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-deforca.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
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
3600
9
9,41
9,82
10,23
10,64
11,05
11,46
11,87
12,28
12,69
13,1
13,2
13,3
13,4
9,6
10,3
11
11,7
12,4
13,1
13,8
14,5
15,2
15,9
16,6
17,7
18,3
18,5
W
86,4
96,923
108,02
119,691
131,936
144,755
158,148
172,115
186,656
201,771
217,46
233,64
243,39
247,9
12
Curva de Potência Esperada
300
Potência [W]
250
200
150
100
50
36
00
34
00
32
00
30
00
28
00
26
00
24
00
22
00
20
00
18
00
16
00
14
00
12
00
10
00
0
Rotação [RPM]
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=UxI
equação 2
Vamos supor incerteza de 0,1V para U e 0,5A para I. Aplicando-se a equação 1, obtém-se:
2
2
  ∂P
  ∂P  
Ur = 
.0,1 +  0,5  
  ∂U
  ∂I
 

equação 3
da equação 2, então
∂P
∂P
=I e
=U
∂U
∂I
1
2
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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)
(
2
2
U r = (18,5.0,1) + (13,4.0,5)
1
)
2
= 6,95W
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