INTRODUÇÃO DE UM SUPERCHARGER ELÉTRICO EM UM MOTOR A COMBUSTÃO CICLO OTTO

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1 INTRODUÇÃO DE UM SUPERCHARGER ELÉTRICO EM UM MOTOR A COMBUSTÃO CICLO OTTO Alexis Sikorski 1, André de O. Roque 1, Murilo Zanella 1 Francisco J. Henriques 2 Universidade São Francisco alexis.s@hotmail.com 1 Aluno do Curso de Engenharia Mecânica, Universidade São Francisco; Campus Campinas 2 Professor Orientador do Curso de Engenharia Mecânica, Universidade São Francisco; Campus Campinas. Resumo. O objetivo desse trabalho é avaliar e ver o funcionamento de um sistema de supercharger tipo blower para acelerar a entrada do ar da admissão de um motor de 4 tempos de Ciclo Otto, utilizando uma turbina EDF (Electric Ducted Fan), acoplada em um motor elétrico do tipo Brushless, visando preencher a câmara de combustão com o maior volume de ar possível em uma rotação do motor, inferior à determinada pelo fabricante do veículo. Com isso se espera trabalhar em um regime de torque máximo do motor, sem que o mesmo necessite de altas rotações para atingir esse valor. Esse trabalho não visa ganhos de potência e torque, apenas uma alteração na curva gerada pelo gráfico dessas variáveis ao longo de seu regime de trabalho, para que ele atinja o ponto máximo o quanto antes, e se mantenha o mais constante durante seu desenvolvimento, trazendo assim, um aproveitamento superior da mistura que leva a um consumo menor de combustível e, consequentemente, a um motor mais eficiente. Palavras-chave: Supercharger elétrico, eficiência energética, motor a combustão. Introdução A constante evolução no conceito de eficiência energética nos meios de transporte motiva cada vez mais as grandes montadoras de carros de passeio, utilitários e de cargas a desenvolverem motores mais leves, potentes e eficientes, com o mesmo princípio de funcionamento criado em meados de 1870, pelo engenheiro alemão Nikolaus August Otto, inventor do Ciclo Otto [1]. A eficiência desses motores sempre foi considerada muito baixa. Em 1876 os motores de Ciclo Otto tinham em média, uma eficiência de 11% [2]. Com a evolução da tecnologia dos materiais e melhorias dos sistemas que envolvem todo o conjunto, essa eficiência hoje é de aproximadamente 32% para os veículos comuns [3]. Na Fórmula 1, principal categoria de competições automobilísticas, com alta tecnologia aplicada, essa eficiência chega a 50%. Motores de combustão interna são máquinas térmicas com o objetivo de obter trabalho a partir da reação e liberação da energia química dos combustíveis utilizados. Esses combustíveis são queimados internamente, por isso tem-se o nome combustão interna. Tal liberação é conseguida através de uma reação exotérmica entre o combustível e o oxigênio contido no ar. O ponto do ciclo mais explorado pela engenharia atualmente é admissão, que além de ser o início, tem um papel fundamental na dosagem ideal da mistura: Quanto mais ar for introduzido na câmara, com a dosagem ideal de combustível, mais eficiente será a explosão que vai gerar trabalho. Uma mistura bem dosada gera uma quantidade menor de gases poluentes a serem liberados para atmosfera, no final. A forma mais comum de se alterar a admissão e, assim, melhorar a eficiência dos motores, é a sobrealimentação; que pode ser feita com uma turbina ou um supercharger. Ambos tem a função de comprimir o ar antes do mesmo ser

2 admitido e do ciclo começar; assim a quantidade de ar que se consegue colocar dentro da câmara de combustão é muito maior e isso faz com que a explosão seja mais eficiente, fazendo o cilindro percorrer todo o percurso de subida e descida, gerando potência mais eficiente. A turbina mais utilizada para esses casos é a centrífuga conhecida como turbocompressor. Constituída por um par de rotores radiais ligados por um mesmo eixo. A mesma se aproveita da energia dos gases de exaustão que passam por um caracol, onde a velocidade do gás é aumentada, fazendo com que ela consiga girar um dos rotores em altas velocidades na ordem de milhares de rotações por minuto. Como apenas um eixo une os dois rotores, o outro lado, também em altas rotações, tem a função de coletar o ar da admissão e comprimi-lo para que o mesmo chegue no coletor com elevadas pressões. Por necessitar da velocidade de saída desses gases, a turbina acaba sofrendo um atraso na hora de ganhar velocidade e conseguir comprimir ar suficiente para aumentar a potência do motor. Esse efeito indesejado, é chamado de turbo lag. O supercharger tem a mesma função da turbina, porém trabalha de forma diferente. Conectado por uma correia, o sistema utiliza parte da energia mecânica gerada pelo motor para entrar em movimento. Entre os modelos de supercharger, existem dois que devem ser destacados, são eles: compressor de Lysholm e o blower. O compressor Lysholm, também conhecido como compressor de parafuso, foi inventado em 1935 pelo engenheiro sueco Alf Lysholm [4]. Composto por dois parafusos de rosca helicoidais sem fim, montados paralelos um ao outro. Ele capta o ar na entrada e comprime ao longo de seu perfil. Embora esse tipo de compressor seja o mais eficiente, é, também, o mais caro, pois a precisão dimensional exigida em sua construção é bastante elevada. Figura 1 Supercharger Lysholm em corte, onde os parafusos são destacados em azul e vermelho [4]. O blower apesar de ser menos eficiente, se tornou bastante icônico devido a sua aparência bastante agressiva, geralmente é montado acima do capô do carro para capitar um ar mais frio do que o encontrado próximo ao motor como mostra a Fig. 2. Sua eficiência é menor, pois, apesar de ser um supercharger, o blower, do inglês soprador, não comprime o ar efetivamente, ele tem a função de apenas acelerar o ar na entrada do coletor, e faz isso por meio de dois rotores. Figura 3

3 Figura 2 Dodge Charger RT do filme Velozes e furiosos equipado com blower Figura 3 Sistema de rotores do blower comumente utilizado [5], [4]. A principal desvantagem desses sistemas é que ambos consomem parte da potência do motor, por mais que eles ajudem na geração dessa potência. O ideal para um sistema, seria poder contar com uma sobrealimentação sem que a mesma consumisse uma porcentagem de trabalho gerado. Existe a possibilidade de se utilizar um segundo motor para apenas rotacionar o compressor, deixando assim, de consumir parte da energia do motor principal do carro. Consegue-se acoplar um motor mais eficiente e dedicado para fazer essa função, como por exemplo um motor elétrico, que consegue atingir altas rotações possuindo de torque constante e baixo consumo energético, se tornando assim uma das melhores opções para sistemas de sobre alimentação, que não visam ganhos expressivos de potência e torque. O desafio desse trabalho é o desenvolvimento e funcionamento de um sistema com as características similares de um blower, porém será acoplado na admissão uma turbina EDF

4 (Electric Ducted Fan), movida por um motor elétrico Brushless para conseguir as características mais importantes apresentadas acima, baixo consumo energético com uma melhora na eficiência e rendimento do motor sem a retirada de parte do trabalho gerado pelo motor principal. Para efeito de comparação da influência do soprador instalado, é necessário analisar as curvas características de um motor através do gráfico de potência e torque por rotação. Em motores a gasolina o torque máximo é alcançado quando a borboleta da admissão está 100% aberta, nesse instante o motor consegue colocar o volume máximo de ar dentro da câmara de combustão. A ideia é conseguir colocar esse mesmo volume de ar, antes da borboleta se abrir por completo. Assim, o torque máximo será atingido em rotações menores, o que faz com que o motorista necessite acelerar menos para extrair do carro força suficiente para seu deslocamento. A potência pode ser obtida através da relação do torque de um motor e do RPM em que ele se encontra. Como mostrado de forma simplificada pela fórmula (Equação 1) [6], onde P, é potência em [kw], T é o torque em [Nm] e N é o número de rotações do motor em [RPM]. P = T. N 9549,3 (1) Para gerar essas curvas em situações reais de um motor, faz-se necessária a utilização de um dinamômetro, equipamento capaz de obter dados de dinâmica longitudinal como potência e torque de um veículo, e traçar um gráfico com todas as informações. O dinamômetro mais adequado para essa aplicação é o de rolos, onde o carro fica sobre dois grandes rolos acoplados em uma célula de carga para a obtenção dos dados. Materiais e Métodos O projeto e a montagem serão desenvolvidos e aplicados em um veículo da Ford modelo New Fiesta 1.6L Titanium. O desenvolvimento dos estudos sobre a influência da sobrealimentação, seguirá a seguinte metodologia. 1. Cálculos prévios para correlacionar a influência do blower com a redução do RPM em que o motor atinge seu torque máximo trabalhando com a eficiência volumétrica. Segundo Heywood [6], com base em princípios clássicos da mecânica, pode-se calcular a potência efetiva de um motor a combustão, através da equação 2: P e = ρ a. ( m c m a ). pci. V c. N. η t. η m. η v 2 (2) Onde: P e = Potência efetiva [KW] ρ a = Densidade do ar [Kg/m³] (M c /M a ) = Relação estequiométrica de massa de combustível por massa de ar pci = Poder calorífico inferior do combustível (J/Kg) V c = Volume do motor [dm 3 ou L] N = Número de rotações por segundo do motor [rev/s] η t = Eficiência térmica η m = Eficiência mecânica

5 η v = Eficiência volumétrica Porém, como a potência efetiva do motor é uma constante informada pelo fabricante e o objetivo é mantê-la mudando apenas o RPM em que ela é alcançada, pode-se assumir uma relação de igualdade entre a Equação 2. Com o objetivo de que o blower atue exclusivamente na eficiência volumétrica, assumese que todas as outras eficiências (η t e η m ), e o volume do motor (V c ) continuarão constantes. Todos os testes serão realizados em condições de temperatura e umidade do ar iguais e sem alterar o combustível, logo os valores de ρ a e pci também serão mantidos constantes. Embora o aumento na massa de ar que entra no motor tenha influência na relação estequiométrica, é esperado que a sonda lambda seja capaz de manter essa relação igual. Sendo assim é possível simplificar a fórmula deixando-a apenas em função da eficiência volumétrica e da rotação (3). N 1. η v1 = N 2. η v2 (3) Parte do volume de ar atmosférico admitido perde suas características iniciais por vários motivos como por exemplo: as perdas de carga causada pelo filtro de ar e outros componentes, a diferença da temperatura entre o ar admitido no filtro e o que chega até o coletor de admissão. Por isso é necessário calcular a eficiência volumétrica (n v ) e, consequentemente, conhecer o fluxo mássico (m e), massa (m e ), temperatura e pressão do ar que entra e comparar com o volume de ar que deveria entrar na câmara de combustão. η v = 2m e ρ a. V c. N = m e ρ a. V c (4) Segundo a lei dos gases ideais [7], pode-se definir m e como: m e = P. V c R. T Onde: P = Pressão [Pa] V c = Volume do motor [m 3 ] R = Constante universal dos gases perfeitos [k J kg. K] T = Temperatura [K] (5) Porém, como R e V c são constantes, obtendo-se a temperatura e a pressão do ar, é possível calcular a massa de ar e assim chegar a eficiência volumétrica desejada. Analisando a relação da Fórmula 3, se existe um aumento na eficiência volumétrica após a instalação do soprador, para que se mantenha uma igualdade com os dados anteriores, a rotação terá que ser reduzida. 2. Medições com sensores de pressão e termopares para o cálculo da eficiência volumétrica do motor original. O veículo escolhido, não permite a leitura dos sensores para que seja realizada a medição de temperatura e pressão do ar na entrada do coletor de admissão. Logo, faz-se necessário o uso de uma instrumentação externa que foi instalada antes do corpo da borboleta do motor, possibilitando assim a leitura e comparação dos dados antes e depois da instalação do sistema do soprador. Essa instrumentação conta com um sensor de pressão SMC- ISE30A-01-F-L que

6 mostra a pressão relativa e um termopar ligado em um multímetro Fluke 289 True-RMS, para a obtenção da temperatura. O motor do carro é naturalmente aspirado, sendo assim, quando o corpo da borboleta se encontra fechado tem-se apenas a pressão atmosférica na entrada do coletor. Quando o motor está ligado e a borboleta se encontra totalmente aberta, obtêm-se o ponto de menor pressão, isso ocorre por conta do vácuo que é formado na entrada do coletor, uma vez que o deslocamento do pistão, do ponto morto superior para o ponto morto inferior, succiona um volume excessivo de ar e o coloca na câmara de combustão. 3. Teste em dinamômetro de rolo para extrair as curvas de potência e torque do motor ainda sem modificações. Foram realizadas medições no dinamômetro de rolo da empresa DinoMax em Valinhos, a fim de se obter as curvas de potência e torque do motor ainda sem a instalação do blower. Os testes foram realizados sob as mesmas condições de temperatura e pressão das medições com os sensores e também com o mesmo combustível, evitando assim, uma disparidade na comparação dos resultados, para eliminar possíveis erros. Repetiu-se também a marcha em que o carro foi testado em todas as vezes, onde a relação do câmbio do veículo se encontra a mais próximo de 1:1, exatamente 1.281:1 em terceira marcha [8]. O teste foi realizado 20 vezes para garantir uma melhor confiabilidade no resultado. Figura 4 Imagem do carro no dinamômetro para a realização dos testes 4. Instalação do blower

7 O blower é composto por uma turbina EDF (Electric Ducted Fan) de 64 mm de diâmetro contendo 5 pás, sendo ligada em um motor elétrico Brushless Turnigy Typhoon 2215 de 3550 KV. Para o acionamento também foi necessário utilizar um controlador eletrônico de velocidade Caston Talon 90 de tensão e corrente máxima de 25 V e 90 A, respectivamente. Com essa configuração o equipamento é capaz de atingir até rotações por minuto gerando a vazão volumétrica de ar necessário para a sobrealimentação desejada. Todo o conjunto foi montado em um duto de ar secundário, idêntico ao original do veículo, Fig. 5 para facilitar a montagem. Figura 5 Sistema do blower montado com os sensores de pressão e temperatura O sistema será montado em um motor Ford Sigma 1,597L, que possui 4 válvulas por cilindro sendo todas variáveis no tempo, o que proporciona uma melhor eficiência na admissão e escape da mistura. Todos os testes foram realizados utilizando gasolina como combustível. Segundo o fabricante do veículo o torque e a potência efetiva desse motor na gasolina é de 151 Nm a 4250 RPM e 91,94 kw a 6500 RPM respectivamente [8]. O conjunto será montado entre o filtro de ar original do carro e o coletor de admissão Fig. 6. Figura 6 Imagem que destaca o local onde será instalado o conjunto do blower [8].

8 Figura 7 Imagem do blower instalado no carro. 5. Repetir o teste em dinamômetro de rolo para comprovar se houveram ganhos como esperado. Resultados e Discussão Após a realização de todos os testes com os sensores de pressão e temperatura, pôde-se calcular a eficiência volumétrica do motor antes e depois da instalação do blower através das equações 5 e 6. É importante ressaltar que a temperatura, a pressão e a umidade relativa do ambiente no momento do experimento eram de 297,65 K, 0,1012 Mpa e 44% respectivamente. Com o veículo ainda sem o blower, a temperatura medida próxima ao corpo da borboleta foi de 306,15 K e a pressão relativa de 0. Logo, para o cálculo da eficiência volumétrica a pressão absoluta considerada foi de 0,1012 Mpa. Tendo R como 287,058 J/kgK e ρ a = 1,2041 kg/m³, condições estabelecidas para o ar em condições ideais[7], é possível chegar em η v1 = 95,63% para o motor original. Os mesmos procedimentos foram adotados após a instalação do soprador e a temperatura se manteve em 306,15 K, porém houve um aumento na pressão relativa de 0,002 MPa quando a turbina estava operando em rotação máxima. Refazendo os cálculos com o novo valor de pressão absoluta 0,1032, tem-se η v2 = 97,52%. Com isso, nota-se um ganho de 1,89% com a instalação do blower. Inserindo os resultados na equação 4, pode-se calcular o novo valor de RPM em que o motor irá atingir o mesmo torque declarado pelo fabricante ,9563 = N 2. 0,9752 (6)

9 Logo: N 2 = 4167,63 RPM (7) Sendo assim, o aumento de 1,89% na eficiência volumétrica, faz com que o motor tenha as mesmas características de antes, mas com 82 rotações por minuto a menos comparado ao motor original. Como citado anteriormente, os testes foram realizados diversas vezes, porém o resultado foi repetitivo e apresentou variações mínimas que se dão por conta da própria acurácia do dinamômetro. Os gráficos que expressam mais claramente cada condição desejada, podem ser vistos nas figuras 8, 9 e 10. Os resultados práticos medidos no dinamômetro de rolo mostram algo diferente do esperado. Figura 8 Gráfico de potência e torque do veículo original. O resultado do gráfico na figura 8, mostra o torque máximo de 140,4 Nm a 86 km/h correspondente a 4021 RPM do motor na marcha em que foi testado. Esse foi o ponto máximo alcançado pelo veículo no teste, dada as condições realizadas: Testes capturados nas rodas enão no motor como valores divulgados pelo fabricante. Por limitações do aparelho dinamômetro, o gráfico não apresentou RPM, mas apenas velocidade em Km/h, porém a informação de RPM era mostrada no final de cada teste e foi devidamente anotada.

10 Figura 9 - Gráfico de potência e torque do veículo com o blower operando em 50% de sua capacidade. No gráfico da figura 9 é possível observar que o torque se manteve o mesmo, porém foi alcançado aproximadamente 4443 RPM, resultando em um aumento de 422 RPM em relação ao anterior, efeito contrário ao esperado e calculado anteriormente.

11 Figura 10 - Gráfico de potência e torque do veículo com o blower operando em 100% de sua capacidade. Com a turbina trabalhando em sua rotação máxima, o momento em que o torque máximo é alcançado continua praticamente o mesmo, 4396 RPM. Porém houve uma leve perda de 2,3 Nm no torque e consequentemente uma pequena perda na potência. Três hipóteses foram levantadas para explicar a provável causa dos resultados. A primeira está relacionada com a equação 2, onde a relação estequiométrica foi considerada uma constante, uma vez que o motor em questão é equipado com sonda lambda e seria capaz de dosar o combustível de acordo com o aumento no volume de ar do motor. Mas sonda está programada para fazer apenas pequenas correções. Segundo Brunetti [9], se a fração relativa combustível-ar F r representada pela equação 9, for menor que 1, a mistura será considerada pobre, logo terá mais ar do que combustível. F r = m c m a (8) Caso a relação estequiométrica não tenha sido mantida pela sonda lambda, a mistura de ar-combustível ficou desbalanceada. Isso faz com que o motor tenha mais dificuldade de atingir seu ponto ótimo, e mesmo com a eficiência volumétrica aumentada, o resultado é negativo. Um teste com a turbina em rotação inferior a 50% poderia atingir uma quantidade de ar adicional que a sonda lambda fosse capaz de estabilizar e assim essa hipótese poderia ser comprovada, porém o motor da turbina se torna instável devida a baixa tensão nessa condição e por isso não foi possível o teste com esse motor.

12 A segunda hipótese é em relação ao ponto de autoignição do combustível utilizado. Os motores flex, são obrigados a manter uma taxa de compressão mediana, para que atenda às necessidades de ambos os combustíveis. No motor escolhido a taxa de compressão é de 12:1 [8], o que para a gasolina já é considerada alta. O valor ideal segundo Heywood [6] seria entre 8:1 e 10:1. Isso faz esse combustível trabalhar mais próximo do seu ponto de autoignição. Com o volume extra de ar induzido pelo soprador e essa alta taxa de compressão, pode ser que a gasolina esteja entrando em combustão instantes antes do previsto, fazendo o motor receber um pequeno contragolpe na cabeça do pistão, desperdiçando com isso parte da energia gerada. O teste com etanol não foi realizado, pois para se trocar completamente de combustível são necessários consumir 2 tanques completos, o que demandaria tempo, além de que realizar o teste em outro dia, pode influenciar em outras variáveis. A terceira hipótese de que a turbina poderia estar atrapalhando o fluxo de ar que entra no motor, foi descartada após ser realizado um teste com a turbina instalada e desligada, o resultado desse teste é igual ao do carro sem o sistema. Logo a presença da mesma se faz intangível pelo motor. Conclusões O desenvolvimento do presente estudo possibilitou uma análise de como um supercharger do tipo blower acionado por um motor elétrico independente, influencia nas curvas características de um motor a combustão. Após essa análise, percebe-se que não foi possível melhorar a eficiência de um motor apenas alterando a massa de ar que é admitida pelo mesmo. Devido os resultados negativos, duas hipóteses foram apresentadas como uma possível justificativa, mas já pode-se perceber que apenas com a instalação de um sistema desse tipo, por mais que se consiga melhorar a eficiência volumétrica de um motor, a metodologia que foi aplicada acaba influenciando e prejudicando outros parâmetros, trazendo como resultado final uma piora na potência e torque efetivos o motor. O custo e o tempo foram os principais limitantes para que mais testes e cálculos fossem realizados. No entanto, para trabalhos futuros, um estudo mais profundo sobre as hipóteses se faz necessário, assim como novos testes com outros combustíveis, velocidades menores na turbina e um possível ajuste eletrônico da injeção de combustível para corrigir a estequiometria. Referências Bibliográficas [1] Maria L.G.Silva da Luz, Motores a Combustão Interna [Online] Disponível em: < Combust%C3%A3o-Interna.pdf > Acessado em: Agosto de [2] C. A. Tillmann, Motores de Combustão Interna e Seus Sistemas, e-tec Brasil, 2013 [3] Omar Campos Ferreira, Eficiência do Motor de Combustão Interna [Online] Disponível em: < Acessado em: Agosto de [4] Ricardo Varoli, Gear-Head Banger [Online]. Disponível em: Acessado em: Setembro de [5] Thom Taylor, Hot Road [Online]. Disponível em: Acessado

13 em: Setembro de 2017 [6] J. B. Heywood, Internal Combustion Engine Fundamentals, NY, USA, Consulting, [7] M. J. Moran, H. N. Shapiro, D. B. Boettner, M. B. Bailey, Princípios de Termodinâmica Para Engenharia, sétima edição, LCT, [8] Manual do proprietário, veículo New Fiesta, Ford, [9] F. Brunetti, Motores de Combustão Interna, Volume 1, Blucher, 2013.