Desenvolvimento de um modelo didático de motor de combustão

Resumo

As escolas de ensino superior têm buscado proporcionar aos seus alunos um ambiente educacional que aborde a teoria e a prática a fim de prepará-los para os desafios de sua vida profissional. Neste contexto, o Project Based Learning (PBL) — o aprendizado baseado em projeto —, tem sido aplicado como metodologia de ensino ativa. O grande desafio desta pesquisa é desenvolver um PBL que trabalhe com as competências do aluno de engenharia mecânica e/ou produção, conforme o que dispõe o Artigo 12 do Conselho Federal de Engenharia e Agronomia (Resolução nº 218, de 29 de junho de 1973), através das atividades práticas propostas nas disciplinas do curso. Dessa maneira, o presente trabalho visa a aplicação do método PBL para o desenvolvimento de projeto e construção de um motor didático monocilíndrico de 4 tempos de ciclo Otto. A escolha deste projeto se dá pela abrangência que este tipo de máquina tem, tanto nos conceitos de engenharia como na sua aplicação comercial. A proposta do modelo didático, ou seja, sem injeção e queima de combustível, é uma solução viável, pois os motores são máquinas complexas, que exigem elevada precisão e funcionam pela explosão de uma mistura de ar/combustível dentro da câmara de combustão. Se mal dimensionado, pode representar risco para quem o manipule. Além disso, as peças mais complexas de um motor comercial têm um custo elevado, o que inviabiliza a proposta de um produto individual por estudante. O aluno irá projetar os principais componentes de seu motor e compreender o seu mecanismo de funcionamento. Os conceitos de termodinâmica envolvidos no sistema — como a queima de ar/combustível que produz a transformação da energia fornecida pela reação química em energia mecânica —, poderão ser explorados em uma bancada didática de um motor funcional. Como resultado desta pesquisa, tem-se o projeto e montagem dos principais componentes do motor didático no software CAD Inventor. São eles: virabrequim, biela, pistão, cilindro/cabeçote, comando de válvulas, válvulas, entre outras peças como suporte, transmissão de potência através de um sistema de polias, manípulo, mola e parafusos. A próxima etapa é a confecção de um protótipo, onde as peças poderão ser usinadas nas máquinas do laboratório de usinagem e na impressora 3D. O objetivo é que o aluno possa confeccionar suas próprias peças utilizando as diversas máquinas disponíveis na indústria. Além disso, um sistema eletrônico deverá ser incorporado ao motor a fim de explorar temas de programação/eletrônica no curso e mostrar através de um led o processo de faísca da vela, por exemplo.

Palavras-chave: motor; modelagem CAD; componentes.

Abstract

Higher education institutions have sought to provide their students with an educational environment that addresses theory and practice to prepare them for the challenges of their professional lives. In this context, Project Based Learning (PBL) has been applied as an active teaching methodology. The great challenge of this research is to develop a PBL that works with the competencies of the mechanical and/or production engineering student, as provided in Article 12 of the Federal Council of Engineering and Agronomy (Resolution n^o. 218 of June 29, 1973), through the practical activities proposed in the course subjects. Thus, this work aims to apply the PBL method to develop the design and construction of a didactic 4-stroke single cylinder Otto cycle engine. The choice of this project is due to the scope that this type of machine has, both in engineering concepts and in its commercial application. The proposal of the didactic model, that is, without fuel injection and burning, is a viable solution, because engines are complex machines, which require high precision and function by the explosion of an air/fuel mixture inside the combustion chamber. If poorly sized, it can represent a risk to those who handle it. In addition, the most complex parts of a commercial engine have a high cost, which makes it unfeasible for a student to propose an individual product. The students will design the main components of their engine and understand its working mechanism. The thermodynamics concepts involved in the system — such as the burning of air/fuel that produces the transformation of the energy provided by the chemical reaction into mechanical energy — can be explored on a didactic bench of a functional engine. As a result of this research, we have the design and assembly of the main components of the didactic engine using the Inventor CAD software. They are: crankshaft, connecting rod, piston, cylinder/head, camshaft, valves, among other parts such as support, power transmission through a system of pulleys, knob, spring, and screws. The next step is the making of a prototype, where the parts can be machined in the machining lab equipments and 3D printer. The goal is for students to be able to manufacture their own parts using the various machines available in the industry. In addition, an electronic system should be incorporated into the engine to explore programming/electronics topics in the course and show through a led the spark plug process, for example.

Keywords: engine; CAD modeling; components.

Resumen

Las escuelas de educación superior han tratado de ofrecer a sus alumnos un ambiente educativo que asocie la teoría a la práctica para prepararlos para los retos de su vida profesional. En ese contexto, el Project Based Learning (PBL) — el aprendizaje basado en proyecto —, ha sido aplicado como metodología de enseñanza activa. El gran reto de esta investigación es desarrollar un PBL que trabaje con las competencias del estudiante de ingeniería mecánica y/o de producción, según lo dispuesto en el artículo 12 del Consejo Federal de Ingeniería y Agronomía (Resolución n^o 218, de 29 de junio de 1973), a través de las actividades prácticas propuestas en las disciplinas del curso. De esa manera, el presente trabajo pretende hacer una aplicación del método PBL para el desarrollo de proyecto y construcción de un motor Otto didáctico de 4 tiempos monocilíndrico. La selección de ese proyecto se debe a la amplitud de ese tipo de máquina, tanto en los conceptos de ingeniería como en su aplicación comercial. La propuesta de un modelo didáctico, es decir, sin inyección y quema de combustible, es una solución viable, pues los motores son máquinas complejas, que exigen elevada precisión y funcionan por la explosión de una mezcla de aire/combustible dentro de la cámara de combustión. Si está mal dimensionado, puede representar riesgo para quien lo manipule. Además, las piezas más complejas de un motor comercial tienen un costo elevado, lo que dificulta la propuesta de un producto individual por estudiante. El alumno proyectará los principales componentes de su motor y comprenderá el mecanismo de su funcionamiento. Los conceptos de termodinámica del sistema — como la quema de aire/combustible que causa la transformación de la energía producida por reacción química en energía mecánica — podrán ser explorados en un banco didáctico funcional de motores. Como resultado de esta investigación, se tiene el proyecto y montaje de los principales componentes del motor didáctico en el software CAD Inventor. Son ellos: cigüeñal, biela, pistón, cilindro/culata, comando de válvulas, válvulas, entre otras piezas como soporte, transmisión de potencia a través de un sistema de poleas, perilla, resorte y tornillos. La etapa siguiente es la construcción de un prototipo, cuyas piezas podrán ser mecanizadas en un taller de mecanizado y en una impresora 3D. El objetivo es que el estudiante pueda elaborar sus propias piezas utilizando las diversas máquinas disponibles en la industria. Además, un sistema electrónico deberá ser incorporado al motor con el fin de explorar temas de programación/electrónica en el curso y demostrar, por medio de un led, el proceso de chispa de la bujía, por ejemplo.

Palabras-clave: motor; modelaje CAD; componentes.