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Testando componentes de motor de alto desempenho com o analisador de combustão Dewesoft
Os componentes dos motores de combustão de classe premium e de competição de hoje são submetidos a cargas elevadas e recorrentes durante a operação. Validar a qualidade de componentes leves fabricados, como pistões e bielas, é essencial para garantir uma longa vida útil. Os engenheiros realizam testes intensivos tanto em máquinas de ensaio de tração e compressão no laboratório como em bancadas de ensaio em aplicações reais de motores. O Departamento de Testes da Pankl Racing Systems fornece uma visão sobre o seu uso diário da tecnologia Dewesoft combustion engine analyzer (CEA) para análises detalhadas.
Pankl Racing Systems tem sua sede na pequena cidade industrial de Kapfenberg, no sudeste central da Áustria, na confluência dos rios Mürz e Thörlbach.
A divisão Pankl High-Performance é um fornecedor de primeiro nível especializado no desenvolvimento e na produção de componentes para motores, chassis e sistemas de transmissão. Seus clientes incluem a indústria automotiva, várias equipes de esportes motorizados e o setor da aviação.
A Pankl se destaca nesses mercados de nicho com componentes leves fabricados a partir de materiais inovadores e de alta qualidade, projetados para suportar cargas mecânicas extremas.
Testes de componentes
O Departamento de Sistemas de Motor é especializado em bielas, pistões e virabrequins, disponíveis como componentes individuais ou como sistemas completos. Realiza o projeto dos componentes internamente – desde o design inicial até o cálculo FEM de todo o sistema.
Diplom-Ingenieur (DI) Elias Hillebold é o responsável pelo banco de ensaios de motores. Primeiro, ele me mostrou toda a empresa, onde percebi a complexidade desse desenvolvimento altamente especializado.
As bielas para competição são fabricadas em aço de alta resistência e ligas de titânio, para as quais a Pankl desenvolveu suas estratégias de fabricação. Os engenheiros também aplicam a experiência adquirida nas corridas à produção em série de veículos de alto desempenho.
Os engenheiros cortam amostras de produtos de série, moldam-nas em corpos-de-prova e as retificam até ficarem planas. A textura da superfície é então analisada com um microscópio eletrônico de varredura. Eles também testam materiais existentes e novos nas inspeções de entrada; imagens ampliadas e coloridas de superfícies metálicas estão espalhadas por todo o escritório. Fica-se impressionado com o detalhado know-how do processo e com a paixão que os técnicos demonstram em seu trabalho.
Além das máquinas de ensaio de tração e compressão, há aqui um banco de ensaio de resistência à fadiga. Atualmente, os operadores estão fixando uma biela à qual aplicam extensômetros. A excitação por pulso de ressonância executa um perfil de frequência e amplitude por um número definido de ciclos ou até a fadiga, sob monitoramento constante.
Entramos na última sala no final do corredor. O ar cheira a metal e combustível. Aqui fica o banco de ensaios de motores e sua oficina associada. É onde a expertise interdisciplinar do engenheiro mecatrônico se torna evidente: multímetros e sensores ficam ao lado de peças metálicas precisamente fabricadas e com tratamento de superfície.
O banco de ensaios de motores e o motor de teste
A Pankl Racing desenvolveu seu próprio motor de combustão monocilíndrico para testar os componentes de motor fabricados em operação real. Essa configuração os torna menos dependentes de centros de ensaio externos e permite ainda maior detalhamento.
Nem tudo sai sempre conforme o planejado durante o desenvolvimento, por isso é crucial, por exemplo, detectar prontamente batidas (detonação) perigosas nessas altas rotações do motor e eliminá-las para minimizar danos.
A Pankl Racing, portanto, tem dois objetivos principais: o desenvolvimento contínuo de motores de combustão e os testes internos de seus componentes.
Equipamentos e softwares utilizados
O sistema de medição universal Dewesoft SIRIUS, em sua versão de alta velocidade de 1 MHz, é ideal para os requisitos de maior resolução angular.
SIRIUSi-HS-6xCHG-2xCHG+ - um sistema de medição SIRIUS de alta velocidade, 1 MHz por canal, oito entradas analógicas para carga/IEPE/tensão + 2x entradas digitais rápidas para sensor de ângulo
DewesoftX CEA-BASE e CEA-ADVANCED – opções de software para medições de combustão e cálculo de parâmetros de combustão (por exemplo, termodinâmica) no DewesoftX software de aquisição de dados e processamento de sinais
DewesoftX OPT-CAN (incluído com o SIRIUS, porta CAN na traseira do aparelho) – opção de software para comunicação com a unidade de controle (recebimento e envio de dados pelo barramento CAN)
L1B7m-3xBNC-BOX - uma caixa de conexão (Bayonet Neill-Concelman) projetada para manter a impedância característica do cabo na conexão para o sensor de ângulo do virabrequim (3x BNC para entrada de contador SIRIUS de 100 MHz)
DewesoftX PLUGIN-CA-TESTBED - uma opção de software para comunicação Ethernet com o banco de ensaio da KS Engineers
Medições e resultados
Desde que os regulamentos da Fórmula 1 reduziram o consumo de combustível para aproximadamente 100 kg, os motores de combustão atuais devem operar com uma mistura ar/combustível muito mais magra, o que significa que componentes individuais, como as velas de ignição, precisam ser constantemente customizados e adaptados ao motor.
O princípio de ignição por pré-câmara é conhecido há mais de 100 anos. Os engenheiros aplicaram-no inicialmente aos primeiros motores diesel, e ele permanece amplamente utilizado em motores a gás e em grandes geradores de energia. No entanto, ele também voltou a encontrar aplicação na Fórmula 1 e funciona como um sistema de ignição.
Esse princípio permite que motores a gasolina operem em condições de mistura ar-combustível magra, melhorando a eficiência de combustível, economizando cerca de 20% do combustível e reduzindo as emissões. Funciona de modo que um volume menor de combustível é injetado na pré-câmara e incendiado com uma vela de ignição convencional.
O jato de chama extremamente quente sai da câmara através de micro-bicos, formando um padrão estrelado em todas as direções, e inflama o restante da mistura em tempo mais curto e de forma mais completa do que uma vela tradicional. A ignição da câmara principal ocorre muito pouco antes do ponto morto superior (PMS).
O desafio no desenvolvimento é controlar com precisão a injeção em uma câmara pequena, que deve operar com acurácia sob todas as condições variáveis do motor. Os engenheiros realizam numerosas simulações CFD (Computational Fluid Dynamics - Dinâmica dos Fluidos Computacional) para obter um entendimento mais profundo e previsões de comportamento mais precisas. Outro problema é a temperatura muito alta dentro da pré-câmara.
Para avaliar o aumento de desempenho das alterações nos componentes, quais parâmetros do CEA são agora mais interessantes para o cliente?
"Os pontos de conversão de massa - MFB (Mass Fraction Burned) - em 10%, 50% e 90% são os de maior interesse", explica Elias Hillebold. "Esses pontos MFB fornecem uma visão da velocidade de combustão do motor. A curva deve ser o mais inclinada possível para alcançar a maior eficiência do motor."
Ao revisar os dados de medição para este estudo de caso, descobrimos por acaso a opção de curva de trocas gasosas no widget CEA Scope. Achamos essa configuração muito útil; anteriormente, tínhamos que exportar os dados para o MATLAB para acessar essa visualização.
Os engenheiros usam a curva de trocas gasosas para determinar como o sistema de escapamento influencia a combustão. Ocorre um efeito de sucção no tubo de escape, causando um pulso de pressão na admissão. Os preparadores usam intencionalmente esse efeito para obter mais potência.
Conclusão - módulo amplamente aplicável
A Pankl Racing inicialmente adquiriu o módulo de medição SIRIUS e o plug-in de software CEA exclusivamente para a medição de combustão, ou seja, registro e avaliação das pressões nos cilindros e dos ângulos do virabrequim. Os engenheiros coletaram dados e calibraram o modelo, permitindo uma comparação com o cálculo CFD.
Logo em seguida, a Pankl Racing Systems também adquiriu o Testbed Plugin, que permite a transmissão direta e ao vivo dos dados de medição para o banco de ensaio Kristl Seibt Tornado. O plugin é essencial para detectar detonações iniciais e encaminhá-las.
Desde então, a área de aplicação expandiu-se para incluir muitos canais de medição adicionais. Os engenheiros verificam os dados da ECU (verificação de parâmetros), registram a corrente do injetor usando garras de corrente e medem tempos de atraso. A gravação simultânea a partir de uma célula de carga fornece mais insights. O Testbed Plugin e o módulo CEA podem ser combinados para identificar todos os fatores influentes e otimizar os parâmetros da ECU.