Redução de emissões e consumo de combustível Alternadores High Efficiency com redução de peso e materiais de perda magnética reduzida

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1 Redução de emissões e consumo de combustível Alternadores High Efficiency com redução de peso e materiais de perda magnética reduzida Jair Pasquini¹, Heleno Penachin² e Fernando Landgraf3 Robert Bosch Ltda. Universidade de São Paulo - USP. s: jair.pasquini@br.bosch.com; heleno.penachin@br.bosch.com f.landgraf@uspbr RESUMO Nesse trabalho estaremos concentrados no alternador veicular, através da nova família de produtos com faixa de potencia de 7A até 6rpm (temperatura 25ºC), com o aumento significativo da relação W/kG e da eficiência em até 4% conforme método VDA, em comparação aos produtos atuais disponíveis no mercado. Mantida a competitividade do produto exigida pelos mercados de veículos de baixo custo, acrescenta-se também uma outra característica que é o baixo momento de inércia do rotor reduzindo o impacto das acelerações no motor de combustão, além de ruído reduzido. Com uma extensão do design dessa família obtém-se uma versão qualificada chamada Ultra Quiet. Um projeto de design robusto e cálculo elétrico adequado garantem o suprimento de energia exigida pelos consumidores elétricos do veículo, com elevada eficiência e redução de consumo de combustível e emissões. Alternadores com eficiência acima de 7% reduzem o consumo em até,5l/1km em comparação com os modelos antigos, em ciclos práticos de rodagem. As reduções das perdas internas do alternador, implicam no aumento de eficiência. Para redução de perda utilizam-se materiais (Chapas de aço) com perda magnética reduzida (histerese magnética). Por outro lado, essas chapas de aço devem suportar um processo de produção, principalmente do estator que inclui estampagem e rolagem tipo Slink, este processo por sua vez infringe deformações no Yoke do estator que causarão perdas magnéticas mais elevadas nesta região. O desenvolvimento do material com perda magnética reduzida e segurança do processo com redução de perdas através da deformação, proporcionou a definição de um material nacional para produção de chapas de aço laminado nas espessuras de,35 e,mm assegurando o processo de estampagem/rolagem do pacote do estator com um aumento de eficiência em todas as faixas de potência do alternador de até 3,5%. Soma-se a isso uma otimização do design elétrico para uma máquina de 6rpm (temperatura 25ºC) atingindo valores de 7% de eficiência, garantindo uma redução de consumo de combustível e emissões desejadas. 1) Diretor de Engenharia Motor de Partida e Alternadores Bosch 2) Chefe de desenvolvimento e aplicação de alternadores Bosch 3) Professor Dr. Ciência dos materiais USP

2 1.INTRODUÇÃO Dentro do contexto do programa governamental de aumento de eficiência veicular, a Bosch tem desenvolvido tecnologias de sistemas e produtos que proporcionam redução de consumo de combustível e de emissões. Dentre eles o sistema de recuperação de energia que tem como componente principal o alternador de alta eficiência. Segundo informado pela Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental (CETESB), dentre as principais ações para redução da poluição causada pelos sistemas de transporte, independentemente do país onde ela ocorra, passa por diversas ações como a articulação do planejamento de uso e ocupação do solo e melhoria do sistema viário; a melhoria do sistema de transportes; a redução das emissões de veículos automotores; a melhoria dos sistemas de circulação e fiscalização do tráfego; a melhoria da qualidade dos combustíveis e alternativas energéticas de baixo potencial poluidor; o desenvolvimento de instrumentos econômicos e fiscais; educação e o desenvolvimento social [1]. Pesquisas do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG) da USP, realizadas com amostras de emissões veiculares colhidas em túneis da cidade de São Paulo, confirmaram que as substâncias destas emissões são as maiores responsáveis pelo excesso de ozônio registrado na Região Metropolitana de São Paulo. Os estudos mostraram também que a gasolina utilizada no Brasil é ainda mais nociva neste aspecto do que as gasolinas mais limpas (como a utilizada no estado da Califórnia nos Estados Unidos) e o etanol [2]. Esta concentração fica ainda mais agravada quando envolvem túneis ou lugares de baixa circulação de ar em dias quentes, onde os gases encontrados são na sua totalidade proveniente de emissões veiculares e a reação de formação do ozônio é intensificada pela maior presença da radiação solar [1]. O grande desafio das empresas fabricantes de veículos e fornecedores de sistemas e componentes automotivos é oferecer produtos e soluções que possam atender esta expectativa de redução dos níveis de poluição no ar dos grandes centros. Com esse desafio o foco o principal da Bosch se tornou a redução da emissão dos hidrocarbonetos e CO. Adicionalmente temos a existência do programa que relaciona o consumo de combustível com o poder calorífico (CONPET - Programa Nacional de Racionalização do Uso dos Derivados do Petróleo e do Gás Natural). Esse programa constitui na criação de uma etiqueta que informará a eficiência energética dos veículos, facilitando a escolha entre modelos mais econômicos e eficientes. Os carros serão classificados de A a E, sendo A o mais econômico. A adesão de montadoras e importadoras ao programa é voluntária [11]. 21) Redução de consumo, baseada na reprodução contínua de simulação normalizada do ciclo de medição ECE15/NEDC.

3 A inexistência de uma legislação específica obrigatória de consumo de combustível resulta no interesse individual das montadoras de veículos e as fabricantes de sistemas e autopeças orientadas pela competitividade, tecnologia e sustentabilidade. Nesse contexto a Bosch vem desenvolvendo sistemas e produtos mais eficientes que proporcionam a redução de emissões e de consumo de combustível. Nesse trabalho nos vamos concentrar no aumento da eficiência do alternador que é medida através da comparação da energia fornecida pelo motor a combustão e a energia elétrica gerada pela máquina elétrica, cujo método de medição é o procedimento VDA (Verband Deutsche Automobil Hersteller) que pondera um mapeamento de rotações e respectivas saídas de potência do alternador. Outro sistema citado no trabalho é o sistema de recuperação de energia através do controle de carga da bateria que proporciona uma redução de combustível de até 2% em um ciclo. 2. Emissões legislação local e internacional para aplicação veicular Novas legislações mais agressivas de redução de emissões de CO2 e de consumo de combustíveis fósseis estão sendo difundidos principalmente na Europa e no Japão, com níveis de até 13 e 1 g/km em 212, respectivamente. Níveis muito mais reduzidos são objetivos para 2 e estão pendentes em discussões nos conselhos e entidades nos Estados Unidos. Legislation & Commitments EU CAFE CARB CHINA JAPAN l/1 km 1,5 9,4 8,4 7,5 6,3 5,7 4,2 3,8 mpg 22,3 24,9 27,9 31,2 37,2 41,6 55,7 62,3 gasoline (diesel) CO 3 2 g/km CAFE LT/MDV CAFE PC 1,9 t weight 14 O : in discussion, pending : agreed legislation Average CAFE PC and LT 13 EU targets PC CARB GHG LDT2/MDPV Senate Bill 357 average CAFE 35 mpg PC & LT CARB GHG PC/LDT CAFE = Corporate Average Fuel Economy PC = Passenger Cars, LT / LDT = Light Trucks (pick-ups, vans, SUVs), MD(P)V = Medium Duty (Passenger) Vehicles GHG = Greenhouse Gases NHTSA = National Highway Transportation and Safety Administration CARB = California Air Ressources Board mpg = miles per gallon China weight based limits (here for 1,9 tons curb weight) CAFE data NHTSA report October 26 EU data for ACEA (Association des Constructeurs Européens d Automobiles) 6th EU Report , for MY5 and 6 from T&E 26 / Bush 2 in 1 average 4%/a increase in mpg Japan fuel consumption PC average

4 O Proconve (Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos Automotores) estabelece os limites de emissões e principalmente o monóxido de carbono (CO) e os hidrocarbonetos para veículos nacionais. Outro programa de aumento de eficiência veicular foi lançado em outubro de 28 pelo Ministério de Minas e Energia sob coordenação do CONPET que relaciona o poder calorífico dos combustíveis e o consumo dos motores de combustão, medindo em kj/km, que para o consumidor final é traduzido em consumo de combustível. As montadoras participam voluntariamente desse programa de validação especifica em dinamômetro, controlada pelo CONPET, e recebem no final o selo de classificação de consumo de combustível de seus motores. Veículos com motores de consumo reduzido reforçam o marketing ecológico, a competitividade e fomentam o desenvolvimento de produtos e sistemas eficientes. Ciclos padrão de rodagem em dinamômetro são utilizados para levantamento dos índices de emissões; como por exemplo o americano FTP 75 (Federal Test Procedure 75) e o europeu NEDC (New European Driving Cycle), que correlacionam situações de velocidade, aceleração, marcha lenta e tempo de rodagem respectivos. A figura abaixo compara o impacto de emissões de um motor 2.L (gás) nos ciclos NEDC e FTP 75. Brazilian regulation Proconve Emission: Cycle Comparison EURO x FTP75 Passenger Car Emission limits Year CO HC NOx Jan/9 2,5 1 or,3 2,12 3 or, Hidrocarbonetos não metano (NMHC). 2 - Hidrocarbonetos totais somente para veículos a GNV, que também atendem ao item (1). 3 - Apenas para veículos do ciclo Otto, inclusive a GNV 4 Apenas para veículos do ciclo Diesel Brazilian Otto Vehicle Efficiency Program Result: - engine 2.L E22 (same calibration) Cycle test THC CO CO2 NOx NMHC CH4 Cons (L/1km) EURO,176 2,75 236,6,125,152,24 9,971 FTP75,125 1, ,44,17,1,25 11,17

5 3. SISTEMA DE RECUPERAÇÃO DE ENERGIA A distribuição das perdas de energia do veículo em movimento se concentra em: 62% perdas térmicas, 6% em propulsão, rodagem, frenagem, 17% perdas em marcha lenta (semáfor, congestionamentos, 13% para movimentação do veiculo e 2% em sistema elétrico que inclui os consumidores elétricos, bateria e alternador [12]. Um sistema de recuperação de energia que monitora a carga da bateria e otimiza a excitação elétrica do alternador Energy Brake Recovery proporciona uma redução de combustível de até 2 % para um ciclo de rodagem específico. Este sistema, apesar de não ser detalhado neste estudo, corresponde à diferença de energia elétrica gerada pelo alternador e a energia mecânica consumida pelo motor de combustão para a excitação do alternador. A otimização da excitação máxima na fase de desaceleração do motor para o carregamento da bateria e utilização desta energia elétrica acumulada nas fases de aceleração e manutenção da velocidade do veículo são traduzidas na redução de consumo de combustível, economizando a energia mecânica do motor de combustão nos respectivos ciclos de rodagem. Um software instalado na unidade eletrônica de comando do motor controla as fases de excitação do alternador via regulador de tensão (com comunicação) a partir de um monitoramento da carga da bateria através de um sensor eletrônico que analisa a função, o estado da carga e o seu envelhecimento em tempo real. Este processo se dá de maneira a garantir a energia exigida pelos consumidores elétricos do veículo. Energy Brake Recovery system overview Vehicle - Velocity + Driving stage Acel Dec. Acel. Dec. v Alternator control (Voltage) U Set Battery SOC (Energy accumulation) SOC Set Min t t t Remark Optimisation Alternator monitoring according to battery SOC and engine output demand Brake energy Recovery throught accumulation in 12V Battery CO 2 -Benefit: ~ 2,% in NEDC (wasted output altern.) Fuel saving Benefit : expected bis 2,5% local driving cycle Development grade Idea Study Development Series Study / customer application phase

6 4. Perdas Elétricas avaliação de eficiência O acionamento dos consumidores elétricos reduz a carga da bateria, que é reposta pelo alternador, que, por sua vez, consome energia mecânica do motor de combustão, e conseqüentemente, impactando no consumo de combustível. Ciclos de rodagem específicos, níveis de carga de consumidores elétricos e a eficiência dos alternadores são as variáveis dos níveis de potência mecânica exigida do motor de combustão. A demanda energética do veículo se dá pela ponderação baseada na taxa de utilização e na potência individual dos consumidores nos determinados ciclos de rodagem. Os ciclos de rodagem por sua vez simulam as diferentes condições de velocidade a que o veículo é submetido, a fim de entender o real significado destes ciclos para o alternador. Essa velocidade veicular deve ser convertida em rotação do motor e esta por sua vez, ser convertida para rotação do alternador. A eficiência dos alternadores depende da carga elétrica e da rotação do alternador sendo que a eficiência máxima se dá em cargas parciais (ca.% da máxima) e em regiões de rotação moderada (entre 18 3rpm). Por essa razão a eficiência nominal do alternador é dada por uma ponderação de rotações medidas com carga constante. O método mais largamente utilizado é o VDA que consiste na seguinte ponderação: Eta(%I nom )=Eta@18min -1.,25+Eta@3min -1.,4+Eta@6min -1.,25+Eta@1min -1.,1 1 Vehicle-velocity [km/h] (NEDC) L NEFZ =11km, T NEFZ =2min Shifting point Gear ratio Idle speed Engine speed 1 Generator speed [1/min] P G_el time [s] 1 M Mot k*p me n Mot ρ petrol =74g/l Generatorratio 1 time [s] Temperature 1/U G I G U G n G I G [A] Generator efficiency 2 <4% Fuel consumption Consumption combustion engine M Mot P Mot P propulsion P G_mech P mech_aggregates Belt efficiency 1 >55% >% >45% >4% 1 >65% >7% >6% Generator speed [1/min]

7 1 η Generator speed [1/min] 1 VDA =,25 η,4 η,25 η,1 η η i = P G_el time [s] P G_mech Temperature 1 1 >7% >65% n G Generator efficiency ( U )/1 i Ii I G [A] η 1 ( ) i = MDi ni Κ 2 <4% >55% >6% >% >45% >4% I G Generator speed [1/min] I G Charge Balance (A) - Example Electrical Loads [%] Ig [A] cluster + fuel injection 1 3, sidelight + rear light 1 3, headlight 1 9, blower avg. speed 13, máx. speed 25, auto radio engine cooling high speed fuel Injection System air condition compressor brake light indicator light heating - hear window wiper system - front (max. Speed) wiper system - rear etc Total of Loads 1 2, 1 28, 1 12, 1 3, 4 5, 3 2, 3 17, 3 3, 1 2, 9 U = Voltage I = Current MD = Torque n = Speed K = const. = 6/(2xπ) 5. Perdas elétricas do alternador impacto na eficiência A eficiência do alternador é dada pela razão entre a energia mecânica absorvida pelo alternador e a potência elétrica gerada, a diferença entre estas duas grandezas são o que chamamos de perdas. As perdas no alternador podem ser dividas em 3 categorias, mecânicas, elétricas e magnéticas. As perdas mecânicas estão relacionadas com as perdas por atrito nos rolamentos, coletores e ventoinhas sendo assim aumentam na maioria dos casos com o quadrado da rotação As perdas elétricas se dão nos diodos da ponte retificadora e nas resistências elétricas das bobinas do estator e rotor e são proporcionais a corrente fornecida. As perdas magnéticas são especialmente formadas por perdas por correntes de Foucault e histerese que se concentram nas superfícies das rodas polares e principalmente no estator.

8 Alternator power losses efficiency impact I G [A] 2 Generator efficiency <4% 1 1 >7% >65% >55% >6% >% >45% >4% Generator speed [1/min]

9 Segue a investigação resumida de dois materiais, suas propriedades químicas e mecânicas, utilizados para amostras de alternadores tipo 11A, com seus respectivos resultados de potência e eficiência. Para assegurar a eficiência esperada, com aços de perda magnética reduzida o Layout elétrico teve de modificado, aumentando a quantidade básica de cobre do estator. Material specification trials Serie Material New 1 New 2 Measurement with Thickness,5,5,5 B3 11A alternator LE máx Dureza HV1 C máx. Si Mn P máx. S máx. Al máx. 1, T 6Hz 1,5 T 6Hz Output 25 C (A) (18 / 6 rpm) ,6,2...,35,3...,5,3,25,3 máx. 1 máx. 19,1 / 113,4 138,2,74,54,36,8,24 7,3 13,83 47,54 / 112,1 145 (HV5),3,73,54,36,5,25 4,6 8,62 46,92 / 112,92 Electrical layout improvement Output (A) 25 C warm 18/6 55,8/115,8 56,7/114,6 56,2/115,3 Results (3 samples) VDA Efficiency (%) 67,1 66,3 67,4 VDA Efficiency (%) 63,45 66,8 67,88 Uma análise das perdas magnéticas, campo magnético, permeabilidade dos aços nas freqüências de 6 e 18 Hz foi profundamente investigada, resultando na especificação final do material e processo do pacote do estator com aplicação no alternador high efficiency Magnetic characteristics Material losses B vs. H curve 6Hz 18Hz

10 7. Portfólio de alternadores direcionados para potencia e eficiência. Alternadores com otimização da relação potência/kg (maior potência, menor peso), e aumento da eficiência em até 4% constituem a linha de alternadores New Base Line B3, B5. NBL Alternator Portifolio Output and efficiency driven Type M4 Current B 3-9 (B 3) B 3-11 (B 3Ph) B 3P-11 (B 3Ph+) B B U/min (A)* U/min (A)* Efficiency, VDA (%) Inertia (kg cm 2 ) Weight w/o pulley (kg) 5,2 4,8 4,9 5, 5,5 5,6 Outer diameter w/o screw (mm) Length w/o pulley (mm) ,5 12,5 Customer Benefits Optimized W/kg ratio (more output, less weight) Higher efficiency (ca. 4%) Less emissions 8. Portfólio de alternadores direcionados para eficiência Alternadores com otimização da relação potência/kg (maior potência, menor peso), e aumento da eficiência de 7 a 1% constituem a linha de alternadores Efficiency Line EL 5. Este representa o melhor da categoria no fator eficiência NBL Alternator Portifolio Efficiency driven Type M6E Current EL 5-13 EL -13HED 1.8 U/min (A)* U/min (A)* Efficiency, VDA (%) Inertia (kg cm 2 ) Weight w/o pulley (kg) Outer diameter w/o screw (mm) Length w/o pulley (mm) 24 5,7 142, , ,5 Customer Benefits Optimized W/kg ratio (more output, less weight) Best efficiency in class (ca. 7%-1%) Less emissions

11 9. Portfólio completo dos alternadores Bosch até 215, modelos New Base Line e Efficiency Line. Bosch Alternator Roadmap SOP standard SOP HED version Efficiency Line EL 8-21 (HED) Efficiency / Power density New Baseline High Efficiency to reduce fuel and CO 2 consumption High output optimized for Start/Stop applications Robust and reliable design Global platform Local production in emerging markets & EU EL 8-18 (HED) EL (HED) EL 7-1 (HED) EL 5-13 (HED) B B 3-11 (B3-9 in series) B Consumo de combustível/eficiência de alternadores A fim de se avaliar teoricamente o impacto to aumento de eficiência do alternador no consumo de combustível, é necessário primeiro se compreender a diferença entre os ciclos de avaliação de consumo e as condições reais de utilização do veiculo. No que se refere o coletivo de rotações tanto os ciclos americanos quanto os europeus são relevantes, no entanto em ambos os ciclos os veículos são testados sem cargas elétricas. Em outras palavras esta particularidade apenas avalia a eficiência mecânica do veiculo negligenciando completamente o impacto dos consumidores elétricos presentes 1 % do tempo nas condições reais de rodagem. A fim de realizar avaliações mais coerentes com as condições reais a Bosch adaptou os ciclos NEDC e ECC para veículos com diferentes perfis de consumidores.

12 Bosch-Simulations Fuel saving by 5% Fuel pts. saving alternator by 5%-pts. efficiency alternator increase efficiency increase,2 NEDC ECC Highway 12 km/h 1,8% 1,6% l / 1 km,15,1,5 1,4% 1,2% 1,%,8%,6%,4%,2% 3 W 8 W 12 W 3 W 8 W 12 W 3 W 8 W 12 W,% Compact class (l/1 km),2,7,11,4,11,18,1,3,4 Upper class (l/1 km),3,6,1,5,11,17,1,2,4 Compact class (% pro 1 km),2%,9% 1,3%,4% 1,% 1,7%,1%,3%,4% Upper class (% pro 1 km),2%,5%,8%,3%,6%,9%,1%,2%,3% Como resultado foram observados ganho entre,2% até 1,7% (dependendo do ciclo) para carros básicos para cada 5% de eficiência adicionais no alternador. Como a emissão de CO 2 é diretamente proporcional ao consumo de combustível as emissões serão também reduzidas. Alternator - CO 2 -Reduction Potential EU Driving Cycle Board net load ~3W Real Driving Board net load 8 12W NEDC [%CO 2 /km] ECE15 [%CO 2 /km] (NEDC) [%CO 2 /km] (ECE15) [%CO 2 /km] Efficiency (7% γ 75%),3 %,5 % 1 1,5 % 1,5 2 % Energy Brake Recovery 1 1,5% (limited at 14V) Increased Generator Efficiency: Additional benefit in real world driving Energy Brake Recovery: benefit in NEDC and real world Simulation 14V, AGM-Battery, Compact class, 4Zyl. Otto, 1kW, Manual transmission

13 11. CONCLUSÃO Como conclusão podemos dizer que a melhoria na especificação do aço do estator apresentou um bom custo benefício já que implicou no aumento de cerca de 3% na eficiência VDA do alternador, contribuindo com redução de consumo e emissões conforme indicado acima, no entanto, existe potencial de desenvolvimento de sistemas e produtos Bosch para atingir as metas as metas futuras de consumo e emissões. A fim de se dar seguimento no processo de melhorias técnicas, como redução nas perdas elétricas (diodos de alta eficiência) e larga utilização do sistema de recuperação de energia também devem ser implementadas. REFERÊNCIAS [1] CETESB. Relatório Qualidade do Ar no Estado de São Paulo 26. Secretaria de Estado do Meio Ambiente SP.São Paulo:26. [1.1] CONAMA. PROCONVE resolução 315/22 Art 3º e 4º. Disponível em Acesso em 29/7/28. [2] USP. Emissões veiculares são maiores causadoras da formação de ozônio em São Paulo. Disponível em www4.usp.br/index.php/noticias. Acesso em 25/7/28. [3] ROBERT BOSCH. Desenvolvimento Sistema Start/Stop Bosch. Campinas: 27 [4] ROBERT BOSCH. Dados institucionais. Disponível em Acesso em 26/7/28. [5]BAUER, Horst. Bosch Automotive Handbook. 4º ed. Stuttgart, Bauer &Partner GmbH, [6] ROBERT BOSCH. Electrical Energy Management Demonstrator Report. Campinas: 27 [7] ROBERT BOSCH. Catálogo de Baterias Bosch. 68.FP1.726/27, Campinas, 4, 4p, 27. [8] ROBERT BOSCH. Bosch AGM technology Battery Report. Campinas: 27 [9] ESTEVES, Gheisa Roberta Telle. Estimativa de Redução do Custo da Saúde Pública da Cidade de São Paulo.São Paulo: Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, 27, 157p. Tese (Doutorado). [1] ABVE. Meios de transporte são responsáveis por 9% da poluição em SP. Disponível em Acesso em 29/7/28 [11] Disponível em: (accesso ) [12] Unites States Economy Academy