Automatização de um dinamômetro hidráulico para ensaios de motores de combustão interna

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2015.

Esta dissertação apresenta a automatização de um dinamômetro hidráulico instalado na cabine de testes de motores de combustão interna do laboratório de máquinas térmicas da Universidade de Brasília. O dinamômetro é operado por meio de um controlador analógico que comanda o freio do equipamento pela variação da pressão interna gerada pelo vórtice da água no circuito hidráulico. A pressão interna, por sua vez, é controlada por uma válvula borboleta acoplada a um servo motor de corrente contínua comandado por um controlador PID analógico. O objetivo desse estudo é substituir esse sistema analógico por um sistema de controle digital. Para entender o funcionamento do dinamômetro levantou-se seu modelo usando a teoria unidimensional integrada e a modelagem do fluxo de vórtice simplificadas. A automatização do dinamômetro é implementada com microcomputador em um sistema supervisório SCADABR que se comunica com subsistemas de medição de torque e de rotação digitais, e um subsistema de controle do servo motor CC implementado com micro controlador Arduino. O controle do dinamômetro é implementado com um algoritmo de controle com ganho Proporcional Derivativo, sintonizado por meio do segundo método de Ziegler-Nichols. O novo sistema foi usado no ensaio de velocidade constante de um motor Diesel e os resultados, comparados com o sistema analógico, apresentaram respostas mais rápidas nos testes de altas e baixas rotações do motor. O sistema desenvolvido se mostrou robusto e versátil e permitirá a implementação de novos tipos de ensaios no dinamômetro. ________________________________________________________________________________________________ ABSTRACT

This dissertation presents the automation of a hydraulic dynamometer installed in the internal combustion motor test cabin of the Thermal Machines laboratory of the University of Brasilia. The dynamometer is operated by an analog controller that commands its break by varying the internal pressure generated by the vortices of the water in the hydraulic circuit. The internal pressure is controlled by a butterfly valve coupled to a DC servomotor that is command by an analog PID controller. The objective of the study is to substitute the analog control system by a digital control system. To understand the nature of the dynamometer, its model was elaborated using the simplified uni-dimensional theory and the modeling of flux vortex. The automation is implemented with a SCADABR supervisory system in a microcomputer linked to a torque measurement subsystem, a velocity measurement subsystem and a DC servomotor controller implemented with an Arduino board. The control of the dynamometer is implemented with a proportional derivative PD gain algorithm that was tuned with Ziegler Nichols's second method. The new system was used in to implement the constant velocity test of a diesel motor and the results, compared with the analog system, showed faster responses in the low and high rotation tests of the motor. The developed system proved to be robust and versatile and will permit the implementation of other test strategies of the dynamometer.