PROPRIEDADES E CARACTERÍSTICAS DE MOTORES

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MOTORES DE COMBUSTÃO
PROPRIEDADES E CARACTERÍSTICAS DE MOTORES
Hugo Barbosa de Melo
Felipe Pimentel Pertel
Jhonatan Antunes Rodrigues
Serra (ES), Abril de 2020
FREIO DE PRONY
O Freio de Prony é um dispositivo utilizado para a compreensão do funcionamento de
todos os dinamômetros, nos quais é possível obter os valores de torque e potência do
motor. Neste dispositivo, ao apertar a cinta do freio sobre o rotor, é aplicada uma força de
atrito 𝐹𝑎𝑡𝑟 sobre o mesmo, obtendo-se uma situação de equilíbrio dinâmico com 𝑊 =
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒. O torque 𝑇 produzido pelo motor deverá ser equilibrado pelo torque resistente
produzido por 𝑟 ∗ 𝐹𝑎𝑡𝑟
FREIO DE PRONY
Figura 1.0 – Freio de Prony [F]
Carcaça Pendular
Eixo motor/dinamômetro
Cinta de frenagem
Volante
FREIO DE PRONY
• Sendo assim:
𝑇 = 𝐹𝑎𝑡 ∗ 𝑟
• Pelo “Princípio da Ação e Reação”, a força de atrito 𝐹𝑎𝑡𝑟 transmite-se em sentido
contrário ao movimento do rotor. Observe que o freio tenderia a girar no mesmo sentido
do rotor, não fosse o apoio na “balança” que o mantém em equilíbrio estático. Portanto:
𝐹𝑎𝑡𝑟 ∗ 𝑟 = 𝐹 ∗ 𝑏 (2)
(1)
FREIO DE PRONY
• Onde 𝐹 é a ação do braço 𝑏 do freio sobre o medidor de força (dinamômetro
propriamente dito), que fornece a leitura da mesma. Pelas equações (1) e (2) conclui-se
que:
𝑇 = 𝐹 ∗ 𝑏
• Conhecido o comprimento de 𝑏 do braço do dinamômetro e com a leitura obtida no
medido de força, pode-se obter o valor do torque no eixo do motor quando a velocidade
angular ⍵ é mantida constante.
(3)
FREIO DE PRONY
• Para o cálculo da potência disponível no eixo do motor, também denominada potência
efetiva ou útil, basta lembrar que:
𝑁 = ⍵ ∗ 𝑇
• Ou: 𝑁 = 2𝜋 ∗ 𝑛 ∗ 𝑇
• Utilizando na Equação (5), unidades de um sistema coerente, será obtida a potência em
unidade do mesmo sistema.
(4)
(5)
FREIO DE PRONY
• Por exemplo, usando n em rps e T em N.m, obtém-se N em W (Watt) e dividindo por
1.000 em kW (quilowatt).
• No entanto, podem-se usar unidades de sistemas diferentes e obter a potência na
unidade desejada pela introdução dos fatores de transformação. Por exemplo, usando n
em rpm e T em kgf.m, é necessário dividir por 60 para produzir N (potência) em kgm/s
que, dividido por 75, fornece a potência em CV.
FREIO DE PRONY
• Sendo assim:
𝑁(𝐶𝑉) =
2𝜋 ∗ 𝑛 ∗ 𝑇
60 ∗ 75
=
𝑛 ∗ 𝑡
716,2
𝑛 ⇒ 𝑟𝑝𝑚
𝑇 ⇒ 𝑘𝑔𝑓 ∗ 𝑚
• Lembrando que 1 HP = 1,014CV:
𝑁(𝐶𝑉) =
n ∗ T
726,2
(6)
(7)
FREIO DE PRONY
• Por outro lado, pelas equações (3) e (5):
𝑁 = 2π ∗ n ∗ F ∗ b
• Como b tem valor constante para um dado dinamômetro:
𝑁 = 𝐾 ∗ 𝐹 ∗ 𝑛
Onde: F é a leitura do medidor de força; n é a leitura de um tacômetro e K é a constante do
dinamômetro dada por 2 ∗ π ∗ bx fator de transformação de unidades.
(8)
(9)
FREIO DE PRONY
• O Freio de Prony apresenta vários inconvenientes operacionais, destacando-se o fator
de manter a carga constante independente da rotação empregada. Então, se a rotação
cai, em virtude do motor não suportá-la, a rotação irá diminuir até a parada total do
mesmo.
Figura 2.0 – Freio de Prony 
DINAMÔMETROS HIDRÁULICOS
• O Dinamômetro é constituído de uma carcaça metálica estanque apoiada em dois
mancais coaxiais com os mancais do eixo. Isso permite que a carcaça fique livre para
oscilar em torno de seu eixo, sendo equilibrada pelo braço que se apoia na balança ou
célula de carga. Um rotor provido de uma série de conchas em ambas as suas faces
laterais está montado no seu eixo. Na face interna da carcaça há uma série de conchas
iguais e montadas em oposição às do rotor. As conchas do rotor estão viradas para o
sentido da rotação e as da carcaça no sentido oposto.
DINAMÔMETROS HIDRÁULICOS
Entrada de água
Duto de Alimentação
Mancal de Balanço
Mancal de Rotor
Suporte de Montagem
Saída de água
Estator
Rotor
Eixo Principal
Engrenagem de Ajuste da Abertura da 
Válvula e água
Base
Descarga de água
Figura 3.0 – Dinamômetro Hidráulico [C]
DINAMÔMETROS HIDRÁULICOS
• O espaço interno desse freio é preenchido por água. Em funcionamento, o rotor
impele a água obliquamente, com componentes nas direções do eixo de rotação do rotor
e do movimento radial da água da concha do rotor. A água entra na concha da carcaça
tentando arrastá-la no sentido da rotação. Como a carcaça está presa, a água entra em
violento movimento turbulento, transformando a energia hidráulica parcialmente em
calor e em esforço torçor. É, então, conduzida pelo formato da concha da carcaça de
volta ao rotor na parte da concha mais próxima do eixo e o ciclo se repete.
DINAMÔMETROS HIDRÁULICOS
• Para remover o calor assim gerado, a água quente é drenada continuamente pela parte
superior da carcaça e a água fria de reposição é introduzida através de pequenos
orifícios nas conchas do estator. Na saída existe uma válvula de regulagem de fluxo para
manter o nível de água dentro da carcaça a uma temperatura adequada desta dentro do
dinamômetro. Os fabricantes recomendam não passar de 60°C.
DINAMÔMETROS HIDRÁULICOS
• Para remover o calor assim gerado, a água quente é drenada continuamente pela parte
superior da carcaça e a água fria de reposição é introduzida através de pequenos
orifícios nas conchas do estator. Na saída existe uma válvula de regulagem de fluxo para
manter o nível de água dentro da carcaça a uma temperatura adequada desta dentro do
dinamômetro. Os fabricantes recomendam não passar de 60°C.
O Princípio de Funcionamento desse freio é similar do dinamômetro de Prony. 
Apenas o tipo de frenagem é diferente, já que nos Dinamômetros Hidráulicos, é 
utilizado o atrito cisalhante da água contra a Carcaça!
DINAMÔMETROS HIDRÁULICOS
Figura 4.0 – Instalação Típica de um freio hidráulico Figura 5.0 – Dinamômetro Hidráulico (Diagrama de blocos) [C]
DINAMÔMETROS ELÉTRICOS
• Um dos Dinamômetros Elétricos são os Dinamômetros de Correntes Parasitas (ou de
correntes de Foucault). Esse tipo de dinamômetro tem o rotor em forma de uma grande
engrenagem feita de material de alta permeabilidade magnética. O mesmo material é
utilizado na fabricação dos dois anéis solidários com o estator e separados por um
pequeno espaço livre do rotor. No centro do estator existe uma bobina que é alimentada
por corrente contínua. Quando energizada, a bobina gera um campo magnético que é
concentrado nos “dentes do rotor”. Quando o rotor se move, gera correntes parasitas nos
anéis que, portanto, se aquecem.
DINAMÔMETROS ELÉTRICOS
• O calor gerado é absorvido pelo estator e removido deste pela água utilizada como fluido
de resfriamento. Esse dinamômetro é bastante simples e regulado pela intensidade da
corrente que passa pela bobina. Isso permite a construção de dinamômetros de grande
porte.
O Princípio de Funcionamento desse freio é similar ao do Dinamômetro de Prony. 
Apenas o tipo de frenagem é diferente, já que nos dinamômetros elétricos utilizam-se 
esforços gerados por campos elétricos ou magnéticos.
DINAMÔMETROS ELÉTRICOS
1. Rotor
2. Eixo Principal
3. Flange de Acoplamento
4. Saída de Água
5. Bobina
6. Estator
7. Câmara de Resfriamento
7. Folga entre Rotor e Estator (gap)
8. Sensor de Rotação
9. Molas – Balanço (ação/reação)
10. Base
11. Entrada de Água
12. Articulação
13. Tubo de Descarga
Figura 6.0 – Freio de Correntes Parasitas [C]
DINAMÔMETROS ELÉTRICOS
Os Freios de Correntes Parasitas são
Máquinas que permitem:
• Realização de testes: Cíclicos e rápidos.
• Utilização para o desenvolvimento de motores
e componentes.
• Realização de testes com baixo custo de
operação.
Figura 7.0 – Dinamômetro de Correntes Parasitas – Instalação Típica [D]
DINAMÔMETROS ELÉTRICOS
Figura 8.0 – Freios de Correntes Parasitas [B] Figura 9.0 – Diagrama de Blocos (Freios de Correntes Parasitas) [B]
DINAMÔMETROS ELÉTRICOS
• Outro tipo de Dinamômetro Elétrico são os Dinamômetros Mistos ou de Corrente
Alternada, sendo o dinamômetro mais indicado para trabalhos de pesquisa, já que,além
de extremamente sensível, pode assumir configuração ativa, acionando o motor (sem a
ocorrência de combustão) para estimar suas resistências passivas, que geram a
denominada potência de atrito. Esse dinamômetro é uma máquina elétrica de corrente
alternada que pode funcionar como motor ou como gerador. O campo desse
dinamômetro é de excitação independente e, portanto, variando a alimentação entre
campo e rotor, consegue-se ampla variação de velocidades e de potências absorvidas.
DINAMÔMETROS ELÉTRICOS
• Essas máquina quando operando como freio
(gerador), permitem que a energia elétrica gerada
seja devolvida à rede por meio de uma bancada
de tiristores.
A função de um Tirístor é de abrir e fechar circuitos com
grandes cargas, como motores, electroímanes,
aquecedores e etc. São dispositivos semicondutores
multicamadas, que operam em regime de chaveamento. Figura 10 – Freio Misto de Corrente Alternada em Sala de Teste [B]
DINAMÔMETROS ELÉTRICOS
Vantagens e Desvantagens:
• Pode ser utilizado como motor elétrico para medição de potência de atrito da máquina
em prova;
• Custo Elevado;
• Sua utilização só se justifica em casos especiais, por exemplo: bancadas de boa
precisão e de uso constante.
POTÊNCIA EFETIVA (Ne)
A Potência Efetiva (Ne) é a potência medida no eixo do motor. Observe que:
𝑁𝑒 = 𝑇 ∗ ⍵ = 𝑇 ∗ 2𝜋 ∗ 𝑛
Onde ⍵ é a velocidade angular do eixo dado, por exemplo, em rad/s e n é a rotação. Como
já foi visto anteriormente em nossa apresentação:
𝑁𝑒 = 𝐾 ∗ 𝐹 ∗ 𝑛
Onde K é uma constante do dinamômetro cujo valor é função das unidades de F, de n e da
unidade desejada para Ne.
(1)
(2)
POTÊNCIA EFETIVA (Ne)
As unidades mais utilizadas e suas equivalências são:
1 CV = 0,735 KW | 1 HP = 1,014 CV
• Se n (rpm) e Ne (CV):
𝑁𝑒 =
2𝜋 ∗𝑇 ∗𝑛
75∗60
⇒ 𝑁𝑒 =
𝑇∗𝑛
716,2
• Se T (N/m), n (rpm) e Ne (kW):
𝑁𝑒 =
2𝜋 ∗ 𝑇 ∗ 𝑛
60 ∗ 1.000
⇒ 𝑁𝑒 =
𝑇 ∗ 𝑛
9.549
(3)
(4)
Figura 11 – Potência Efetiva (Ne)
POTÊNCIA INDICADA (Ni)
A Potência Indicada (Ni) é a potência desenvolvida pelo ciclo termodinâmico do fluido
ativo. Essa potência pode ser medida com um indicador de pressões, que permita traçar o
ciclo do fluido ativo.
Figura 12 – Representação de um ciclo de um motor de combustão num diagrama p – V
POTÊNCIA INDICADA (Ni)
Como a potência é o trabalho por unidade de tempo, dado o trabalho, a potência pode ser
obtida multiplicando-se o trabalho pela frequência com que é realizado. Sendo assim:
𝑁𝑖 = 𝑊𝑖 ∗
𝑛
𝑥
∗ 𝑧
Onde: n é a rotação do motor cujo ciclo é o indicado na figura 12 do slide anterior.
• x = 1 ou 2, dependendo do motor ser respectivamente 2T ou 4T.
• z = número de cilindros do motor.
(1)
POTÊNCIA DE ATRITO
A Potência de Atrito é a potência consumida pelas resistências internas do motor. O
impacto do atrito das partes móveis do motor é apresentado na Figura 13 (próximo slide)
de forma ilustrativa e pode variar de acordo com as características construtivas. O
entendimento desses atritos é fundamental no desenvolvimento de novos projetos.
Diversos são os métodos de determinação da potência de atrito, neste trabalho iremos
abordar sobre o “Teste de Morse”.
POTÊNCIA DE ATRITO
Figura 13 – Representação gráfica da distribuição de atrito entre os componentes.
POTÊNCIA DE ATRITO – TESTE DE MORSE
O Teste de Morse é um teste que dá um valor aproximado para as perdas por atrito por
meio dos valores de potência indicada e potência do eixo de um motor de múltiplos
cilindros.
𝑁𝑒 = 𝑁𝑖 − 𝑁𝑎
Nesse caso, utiliza-se um freio convencional e mede-se a potência efetiva do motor, e, ao
desligar um cilindro, a potência indicada diminui de uma quantidade igual àquela
desenvolvida por aquele cilindro. Assim, têm-se, z medidas, sempre na mesma rotação,
graças ao uso do dinamômetro.
POTÊNCIA DE ATRITO – TESTE DE MORSE
Como forma exemplificativa, para um motor quatro cilindros, e admitindo atritos iguais em
todos os cilindros, tem-se:
𝑁𝑒1 = 𝑁𝑖2,3,4 − 𝑁𝑎 (𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 1 𝑑𝑒𝑠𝑙𝑖𝑔𝑎𝑑𝑜)
𝑁𝑒2 = 𝑁𝑖1,3,4 − 𝑁𝑎 (𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 2 𝑑𝑒𝑠𝑙𝑖𝑔𝑎𝑑𝑜)
𝑁𝑒3 = 𝑁𝑖1,2,4 − 𝑁𝑎 (𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 3 𝑑𝑒𝑠𝑙𝑖𝑔𝑎𝑑𝑜)
𝑁𝑒4 = 𝑁𝑖1,2,3 − 𝑁𝑎 (𝐶𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜 4 𝑑𝑒𝑠𝑙𝑖𝑔𝑎𝑑𝑜)
POTÊNCIA DE ATRITO – TESTE DE MORSE
Somando as expressões:
σ𝑗=1
4 𝑁𝑒𝑗 = 3𝑁𝑖 − 4𝑁𝑎 ou σ𝑗=1
4 𝑁𝑒𝑗 = 3(𝑁𝑒+𝑁𝑎) − 4𝑁𝑎
E, portanto:
𝑁𝑎 = 3𝑁𝑒 - σ𝑗=1
4 𝑁𝑒𝑗
Generalizando, para um motor de z cilindros:
𝑁𝑎 = (z-1)𝑁𝑒 - σ𝑗=1
𝑧 𝑁𝑒𝑗
POTÊNCIA DE ATRITO – TESTE DE MORSE
Este método pode ser facilitado supondo que todos os cilindros desenvolvam uma mesma
potência indicada, nesse caso, desligando apenas um cilindro:
𝑁𝑎 = 𝑧 − 1 𝑁𝑒 − 𝑧𝑁´e
Onde N´e é a potência efetiva do motor com um cilindro desligado.
As desvantagens desse método são: No cilindro desligado não estará atuando a carga
axial dos anéis; Nesse cilindro a parede estará sendo lavada pelo combustível não
queimado e comprometimento do lubrificando e da vida do motor.
CONSUMO ESPECÍFICO (Ce)
O Consumo Específico (Ce) é a relação entre o consumo de combustível e a potência
efetiva.
𝐶𝑒 =
𝑚𝑐
𝑁𝑒
(kg,CVh, kg/kWh etc.)
A potência efetiva é medida no dinamômetro e o consumo de combustível é medido de
diferentes maneiras, gravimétrica ou volumetricamente.
(1)
CONSUMO ESPECÍFICO (Ce)
Na Medição Volumétrica (frasco calibrado) utiliza-se um frasco de volume calibrado. Uma
válvula de três vias pode ser acionada para preencher o frasco e posteriormente alimentar o
motor a partir do frasco. Registra-se o tempo necessário para consumir o combustível contido no
volume calibrado. Logo:
𝑉𝑐 =
𝑉𝑐
𝑡
Sendo ⍴c=massa específica do combustível
𝑚𝑐 =
⍴𝑐 ∗ 𝑉𝑐
𝑡 Figura 14 – Medição do consumo de combustível – Volumétrica [F]
(1)
(2)
CONSUMO ESPECÍFICO (Ce)
Na Medição Gravimétrica vemos na figura 15 a forma de se efetuar a medição do tempo
necessário ao consumo de uma massa conhecida combustível. A medição mássica é mais
vantajosa, pois considera a variação na massa específica do combustível medido (decorrente da
variação da temperatura). Dessa forma:
𝑚𝑐 =
𝑚𝑐
𝑡
Figura 15 – Medição do consumo de combustível gravimétrica [F]
(1)