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MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL
ESCOLA DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Análise da Estanqueidade do Motor Rotativo MIT
RELATÓRIO DE TRABALHO DE CONLUSÃO
Apresentado na disciplina de Medições Térmicas – ENG03108
Alessandro Longoni Moreira
Aquiles Iturriaga Galarce
Felipe Doria Ribeiro
Porto Alegre, 27 de Novembro de 2008
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Índice
Índice
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Resumo
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Descrição do experimento
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Ensaios
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Conclusão
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Referências Bibliograficas
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Resumo
O presente estudo tem como objetivo verificar a estanqueidade do motor rotativo
MIT (Miranda Inovações Tecnológicas), para tanto foi preparada uma bancada de teste
com um sistema moto-compressor onde o motor rotativo MIT foi convertido em
compressor movimentado por um motor elétrico Weg. A bancada recebeu um trilho guia
para alinhar as polias do mecanismo e um dispositivo mecânico tipo fuso para tencionar a
correia de transmissão do sistema, além de um manômetro de testes de vazamento em
motores de combustão interna. Os valores obtidos deste ensaio não foram conclusivos
para a obtenção da curva de variação de pressão em função da rotação da configuração do
MIT como compressor, validando assim seu sistema de vedação por labirinto.
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Introdução
As inovações tecnológicas e as respostas de desempenho prometidas em diversos
estudos teóricos para os motores de combustão interna rotativos, em especial o motor
MIT, foram a grande motivação para o presente estudo, bem como a experiência dos
participantes do grupo em trabalhos com sistemas de automação hidráulica, pneumática e
trabalhos com motores de combustão interna, por ocasião da participação do
GDEM/Museu do Motor DEMEC/UFRGS.
Dessa forma, pretende-se, através, da realização da análise de estanqueidade do
motor MIT, ao operar como compressor de ar rotativo; avaliar a sua viabilidade de
funcionamento como motor de combustão interna com grande chance de aplicabilidade
em diversos tipos de veículos automotores, podendo constituir, assim, em uma
alternativa, mais econômica do ponto de vista de consumo de combustível, de
manutenção, menores emissões de gases nocivos a atmosfera e maiores níveis de
potência por litro de combustível.
O objetivo deste estudo é avaliar a viabilidade de operação do motor MIT,
realização um ensaio de estanqueidade com base nos Procedimentos de Ensaio de
Estanqueidade de Compressores de Ar de Pressão Rotativo. Para tanto tomaram-se, como
base, algumas instruções contidas norma NR-13 – referente à caldeiras, vasos de pressão e
testes hidrostáticos em compressores – fazendo-se assim montagem do motor MIT para a
sua operação como compressor em uma bancada onde este é acionado por um motor
elétrico de 5,5kW. Seguindo as instruções da norma citada, procede-se ao acionamento do
compressor tendo a sua descarga obstruída e instrumentada por uma sonda adequada ao
transdutor de pressão adotado para a medição de pressão deste caso.
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Descrição do Experimento
A bancada de Teste de Estanqueidade montada para à análise do Motor Rotativo
MIT tem como objetivo obter uma curva de pressão manométrica das câmaras de
combustão versus a rotação do eixo do mesmo (o dobro da rotação do êmbolo rotativo do
motor). Os parâmetros de análise deste estudo são obtidos através da leitura de pressão
no manômetro analógico (citado na seção anterior) e da leitura da freqüência de excitação
do motor mostrada no display do inversor de freqüência utilizado no experimento.
Como orientado na norma que trata da segurança e ensaios de vasos de pressão e
compressores (NR-13) o objetivo do teste é avaliar as pressões atingidas em função da
rotação do eixo de acionamento e da manutenção desta pelo equipamento durante a sua
operação e momentaneamente, após breve pausa durante seu ciclo de trabalho; e assim
determinar a estanqueidade do compressor para um determinado patamar de pressão de
trabalho contínua. Determinando-se assim se um compressor é ou não considerado
conforme com relação aos seus parâmetros de projeto e operação.
Partindo-se do princípio de avaliação de máquinas de fluxo geradoras e motoras e
admitindo-se a reversibilidade de seu modo operativo, foi adotada para este estudo a
análise do motor a partir de sua operação como Compressor de Ar de Pressão Rotativo,
com o objetivo principal de avaliar a real capacidade operacional do Sistema de Vedação
Radial e Axial por Labirinto, adotado no motor MIT. Este sistema de vedação destina-se a
proporcionar a construção e operação do motor MIT com uma folga maior entre o rotor e
o estator do motor diminuindo-se assim as perdas energéticas por atrito e de
transferência de calor por condução entre as partes internas do motor, permitindo-se
assim que o mesmo possa operar em temperaturas mais baixas que os seus equivalentes
comerciais alternativos e rotativos. Outra característica operacional importante do motor
MIT é a da distribuição uniforme da temperatura nas três câmaras, que se mantido a um
limite mínimo maior e um limite máximo menor que o dos seus equivalentes comerciais
permite operar com menor consumo de combustível, melhor rendimento e emissões
menos nocivas ao ambiente.
A montagem do dispositivo para o procedimento de teste permitiu, conforme
descrito nas seções anteriores, uma variação da rotação do eixo de manivelas do motor
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MIT através da variação da freqüência de excitação do motor elétrico responsável por
acionar o compressor na bancada, figura 1. A variação de rotação do eixo de manivelas do
motor, conforme suas especificações de projeto resultam na variação dos gradientes de
pressão gerados nas câmaras de combustão do motor. Para fins de avaliação de
viabilidade de operação, como motor, o critério mínimo de 7 bar de pressão gerada no
interior das câmaras de combustão ao operar como motor e de 3,5 bar como compressor.
figura1: montagem da bancada de teste
A bancada constituiu basicamente em uma base regulável para o motor elétrico
que permitia o correto ajuste da tensão da correia de acionamento do compressor, uma
base fixa para o posicionamento do motor rotativo (devidamente preparado para
operação como compressor, conforme orientação do engº Natal, que atuou no
desenvolvimento do motor MIT). A preparação do motor para a sua operação como
compressor consistiu em fazer a remoção do coletor de admissão e fazer a obstrução das
respectivas janelas de admissão, como também as de descarga e realizar o mesmo
procedimento também com as janelas de descarga do motor. A vedação radial do motor
foi realizada por uma haste de madeira coincidente com cada um dos vértices do êmbolo
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rotativo. A instrumentação foi feita, a partir da introdução de uma sonda com ponteira
macho (cone emborrachado que permite o seu devido ajuste com as diferentes bitolas de
pórticos de velas de ignição existentes no mercado, e para este caso, com a do motor em
estudo; conectada a um manômetro do tipo tubo de Bourdon montado em uma
mangueira preenchida com um fluido manométrico confinado, com o objetivo de
transmitir ao manômetro a pressão captada pelo apalpador do sensor na câmara de
combustão do motor, graduado de zero à 14bar. Figura 2.
figura2: detalhe do mecanismo de tensionamento da correia motora
Conforme citado na introdução, foi adotado como critério mínimo de aceitação de
viabilidade como motor a aferição de 3,5 bar em cada câmara de combustão. A validação
do critério de viabilidade de funcionamento como propulsor, se daria, ao atingir a pressão
especificada com as vedações como na figura 3, na menor freqüência de excitação do
motor elétrico possível de ser atingida, uma vez que, segundo as especificações de
operação e projeto do motor MIT, as pressões atingidas nas câmaras devem variar de
forma diretamente proporcional a variação de rotação do eixo de manivelas do motor, e
neste caso de estudo, diretamente proporcional ao aumento da freqüência de excitação
do motor.
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figura3:detalhe do fechamento das janelas de admissão do motor
Conforme as especificações de projeto para o motor MIT, constantes na tese de
projeto e construção de motores de combustão interna de êmbolo rotativo [Antonini] o
sistema de vedação do motor é definido pela equação:
Onde:
G é vazão de massa de ar no labirinto (kg/s);
Ω é a área transversal do labirinto (m²);
φ é o atrito;
α é a vena contracta;
C é a velocidade do ar (m/s);
ρ é a massa específica do ar (kg/m³)
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Figura 4: Detalhe do sistema de vedação das câmaras de combustão
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Ensaios
⇒ Para o início das operações de teste do motor MIT, primeiramente foram verificadas as
seguintes condições de segurança de trabalho:
⇒ Realizar a correta instalação da alimentação do motor elétrico no inversor de freqüência
do LETA;
⇒ Realizar a correta inserção dos parâmetros de operação do motor elétrico no inversor de
freqüência do LETA;
⇒ Verificar o correto tencion
⇒ amento da correia de acionamento do motor/compressor MIT na bancada;
⇒ Verificar o correto aperto dos elementos de fixação dos dispositivos montados na
bancada;
⇒ Verificar a correta instalação dos elementos de vedação radial nos vértices do êmbolo
rotativo do motor MIT;
⇒ Dar a partida do motor elétrico a partir da menor freqüência de excitação possível e fazer
o aumento gradativo da mesma dentro dos limites operacionais do motor elétrico e dos
limites estruturais da bancada;
⇒ Certificar-se do correto ajuste do apalpador do sensor ao pórtico da vela de ignição para
evitarem-se perdas de pressão, por esta porta e conseqüentes leituras errôneas no
instrumento.
⇒ Certificar-se das condições de calibração do instrumento de medição utilizado no
experimento;
⇒ Monitorar constantemente as condições de segurança dos dispositivos durante a
operação da bancada tendo um operador dedicado ao inversor durante todo o
experimento.
Após, observados os requisitos de segurança, procedeu-se as medições tentando obter a
leitura do valor satisfatório a validação do teste na menor freqüência de excitação do motor
elétrico possível. Em um primeiro momento a partida foi dada a partir de uma freqüência de
20,34Hz, com as janelas de admissão do motor seladas e a pressão aferida na primeira medida foi
de 1,75 bar e as subseqüentes foram de 0 bar até a parada do motor. Contudo, mesmo com leitura
de pressão nula, percebeu-se uma carga de frenagem submetida ao motor a cada instante em que
a sonda era inserida no pórtico de medição. Percebeu-se também uma elevação acentuada da
amplitude de vibração do dispositivo à freqüências maiores que 26Hz, tornado-se assim
impraticável a operação do dispositivo à valores de freqüência maiores.
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O motor MIT foi acionado mais duas vezes na mesma configuração do primeiro
acionamento atingindo-se os valores de 3,5 bar e de 5,6 bar no início do acionamento a 20,45Hz e a
26,33Hz, respectivamente, sendo, como no caso anterior, as demais leituras de
bar até o
desligamento do motor e o mesmo comportamento durante a inserção da sonda,
independentemente da pressão aferida, como também o do aumento da amplitude de vibração ao
aumentar a freqüência de acionamento acima de 33Hz.
O motor foi acionado novamente por três vezes a cada alteração na configuração de
ensaio, sendo estas:
1. Remoção dos selos nas janelas de admissão: percebeu-se, uma menor freqüência
necessária ao acionamento, 8,70Hz; porém o comportamento foi exatamente
semelhante ao verificado nos casos de ensaio anteriores, porém com o aumento
crítico das amplitudes de vibração do dispositivo a 10Hz;
2. Remoção adicional de uma vela de ignição por câmara de combustão: verificou-se uma
redução ainda maior na freqüência para 6,03Hz e comportamento da medida de
pressão análogo aos casos anteriores;
3. Abertura total dos pórticos no lado da admissão: a freqüência de acionamento
necessária caiu para 2Hz e o ensaio tornou-se impraticável devido ao aumento da
amplitude de vibração do dispositivo vindo a danificar parte da estrutura do mesmo.
Logo, os resultados obtidos durante os procedimentos de teste não foram conclusivos para
fins de obtenção da curva de variação de pressão versus a variação da freqüência de excitação do
motor, e conseqüentemente para avaliar ou validar a viabilidade de funcionamento do motor MIT
como propulsor.
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Conclusão
⇒ Diante dos resultados obtidos e após estudo das especificações de projeto do motor MIT,
podemos concluir que os valores obtidos durante os procedimentos de ensaio divergiram
do esperado devido às seguintes causas prováveis:
⇒ Haste de vedação radial utilizada para o ensaio produzida sem os detalhes referentes ao
desenho do labirinto conforme o especificado e fora da precisão dimensional exigida para
o correto funcionamento e acentamento das mesmas;
⇒ O Efeito proveniente do sistema de vedação axial por labirinto que produz um
deslocamento de ar no pórtico utilizado para inserção do sensor que mascara por provável
depressão e impede a correta aferição de pressão na câmara de combustão;
⇒ O calço hidráulico gerado durante a inserção do sensor em qualquer dos pórticos
destinados à medição gera o deslocamento das hastes de vedação radial o que resulta na
fuga de pressão para as câmaras vizinhas, mascarando a leitura de pressão;
⇒ A preparação do motor para a operação como compressor é incompatível com as
características de operação do motor MIT;
⇒ A estrutura do dispositivo de teste não realiza a neutralização das vibrações necessária à
operação do ensaio, impedindo a operação em rotações mais elevadas, uma vez que o
motor MIT está especificado para operar entre 5000 a 15000rpm;
⇒ Devido às características de projeto do motor MIT que exigem, para uma maior eficiência
do sistema de vedação por labirinto a operação sob altas rotações e as limitações na
obtenção das mesmas pelo dispositivo de teste adotado para o ensaio;
⇒ A falta de um dispositivo externo para a equalização das pressões em cada uma das
câmaras de combustão, tornando equivalente a perda de carga nas mesmas.
⇒ Entretanto, o efeito gerado pela inserção da sonda em qualquer das câmaras de
combustão gerou um efeito de frenagem no motor característico ao ocasionado por calço
hidráulico, comportamento que embora não tendo sido quantizada a pressão durante a
sua ocorrência, denota efeito de estanqueidade do motor porém é insuficiente para a
validação da viabilidade de aplicação do motor MIT como propulsor.
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Referências Bibliográficas
ANTONINI, Natal de Avila, Projeto e Construção de Motores de Combustão Interna de
Êmbolo Rotativo PROMEC EE DEMEC UFRGS 2000
HOLMAN, John Philip, Experimental methods for engineers. 2nd ed. New York:
McGraw-Hill, c1971. xvi, 423 p
DOEBLIN, Ernest O.. Measurement systems : application and design. 3rd ed. New
York: Mcgraw-Hill Book, [c1983]. 876p
SMITH SCHNEIDER, Paulo, Medição de Pressão em Fluidos, Apostila da Disciplina de
Medições Térmicas, Engenharia Mecânica, URGS, Porto Alegre, 2007
ABNT, Norma NR-13, Procedimentos de Operação Segura de Caldeiras, Vasos de
Pressão e Compressores, Testes Hidrostáticos; 2008.