Versão de Impressão - Sistema Eletrônico de Administração de

Sistema de Fluxo Automatizado para Testes de Cabeçote (1).
Humberto R. Cazagi(4); Giana de Almeida Pereira(5) ; Marcelo Vandresen (2); Richard Chaplin(3);
Resumo Expandido
(1) Trabalho executado com recursos do Edital 12/2012, da Pró-Reitoria de Pesquisa, Pós-Graduação e Inovação
(2)
(3)
(4)
(5)
Professor; Instituto Federal de Santa Catarina; Florianópolis, SC; [email protected];
Estudante;
Instituto
Federal
de
Santa
Catarina;
Florianópolis,
SC;
[email protected];
Professor;
Instituto
Federal
de Santa
Catarina;
Florianópolis,
SC;
[email protected];
Estudante; Instituto Federal de Santa Catarina; Florianópolis, SC; alemã[email protected];
RESUMO: Este projeto visa à melhoria de um equipamento, instalado no Laboratório de Motores
do Curso Técnico em Manutenção de Automóveis no Instituto Federal de Ciência e Tecnologia
de Santa Catarina (IFSC), utilizado por alunos e docentes tanto para aulas práticas quanto para
estudos realizados pelo grupo de pesquisa para o CNPq de “Avaliação do Desempenho de
Motores de Combustão Interna” (AdeMCI). O projeto consiste no desenvolvimento de uma
bancada de teste de fluxo de cabeçotes automatizada utilizando recursos de eletrônica como
sensores do tipo MAP (manifold absolute pressure) e MAF (manifold air flow), comumente
empregados nos sistemas automotivos para o controle dos motores por injeção eletrônica. As
bancadas de fluxo automatizadas já existem no mercado internacional, mas seu custo para
aquisição é elevado. Porém permitem que um teste seja reduzido a um menor tempo, tendo uma
precisão de leitura maior sem a influência direta da capacidade do operador do equipamento. O
desenvolvimento de um produto assim no nosso laboratório auxiliaria professores, alunos e
pesquisadores.
Palavras-chave: bancada de fluxo, automação, cabeçote, sensores.
INTRODUÇÃO
Conforme define o site “TMC Motos”, cujo
endereço
eletrônico
encontra-se
nas
referências deste artigo, uma bancada de fluxo
é um equipamento onde testa-se o fluxo dos
cabeçotes e componentes fazendo com que
se possa identificar se o cabeçote realmente
obteve uma melhoria no fluxo sem gerar
turbulencia.
Segundo SOUZA, em seu artigo “Estudo
Experimental e Numérico do Sistema de
Admissão de um motor de Combustão Interna”
nos motores de combustão interna, a troca de
gases na câmara de combustão (admissão e
escapamento) e sua efciciência volumétrica
afetam diretamente a eficiência do motor. Ou
seja, as características que podem ser
avaliadas em um motor de combustão interna como torque, potência e consumo, por
exemplo - estão intimamente ligadas à
eficiência (ou falta dela) da entrada e saída de
gases na câmara de combustão, através do
cabeçote do motor. Melhorando-se a
capacidade de admissão de oxigênio melhorase o desempenho do motor, pois se consegue
queimar uma massa maior de combustível e
liberar uma quantidade maior de energia que
posteriormente será convertida em trabalho
(movimento) pelo motor.
O equipamento que é utilizado para medir as
perdas de carga entre entrada (admissão) e
saída (escapamento) dos gases em uma
câmara de combustão é a bancada de fluxo.
No IFSC, no Curso Técnico de Manutenção de
Automóveis e no ADeMCI, é empregada uma
bancada de fluxo (figura 1) com operação e
leitura totalmente mecânica, através do
manuseio de válvulas (manípulos) e leitura de
pressão e eficiência através de escalas com o
equilíbrio de fluídos, que pode ser encontrado
no site do fabricante “SuperFlow”.
METODOLOGIA
Para existir fluxo de ar atravéz de um duto ou
orifício qualquer, é necessário haver uma
diferença de pressão entre eles. Este fluxo irá
variar conforme a diferença de pressão que
ele estiver exposto, então quanto maior a
diferença de pressão maior será o fluxo,
mesmo que o cabeçote permaneça inalterado.
Segundo o site “Hot Flow” a bancada de fluxo
nos permite fixar um diferencial de presssão
que, por sua vez, irá gerar um fluxo atravéz de
qualquer
dispositivo
que
ali
estiver
convenientemente acoplado. Então pode-se
efetuar uma mudança neste dispositivo e
expô-lo novamente ao mesmo diferencial de
pressão previamente determinado, e assim
verificar se o fluxo aumentou ou diminuiu.
Portanto quando o fluxo de um cabeçote for
medido é importante saber qual foi o
diferencial de pressão usado. Um cabeçote
medido com um diferencial de pressão de 20
polegadas de coluna de água terá um fluxo
maior do que o mesmo cabeçote medido com
um diferencial de pressão de 10 polegadas de
água.
da diferença entre as pressões nos dois
reservatórios.
Conforme afirma o autor, o liquido usado no
manômetro geralmente tem maior peso
específico que o dos fluídos cuja pressão se
pretende medir sem se deve misturar com os
líquidos adjacentes. Segundo o mesmo, os
líquidos mais comumente usados são o
mercúrio (densidade 13,6), água (densidade
1), álcool
(densidade
0,9), e óleos
manométricos
comerciais
de
varias
densidades. O manômetro da bancada de
fluxo a ser automatizada possui como líquido
água com corante.
Para o controle da temperatura há na bancada
como instrumento de medição um termômetro
de mercúrio. Segundo FREEDMAN e YOUNG
no livro “Física II - Temodinâmica e Ondas” 2006, um termômetro de mercúrio possui sua
escala embasada na conversão da dilatação
térmica em temperatura. Para medir a
temperatura de um corpo o termômetro deve
estar encostado a ele. Conforme explicam os
autores, após um determinado tempo o
recipiente esfriará e o termômetro aquecerá,
ou seja, terão alcançado equilíbrio térmico. Ao
ser aquecido, o mercúrio dilatará e por meio
desta dilatação sabe-se a temperatura.
Figura 1: Bancada de fluxo do IFSC
Fonte: ADeMCI
Para medir o diferencial de pressão há um
manômetro na bancada de fluxo. Segundo as
definições de HWANG em seu livro
“Fundamentos de Sistemas de Engenharia
Hidráulica” – 1981, um manômetro é um tubo
curvado geralmente com o formato de um U
contendo um fluído de densidade conhecida. A
diferença de cotas entre as superfícies do
líquido sob pressão indica a diferença entre as
pressões nas duas extremidades do tubo.
Segundo ele há dois tipos de manômetros:
•
manômetro aberto: possui uma das
extremidades aberta submetida à pressão à
pressão atmosférica e pode ser utilizado para
medir a pressão interior do reservatório.
•
manômetro diferencial: possui ambas
as extremidades ligadas a dois reservatórios
com pressões diferentes e permitea medição
Os testes realizados nas bancadas de fluxo
manuais dependem muito da capacidade do
operador, bem como do seu cuidado no
manuseio dos manípulos e na leitura dos
valores de fluxo e pressão.
PROGRAMAÇÃO E AUTOMAÇÃO
Um teste de um cabeçote numa bancada
mecânica leva em torno de uma hora para
cada cilindro, ou seja, em um motor com
quatro cilindros, o teste leva em torno de
quatro horas. Sendo assim um estudo
aprofundado da influência dos ângulos das
válvulas, por exemplo, pode levar de uma
semana a um mês.
Segundo CORREIA e ROCHA em seu artigo
“Utilização
de
Sensores
na
Indústria
Automóvel”, atualmente temos uma grande
inclusão de componentes eletrônicos no
universo automobolístico, essa crescente
inclusão
da
eletrónica
no
universo
automobilistico(sensores e atuadores) resulta
no conforto, na segurança e na optimização do
funcionamento que obtêm-se com os mesmos.
Conforme definem os autores sensores são
transdutores que convertem grandezas físicas
em sinais elétricos que são enviados
posteriormente para a unidade de controle
correspondente ao sistema a ser medido.
Na bancada do ADemCI coleta-se dados de
forma manual, possuindo um termômetro de
mercúrio e um manômetro diferencial de
coluna d'água. A precisão de tais ferramentas
é boa, porém a leitura é dependente da
habilidade do operador. Utilizando sensores
não limitamos mais o uso da bancada ao nivel
de conhecimento do operador com a máquina,
deixando-a intuitiva, de fácil operação
mantendo a precisão.
As bancadas de fluxo automatizadas já
existem no mercado internacional, mas seu
custo para aquisição é elevado. Elas permitem
que um teste seja reduzido a um menor tempo,
tendo uma precisão de leitura maior sem a
influência direta da capacidade do operador do
equipamento. A proposta do artigo é
demonstrar como se é possivel realizar uma
automação de leituras com um custo bem
inferior ao que já existe no mercado.
No IFSC – campus Florianópolis – utiliza-se o
uCduino, que consiste em uma placa
microcontrolada desenvolvida pelo professor
Édson Melo, baseada no Atmega328 cujo
conceito é similar ao Arduino Pro(placa
simples, para deixar embarcada em projeto,
sem interface de programação). O uCduino é
concebido a baixo custo somado a uma fácil
montagem, realizada pelos alunos nas
disciplinas cujo o mesmo é utilizado. Pode ser
encontrado juntamente com seus periféricos e
material de apoio no site “FPGA para todos”
cujo o mesmo encontra-se nas referências
deste artigo.
O controle dos sensores será feito pelo
uCduino, sendo este programado em
linguagem C. Inicialmente o sensor utilizado
para a leitura da pressão diferencial era o
SDP610, cuja comunicação com o uCduino
realiza-se por I2C. Segundo o site “Portal
Embarcados” o barramento I2C consiste
fisicamente de 2 fios e uma conexão com o
terra. Os dois fios são bi-direcionais, um para
envio de dados e outro para o clock (SDA Serial Data Line; e SCL - Serial Clock Line. Os
dispositivos são interconectados por meio
desses dois sinais. Um dispositivo atua como
“master” e outro(s) como slave, quem dita o
comando e o passo da comunicação (clock) é
o master. No nosso caso o master seria o
uCduino que faria isto por meio de seu
microcontrolador e o slave seria o sensor que
receberia o comando e atuaria conforme o
programado.
Figura 2: Fluxograma da programação do sensor de
pressão
Fonte: ADeMCI
Porém o sensor SDP610 possui um alto custo
e uma das metas deste projeto é automatizar
uma bancada a baixo custo. Então este tipo de
sensor foi substituído por sensores do tipo
MAP, MPX4250A. Seu custo é baixo e sua
leitura é analógica, podendo ser transformada
para leitura digital com o auxílio de alguns
capacitores.
Segundo seu datasheet, o MPX4250A é um
sensor de pressão absoluta Manifold para
controle do motor, é projetado para detectar
pressão absoluta do ar dentro do coletor de
admissão.
Esta medida pode ser utilizada para calcular a
quantidade de combustível necessária para
cada cilindro. Os sensores podem ser
vizualiados conforme ilustra a figura 3.
Figura 3: Sensores em teste de diferença de
pressão com o uCduino
Fonte: ADeMCI
Conforme
demonstra
seu
datasheet,
encontrado no site “Freescale”, no MPX4250A
o transdutor piezo-resistivo é um estado do
sensor de pressão de silício monolítico
concebido para uma larga gama de
aplicações, especialmente aqueles que
utilizam
um
microcontrolador
ou
microprocessador com uma entrada A/D. Este
transdutor combina técnicas microtorneamento
avançada, metalização de película fina e de
processamento para proporcionar um sinal de
saída analógico preciso de alto nível, que é
proporcional à pressão aplicada. O fato de
possuir formato pequeno e ser de alta
confiabilidade de integração faz o sensor de
escala livre a escolha lógica e econômica para
o engenheiro de sistema automotivo. A lógica
utilizada para a programação aplica via
uCduino expressa-se no fluxograma ilustrado
pela figura 2. cuja a mesma foi confeccionada
no site "Lucidchart", um editor online de
fluxogramas,
cujo
endereço
eletrônico
encontra-se nas referências.
A série de sensores de temperatura são LM35
"de circuitos integrados de precisão", sendo
utilizado a principo com encapsulamento
plástico TO-92. Conforme demonstra seu
datasheet encontrado no site da Texas
Instruments, sua tensão de saída é
linearmente proporcional à temperatura em
graus Celsius. O LM35, portanto, tem uma
vantagem sobre os sensores de temperatura
linear calibrados em Kelvin, pois o usuário não
é obrigado a subtrair uma grande tensão
constante de sua produção para obter
conveniente escala centígrados. Os sensores
podem ser vizualiados conforme ilustra a figura
4.
pode ser utilizado com fontes de alimentação
individuais. Não há muito auto-aquecimento,
menos de 0,1 ˚ C no ar.
Na bancada de fluxo mede-se com o
termômetro a temperatura da válvula de
admissão ou da válvula de escape. Com os
sensores de temperatura a leitura, que antes
era feita analisando a dilatação do mercúrio,
agora passará a ser exibida em um display
LCD. A vantagem do uso de displays LCD é
que o usuário já recebe o valor pronto, tendo
ao lado a unidade física utilizada. Assim o
operador recebe os dados prontos de forma
rápida e instantanea.
Figura 5: Fluxograma da programação do LM35
Fonte: ADeMCI
A lógica utilizada para a programação aplica
via uCduino expressa-se no fluxograma
ilustrado pela figura 5, cuja a mesma foi
confeccionada no site "Lucidchart".
CONCLUSÃO
Figura 4: Sensores de temperatura, um para a
temperatura atmosférica que servira como
referencia e outro para a temperatura final.
Fonte: ADeMCI
O LM35 não necessita de qualquer calibração
externa ou aparamento de proporcionar
precisão típicos de ± 1/4 ˚ C à temperatura
ambiente, e ± 3/4 ˚C durante intervalo de
temperatura de -55 a +150 C ˚. Baixo custo,
A automação a baixo custo de uma bancada
de fluxo didática é viável. A disponibilização
deste equipamento automatizado para o
ensino e para a pesquisa será um
complemento
na
bancada
existente,
permitindo a otimização do desenvolvimento
das pesquisas, ou seja, este projeto auxiliará
muitos outros.
REFERÊNCIAS
1.
GARCIA, O.; BRUNETTI, F. Motores
de combustão interna. São Bernardo do
Campo, Opus, 1992.
SuperFlow.
http://www.superflow.com/Flowbenches/
.
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3.
CORREIA, Daniel. ROCHA, Daniel.
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http://ave.dee.isep.ipp.pt/~mjf/act_lect/SIAUT/
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4.
Texas
Instruments
<http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf>
Acesso em 12 de Junho.
5.
Freescale – Datasheet MPX4250A
<http://www.freescale.com/files/sensors/doc/d
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Maio.
6.
Portal
FPGA
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<http://200.135.184.52/kits.html > Acesso em
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7.
HWANG, Ned H. C. Fundamentos de
Sistemas de Engenharia Hidráulica, 1981.
8.
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<http://www.tmcmotos.com/servi
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de Maio.
9.
Hot
Flow
<http://hot-flow.com.br/?
2.
page_id=173 > Aceddo em 24 de Maio.
10.
Portal
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<http://www.embarcados.com.br/Artigos/Hard
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Acesso em 22 de Maio.
11.
FREEDMAN, Roger A; YOUNG, Hugh
D. Física II - Temodinâmica e Ondas . 2006.
12.
SOUZA, G, R. Estudo Experimental e
Numérico do Sistema de Admissão de um
motor
de
Combustão
Interna
<http://www.fem.unicamp.br/~phoenics/EM974
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13.
Lucidchart – Editor de Fluxogramas
Online
<https://www.lucidchart.com/documents//edit4
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demo=on> Acesso em: 27 de Maio.