ESTUDO DAS PERDAS DE ENERGIA EM UM MOTOR TÉRMICO VEICULAR

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1 TRABALHO INTERDISCIPLINAR PROJETO APLICADO INSTITUTO POLITÉCNICO Centro Universitário UNA ESTUDO DAS PERDAS DE ENERGIA EM UM MOTOR TÉRMICO VEICULAR Cássio Luis Souza, Davi Davis Lara de Moura, Diego Moreira da Silva, Ednan Alves Ferreira, Elimar Barbosa Gonçalves, Ludmila Vieira da Silva Matos e Raquel Fazendeiro Cândido Brito. Engenharia Mecânica - Professor PA Orientador: Henrique Augusto Galante Professores co-orientadores: Cláudio Márcio Santana, Daniel Januário Cordeiro Gomes, Diego Raimundi Corradi e Warley Lopes Moreira, Resumo O artigo estuda as perdas de energia em um motor térmico veicular. Sendo que os fatores que mais contribuem na diminuição da eficiência dos motores de combustão interna são as trocas térmicas entre os fluidos e componentes, os atritos dos componentes internos do motor e a entropia gerada nos sistema de escape de gases. O trabalho em questão se dedicará a entender esses três tipos principais de perdas de energia e indicará uma alternativa tecnológica promissora para contornar uma dessas perdas e aumentar a eficiência dos motores de combustão interna. Palavras chaves Motor de combustão interna, eficiência volumétrica, eficiência térmica, perdas por atrito. 1. Introdução As máquinas térmicas são sistemas que convertem energia térmica em energia mecânica. Desde 1698 esse princípio é utilizado, aplicado, nesta época, em máquinas de retirar água de minas. Com o passar do tempo, porém, foi sendo aprimorada e teve um avanço considerável na Revolução Industrial. [1] Em 1904, iniciou-se o uso deste dispositivo para locomoção em máquinas a vapor, sendo aplicado no primeiro carro com motor a gasolina em Atualmente, esse sistema tem sua principal aplicação nos meios de transportes e indústrias no geral, como por exemplo, veículos automotores e turbina a vapor. Os estudos continuam, e a busca por reduzir ou reaproveitar energias é uma constante. [1] O funcionamento de uma máquina térmica baseia-se no Ciclo de Carnot, sendo o trabalho definido a partir de trocas de calor. O grande paradigma do Ciclo de Carnot 1

2 é que este considera o sistema como ideal, ou seja, sendo todo calor fornecido ao sistema transformado em trabalho, alcançando 100% de rendimento. Um sistema real, porém, jamais terá o rendimento de 100%. [2] O artigo em questão se dedicará a entender as principais perdas de energia em um motor térmico veicular e indicará uma promissora alternativa tecnológica para contornar uma dessas perdas e aumentar a eficiência dos motores de combustão interna. 2. Referencial Teórico 2.1. Eficiência de motores térmicos Segundo Carvalho (2011), os fatores que mais contribuem na diminuição da eficiência dos motores de combustão interna são as trocas térmicas entre os fluidos e componentes, os atritos dos componentes internos do motor e a entropia gerada nos sistema de escape de gases. Há ainda outras perdas que foram sumarizadas na Figura 1, mas que não serão estudadas neste artigo. Figura 1: Energia perdida entre o motor de combustão interna e as rodas de tração do veículo Fonte: Adaptado de Carvalho (2011) Carvalho (2011) descreve a eficiência, também denominada rendimento, como a relação entre o resultado desejado e o fornecimento necessário. Ela representa quanto o processo de transferência de energia é aproveitado em forma de trabalho (1) : 2

3 ƞ = resultado desejado fornecimento necessário (1) Onde ƞ representa a eficiência; resultado desejado é a potência de saída do motor; fornecimento necessário é o que foi disponível para a realização do requerido. Essa relação de eficiência é aplicada em diversos processos de geração de energia e para um motor de combustão é definida em (2) : ƞt = W ṁ.pc Onde ƞt é a eficiência térmica, W representa a potência de saída do motor (2) é vazão mássica do combustível e PC o valor calorífico do combustível. De acordo com Carvalho (2011), a eficiência de motores de combustão interna utilizando-se os combustíveis mais comuns, como o álcool, gasolina e diesel é de 27%, 30% e 35%, respectivamente. O aumento dessa eficiência é tema de intenso estudo pelas grandes companhias da linha automotiva e grande parte dos esforços está direcionada a estudar as perdas térmicas, mecânicas e volumétricas. Segundo Carvalho (2011) a avaliação da eficiência térmica baseia-se na quantidade de energia existente na mistura ar-combustível convertida em trabalho durante a combustão. A eficiência mecânica é a relação entre o trabalho gerado durante a combustão e o trabalho disponível no eixo de manivelas (virabrequim). A eficiência volumétrica, também conhecida como capacidade de admissão ou rendimento volumétrico, é uma relação entre a capacidade real de um motor em admitir ar ou mistura ar-combustível e sua capacidade teórica de admitir ar ou mistura nas condições atmosféricas do local onde o motor funciona. 2.2 Perdas Mecânicas: Atrito Um fator extremamente importante que afeta a eficiência de um motor é o atrito. Silva & Martinelli (2010) afirmam que o atrito é um fenômeno resistivo e que se opõe ao sentido do movimento, dos componentes do motor, transformando parte da energia destinada à potência de eixo em energia térmica dissipada. Ele surge do contato por diversos componentes existentes como engrenagens, virabrequins, válvulas. De acordo com TAYLOR (apud Silva & Martinelli 2010), o atrito existente entre a saia do 3

4 pistão e o cilindro do motor representa praticamente metade das perdas provenientes deste conjunto (Figura 2). Figura 2 - Camisa e pistão. Maior perda de energia é no pistão. Fonte: Modificado de Martinelli (2010) Silva e Martinelli (2010) citam que a perda de energia no pistão chega a 25% nos motores compostos por quatro pistões. É possível obter uma estimativa da pressão média afetiva de atrito (fmep) que um motor realiza, em bar, calculando o trabalho realizado e o deslocamento volumétrico do pistão em um ciclo, conforme (3) : fmep = W f.10 2 (3) V d W f - representa o trabalho realizado pelo motor V d - deslocamento volumétrico do pistão em um ciclo Segundo Carvalho (2011), diversas pesquisas visam diminuir o atrito nas partes móveis do motor, através de materiais de engenharia, da lubrificação, de desenho de projeto, de tratamentos superficiais e acabamentos diferenciados Nova seleção de Materiais dos anéis do pistão para menor atrito Normalmente os anéis do pistão são recobertos com uma camada resistente ao desgaste ou com um tratamento superficial, geralmente a base de molibdênio, cromo nitretado ou aço nitretado. Cromo nitretado PVD está sendo introduzido no mercado de motores Otto devido a sua excelente resistência ao desgaste e baixo atrito, conforme Figura 3. 4

5 Figura 3 - Coeficiente de atrito para diferentes materiais de anéis Fonte: Ferrarese (2009) 2.3 Perdas Volumétricas Segundo Ferguson (apud Silva & Martinelli 2010), a eficiência volumétrica é um dos parâmetros mais utilizados na caracterização e controle de um motor à combustão interna de quatro tempos. Taylor (apud Silva & Martinelli 2010) define a eficiência volumétrica (η v ) como a massa de mistura fresca que passa no cilindro, em um curso de aspiração, dividida pela massa dessa mistura que encheria o espaço correspondente ao deslocamento do pistão, na densidade de admissão, de acordo com a equação (4). η v = 2m a ρ a V d N (4) Onde, V d é o volume deslocado pelo pistão entre PMI e PMS (m 3 ), velocidade de rotação do motor ( rev s ), ρ aé a massa específica do ar admitido (kg/m 3 ), m a a vazão mássica de ar através do conduto de admissão (kg/s). Durante o processo de admissão, além dos componentes que restringem o fluxo de ar, fatores como a velocidade do motor, área da secção transversal por onde o ar passa e densidade deste geram perda de carga causando deficiência de enchimento do cilindro. Para contornar as restrições do fluxo de ar, Pogorevc e Kegl (apud Silva & Martinelli 2010) destacam a importância do projeto dos sistemas de admissão e exaustão para melhorar o torque em baixas e médias velocidades do motor mantendo um taxa de compressão adequada com economia de combustível em um motor de ignição por centelha. Aperfeiçoar o desempenho de um motor de combustão interna envolve novas pesquisas e projetos com foco em parâmetros como forma, comprimento dos dutos e diâmetros. é a 5

6 2.3.1: Sistemas Turbo Alimentadores Uma alternativa tecnológica já explorada comercialmente nos motores veiculares é o sistema de turbo alimentadores ou turbo compressores. Figueiredo (2013) afirma que o turbo compressor é um equipamento que, no motor de combustão interna, tem a especialidade de aproveitar a energia residual ou a entalpia de fluxo dos gases de escape. Ou seja, o fluxo dos gases de escape dispensados na atmosfera nos carros convencionais, no carro turbo, é utilizado para mover a turbina que, ligado a um eixo, faz girar um compressor que está instalado no coletor de admissão, conforme Figura 4. Figura 4: Turbo compressores e sua ação nos motores Fonte: Modificado de Figueiredo (2013) De acordo com Figueiredo (2013), o compressor, por sua vez, eleva a pressão do ar na alimentação na câmara de combustão do motor, e o aumento de pressão aumenta proporcionalmente a quantidade de ar admitida no mesmo volume de motor. A massa específica do ar aumentada, proporcionalmente, aumenta a capacidade de admissão de combustível dentro do motor e isso proporciona maiores explosões por cada cilindro e maior potência gerada pelo motor. 2.4 Perdas Térmicas: Calor Antunes (2011) relata que a energia útil convertida pelo motor de combustão interna corresponde apenas a 35% da energia química disponível no combustível. Dos 6

7 65% da energia restante é rejeitada sob a forma de calor, 30% a 40% são perdidos nos gases de escapamento. A temperatura dos gases de escape de um motor de combustão interna chega a ultrapassar 800ºC, quando o veículo se encontra em sua potência máxima. O calor gerado na combustão e não aproveitado para gerar trabalho mecânico flui entre componentes e a atmosfera na forma de convecção, radiação e condução, conforme mostra Figura 5. As temperaturas dos componentes metálicos usados no motor, porém, devem ser muito mais baixas, sendo necessário um sistema de refrigeração (arrefecimento) para os cilindros, pistões e cabeçote. Figura 5 - Temperaturas e trocas térmicas do interior do cilindro para o meio externo. Fonte: Adaptado de Antunes (2011) Dessa forma, Máslov e Jóvaj (apud Antunes 2011) equacionam o balanço térmico de um motor de combustão interna conforme (5) abaixo: Q 0 = Q e + Q ref + Q g + Q cd + Q re s (5) Q 0 - taxa total de transferência de calor ao motor em dado regime de funcionamento pela queima do combustível [W] Q e - taxa de transferência de calor equivalente à potência efetiva medida pelo dinamômetro [W] Q ref - taxa de calor rejeitado pelo fluido de arrefecimento [W] Q g - taxa de calor rejeitado nos gases de escapamento [W] Q cd - taxa de calor rejeitado nos gases de exaustão correspondente a parcela de combustível não queimado e combustão incompleta [W] 7

8 Q res - taxa de transferência de calor correspondente às demais perdas energéticas do motor [W] Aproveitamento Termoelétrico Uma aplicação potencial para reaproveitar o calor rejeitado é a utilização da diferença de temperatura entre componentes para gerar potencial elétrico. Esta conversão termoelétrica se caracteriza por ser um processo de conversão de energia térmica (calor) em energia elétrica, sem a presença de partes móveis (geradores elétricos convencionais), feita por meio de módulos termoelétricos. Antunes (2011), descreve o princípio fundamental de funcionamento destes módulos é baseado no Efeito Seebeck, que foi observado pela primeira vez pelo físico Thomas Johann Seebeck, em Enquanto observava efeitos eletromagnéticos associados a diferentes materiais, Seebeck constatou que a junção de dois materiais distintos e a diferentes temperaturas criam uma diferença de potencial elétrico entre ambos. Este fenômeno dá origem ao aparecimento de uma corrente elétrica quando esse circuito é fechado. Isto significa que, uma diferença de temperatura entre dois materiais provoca uma diferença de potencial elétrico. Esta diferença de potencial é quantificada pelo coeficiente Seebeck (α), dado pela seguinte equação (6) : α = V T [μvk 1 ] (6) Onde V é a diferença de potencial elétrico e K é a diferença de temperatura. Baseado nesse efeito, o presente trabalho se propõe a montar um experimento para observar o Efeito Seebeck e verificar os potenciais tecnológicos desse recurso para o reaproveitamento do calor perdido nos motores de combustão interna na forma de energia elétrica. 3. Materiais e Métodos Para o estudo do potencial tecnológico da conversão do calor desprendido nas máquinas térmicas em energia elétrica, simulou-se uma situação em que houvesse uma diferença de temperatura entre as faces de uma placa Peltier, que atuaria como o conversor termoelétrico. A placa Peltier, apresentada na Figura 6 abaixo, também conhecida como pastilha termoelétrica são placas cerâmicas recheadas com 8

9 pequenos cubos de Bi2Te3 (telureto de bismuto) em que, havendo uma variação de temperatura, o calor se move de um lado para o outro gerando uma corrente em seus terminais. Figura 6 - Placa Peltier Fonte: Adaptado de Antunes (2011) Uma vela foi utilizada para fornecer calor de um lado da placa Peltier e o gelo para retirar o calor do lado oposto, gerando a variação de temperatura. Para medir a temperatura da fonte quente e fria foi utilizado um pirômetro iminipa modelo MT-350, conforme mostra Figura 7 abaixo. Essa variação de temperatura fornece uma tensão nos terminais da placa Peltier. Para confirmar a tensão gerada nos terminais, foi utilizado um multímetro digital iminipa T Um motor elétrico foi adicionado ao circuito para a verificação experimental da conversão da energia elétrica gerada pela placa Peltier em energia mecânica. Figura 7 - Sistema gerador de energia elétrica utilizando placa Peltier 9

10 4. Resultados Experimentais A partir das leituras do pirômetro, o gelo conferia a uma das faces da placa Peltier 0 C, enquanto a vela conferia 60 C. Sob essas condições de diferencial de temperatura na área quadrada da placa de 1.600mm 2, foi possível obter uma diferença de potencial nos terminais da placa de Peltier. A tensão verificada foi de aproximadamente 1,3V. A tensão gerada foi capaz de fazer funcionar o motor elétrico que possuía uma hélice para ilustrar seu funcionamento. O resultado foi satisfatório, dentro das expectativas. Para fazer a medição da tensão corretamente é necessário desconectar o motor da rede, pois ele gera uma indutância reversa alterando o resultado no multímetro. Trabalhos futuros dever ser conduzidos para estimar a potência térmica a ser produzida em veículos convencionais. A sugestão dos autores é que um novo material baseado na placa de Peltier possa ser pesquisado e utilizado no revestimento da estrutura do catalisador dos veículos (Figura 8). (a) (b) Figura 8: (a) Face exposta ao ambiente; (b) área a revestida com material de tecnologia Peltier Fonte: Adaptado de Carvalho, 2011 Os gases de escape após serem gerados são conduzidos para o catalisador e nesse ponto possuem temperaturas entre 500 e 800 C. Aproveitando-se desse grande diferencial de temperatura criado entre os gases e o ambiente externo (entre 400 e 600 C) e considerando a área da face do catalisador exposta ao ambiente (23.000mm 2, ou seja, 14 vezes maior que a área da placa utilizada no experimento), este local pode ser potencialmente promissor para o uso da tecnologia dos conversores termoelétricos para a geração de energia elétrica. 10

11 A expectativa para o futuro dessa tecnologia de conversão termoelétrica em veículos automotores é a geração de potencial elétrico sem o consumo de energia mecânica do motor, como funcionam os alternadores atuais. Uma nova fonte de energia elétrica com autonomia suficiente para alimentar o sistema elétrico dos veículos poderá eliminar até 4% da perda de eficiência do consumo dos motores atuais. 5. Conclusão Diante dos resultados obtidos comprovou-se que é possível gerar uma tensão através da variação da temperatura utilizando a placa Peltier. Essa tecnologia de aproveitamento de calor para geração de energia elétrica mostrou-se potencialmente aplicável em máquinas térmicas onde há perda de calor. Esse aproveitamento do calor para geração de energia em veículos, por exemplo, pode potencialmente produzir energia para sistema elétricos do automóvel. A sugestão para trabalhos futuros é o estudo da viabilidade técnica desse recurso para substituir a tecnologia de dos alternadores, que se utilizam da própria energia mecânica do motor para gerar energia elétrica, aumentando a ineficiência dos motores de combustão interna. 6. Referência Bibliográfica [1] CARVALHO, Márcio A. S. Avaliação de um motor de combustão interna ciclo otto utilizando diferentes tipos de combustíveis. Universidade Federal da Bahia. 2011, Salvador - Brasil. [2] MORAN, Michael J. Princípios de Termodinâmica para engenharia. 7.ed Rio de Janeiro: LTC, Brasil. [3] FIGUEIREDO, L.S.M. Estudo do aprimoramento de performance de um motor honda com a instalação de um turbocompressor. Dissertação de Mestrado apresentado para obtenção do título de mestrado. Escola Politécnica Da Universidade Federal Do Rio De Janeiro. Rio de Janeiro/RJ, [4] SILVA & MARTINELLI. Avaliação das perdas por atrito em um motor monocilindro 4 tempos de 35CC através de um modelo computacional. Universidade Federal da Paraíba, João Pessoa, PB - Brasil. [5] FERRARESE, A. Anéis de pistão de baixo atrito. MAHLE Metal Leve SA. 11

12 [6] ANTUNES, J.A.A. Reaproveitamento de Calor para Geração de Energia Eléctrica no Automóvel. Dissertação de Mestrado Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia Electrónica Industrial e Computadores. Escola de Engenharia, Universidade de Minho. Lisboa, Portugal,