Testes de motor

A localidade MAHLE em Muskegon, MI, EUA.

Componentes para testes de motor são uma parte indispensável do desenvolvimento do motor. Testes realizados internamente proporcionam fatos inquestionáveis sobre a funcionalidade e a qualidade dos produtos.

O Grupo MAHLE mantém 13 Tech Centers, que reúnem oito instalações de testes, com uma capacidade total de 92 bancadas de teste. Os Tech Centers e, portanto, os laboratórios de testes de motores, estão localizados próximos aos mais importantes centros de desenvolvimento da indústria automotiva, permitindo assim estreita cooperação com os clientes em suas localidades.

O desenvolvimento e teste de motores e seus componentes está cada vez mais descentralizado. A transparência e a troca de informação entre as várias localidades de teste são, portanto, indispensáveis.

As localidades de teste da MAHLE são interligadas através de bancos de dados e plataformas de trabalho globais. Isto significa que os dados técnicos estão localmente disponíveis a qualquer momento e que a troca regular de informação e experiências está assegurada. Estratégias para testes de motores, métodos de medição e análise e programas de teste são discutidas e comparadas durantes reuniões realizadas regularmente.

Os testes de motores realizados pela MAHLE envolvem uma série de tarefas que, essencialmente, são divididas em seis áreas.

Desenvolvimento de métodos de teste
Novos métodos de medição, teste e análise proporcionam informação importante para o desenvolvimento de novos produtos. Seguindo uma coordenação global e desenvolvimento local, novos métodos são lançados globalmente no Grupo MAHLE. Isto significa que estes novos métodos podem ser implementados em todas as localidades, fornecendo informação e fatos valiosos tanto para a MAHLE quanto para seus clientes.

Pesquisa fundamental
Esta área inclui preparação e verificação de catálogos de ações genericamente aplicáveis para problemas especiais e áreas de interesse.

Testes de motor de novos produtos
Antes que novos produtos sejam liberados para as aplicações dos clientes, eles devem atender a um alto grau de maturidade e funcionalidade. Assim, novos produtos são testados e validados internamente em baterias de testes de motores.

Testes de produtos em moto até a produção em série
Durante o desenvolvimento do produto, produtos existentes são adaptados às especificações dos clientes e testados em baterias de testes de motores específicas para cada cliente. Testes holísticos de uma unidade power cell (PCU, incluindo pistões, anéis de pistão e camisas de cilindros) são indispensáveis para avaliar as interações entre componentes individuais e harmonizá-los uns em relação aos outros.

Pesquisa de problemas
Complicações com produtos na produção em série requerem resposta imediata. Falhas no campo podem ser reproduzidas com baterias de testes apropriados em uma instalação de testes de motores de forma que potenciais medidas corretivas possam ser testadas.

Serviços de desenvolvimento
Testes de motores podem proporcionar ao cliente um extensivo suporte baseado em experiência e conhecimento técnico, realizando-se uma ampla gama de testes no papel de fornecedor de serviços de desenvolvimento.

 

Testes de motor são um dos passos finais no desenvolvimento de qualquer produto. Somente a real operação do motor pode mostrar o verdadeiro comportamento operacional dos componentes e as interações potenciais com outros componentes. Antes dos testes de motor, cujo foco é conseguir os principais objetivos do desenvolvimento, não se pode implementar nem demonstrar a eficácia das medidas detalhadas de otimização listadas abaixo.

  • Verificação da funcionalidade e da resistência de componentes
  • Otimização do consumo e separação do óleo
  • Prevenção do acúmulo de carbonização e depósitos de resíduos diversos
  • Otimização do arrefecimento de componentes e da distribuição da temperatura
  • Otimização do comportamento acústico e da vibração
  • Otimização de sistemas de fluxo
  • Minimização das perdas por atrito e do desgaste de componentes
  • Análise do comportamento termodinâmico e de emissões
  • Aplicação do mapa de operação e população de dados.

   

As bancadas de teste de motores MAHLE podem acionar unidades que vão de pequenos motores de dois tempos a motores gasolina e diesel usados em veículos de passeio ou em pesados veículos comerciais. As bancadas cobrem potências de até 1.200 kW.

Os modernos sistemas de automação de testes de bancada agora são o estado da arte e permitem operação contínua e não monitorada do motor. Complexas ferramentas de logística para o planejamento das sequências de teste e sistemas de troca rápida encurtam os tempos de preparação das bancadas, aumentando substancialmente sua taxa de utilização e evitando tempo ocioso desnecessário.

Além de diversos desenvolvimentos mecânicos e bancadas de teste funcionais, e também de bancadas de teste para análises de termodinâmica emissões, a MAHLE opera diversas bancadas especializadas nas quais outras áreas importantes de desenvolvimento são encaminhadas, tais como perdas por atrito, acústica e partidas a frio.

Desenvolvimento mecânico e bancadas de testes funcionais

Todos os meios operacionais do motor são condicionados pela bancada de testes para desenvolvimento mecânico, verificação funcional e testes de longo prazo relacionados à resistência de componentes. Os freios ativos das bancadas de teste conduzem a operação do motor, de forma que sistemas de freios de veículos comerciais também podem ser testados, por exemplo.

Além de programas de teste específicos da MAHLE, todos os testes específicos dos clientes (por exemplo, testes de choque térmico) podem ser realizados.

Bancadas de testes termodinâmicos

Além dos sistemas de condicionamento das bancadas de teste para bancadas de testes de desenvolvimento mecânico e teste funcional, as bancadas de testes termodinâmicos estão equipadas com sistemas de condicionamento do ar de admissão. Sistemas de indexação de alta e baixa pressão e ferramentas de análise correspondentes estão disponíveis para os testes termodinâmicos. Para analisar os componentes dos gases de escape, sistemas FTIR (Fourier Transform Infrared Spectrometer, ou Espectrômetro de Infravermelho por Transformada de Fourier) estão disponíveis, além da típica análise de cinco componentes. Diversos instrumentos de medição também são usados para analisar a massa ou a contagem das partículas nos gases de escape.

Bancada de teste a frio

Bancadas de teste a frio

A bancada de testes a frio permite que o comportamento de partida a frio do motor seja avaliado e diversos revestimentos de superfície sejam testados no que concerne a danos de arrastamento devidos à partida a frio. A bancada de teste inteira, incluindo o refrigerante, óleo e temperaturas do ar de admissão podem ser resfriada até –28 °C.

Bancada de teste acústico

Bancadas de testes acústicos

Bancadas de teste de baixa reflexão são usadas para testes NVH (ruído, vibração, dureza) para otimizar o comportamento acústico de componentes como pistões, bronzinas, componentes do trem de válvulas e módulos de admissão. Podem ser feitas tanto medidas de ruído transmitidos pela estrutura como pelo ar. Baterias definidas de teste podem reproduzir com precisão a estimulação por ruído na bancada de testes, permitindo a comparação objetiva de potenciais medidas corretivas.

Bancada de teste de força atrito para motores completos

Bancadas de teste de força de atrito

Um importante fator que contribui para a redução do CO2 é a minimização das perdas por atrito no motor. Além de simular e determinar coeficientes de atrito fora do motor, a MAHLE usa diversos métodos de medição de motores para determinar e minimizar as perdas por atrito.

As forças de atrito dos pistões, anéis de pistão e grupo do cilindro podem ser determinadas como função do ângulo do virabrequim em um motor de um cilindro com camisa flutuante, medindo-se as forças axiais que agem na camisa do cilindro.

Com a bancada de testes de força de atrito para motores completos, a MAHLE usa uma ferramenta que determina mapas de operação de pressão de atrito média usando o método em um motor completo acionado. Uma ampla gama de variação de parâmetros de projeto permite, assim, que as medidas sejam comparadas ao longo de todo o mapa de operação. Usando o mapa de operação de pressão de atrito média, podem ser usadas ferramentas de simulação adequadas para calcular as emissões de CO2 em ciclos de condução relevantes para o cliente.

Os motores dos clientes podem, assim, ser individualmente otimizados com relação às emissões de CO2 em ciclos de condução legalmente relevantes.

Superfície do refrigerante de uma camisa de cilindro danificada por cavitação

Cavitação

A cavitação, especialmente nas camisas de cilindro úmidas dos motores de veículos comerciais de grande porte, podem causar corrosão na camisa do cilindro e, assim, levar à falha do motor depois de longos períodos de funcionamento. A eficácia de medidas corretivas normalmente tem que ser demonstrada através de longas baterias de durabilidade, de alto custo.

Micrografia de uma camisa de cilindro danificada por cavitação

A MAHLE desenvolveu um complexo método de medição e uma metodologia de análise que permite que a propensão à cavitação seja diagnosticada e analisada. A eficácia das medidas corretivas pode, assim, ser demonstrada rapidamente e a custo baixo.

Mapa de caracterização de consumo estacionário do óleo

Consumo do óleo

Além de métodos gravimétricos convencionais para determinar o consumo do óleo, tais como métodos de pesagem ou volumétrico, ou ainda da medição do nível do óleo no cárter, a MAHLE usa métodos químicos analíticos. Também são usados métodos baseados em rastreadores tais como enxofre ou trítio, na medida que são métodos analíticos químicos livres de rastreador.

Consumo do óleo em um teste dinâmico

 O uso de espectrometria de massa para determinar o consumo do óleo é um método analítico químico livre de rastreador que está ganhando importância. O método fornece uma grande quantidade de informação em um curto período de tempo. Mapas estáticos de caracterização de consumo do óleo pode, assim, ser criados em poucas horas. Graças à medição contínua da concentração do óleo no gás de escape, é possível determinar o consumo do óleo em condições de operação transiente. A responsividade do sistema de medição é rápida o suficiente para avaliar até mesmo efeitos altamente dinâmicos do consumo do óleo, tais como ciclos rápidos de carga e velocidades. Extrair o gás de escape diretamente depois da câmara de combustão permite que sejam feita medições seletivas para cada cilindro.

Amplos estudos têm produzido catálogos de medições que podem ser usadas para a otimização do consumo do óleo.

Temperatura do pistão

Para cálculos confiáveis da vida útil do pistão, é absolutamente necessário determinar a temperatura do pistão. Dependendo dos requisitos, diversos métodos de medição são usados para avaliar as temperaturas dos componentes.

Um método rápido e simples é o uso de um templug (roscas de aço feitos de uma determinada liga) para determinar a temperatura do pistão em um ponto fixo de operação. A resistência residual e o tempo de aplicação do templug podem ser usados para calcular a temperatura máxima de um componente.

Pistão de veículo de passeio sujeito à metrologia NTC

Este método de medição, conhecido como NTC, é usado para requisitos mais elevados. Semicondutores conhecidos como NTC’s são usados como sensores de medição. Os dados são transferidos sem contato, usando acoplamento indutivo, para uma unidade externa de aquisição e análise de dados. Até três ponto de medição podem ser aplicados a cada pistão.

Para os requisitos mais elevados, ou seja, para medições extensivas ao longo de todo o mapa de operação, variações de parâmetros e medições transientes em baterias de testes específicos para um cliente, é usado o sistema conhecido como RTM (Real-time Telemetry Piston Temperatura Measurement System). Neste caso, as temperaturas dos componentes são medidas por meio de termopares NiCr-Ni. O sinal analógico de voltagem dos sensores de medição é modulado em um sinal digital por um amplificador de sinal do sensor montado no pistão. A telemetria é usada para transmitir o sinal modulado sem fio para uma unidade externa de aquisição e análise de dados. Até sete pontos de medição podem ser fixados ao pistão.

Os clientes podem usar este método de medição em tempo real nas plantas da MAHLE para projetar a aplicação de combustão de forma que as cargas térmicas máximas permissíveis para o componente não sejam excedidas.

Pistão de veículo de passeio com dano por detonação

Detonação

Falhas de detonação em motores a gasolina podem levar a danos no pistão, ou mesmo à falha do motor. Usando um método de medição e análise desenvolvido na MAHLE, cada evento individual de detonação pode ser detectado e quantificado, ao mesmo tempo em que a intensidade da detonação é determinada em tempo real. A comparação entre as amplitudes do detonação e o ângulo de ignição permite tirar conclusões sobre os controles de detonação, permitindo assim otimização e verificação de tais sistemas de controle.