Análise de Vibrações em um Motor de Combustão Interna

i UNIVERSIDADE FEDERAL DE MI NAS GERAIS Curso de Graduação em Engenharia Mecânica TRABALHO DE GRADUAÇÃO "Análise de Vibrações em um Motor de Combustão Interna\u201d Autor: Claudio Marcio Santana Orientador: Jose Eduardo Mautone Barros Co-Orientador: Alessandro Simões Correa Colaboradores: Luis Carlos Monteiro Sales Leonardo Alvim Michelini Julho de 2010 ii UNIVERSIDADE FEDERAL DE MI NAS GERAIS Curso de Graduação em Engenharia Mecânica ANÁLISE DE VIBRAÇÕES EM UM MOT OR DE COMBUSTÃO INTERNA Claudio Marcio Santana Trabalho de graduação apres entado ao Curso de Graduação em Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Minas G erais Área de concentração: Engenharia Mecâ nica Orientador: Prof.: Jose Eduardo Mautone Barros Co-Orientador: Alessandro Simões Correa Colaboradores: Luis Carlos Monteiro Sales Leonardo Alvim Michelini Belo Horizonte Escola de Engenharia da UFMG 2010 iii DEDICATÓRIA Dedico esse trabalho a minha família e em espe cial ao meu pai que sempre me apoiou nessa jornada, mas que infelizm ente não pode estar presente na conclusão desse trabalho. iv AGRADECIMENTOS Agradeço a todos aqueles que estiveram presentes e me apoiara m durante o desenvolvimento deste trabalho e em particular: A minha namorada Alice Alves Andrade pela paciência e compreensão. Ao Luis Carlos Monteiro Salles pela oportunidade de execução do trabalho. Ao professor Jose Eduardo Mautone Barros pelas orientações. Aos colegas de trabalho Alessandro Simões e Leonardo Alvin pelas orientações e ajuda nos testes experimentais. Aos colegas de trabalho Geraldo B ahia e Edson pela execução dos ensaios no dinamômetro. Ao colega Saulo Anderson Bibiano Jardim do Laboratório de Combustão da UFMG, pela ajuda na interpretação dos dados e nos cálculos das transformadas de Fourier. Agradeço aos colegas Marcelo do Mini Baja e Olavo pelo auxilio no so ftware ANSYS. Agradeço ao colega Andreas pela ajuda no SOLID WORK. v RESUMO Na analise de vibr ação e ruído em um moto r de combustão interna, vê se qu e as m aiores fontes de vibrações e ruídos são produzidas pelas forças devido à combustão e as forças mecânicas. Essas forças ocorrem numa ampla faixa de freqüência e são transmitidas para a superfície externa do motor através de diversos c aminhos; um de les é através do mecanismo pi stão - biela - virabrequim - bloc o do motor. Como resultado da atuação destas forças, as superfí cies externas do motor ficam sujeitas a vibrações de diversas amplitudes. O controle de vibrações do motor através da modificação de sua estrutura (bloco do motor e c abeçote) é uma tarefa compl exa e requer considerações de diversos aspectos da engenharia, tais como: a análise modal, análise de amorte cimento, análise de serie de tempo, entre outros. O objetivo desse t rabalho é a aplic ação dos novos métodos para serem aplic ados a p roblema típicos de vibrações e ruídos em motores, que consiste da aplicação conjunta de técnicas analít icas e experimentais, para estudos de estruturas submetidas a a ltas amplitudes d e vibrações. Espera-se com isso determinar e conhecer as principais fontes excitadoras de vibrações no motor. vi LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 \u2013 O eix o de manivelas converte o movimento do pistão em movimento rotatório, que é transmitido para as rodas (www.oficinabrasil.com.br) ....... ...................3 Figura 2.2 - (a) Diagrama PV e (b) Diag rama TS para o ciclo Otto, (HEYWOOD, 1988)..................................................................................................................................4 Figura 2.3 - Os quatro tempos do ciclo real, (BAÊTA, 2006)..........................................6 Figura 2.4- Vista em corte de um motor ciclo OTTO de qu atro tempos (www.automobil.com.br)..................................................................................................7 Figura 2.5- Ciclo de dois tempos com ignição por centelha (www.automobil .com.br)....9 Figura 2.6- Vista e m corte de um motor simples de dois tempos (www.automobil.com.br)................................................................................................. 9 Figura 2.7 - Ilustração de um bloco motor com 4 cilindros. (fonte: www.whbrasil.com.br)....................................................................................................11 Figura 2.8- Bloco de um motor de 4 cilindros de alumínio(WIKIPEDIA).....................11 Figura 2.9- Formato típico de um cabeçote (www.oficinabrasil.com.br)........ ...............12 Figura 2.10- carter de um motor de quatro tempos (www.automobil.com.br)................13 Figura 2.11- parâmetros geométricos de um pistão (BARROS e BAETA, 2005)..........15 Figura 2.12- Pistão de motor automotivo (www.oficinabrasil.com.br)......... ..................15 Figura 2.13- Anéis de segmento (www.infomotor.com.br)............................................17 Figura 2.14 \u2013 I lustração de uma bi ela, juntamente com sua s principais partes ( Barros e Baeta, 2005).....................................................................................................................17 Figura 2.15- Biela de um motor de combustão interna (www.automobil .com.br)..........18 Figura 2.16- Eixo de manivela (www.imp.ufsc.com.br)................................................19 Figura 2.17- Principio de funcionamento do virabrequim (www.automobil.com.br).....20 Figura 2.18- Sistema de funcionamento de um sistema de valvulas(W IKI PEDIA).......21 Figura 2.19- Eixo comando de válvula (www.oficinabrasil.com.br)..............................22 Figura 2.20- Detalhes do motor de combustão interna (www.automobil.co m.br)..........22 Figura 2.21 \u2013 As três fases da combustão em um motor ciclo Otto \u2013 adaptada de (HEISLER, 1995)............................................................................................................25 vii Figura 2.22 \u2013 Desenvolvimento da press ão no interior de um cilindro, com e sem combustão-adaptada de (HEISLER, 1995)...................................................................26 Figura 2.23\u2013 Seqüência de fotos onde se pode verificar o fenômeno da detonação (www.mech-eng.leeds.ac.uk/res-group/combustion )......................................................29 Figura 2.24 \u2013 Zonas de pré-ignição (MARTINS, 2005)................................................ .31 Figura 0,25 Efeito no avanço de ignição no diagrama PV (GIACOSA, 2004)..............31 Figura 0,26 Registro da vibração e espectro (Transformada de Fourier)........................33 Figura 2.27- Vista em corte de um motor ciclo OTTO de quatro tempos (www.automobil.com.br)................................................................................................35 Figura 2.28- forças reversíveis atuando sobre o pistão (GERGES, S. N. Y. 2005)........37 Figura 3.1 Dinamômetro hidráulico ( Borghi & Saveri Itália, 1999)..............................39 Figura 3.2 Dinamômetro elétrico ( Borghi & Saveri, 1999)...........................................40 Figura 3.3 Tacômetro digital...........................................................................................40 Figura 3.4 Vela de ignição instrumentada.......................................................................41 Figura 3.5 Montagem dos acelerômetros nos mancais fix os lado transmissão e distribuição......................................................................................................................42 Figura 4.1 Diferença de vibração transversal ao eix o a 1500 RPM................................48 Figura 4.2 Diferença de vibração longitudinal ao eix o a 1500 RPM..............................48 Figura 4.3 Dife rença de vibração no bloco do motor long itudinal ao veiculo a 1500 RPM.................................................................................................................................49 Figura 4.4 Diferença de vibração transversal ao eix o a 4000 RPM................................49 Figura 4.5 Diferença de vibração longitudinal ao eix o a 4000 RPM..............................50 Figura 4.6 Dife rença de vibração no bloco do motor long itudinal ao veiculo a 4000 RPM.................................................................................................................................50 Figura 4.7 Diferença de vibração transversal ao eix o a 6000 RPM................................51 Figura 4.8 Diferença de vibração longitudinal ao eix o a 6000 RPM..............................51 Figura 4.9 Dife rença de vibração no bloco do motor long itudinal ao veiculo a 6000 RPM.................................................................................................................................52 viii Figura 4.10 Diferença de pressão de combustão entre etanol e gasolina a 40 00 RPM...53 Figura 4.11 Diferença de pressão de combustão entre etanol e gasolina a 60 00 RPM...53 Figura 4.12 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor..............................................................................................................55 Figura 4.13 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor..............................................................................................................55 Figura 4.14 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor..............................................................................................................56 Figura 4.15 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor..............................................................................................................56 Figura 4.16 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor..............................................................................................................57 Figura 4.17 Gráfico de pressão no cilindro, coletor de admissão, coletor de descarga e rotação do motor..............................................................................................................57 ix LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 \u2013 Parâmetros ge ométricos de pis tão para os motores ciclo Otto (BARROS e BAETA, 2005).................................................................................................................14 Tabela 3.1 - Amplitudes originadas da transfor mada de Fourier, f ator de correção e amplitude corrigida..........................................................................................................44 Tabela 3.2 - Amplitudes originadas da transfor mada de Fourier, f ator de correção e amplitude corrigida..........................................................................................................44 Tabela 3.3 - Amplitudes originadas da transfor mada de Fourier, f ator de correção e amplitude corrigida..........................................................................................................45 Tabela 3.4 - Amplitudes originadas da transfor mada de Fourier, f ator de correção e amplitude corrigida......................................................................................................... 45 Tabela 3.5 - Amplitudes originadas da transfor mada de Fourier, f ator de correção e amplitude corrigida..........................................................................................................45 Tabela 3.6 - Amplitudes originadas da transfor mada de Fourier, f ator de correção e amplitude corrigida........................................................................................................45 Tabela 3.7 - Rotação de ensaio e freqüência dom inante e seus harmônicos ate a dé cima ordem. ................................................................................................................46 Tabela 4.1 \u2013 Calculo das freqüências de ressonância no coletor de admissão................58 Tabela 4.2 \u2013 Calculo das freqüências de ressonância no coletor de descarga.................59 Tabela 4.3 \u2013 modos de vibrações do eixo virabrequim............... ....................................59 x LISTA DE ABREVIATURAS E S I GLAS C(s) = sinal de saída c p = calor específico a pressão constante c v = calor específico a volume constante I = momento de inércia IC = internal combustion K = constante de ganho m = massa m a = massa de ar no cilindro em um ciclo M/K = resposta em amplitude P a = potência de atrito Patm = pressão atmosférica P e = potência efetiva P i = potência indicada PMI = ponto morto inferior PMS = ponto morto superior P REF = potência nas condições de referência Ps = pressão seca Pso = pressão seca do ambiente PV = diagrama pressão \u2013 volume P \u03b8 = diagrama pressão \u2013 ângulo do virabrequim P \u03b3 = potência medida Q r = calor rejeitado Q s = calor fornecido r c = razão volumétrica de compressão R(s) = sinal de entrada SI = ignição por centelha (spark ignition) T = temperatura T 0 = temperatura de referência T ar = temperatura do ambiente TS \u2013 diagrama temperatura - entalpia UCE = unidade de controle eletrônico U r = umidade relativa do ar

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