Curva de Potência Esperada

Cálculo da Incerteza na medição realizada:

Utilizando-se o critério de Kline e McKlintock (apostila Incerteza da Medição e Ajuste de Dados, Prof. Paulo Schneider), através da equação 1:

equação 1

Onde Ur é a incerteza propagada, V é a função em análise, x as variáveis dependentes e u a incerteza de cada variável independente.

Neste caso, a função é P = U x I equação 2

Vamos supor incerteza de 0,1V para U e 0,5A para I. Aplicando-se a equação 1, obtém-se:

21

22

5,01,0.

∂

∂+

∂

∂=

I

P

U

PU

r

equação 3

da equação 2, então

IU

P=

∂

∂ e U

I

P=

∂

∂

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Assim, calculando-se a incerteza através da equação 3 para a potência máxima do motor (247,9W@3600 RPM, I = 18,5A e U = 13,4V)

( ) ( )( ) WUr

95,65,0.4,131,0.5,18 21

22=+=

Então, pode-se dizer que a potência obtida é 247,9 ± 6,95 W. Cabe salientar que a potencia e o erro anteriormente obtidos são resultantes apenas da incerteza

dos instrumentos de medição. Não foram computadas perdas no acoplamento (ou polias) bem como eficiência do gerador. Acredita-se que esta eficiência seja de aproximadamente 90%.

A perda pelo sistema de polias e correias está sendo superestimado em 5%. Portanto considerando 10% pelo gerador e 5% pelas polias e correias temos uma perda total de 15% da potencia realmente entregue pelo motor e medida pelo gerador (dínamo).

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CONCLUSÃO

Após todas as tentativas realizadas, concluiu-se que apenas o dínamo sozinho não seria suficiente para realização das medições. Uma sugestão é a substituição do dínamo por um alternador (que possui regulador de tensão) e utilização de uma bateria auxiliar para manutenção da tensão correta e manutenção adequada do campo magnético do alternador.

Outro item que deve ser reavaliado é o diâmetro utilizado dos fios, pois para potencias na ordem de 3 CV (aproximadamente 2250W), tem-se correntes acima de 180A. (2250W / 12V = 187,5A). Ao se trabalhar com correntes tão elevadas, deve-se dimensionar a fiação bem como o motor DC para tal. Neste caso torna-se imperativo o uso de alicates amperímetros, pois neste nível de corrente qualquer acidente pode ser fatal para o operador e para o amperímetro, bem como para esses valores de medição somente alicates amperímetro conseguem realizar.

No corpo do trabalho foi apresentada uma tabela com valores esperados, porém não pôde ser realizada a medição pelos motivos citados na descrição do experimento.

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Tabela de Avaliação

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Relatório Fundamentação Instrumentação Resultados e Conclusões Incertezas de Medição