Análise comparativa de vibração em motores ciclo diesel, Teses (TCC) de Mecânica Aplicada

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JOSÉ LIMA JÚNIOR

ANÁLISE COMPARATIVA DE VIBRAÇÃO EM MOTORES

CICLO DIESEL COM COMBUSTÍVEL COMERCIAL E

BIODIESEL

LAVRAS-MG

JOSÉ LIMA JÚNIOR

ANÁLISE COMPARATIVA DE VIBRAÇÃO EM MOTORES CICLO DIESEL COM

COMBUSTÍVEL COMERCIAL E BIODIESEL

Dissertação apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas e Automação, área de concentração em Engenharia de Sistemas e Automação, para a obtenção do título de Mestre.

Prof. Dr. Ricardo Rodrigues Magalhães Orientador

Prof. Dr. Danton Diego Ferreira Coorientador

LAVRAS-MG

JOSÉ LIMA JÚNIOR

ANÁLISE COMPARATIVA DE VIBRAÇÃO EM MOTORES CICLO DIESEL COM

COMBUSTÍVEL COMERCIAL E BIODIESEL

COMPARATIVE ANALYSIS OF VIBRATION IN DIESEL CYCLE MOTORS WITH

COMMERCIAL FUEL AND BIODIESEL

Dissertação apresentada à Universidade Federal de Lavras, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Sistemas e Automação, área de concentração em Engenharia de Sistemas e Automação, para a obtenção do título de Mestre.

APROVADA em 30 de maio de 2018.

Prof. Dr. Adriano Viana Ensinas UFLA Prof. Dr. Paulo Henrique Cruz Pereira CEFET/MG

Prof. Dr. Ricardo Rodrigues Magalhães Orientador Prof. Dr. Danton Diego Ferreira Coorientador

LAVRAS-MG

À minha esposa Renata e aos meus filhos Júnia e Renan, pelo carinho e compreensão dispensados durante a execução deste trabalho. Dedico

“Desconfie do destino e acredite em você. Gaste mais horas realizando que sonhando, fazendo que planejando, vivendo que esperando porque, embora quem quase morre esteja vivo, quem quase vive já morreu.” (Sarah Westphal)

RESUMO

O principal objetivo deste trabalho foi analisar as vibrações decorrentes de um motor de combustão interna ciclo diesel, utilizando dois combustíveis diferentes, o diesel comercial (B8) e o Biodiesel (B100). Além disso, foram analisados, como dados complementares, o consumo de combustível por ciclo de funcionamento, o nível de particulados emitidos na atmosfera e a temperatura do motor. Para isso, experimentos foram realizados com o motor instalado no veículo de forma não invasiva. A partir dos resultados experimentais, foi possível verificar a perda energética do motor em relação à vibração, levando-se em consideração os dois tipos de combustíveis testados (B8 e B100), a partir de sinais de vibração coletados no bloco do motor. Os testes foram realizados, levando-se em consideração três rotações distintas: 800 rpm, que corresponde a marcha lenta, 1800 rpm que corresponde a rotação relativa ao torque máximo do motor e 3600 rpm, que corresponde a rotação de maior potência do motor. Os dados levantados permitiram uma avaliação quantitativa de como cada combustível influencia no nível de vibração do motor. Nas três rotações analisadas, o diesel B8, apresentou um índice de vibração superior quando comparado ao B100 e a temperatura se manteve constante. Apesar do consumo utilizando o biodiesel B100 ter apresentado valores ligeiramente superiores, o nível de particulado emitido na atmosfera foi inferior. Notou-se ainda que a vibração aumentou nos dois casos analisados, a medida em que se aumentou a rotação do motor. O diesel B8 apresentou uma velocidade total de vibração, variando de acordo com a com a rotação, entre 4,5 a 21%, superiores ao B100. Como consequência, a energia dissipada por meio da vibração foi maior utilizando o diesel B8 em relação ao B100. Com isso, pôde-se concluir que o tipo de combustível está diretamente relacionado ao nível de vibração em motores a combustão interna.

Palavras-chave: Combustão interna. Vibração. Biodiesel.

LISTA DE FIGURAS

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. ANP Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis. B5 Óleo Diesel Fóssil contendo 5% de Biodiesel. B8 Óleo Diesel Fóssil contendo 8% de Biodiesel. B20 Óleo Diesel Fóssil contendo 20% de Biodiesel. B100 100% Biodiesel. COP 21 Conferência das Partes. CV Cavalo Vapor. DFT Transformada Discreta de Fourrier. EGR Exhaust gas recirculation (Válvula de recirculação dos gases do escapamento). FFT Transformada Rápida de Fourrier. HZ Hertz. KS Knock Sensor (Sensor de Detonação). KW Kilowatt. NBR Norma Brasileira Regulamentadora. NR Norma Regulamentadora. PMI Ponto Morto Inferior. PMS Ponto Morto Superior. PNPB Programa Nacional de Produção e Uso de Biodiesel. PPM Partes Por Milhão. PZT Zirconita Titanato de Chumbo. RMS Raiz do valor quadrático médio ( Root mean square ) RPM Rotações Por Minuto. UCE Unidade de controle eletrônico

• Figura 1 - Primeira Máquina Térmica de Héron.
• Figura 2 - Bloco de um motor a combustão interna.
• Figura 3 - Cabeçote do motor.
• Figura 4 - Sistema biela-manivela.
• Figura 5 - Pistão do motor com anéis.
• Figura 6 - Virabrequim do motor.
• Figura 7 - Representação do PMS/PMI.
• Figura 8 - Representação de um sinal em função do tempo.
• Figura 9 - Representação de um sinal em função da frequência.
• Figura 10 - Princípio geral do funcionamento de um acelerômetro.
• Figura 11 - Efeito piezoelétrico em um cristal de quartzo.
• Figura 12 - Construção de um sensor piezoelétrico.
• Figura 13 - Estruturas de cristais piezoelétricos.
• Figura 14 - Modos de vibração de sensores piezoelétricos.
• Figura 15 - Esquema básico de um acelerômetro piezoelétrico.
• Figura 16 - Reação de transesterificação para produção do Biodiesel.
• Figura 17 - Motor 2.3 IVECO.
• Figura 18 - Analisador de vibrações.
• Figura 19 - Câmera termográfica.
• Figura 20 - Sensor de detonação...............................................................................................
• Figura 21 - Dispositivo conversor de sinal.
• Figura 22 - Interface do Software Soundcard Scope.
• Figura 23 - Rasther Box TM 536.
• Figura 24 - Interface Software Rasther PC...............................................................................
• Figura 25 - Multímetro digital e termopar utilizado nos experimentos.
• Figura 26 - Confecção do suporte de fixação do acelerador.
• Figura 27 - Suporte do acelerador pronto
• Figura 28 - Detalhe da posição onde foi fixado o suporte.
• Figura 29 - Dispositivo de ajuste de rotação instalado.
• Figura 30 - Motobomba de combustível...................................................................................
• Figura 31 - Reservatório instalado no veículo.
• Figura 32 - Acelerômetro instalado posição vertical.
• Figura 33 - Acelerômetro instalado posição Horizontal.
• Figura 34 - Câmera termográfica posicionada.
• Figura 35 - Scanner instalado no veículo.
• Figura 36 - Leitura da câmera termográfica.
• Figura 37 - Tela mostrando comando para regeneração...........................................................
• Figura 38 - Sonda lambda.
• Gráfico 1 - Leitura vibração tendência horizontal B100 a 800 rpm....................................... LISTA DE GRÁFICOS
• Gráfico 2 - Leitura vibração tendência horizontal B8 a 800 rpm.
• Gráfico 3 - Leitura vibração tendência horizontal B100 a 1800 rpm.....................................
• Gráfico 4 - Leitura vibração tendência horizontal B8 a 1800 rpm.
• Gráfico 5 - Leitura vibração tendência horizontal B100 a 3600 rpm.....................................
• Gráfico 6 - Leitura vibração tendência horizontal B8 a 3600 rpm.
• Gráfico 7 - Leitura vibração tendência vertical B8 a 800 rpm.
• Gráfico 8 - Leitura vibração tendência vertical B100 a 800 rpm.
• Gráfico 9 - Leitura vibração tendência vertical B100 a 1800 rpm.
• Gráfico 10 - Leitura vibração tendência vertical B8 a 1800 rpm
• Gráfico 11 - Leitura vibração tendência vertical B100 a 3600 rpm.
• Gráfico 12 - Leitura vibração tendência vertical B8 a 3600 rpm.
• Tabela 1 - Percentual de adição de biodiesel ao diesel fóssil. LISTA DE TABELAS
• Tabela 2 - Combustíveis utilizados nos ensaios.
• Tabela 3 - Especificação dos limites de vibração, segundo a norma ISO 20816-
• (ABNT, 2016).
• Tabela 4 - Consumo de combustível.
• Tabela 5 - Comparativo pressão atmosférica x pressão turbina.
• Tabela 6 - Pressão do sistema de injeção de combustível.
• Tabela 7 - Leituras a 800 rpm.
• Tabela 8 - Leituras a 1800 rpm.
• Tabela 9 - Leituras a 3600 rpm.
• Tabela 10 - Tabela do índice energético da vibração (IEV).
• Tabela 11 - Velocidade total de vibração e suas frequências.
• Tabela 12 - Comparação dos resultados obtidos entre B8 e B100.
• 1 INTRODUÇÃO
• 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
• 2.1 Máquinas térmicas
• 2.2 Motores a combustão interna
• 2.2.1 Principais componentes dos motores a combustão interna
• 2.2.2 Partes fixas
• 2.2.2.1 Bloco do motor
• 2.2.2.2 Cabeçote do motor
• 2.2.2.3 Cárter do motor
• 2.2.3 Partes móveis
• 2.2.3.1 Sistema Biela-manivela
• 2.2.3.2 Pistão ou êmbolo
• 2.2.3.3 Biela
• 2.2.3.4 Eixo Virabrequim
• 2.3 Princípio de funcionamento dos motores a combustão interna
• 2.4 Classificação dos motores a combustão interna
• 2.4.1 Cilindrada
• 2.4.2 Tempos do motor
• 2.5 Motores ciclo diesel
• 2.5.1 Sistemas de alimentação
• 2.5.1.1 Sistema de injeção indireta
• 2.5.1.2 Sistema de injeção indireta
• 2.5.1.3 Gerenciamento eletrônico
• 2.5.1.4 Sistema de injeção eletrônica
• 2.6 Vibrações mecânicas
• 2.6.1 Vibração em motores de combustão interna
• 2.6.2 Parâmetros para a análise do espectro de vibrações
• 2.6.3 Sensores para análise de vibração
• 2.6.3.1 Sensores relativos
• 2.6.3.2 Sensores absolutos
• 2.6.3.3 O Sensor de detonação (KS)
• 3 COMBUSTÍVEIS
• 3.1 Óleo diesel
• 3.2 Biodiesel
• 3.3 Benefícios do uso do biodiesel
• 4 METODOLOGIA
• 4.1 Combustíveis utilizados
• 4.2 Motor utilizado
• 4.3 Analisador de vibrações
• 4.4 Câmera termográfica
• 4.5 Sensor de vibração
• 4.6 Conversor de sinal para entrada de áudio do computador
• 4.7 Scanner automotivo
• 4.8 Multímetro automotivo
• 4.9 Preparação Experimental
• 4.10 A realização dos experimentos
• 4.11 A coleta dos sinais de vibração
• 5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
• 5.1 Dados adicionais
• 5.2 Análise das vibrações do bloco
• 6 CONCLUSÕES
• REFERÊNCIAS

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1 INTRODUÇÃO

Segundo Martins (2006), por volta de 1885, o primeiro motor de combustão interna foi construído pelo engenheiro alemão Daimler, capaz de desenvolver potência suficiente para mover um veículo em condições de segurança e economia suficientes para a época. A partir de então, a necessidade de aprimoramentos nessas máquinas não parou, permanecendo até os dias atuais. Em 1893, Rudolf Diesel, outro engenheiro alemão, criou um motor de combustão interna capaz de funcionar com óleo de amendoim, o motor desenvolvido por Rudolf não precisava de componentes elétricos, a combustão acontecia com o aumento da temperatura da câmara, em decorrência da alta taxa de compressão, dessa forma o combustível entrava em combustão espontânea quando pulverizado. A partir daí, os motores ciclo diesel começaram a ser utilizados em indústrias e em veículos pesados, como locomotivas, caminhões e navios. Em decorrência de seu rendimento, vida útil e a segurança de funcionamento serem maiores que nos motores ciclo OTTO, os motores ciclo diesel são usados para estas e outras aplicações até os dias atuais. O PNPB (Programa Nacional de Produção e uso de Biodiesel) em conjunto com a aprovação da Lei 11.097/05, estabeleceram a adição obrigatória de 5% de biodiesel ao diesel fóssil. Atualmente, este percentual chega a 8% e deverá atingir 10% até março de 2019. Ficou a cargo do PNPB, a execução de testes e ensaios em motores, com o intuito de validar o uso da mistura B5, assegurando ao consumidor final a perfeita manutenção e garantia de veículos e equipamentos que utilizam motores ciclo diesel (BRASIL, 2005, 2018). Segundo dados da Agência Nacional de Petróleo (BRASIL, 2017), para que o Brasil consiga atingir a meta estabelecida no Tratado de Paris (UNITED NATIONS, 2015), que é uma redução de 37% na emissão dos gases estufa até 2025, e 43% até 2030, será necessário um aumento do percentual de Biodiesel adicionado ao diesel fóssil que poderá chegar a 15% até 2025. Ainda segundo a Agência Nacional de Petróleo (BRASIL, 2017), existe uma previsão de crescimento da demanda por derivados de petróleo de 19% de 2016 a 2026. Portanto, o aumento no uso de biocombustíveis deverá superar esse valor para que se possa atingir as metas estabelecidas no Tratado de Paris (UNITED NATIONS, 2015). Com base nesses dados, este trabalho tem como objetivo principal quantificar as vibrações no bloco de um determinado motor a combustão interna ciclo diesel, com a utilização de Diesel comercial (B8), que tem como composição básica 92% de diesel fóssil e 8% de biodiesel, e compará-las com as vibrações do mesmo motor utilizando biodiesel (B100), que é composto por 100% Biodiesel, permitindo, assim, uma análise das diferentes

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2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Máquinas térmicas

Maquinas térmicas são equipamentos capazes de converter energia térmica em energia mecânica. Grande parte dessas máquinas, trabalha retirando calor de uma fonte quente, uma parcela do calor é convertida em trabalho e o restante é transferido a uma fonte fria, concretizando, assim, o princípio de eficiência da máquina. Assim, quanto menor for a parcela perdida para a fonte fria, maior será a eficiência da máquina. No século XIX, os cientistas estabeleceram definitivamente que o calor é uma forma de energia, considerando então que o dispositivo criado por Héron no século 1 dC (FIGURA 1) pode ser considerado uma máquina térmica (POLAK et al., 2007).

Figura 1 - Primeira Máquina Térmica de Héron.

Fonte: Manera (2013).

Até o século XVII, as máquinas térmicas realizavam pequenos trabalhos em relação à grande quantidade de combustível que utilizavam, portanto possuíam um rendimento muito baixo. Foi então que o inventor escocês James Watt desenvolveu um novo tipo de máquina que substituiria posteriormente as existentes até então. O equipamento desenvolvido por Watt foi altamente utilizado em moinhos e bombas d’agua, posteriormente iniciou-se a sua utilização em locomotivas, barcos a vapor e máquinas industriais, dando o pontapé inicial para a revolução industrial (MORAES et al., 2006).

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2.2 Motores a combustão interna

Os motores de combustão interna são máquinas térmicas em que, no cilindro de trabalho, ocorre a transformação da energia química de um combustível em energia térmica e, posteriormente, em energia mecânica (MARTINS, 2006). Segundo Gonçalves (2016), em 1860 surgiu a ideia de criar uma máquina que funcione com benzeno. Em 1866, a ideia foi concretizada por Nikolas August Otto. A ideia principal era de se criar um determinado equipamento no qual a mistura de um combustível mais um comburente, no caso o ar atmosférico, entrasse em combustão e que a energia liberada pudesse ser transformada em trabalho mecânico, este equipamento ficou conhecido como motor a combustão interna. Posteriormente, para homenagear seu inventor ganhou o nome de motores ciclo Otto. Como acontece com toda invenção, os aperfeiçoamentos são contínuos, foi então que, em 1894, Rudolf Diesel apresentou uma alternativa para que os motores a combustão interna funcionassem sem o auxílio de circuitos elétricos, que eram relativamente complexos para a época. Assim surgiu o motor ciclo diesel, este equipamento era capaz de fazer com que um óleo vegetal entrasse em combustão somente com o aumento da temperatura, ocasionado pelo aumento da pressão do ar admitido para dentro da câmara de combustão. O primeiro motor de combustão interna que desenvolveu potência suficiente para mover um veículo com segurança e relativa economia foi desenvolvido por Gottlieb Daimler, um engenheiro alemão em 1886.

O motor diesel pode ser alimentado por óleos vegetais, e ajudará no desenvolvimento agrário dos países que vierem a utilizá-lo. O uso de óleos vegetais como combustível pode parecer insignificante hoje em dia. Mas com o tempo ir-se-a tornar tão importante quanto o petróleo e o carvão são atualmente (DIESEL, 1912 apud SILVA, 2014, p. 7).

Posteriormente à morte de Diesel, em 1913, a indústria do petróleo desenvolveu um tipo de óleo derivado do petróleo com características semelhantes a dos óleos vegetais, esse composto ganhou o nome de óleo diesel em homenagem a Rudolf. Naquela época, a grande vantagem do óleo diesel em relação aos outros combustíveis era o baixo custo, esse novo óleo ‘criado pela indústria petrolífera, pôs abaixo a ideia de Rudolf, que era a criação de um motor que funcionasse com óleo vegetal, no intuito de ajudar o desenvolvimento da agricultura em vários países onde o equipamento fosse utilizado (GONÇALVES, 2016).