CENTRO UNIVERSITRIO DO INSTITUTO MAU DE TECNOLOGIA

DOWNSIZING EM MOTORES DE COMBUSTO INTERNA: UMA ABORDAGEM DE INOVAO TECNOLGICA

So Caetano do Sul

2014

THIAGO DE MATOS RODRIGUES

DOWNSIZING EM MOTORES DE COMBUSTO INTERNA: UMA ABORDAGEM DE INOVAO TECNOLGICA

Monografia apresentada ao curso de Ps-Graduao em Engenharia Automotiva, da Escola de Engenharia Mau do Centro Universitrio do Instituto Mau de Tecnologia para obteno do ttulo de Especialista.

Orientador: Prof. MSc. Fernando Fusco Rovai

So Caetano do Sul

2014

Rodrigues , Thiago de Matos Downsizing em motores de combusto interna: uma abordagem de inovao

tecnolgica / Thiago de Matos Rodrigues. So Caetano do Sul, SP: CEUN-IMT, 2014.

64p.

Monografia Ps-graduao em Engenharia Automotiva. Centro Universitrio do Instituto Mau de Tecnologia, So Caetano do Sul, SP, 2014.

Orientador: Prof. MSc. Fernando Fusco Rovai

1. Motores 2. Downsizing 3. Eficincia energtica I. Rodrigues, Thiago de Matos. II. Instituto Mau de Tecnologia. Centro Universitrio. Centro de Educao Continuada. III. Downsizing em motores de combusto interna uma abordagem de inovao tecnolgica.

RESUMO

Este trabalho tem como finalidade apresentar solues tecnolgicas empregadas em motores de combusto interna que visam aumento da eficincia energtica, reduzindo o consumo de combustvel e emisso de gases poluentes. Elaborou-se uma pesquisa descritiva mostrando resultados obtidos por diversos pesquisadores atravs de simulao computacional e testes em banco de provas dinamomtrico. So mostrados resultados de consumo e emisses dos propulsores sem alterao e com a soluo implementada, ressaltando as vantagens em relao sua aplicao. As tecnologias abordadas tm impacto direto na aplicao do conceito de downsizing (reduo do tamanho dos motores), pois quando aplicadas se mantm a potncia em um propulsor menor comparado a outro de maior volume deslocado, permitindo atingir menor nvel de emisso de gases poluentes e consumo de combustvel. As solues apresentadas so: sobrealimentao, taxa de compresso varivel, injeo direta e coletor de admisso varivel.

Palavras-chave: Downsizing. Motores de combusto interna. Eficincia energtica. Eficincia trmica. Sobre alimentao. Injeo direta. Taxa de compresso varivel.

ABSTRACT

This work aims to present technological solutions implemented in internal combustion engines wich follows energetic efficiency increase reducing fuel consumption and pollutant gas emissions. A descritive research was performed showing results from several researchers through computational simulation and dynamometer tests. Test results regarding fuel consumption and emission are showed comparatively with and without the solution implemented, emphasizing the advantages of the applicantion of some technologies. These solutions impact directly on the downsizing concept, with a small engine keeping a similar performance of a bigger one, with less technology applied. The solutions presented are turbocharging, variable compression ratio, direct injection and variable intake manifold.

Keywords: Downsizing. Internal combustion engine. Energetic efficiency. Thermal efficiency. Turbocharging. Direct injection. Variable compression ratio. Variable intake manifold.

LISTA DE ILUSTRAES Figura 2-1 - Ciclo Otto 2 Tempos (ANTONIO GUILHERME, 2014) .................................... 15

Figura 2-2 Quatro tempos do motor ciclo Otto (ENVENENADO, 2014) ............................ 16

Figura 2-3 - Funcionamento do comando de vlvulas (FAZER FCIL, 2014)....................... 18

Figura 2-4 - Distribuio de volume de motor pelo peso do veculo (Sprei; Karlsson, 2013) . 20

Figura 2-5 - Como um turbocompressor instalado em um veculo (How Stuff Works, 2014) ........................................................................................................................................... 21

Figura 2-6 - Esquema de funcionamento do turbocompressor (How Stuff Works, 2014) ....... 21

Figura 2-7 - Turbocompressor BorgWarner B01 (Ometto, 2014)............................................ 22

Figura 2-8 - Turbocompressor Garret NGT 12 (Ometto, 2014) ............................................... 22

Figura 2-9 - Sistema R-Flow Garret (Ometto, 2014) ............................................................... 23

Figura 2-10 Razo do dimetro do coletor de escape pelo dimetro dos cilindros (Kesgin, 2004).................................................................................................................................. 24

Figura 2-11 - Razo do dimetro do tubo de sada da turbina pelo dimetro dos cilindros (Kesgin, 2004) ................................................................................................................... 24

Figura 2-12 - Efeito da eficincia do turbo compressor na eficincia do motor (Kesgin, 2004) ........................................................................................................................................... 25

Figura 2-13 - Efeito do posicionamento do turbo na presso mdia efetiva indicada em cada cilindro (Kesgin, 2004) ..................................................................................................... 25

Figura 2-14 - Efeito da contra-presso na sada da turbina na eficincia do motor e eficincia volumtrica (Kesgin, 2004) ............................................................................................... 26

Figura 2-15 - Efeito das perdas de carga antes do compressor na eficincia do motor e eficincia volumtrica (Kesgin, 2004) .............................................................................. 26

Figura 2-16 - Ciclo de conduo IC19 (Silva et al., 2008) ....................................................... 27

Figura 2-17 - Ciclo de conduo Mec01 verso 5.1 (Silva et al., 2008) .................................. 27

Figura 2-18 - Ciclo de conduo NEDC (Silva et al., 2008) .................................................... 28

Figura 2-19 - Curva de Torque x Rotao (Costa; Sodr, 2010) .............................................. 30

Figura 2-20 - Curva de Potncia x Rotao (Costa; Sodr, 2010) ........................................... 31

Figura 2-21 - Curva de Consumo Especfico x Rotao (Costa; Sodr, 2010) ........................ 31

Figura 2-22 - Curva Rendimento Trmico x Rotao (Costa; Sodr, 2010) ............................ 32

Figura 2-23 - Curva de torque e consumo especfico a 2000 rpm (Ycesu et al., 2006) ......... 33

Figura 2-24 Curva de torque e consumo especfico a 3500 rpm (Ycesu et al., 2006)......... 33

Figura 2-25 - Curva de torque e consumo especfico a 5000 rpm (Ycesu et al., 2006) ......... 34

Figura 2-26 - Sistema de Variao do Curso do Pisto (Dado; Yamin, 2003)......................... 35

Figura 2-27 - Variao da Potncia x Rotao do motor (Dado; Yamin, 2003) ...................... 36

Figura 2-28 - Sistema Ford de Variao da Taxa de Compresso (Roberts, 2003) ................. 36

Figura 2-29 - Sistema de Variao da TC Volvo/Alvar (Roberts, 2003) ................................. 37

Figura 2-30 - Sistema de variao da altura do pisto (Roberts, 2003).................................... 38

Figura 2-31 - Sistema Peugeot de Variao da Taxa de Compresso (Roberts, 2003) ............ 38

Figura 2-32 - Sistema Nissan de Variao da Taxa de Compresso (Roberts, 2003) .............. 39

Figura 2-33 - Comparativo entre injeo indireta e injeo direta (Zhao et al.,1999) ............. 40 Figura 2-34 - Exemplo de layout de um sistema de injeo direta (Zhao et al., 1999) ............ 41 Figura 2-35- Modos operao em um motor de injeo direta (Alkidas, 2007) ...................... 43 Figura 2-36 - Sistemas de combusto (Alkidas, 2007) ............................................................. 43

Figura 2-37 - Fatores que contribuem na eficincia do motor com injeo direta (Alkidas, 2007).................................................................................................................................. 44

Figura 2-38 - Esquema da instalao e montagem do motor para ensaio (Park et al.,2012).... 45

Figura 2-39 - Grfico Consumo especifico x ngulo de ignio em diferentes razes ar combustvel (Park et al., 2012).......................................................................................... 46

Figura 2-40 - Estabilidade da combusto x Razo ar combustvel em diferentes presses de injeo (Park et al., 2012).................................................................................................. 47

Figura 2-41 - Grfico concentrao de NOx x Razo ar combustvel em diferentes presses de injeo (Park et al., 2012).................................................................................................. 47

Figura 2-42 - Grfico concentrao de HC no escapamento x Razo ar combustvel em diferentes presses de injeo (Park et al., 2012) ............................................................. 48

Figura 2-43 - Grfico Opacidade x Razo ar combustvel em diferente presses de injeo (Park et al., 2012) .............................................................................................................. 48

Figura 2-44 - Consumo especfico e coeficiente de variao da presso mdia efetiva indicada x ngulo de ignio a 20 MPa de presso de injeo e razo ar combustvel de 2,5 (Park et al., 2012) ........................................................................................................................ 49

Figura 2-45 - NOx e HC x ngulo de ignio a 20 MPa de presso de injeo e razo ar combustvel de 2,5 (Park et al., 2012) ............................................................................... 49

Figura 2-46 - Coletor de admisso (BLOG DE CARROS E MOTOS, 2014) ......................... 51

Figura 2-47 Grfico Torque x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006) .................................................................................... 52

Figura 2-48 Grfico Potncia x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006) .................................................................................... 53

Figura 2-49 Grfico Presso mdia efetiva x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006) .................................................................. 53

Figura 2-50 Grfico Consumo especfico x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006) .................................................................. 54

Figura 2-51 Grfico Eficincia trmica x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006) .................................................................. 54

Figura 2-52 Presso de admisso no coletor x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006).............................................................. 55

Figura 2-53 Grfico Emisso de CO x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006) .................................................................. 55

Figura 2-54 Grfico Emisso de CO2 x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006) .................................................................. 56

Figura 2-55 Grfico Emisso de HC x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006) .................................................................. 56

Figura 2-56 - Representao esquemtica do sistema de variao de comprimento do coletor de admisso (Ceviz e Akin, 2010) .................................................................................... 57

Figura 2-57 - Representao 3D do sistema de variao de comprimento do coletor de admisso (Ceviz e Akin,2010) .......................................................................................... 58

Figura 2-58 Grfico Eficincia trmica x Rotao em trs comprimentos diferentes do coletor de admisso (Ceviz e Akin, 2010) ........................................................................ 58

Figura 2-59 Grfico Consumo especfico x Rotao em trs comprimentos diferente do coletor de admisso (Ceviz e Akin, 2010) ........................................................................ 59

Figura 2-60 Grfico Torque x Rotao em trs comprimentos diferente do coletor de admisso (Ceviz e Akin, 2010) ......................................................................................... 59

Figura 2-61 Grfico Potncia x Rotao em trs comprimentos diferente do coletor de admisso (Ceviz e Akin, 2010) ......................................................................................... 60

Figura 2-62 Grfico Eficincia trmica x Rotao em cinco comprimentos diferente do coletor de admisso (Ceviz e Akin, 2010) ........................................................................ 60

Figura 2-63 Grfico Consumo especfico x Rotao em cinco comprimentos diferente do coletor de admisso (Ceviz e Akin, 2010) ........................................................................ 61

LISTA DE TABELAS

Tabela 2-1 - Especificaes dos veculos utilizados nos testes (Silva et al., 2008) ................. 27

Tabela 2-2- Efeitos da sobrealimentao e downsizing (Silva et al., 2008) ............................. 28

Tabela 2-3 - Reduo de consumo de combustvel em cada ciclo de conduo (Silva et al.,2008) ............................................................................................................................. 29

Tabela 2-4- Especificaes do motor utilizado nos testes (Park et al.,2012) ........................... 45

Tabela 2-5- Condies de operao do motor nos ensaios (Park et al.,2012) .......................... 46

Tabela 2-6 - Especificaes do motor para teste (Ceviz, 2006) ............................................... 51

Tabela 2-7 - Especificaes do motor usado no teste (Ceviz e Akin, 2010) ............................ 57

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

MCI Motor de combusto interna

TC Taxa de compresso

HC Hidrocarbonetos

NOx xidos de nitrognio PMS Ponto morto superior

CO Monxido de carbono

CO2 Dixido de carbono

SUMRIO 1 INTRODUO ...................................................................................................... 13 2 REVISO BIBLIOGRFICA .................................................................................. 14 2.1 CONCEITOS BSICOS DE MOTORES DE COMBUSTO INTERNA .................. 14 2.1.1 Combusto ............................................................................................................ 16 2.1.2 ngulo de ignio .................................................................................................. 17 2.1.3 Potncia de atrito ................................................................................................... 17 2.1.4 Comando de vlvulas ............................................................................................ 17 2.1.5 Cmara de Combusto .......................................................................................... 18 2.1.6 Taxa de Compresso ............................................................................................ 19 2.2 DOWNSIZING ....................................................................................................... 19 2.2.1 Sobrealimentao (turbocompressor) .................................................................... 20 2.2.2 Taxa de compresso varivel ................................................................................ 30 2.2.3 Injeo direta ......................................................................................................... 40 2.2.4 Coletor de admisso varivel ................................................................................. 51 3 CONCLUSO ........................................................................................................ 62 REFERNCIAS ................................................................................................................... 63

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1 INTRODUO O cenrio automotivo atual exige dos fabricantes de veculos movidos a motores de combusto interna incessante busca por diminuio de emisso de poluentes, reduo do consumo de combustvel e aumento de eficincia energtica sem que ocorra perda de performance e confiabilidade.

Alm do mercado que exige produtos melhores e de baixo custo operacional, governos ao redor do mundo incentivam, como o caso do Inovar-Auto no Brasil, e tambm exigem limites cada vez mais apertados de emisses de gases poluentes e consumo de combustvel.

A reduo do tamanho dos motores de combusto interna (downsizing) uma alternativa vivel para atender exigncias mercadolgicas e governamentais no que tange a performance de produto e impactos ambientais.

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2 REVISO BIBLIOGRFICA 2.1 CONCEITOS BSICOS DE MOTORES DE COMBUSTO INTERNA Conforme Garcia e Brunetti (1992) motores de combusto so dispositivos que permitem a transformao de energia trmica em trabalho. A obteno do trabalho se d atravs de uma sequncia de processos realizados por uma substncia denominada fluido ativo.

Os motores de combusto interna podem ser classificados em:

Alternativos o trabalho obtido pelo movimento alternativo de um mbolo ou pisto, transformado em rotao contnua por um sistema biela/manivela.

Rotativos Quando o trabalho obtido diretamente por um movimento de rotao. Ex: turbinas a gs, motor Wankel.

Motores de impulso - quando o trabalho obtido pela fora de propulso gerada por gases expelidos em alta velocidade.

Dentre os motores alternativos existem duas classificaes com relao ao nmero de tempos, os mesmos podem ser de dois tempos ou quatro tempos. Nos motores dois tempos o primeiro tempo pode ser definido supondo o pisto no ponto morto superior e a mistura comprimida, ao saltar a fasca inicia-se a combusto e o pisto deslocado para baixo. Durante o deslocamento at o ponto morto inferior, o contedo do crter (combustvel e leo lubrificante) comprimido. Num certo ponto do deslocamento libera-se a passagem de escape expelindo os gases de combusto, em outro ponto do deslocamento libera-se a passagem de admisso, que coloca o crter em comunicao com o cilindro preenchendo-o com mistura nova.

No segundo tempo o pisto desloca-se do PMI ao PMS, e so fechadas as portas de admisso e exausto e o crter preenchido com mistura nova. O funcionamento do motor de dois tempos ilustrado pela Figura 2-1.

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Figura 2-1 - Ciclo Otto 2 Tempos (ANTONIO GUILHERME, 2014)

Conforme Garcia e Brunetti o funcionamento dos motores quatro tempos (ciclo Otto) definido a seguir:

Tempo de admisso o pisto desloca-se do PMS ao PMI, neste movimento o pisto d origem a uma admisso atravs da vlvula de admisso que se encontra aberta, o cilindro ento preenchido com mistura ar-combustvel.

Tempo de compresso fechada a vlvula de admisso e o pisto desloca-se do PMI ao PMS, comprimindo a mistura. A compresso deve ser elevada para que se atinjam temperaturas elevadas e consequentemente a flamabilidade da mistura.

Tempo de expanso pouco antes de se atingir o PMI salta a fasca que provoca a ignio da mistura, a combusto provoca um grande aumento da presso, acarretando o movimento do pisto para o PMI, de tal maneira que os gases produzidos sofrem expanso. Neste tempo obtm o trabalho til do motor.

Tempo de Escape aberta a vlvula de escape e o pisto desloca-se do PMI ao PMS jogando os gases para fora do cilindro, para poder reiniciar pelo ciclo de admisso.

A Figura 2-2 ilustra os quatro tempos de um motor de combusto conforme explicado anteriormente, onde mostrada a posio do pisto e das vlvulas de admisso e escape para cada um dos tempos.

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Figura 2-2 Quatro tempos do motor ciclo Otto (ENVENENADO, 2014)

2.1.1 Combusto

O processo de combusto tem incio no momento em que o pisto aproxima-se do PMS, e a ignio inicia-se pela fasca gerada pelo eletrodo da vela, provocando o incio das reaes de oxidao do combustvel.

Inicialmente as reaes ocupam um pequeno volume ao redor da vela, com um localizado aumento de temperatura e baixo aumento de presso. A partir desse ncleo inicial, a combusto se propaga e quando os compostos preliminares atingem certa concentrao, a liberao de calor intensa, provocada pela propagao da frente de chama.

A combusto pode ser estudada em trs fases, o retardamento qumico, na qual ocorrem as reaes preliminares junto vela e no ocorre aumento significativo de presso na cmara. A combusto normal a segunda fase a qual ocorre aps o retardamento qumico, em que a combusto se propaga atravs de uma frente de chama, deixando para trs gases queimados e tendo sua frente mistura no queimada. Esta fase termina quando a frente de chama se aproxima das paredes do cilindro. Na terceira fase processa-se a combusto esparsa de combustvel no queimado (Garcia; Brunetti, 1992).

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2.1.2 ngulo de ignio Devido existncia do retardamento qumico, necessrio que a fasca seja adiantada em relao ao PMS para que a combusto possa se processar e seja atingida a presso mxima no cilindro no incio do tempo de expanso. Com o aumento da rotao necessrio avanar ainda mais a fasca para que seja mantida esta presso mxima (Garcia; Brunetti, 1992).

2.1.3 Potncia de atrito

Segundo Taylor (1988), o atrito mecnico em motores de combusto interna originado pelo movimento relativo de vrias superfcies, o mesmo pode ser hidrodinmico o qual associado ao movimento por superfcies separadas por uma pelcula de fluido lubrificante, que influenciada pela viscosidade. Existe tambm o atrito de rolamento que ocorre nos mancais de esferas e nos roletes.

Alm do atrito mecnico, a potncia de atrito inclui outras potncias, as quais podem ser:

- Potncia de bombeamento: trabalho executado pelo mbolo sobre os gases, durante os cursos de admisso e escape.

- Potncia do compressor: potncia retirada atravs da engrenagem do virabrequim para acionar uma bomba ou compressor.

- Potncia auxiliar: para acionamento de outros sistemas no motor, tais como bomba de leo, bomba dgua e ventilador de refrigerao.

2.1.4 Comando de vlvulas

O sistema de comando de vlvulas concebido para que cada uma das vlvulas abra e feche no momento apropriado e se mantenham abertas o tempo necessrio para possibilitar a admisso da mistura e exausto completa dos gases de combusto.

No comando de vlvulas h dois parmetros a serem considerados, o levantamento (lift) e o tempo de abertura de vlvulas. A Figura 2-3 ilustra o funcionamento do comando de vlvulas.

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Figura 2-3 - Funcionamento do comando de vlvulas (FAZER FCIL, 2014)

Quanto maior for o levantamento da vlvula de admisso, maior ser a massa de ar admitida, consequentemente havendo um maior rendimento volumtrico e maior potncia at certo ponto, pois levantamento de vlvula muito elevado passa a no ser uma varivel significativa na rea de abertura da vlvula.

Quanto maior o tempo que as vlvulas permaneceram abertas, maior ser a quantidade de mistura admitida. Esse tempo de abertura deve ser bem definido, pois se for muito grande o cruzamento de vlvulas (tempo em que vlvula de escape e admisso esto abertas simultaneamente) tambm ser grande a perda de mistura pela vlvula de escape e assim a perda de eficincia.

2.1.5 Cmara de Combusto

O torque, a potncia e o consumo de combustvel em um motor so influenciados predominantemente pela taxa de compresso, cmara de combusto, formato do topo do pisto, nmero e tamanho das vlvulas de admisso e escape e a posio da vela (Heisler, 1995).

Uma cmara de combusto bem projetada deve favorecer a alimentao com a mistura no queimada e exausto dos gases de combusto em toda a faixa de rotao que o motor opera. A cmara deve proporcionar condies para o ar ser totalmente misturado com o combustvel, e esta mistura deve tambm estar em um estado turbulento para que o processo de queima seja mais rpido.

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2.1.6 Taxa de Compresso

A taxa de compresso um dos fatores que determina o rendimento global de um motor de combusto interna, mais precisamente a taxa de compresso est diretamente ligada ao rendimento trmico do motor, conforme a literatura de Garcia e Brunetti (1992).

O aumento da taxa de compresso vantajoso at certo ponto, pois a partir de determinado nvel necessrio um grande aumento para ganhos desprezveis no rendimento trmico. Um fator limitante para a taxa o combustvel.

Os combustveis tm determinada capacidade de resistir a compresso sem que ocorra autoignio, havendo um baixo nvel de resistncia compresso o processo de combusto acelerado. Quando a autoignio se torna muito elevada o fenmeno passa a ser denominado detonao e causa danos ao motor e deve ser evitada (Garcia; Brunetti, 1992).

2.2 DOWNSIZING

O conceito de downsizing se popularizou na indstria autotiva devido a presses govarmentais e dos consumidores, onde so exigidos progressivamente menores nveis de emisses e maior eficincia energtica.

Conforme Gheorghiu (2013) downsizing significa simultaneamente reduo da cilindrada do motor, usualmente reduzindo o nmero de cilindros, e aumento da presso mdia indicada atravs da sobrealimentao, preservando o torque e a potncia enquanto se diminui o tamanho do motor.

O estudo realizado por Sprei e Karlsson (2013) mostra que o mercado sueco exige novos carros com o mesmo tamanho e performance que os anteriores porm com menor consumo de combustvel. O balano de massa e potncia mxima entre 2007 e 2010, combinado com volume de cilindros reduzido resultou na diminuio dos motores, aproximadamente 20% dos veculos em 2010 tem capacidade do motor por peso do veculo de 1 l/ton, menor valor que anos anteriores. Na figura 2-4 pode-se ver 2010 comparado a anos anteriores, uma mudana a caminho de motores com menor capacidade por peso do veculo.

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Figura 2-4 - Distribuio de volume de motor pelo peso do veculo (Sprei; Karlsson, 2013)

O sucesso do conceito de downsizing depende da aplicao de inovaes tcnolgicas que permitem a diminuio do volume dos motores e mantm a potncia, exemplos de tecnologias ainda em estudo e outras j implementadas em veculos produzidos em larga escala sero apresentados a seguir, tais inovaes prolongaro a vida dos motores a combusto.

2.2.1 Sobrealimentao (turbocompressor) Turbocompressores so definidos por Pulkrabek (2003) como compressores montados no sistema de admisso usados para aumentar a presso do ar admitido no motor, resultando em maior massa de ar e combustvel nos cilindros durante cada ciclo. O ar e combustvel adicionais geram maior potncia durante a combusto e consequentemente maior potncia no eixo do motor. O aumento de presso varia de 20 a 250 kPa, onde a maioria dos motores opera prximo ao ponto mnimo desta escala.

Segundo Heywood (1988) um turbocompressor um compressor e uma turbina em um mesmo eixo usado para aumentar a densidade do ar (ou mistura) admitido pelo motor. A energia disponvel no fluxo de gases de escape usada para movimentar a turbina que por sua vez movimenta o compressor aumentando a densidade do fluido admitido antes de entrar em cada cilindro.

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Figura 2-5 - Como um turbocompressor instalado em um veculo (How Stuff Works, 2014)

A figura 2-5 acima mostra o esquema de funcionamento de um turbocompressor em um veculo, ilustrando as explicaes anteriores, onde os gases de escape movimentam a turbina, chamada de parte quente do turbocompressor, fornecendo movimento para o compressor, chamado de parte fria. O compressor aumenta a densidade do ar admitido pelo motor. Posteriormente este ar tem sua temperatura reduzida no resfriador do ar de admisso, popularmente conhecido como intercooler, visando aumentar ainda mais a densidade do ar admitido pelos cilindros.

A figura 2-6 ilustra o funcionamento do turbocompressor em si, mostrando os fluxos de gases de escape e fluido admitido pelo motor.

Figura 2-6 - Esquema de funcionamento do turbocompressor (How Stuff Works, 2014)

Conforme Ometto (2014) a multinacional americana Borg Warner est desenvolvendo o modelo de turbocompressor B01 voltado para veculos com propulsores bi-combustvel de 0,8 a 1,4 litro, visando atender aos requisitos do Inovar-Auto. Os principais desafios para o turbo em motores flex so a diluio do leo por etanol nos mancais, o gs corrosivo de escape em

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contato com a parte quente do conjunto e corroso do alumnio do lado do compressor devido ao potencial corrosivo do etanol.

Figura 2-7 - Turbocompressor BorgWarner B01 (Ometto, 2014)

A Borg Warner desenvolveu mancais mais robustos, com design e tolerncias diferentes, e melhorou a dissipao de calor na carcaa central para que a viscosidade do leo seja mantida em nvel aceitvel. O problema da corroso ainda encontra-se em estudo, podendo ser necessria a adoo de tratamento superficial nos rotores do compressor e mateiral resistente a alta temperatura nas carcaas da turbina e do compressor.

A Garret est desenvolvendo os modelos de turbo compressor NGT10 e NGT12, destinados a motores flex de dois, trs e quatro cilindros, com volume de 0,9 a 1,4 litro. Segundo a Honeywell as anlises e testes mostram que turbocompressores para motores a gasolina podem funcionar com etanol hidratado, os turbos em desenvolvimento esto sendo projetados para gasolina E22 e E25, etanol 100% e qualquer mistura entre os mesmos. A Garret est utilizando nova carcaa de turbina em ao inoxidvel fundido e novo design aerodinmico dos rotores do compressor e turbina.

Figura 2-8 - Turbocompressor Garret NGT 12 (Ometto, 2014)

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A presso de operao da ordem de 1 bar, com pico temporrio de 1,2 bar, em funo da maior capacidade anti-detonao do etanol. Um motor de um litro atinge mais facilmente potncia acima de 120 CV. O objetivo do fabricante na implementao do turbocompressor em MCIs de baixa cilindrada reduzir a rotao de torque mximo do motor para regimes mais baixos, obtendo-se respostas dinmicas mais rpidas, para dado desempenho. Um motor com torque elevado em baixa rotao permite alongar as relaes de transmisso, dimuindo o consumo de combustvel e reduzindo emisses de CO2.

Os novos turbos possuem rotor de compressor fresado, atuadores eltricos mais precisos, reduzindo tempo de resposta em relao aos antigos sistemas mecnicos, e mancais projetados para os lubrificantes atuais de menor viscosidade.

Outra tecnologia desenvolvida pela Honeywell o sistema R-Flow o qual dever ser integrado ao motores turbo bi-combustvel. O sistema foi desenvolvido para melhorar o controle da presso de sobrealimentao, melhorando a eficincia do motor tanto em baixas quanto em altas rotaes, com ganhos em torque e potncia.

Figura 2-9 - Sistema R-Flow Garret (Ometto, 2014)

O R-Flow constitudo por dois discos, um mvel (rotor) e outro fixo (estator), montados prximo a flange de sada dos gases da carcaa da turbina. Ambos possuem orifcios axiais, dispostos ao redor do rotor da turbina, que por intermdio da posio controlam a presso de sobrealimentao. Em baixas rotaes, quando as furaes do rotor e do estator no coincidem, o sistema propicia ganho de torque devido a melhor vedao dos gases de escape, e por ser mais eficiente que uma wastegate em altas rotaes possibilita aumento de potncia.

No estudo realizado por Kesgin (2004) avaliou-se os efeitos da turbocompresso em um motor movido a gs natural. Para anlise foram considerados o dimetro do coletor de

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admisso, dimetro de sada da turbina, eficincia do turbocompressor, local de instalao do turbo compressor, contra-presso na turbina e perdas de carga antes do compressor.

Kesgin concluiu que para alcanar presso de sobrealimentao constante ideal, o dimetro do coletor de escape deve ser igual ao dimetro dos cilindros.

Figura 2-10 Razo do dimetro do coletor de escape pelo dimetro dos cilindros (Kesgin, 2004)

Para um maior rendimento volumtrico a relao entre o tubo de sada da turbina pelo dimetro do coletor de admisso na entrada da turbina deve ser de pelo menos 1,6.

Figura 2-11 - Razo do dimetro do tubo de sada da turbina pelo dimetro dos cilindros (Kesgin, 2004)

25

A eficincia do turbocompressor tem grande influncia na eficincia do motor, um aumento de 1% na eficincia do turbo compressor aumenta em 0,08% a eficincia do motor.

Figura 2-12 - Efeito da eficincia do turbo compressor na eficincia do motor (Kesgin, 2004)

No modelo de motor estudado com a instalao do turbocompressor em seu centro aumentou sua eficincia em 0,28%, porm esta vantagem muito pequena devido s grandes mudanas necessrias na construo do motor e desvantagens referentes manuteno.

Figura 2-13 - Efeito do posicionamento do turbo na presso mdia efetiva indicada em cada cilindro (Kesgin, 2004)

A contra-presso e perdas de carga na turbina deve ser mantida no menor valor possvel assim como as perdas de carga antes do compressor para que seja evitada diminuio na eficincia do motor.

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Figura 2-14 - Efeito da contra-presso na sada da turbina na eficincia do motor e eficincia volumtrica (Kesgin, 2004)

Figura 2-15 - Efeito das perdas de carga antes do compressor na eficincia do motor e eficincia volumtrica (Kesgin, 2004)

Na anlise realizada por Silva et al. (2008) foram estudadas estratgias para reduzir consumo de combustvel e emisses em veculos a gasolina de baixa carga. As medidas so frenagem regenerativa, corte de combustvel em marcha lenta, sistema star/stop, downsizing e sobrealimentao.

Referente ao downsizing e turbocompresso, foram analisadas 5 classes tpicas de veculos europeus, em diversas condies de conduo e foram medidos consumo de combustvel e emisses de HC, CO, NO e CO2. As condies de cada veculo esto na tabela abaixo:

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Tabela 2-1 - Especificaes dos veculos utilizados nos testes (Silva et al., 2008)

Os veculos foram ensaiados em trs ciclos de conduo diferentes, estes so IC19, Mec01 e NEDC, os quais so ilustrados pelos grficos abaixo:

Figura 2-16 - Ciclo de conduo IC19 (Silva et al., 2008)

Figura 2-17 - Ciclo de conduo Mec01 verso 5.1 (Silva et al., 2008)

28

Figura 2-18 - Ciclo de conduo NEDC (Silva et al., 2008)

A simulao consiste em substituir os motores originais dos veculos com motores diminudos em 20% e 40% mantendo os outros parmetros do veculos constantes. Foi assumido que os motores naturalmente aspirados possuem uma diminuio de torque da mesma ordem em toda faixa de rotao, por exemplo um motor 20% menor tem diminuio no torque de 20%. A presso de turbocompresso foi escolhida para ser 20% e 50% maiores que a presso de admisso absoluta dos motores naturalmente aspirados.

Os resultados dos testes podem ser vistos na tabela abaixo:

Tabela 2-2- Efeitos da sobrealimentao e downsizing (Silva et al., 2008)

Na Tabela 2-2 l-se, para consumo de combustvel por exemplo, (11-7)/(21-14) significa uma reduo de 11% de reduo no ciclo IC19 e 7% no Mec01, para um motor com downsizing de 20%, e uma reduo de 21% no ciclo IC19 e 14% de reduo no ciclo Mec01, para downsizing de 50%.

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Downsizing de 20% com 20 a 50% de aumento de presso no coletor de admisso alcana reduo de consumo de combustvel de 6 a 14%, o percentual de reduo do CO2 o mesmo. O modelo preve reduo de 2 a 4% de HC, 7 a 20% de CO, 8 a 23% de NOx.

Downsizing de 40% com 20 a 50% de aumento de presso no coletor de admisso alcana reduo de consumo de combustvel de 13 a 23%, o percentual de reduo do CO2 o mesmo. O modelo preve reduo de 4 a 8% de HC, 15 a 35% de CO, 15 a 37% de NOx.

Quo menor a velocidade dos veculos (ciclo de conduo congestionado IC19) maiores so os benefcios associados ao downsizing e a turbocompresso. Emisses de HC so as menos afetadas, elas diminuram na ordem de 2 a 7%. A reduo de HC aumenta quando a velocidade mdia aumenta, provavelmente devido a melhora no processo de combusto e menos misfire alcanados nessas condies. Percentuais de reduo de CO e NOx so similares para todos os casos simulados e podem chegar a 20%.

A tabela 2-3 mostra os percentuais de reduo de consumo de combustvel, nos diversos modelos de veculo em cada ciclo, utilizando turbocompressor e downsizing:

Tabela 2-3 - Reduo de consumo de combustvel em cada ciclo de conduo (Silva et al.,2008)

Conforme Silva et al. (2008) o custo estimado da implementao destas melhorias tecnolgicas de 500 a US$600.

A maior solicitao trmica e mecnica de um motor sobre-alimentado e reduzido pode sensivelmente diminuir sua durabilidade, adequao das especificaes do material e projeto do bloco, camisas, pisto, virabrequim, bronzinas, bielas, juntas em geral etc., seriam necessrias visando manter a confiabilidade do motor.

30

2.2.2 Taxa de compresso varivel

Atualmente motores com taxa de compresso varivel no esto presentes em veculos produzidos em larga escala apesar das pesquisas e patentes que vm sendo feitas por dcadas.

Variando-se a taxa de compresso de um MCI obtm-se diversos benefcios como aumento de torque, potncia e rendimento trmico alm da diminuio do consumo especifico e da temperatura de escape, conforme estudo de Costa e Sodr (2010) onde foi ensaiado um motor de quatro cilindros, 1.0 L, nas taxas de compresso 10:1, 11:1, e 12:1. No caso a variao da taxa de compresso foi obtida atravs do uso de diferentes pistes.

Foram utilizados como combustveis uma mistura de 22% de etanol anidro e 78% de gasolina (E22) e etanol hidratado (E100), e estes obtiveram os resultados mostrados na Figura 2-19:

Figura 2-19 - Curva de Torque x Rotao (Costa; Sodr, 2010)

No grfico anterior se verifica aumento do torque diretamente proporcional ao aumento da taxa de compresso, pois foi respeitado no ensaio o limite de detonao do combustvel no prejudicando a performance do motor.Obtm-se o maior torque utilizando etanol hidratado (E100) como combustvel. Nota-se tambm maior presso mdia efetiva nos cilindros conforme aumento da taxa de compresso. Com o uso de etanol hidratado (E100) foram obtidas as maiores presses mdias efetivas quando o motor passa dos 4000 rpm.

ROTAO (rpm)

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Em relao potncia nota-se aumento significativo nas rotaes mais altas, na taxa de 12:1 em ambos os combustveis, nas rotaes mais baixas no houve diferena significativa nos valores obtidos para a potncia, conforme mostra a Figura 2-20.

Figura 2-20 - Curva de Potncia x Rotao (Costa; Sodr, 2010)

Com o uso do combustvel E22 no houve melhoras significativas no consumo especfico de combustvel. No ensaio do motor com E100 e taxa de compresso 12:1, verifica-se expressiva diminuio do consumo especfico, conforme pode ser visto na figura 2-21.

Figura 2-21 - Curva de Consumo Especfico x Rotao (Costa; Sodr, 2010)

ROTAO (rpm)

POT

NCIA

(kW

)

ROTAO (rpm)

CONS

UMO

ES

PEC

FICO

(Kg/

kWh)

32

A eficincia trmica mostrou-se maior nos ensaios com maior taxa de compresso e com a utilizao de E100 obteve-se o maior rendimento trmico, conforme ilustra a Figura 2-22.

Figura 2-22 - Curva Rendimento Trmico x Rotao (Costa; Sodr, 2010)

Um estudo realizado por Ycesu et al. (2006) utilizando um motor monocilndrico da marca Hydra ciclo Otto com mxima potncia de 15 kW, onde o mesmo foi submetido a testes em plena carga (WOT) variando a taxa de compresso de 8:1 at 13:1, nas rotaes de 2000, 3500 e 5000 rpm, como combustvel para os testes foram utilizados gasolina pura (E0), e misturas de gasolina e etanol, E10, E20, E40 e E60, mostra os benefcios da variao da taxa de compresso.

Conforme a Figura 2-23 ocorre um aumento expressivo no torque do motor a medida que se aumenta a taxa de compresso, h um aumento de 14% no torque comparando a taxa de 8:1 com a de 13:1 quando se utiliza E40 ou E60 como combustvel. A maior diminuio de consumo especfico foi obtida no ensaio com E40, onde foi possvel reduzir em 15% o valor encontrado na taxa de 8:1.

ROTAO (rpm)

REND

IMEN

TO T

RMIC

O (%

)

33

Figura 2-23 - Curva de torque e consumo especfico a 2000 rpm (Ycesu et al., 2006)

Nos ensaios a 3500 e 5000 rpm o mximo aumento de torque foi obtido com E60, e houve aumento de 19,2% e 21,5% a 3500 e 5000 rpm respectivamente. Utilizando E0 a melhora no consumo especifico foi por volta de 10,4% e 13,6% nas rotaes de 3500 e 5000 rpm.

A maior reduo no consumo especfico foi durante os testes com E60, no qual reduziu-se o consumo especfico na ordem de 14,7% e 17% nas rotaes de 3500 e 5000 rpm respectivamente, conforme pode-se observar nas figuras 2-24 e 2-25.

Figura 2-24 Curva de torque e consumo especfico a 3500 rpm (Ycesu et al., 2006)

Taxa de compresso

Taxa de compresso

Consu

mo esp

ecfi

co

(g/kW

h) Co

nsu

mo esp

ecfi

co

(g/kW

h)

34

Figura 2-25 - Curva de torque e consumo especfico a 5000 rpm (Ycesu et al., 2006)

A variao da taxa de compresso de acordo com o combustvel e regime de operao uma alternativa para otimizao da eficincia do MCI, pois pode-se extrair maior energia do combustvel de acordo com sua capacidade anti-detonante e adequar a taxa de compresso conforme a rotao e carga do motor.

2.2.2.1 Sistemas de variao da taxa de compresso

A busca por um MCI com maior eficincia ao mesmo tempo em que a potncia deve ser mantida ou at mesmo aumentada tem gerado diversos mecanismos perifricos, destacando-se os dispositivos para variao da taxa de compresso que sero o objeto de estudo.

Um estudo realizado por Yamin e Dado (2003) sobre um sistema de variao da taxa de compresso o qual consiste na variao do curso do pisto conforme Figura 2-26.

Taxa de compresso

Consu

mo esp

ecfi

co

(g/kW

h)

35

Figura 2-26 - Sistema de Variao do Curso do Pisto (Dado; Yamin, 2003)

Conforme Figura 2-26, a taxa de compresso ajustada atravs da variao da cota Y do ponto O2. O sistema opera com alta taxa de compresso quando o motor est com alta carga e taxa menor quando opera em baixa carga.

Atravs das simulaes matemticas do sistema apresentado provou-se ser possvel obter taxas de compresso partindo de 6,82:1 quando a cota Y (Posio do pino de controle) est no valor mximo de 25 mm e quando a posio do pino de controle est no valor mnimo, Y = 0, a taxa de compresso obtida 10.

O modelo de simulao foi conduzido sob as hipteses do motor trabalhar em mxima acelerao, mistura ar/combustvel estequiomtrica.Visando evitar detonao, o motor foi simulado na faixa de 1000 a 3500 rpm, e os dados obtidos foram comparados com as condies originais do modelo com taxa de compresso de 8,5:1.

Foi constatado que conforme se controla a taxa de compresso, ocorre aumento no rendimento volumtrico em baixa rotao, reduo no consumo especfico, aumento da eficincia trmica e aumento de potncia conforme Figura 2-27, onde B/S significa a relao do dimetro pelo curso do cilindro (bore/stroke).:

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Figura 2-27 - Variao da Potncia x Rotao do motor (Dado; Yamin, 2003)

A Figura 2-28 mostra a patente da Ford para variao da taxa de compresso, este sistema utiliza um pisto secundrio para controle da TC, e sugerido que o pisto se mantenha numa posio correspondente a TC tima para uma condio especfica. No entanto o sistema requer um cilindro de curso finito e levanta questes a respeito de vedao e durabilidade.

Figura 2-28 - Sistema Ford de Variao da Taxa de Compresso (Roberts, 2003)

Rotao (rpm)

Pot

nci

a (kW

)

Sensores

Controlador

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O sistema ilustrado na Figura 2-29 um conceito idealizado pela Volvo/Alvar no qual um pisto secundrio movido continuamente metade da velocidade do virabrequim e pode utilizar o eixo de comando para instalao das bielas dos pistes secundrios. A variao de fase entre os pistes secundrios e o virabrequim permite a obteno da TC requerida.

Figura 2-29 - Sistema de Variao da TC Volvo/Alvar (Roberts, 2003)

Este mecanismo apresenta a pequena mudana nas peas internas do motor e no processo de fabricao, porm tambm possui diversas desvantagens como introduo de elementos adicionais na cmara de combusto ameaando a geometria ideal e a configurao das vlvulas, controle de emisses indeterminado e perda por atrito devido ao movimento dos pistes secundrios assim diminuindo o rendimento do motor.

Existe tambm a possibilidade de se variar a TC a partir da variao da altura do pisto. Esta alternativa a mais atrativa para a produo de motores com TC varivel, pois requer as menores mudanas na arquitetura do motor quando comparada com as outras opes, porm acarreta aumento significativo das massas reciprocantes e a necessidade de variar a altura do pisto com o mesmo em alta velocidade. Geralmente solues usando a hidrulica utilizando o leo do motor so propostas, no entanto um controle preciso da vazo de leo o grande desafio.

A Figura 2-30 mostra o sistema de variao da taxa de compresso a partir da variao da altura do pisto.

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Figura 2-30 - Sistema de variao da altura do pisto (Roberts, 2003)

Outro modo para variao da TC que vem sendo estudado a substituio das bielas convencionais por bielas de duas partes, onde a parte superior se conecta ao pisto e a inferior rvore de manivelas, controlando o raio do ponto de unio das duas partes da biela obtm-se diferentes alturas de biela e consequentemente diferentes taxa de compresso, as figuras 2-31 e 2-32 mostram o esquema dos sistemas propostos pela Peugeot e pela Nissan respectivamente:

Figura 2-31 - Sistema Peugeot de Variao da Taxa de Compresso (Roberts, 2003)

Virabrequim

Biela

Alavanca

Pisto Atuador

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Figura 2-32 - Sistema Nissan de Variao da Taxa de Compresso (Roberts, 2003)

Biela

Virabrequim

Alavanca

Ajuste Excntrico

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2.2.3 Injeo direta Conforme Zhao et al. (1999) devido a crescente busca para reduo de consumo de combustvel em motores de combusto interna engenheiros automotivos se esforam para desenvolver novas tecnologias visando atender futuras legislaes ambientais. Pesquisas mostram que uma alternativa para este requisito a implementao da injeo direta, em motores 4 tempos com ignio por fasca, nestes motores injetado o combustvel diretamente dentro do cilindro gerando a mistura ar-combustvel inflamvel no tempo da ignio.

Na Figura 2-33 abaixo mostrado o esquema de posicionamento do injetor e a maneira como o combustvel injetado comparando um sistema tradicional, injeo sobre a vlvula de admisso (indireta), ao sistema de injeo direta:

Figura 2-33 - Comparativo entre injeo indireta e injeo direta (Zhao et al.,1999)

Este tipo de motor possui maior tolerncia para combustveis de menor octanagem, devido a menor temperatura da cmara durante a injeo. Trabalhos iniciais focam no desenvolvimento de motores multi-combustvel. De maneira similar aos motores diesel a potncia de sada controlada pela variao de combustvel injetada nos cilindros. O ar admitido no comprimido de maneira significativa, desta maneira minimizando o trabalho negativo de compresso do ciclo, dependendo da taxa de compresso. Atravs do alinhamento relativo entre vela de ignio e injetor de combustvel processos de combusto otimizados podem ser obtidos.

Injeo indireta

Injeo direta

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Na figura 2-34 abaixo mostrado o layout tpico de um sistema de injeo direta de combustvel:

Figura 2-34 - Exemplo de layout de um sistema de injeo direta (Zhao et al., 1999)

De acordo com Zhao et al. (1999) as vantagens tericas dos motores com injeo direta em relao a injeo indireta so:

- Economia de combustvel de at 25% dependendo do ciclo de teste, proveniente de menor perda por bombeamento, menor perda de calor, maior taxa de compresso, menor octanagem necessria, maior eficincia volumtrica.

- Melhor resposta em regimes transientes, oriunda de menor enriquecimento da mistura em aceleraes (ausncia de filme de combustvel no coletor).

- Maior controle da mistura ar-combustvel, o que gera partidas mais rpidas e menor quantidade de combustvel injetado em partidas frias.

- Reduo no nvel de emisses, menor emisso de hidrocarbonetos no queimados devido a partida a frio e menor emisso de CO2.

- Maior potencial para otimizao do sistema.

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Em seu trabalho Zhao et al. tambm enumera as dificuldades do desenvolvimento dos motores com injeo direta, as quais so:

- Dificuldade no controle da combusto na faixa de operao requerida.

- Alta complexidade de controle e tecnologias de injeo para as constantes mudanas de carga na operao do motor.

- Relativamente alta formao de depsitos no injetor e/ou incrustraes provenientes da injeo.

- Relativamente alta emisso de HC com baixa carga.

- Relativamente alta emisso de NOx com alta carga.

- Formao de carvo (soot) em operaes com alta carga.

- Alto desgaste do sistema de alimentao de combustvel devido a alta presso e baixa lubricidade dos combustveis.

- Aumento do desgaste interno dos cilindros.

- Necessidade de elevada potncia e tenso eltrica para o funcionamento do sistema de injeo

De acordo com Alkidas motores de combusto interna com injeo direta de combustvel trabalham com processos de combusto otimizados e mistura ar combustvel pobre em operao sem acelerao.

A principais desvatagens da injeo direta so limitada rotao e carga (baixa para mdia), o que faz necessria a operao em modos de combusto mistos, alm da mistura pobre e baixa temperatura do fluxo de escape, o que requer tecnologias de ps-tratamento especficas. Um exemplo simples de estratgia de combusto mista a operao com mistura pobre em baixa carga e rotao e operao com mistura estequiomtrica em alta carga e quaisquer cargas

quando em alta rotao.

A Figura 2-35 mostra os modos de operao de um motor de injeo direta, conforme Alkidas (2007). Visando otimizar o consumo de combustvel, conforme mencionado anteriormente, o motor opera com mistura pobre, modo estratificado (stratified mode) e modo enxuto (lean

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mode), em baixa rotao e carga, e opera no modo estequiomtrico (stoichiometric/homogenous mode) quando em altas rotaes e carga. Na combusto homognea a razo ar/combustvel mantida prxima a 1, ou seja, a quantidade exata de ar admitida para uma combusto completa. A combusto estratificada caracterizada pela razo ar/combustvel acima de 1, ou seja maior quantidade de ar admitida.

Figura 2-35- Modos operao em um motor de injeo direta (Alkidas, 2007)

Alkidas cita em seu trabalho que os motores com injeo direta possuem trs tipos de sistema de combusto de acordo com o mecanismo que favorece a formao da mistura, sendo: orientado pelo ar (air-guided), orientado pela parede (wall-guided) e orientado pelo spray (spray-guided). A Figura 2-36 mostra o design de cada sistema de combusto abordado pelo autor.

Figura 2-36 - Sistemas de combusto (Alkidas, 2007)

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Nos sistemas orientados pelo ar e pela parede o injetor instalado distante da vela de ignio, e o spray de combustvel direcionado para a vela pelo movimento do ar do cilindro ou pela interao do spray com a cavidade na cabea do pisto. No sistema orientado pelo spray, a proximidade entre vela e injetor fornece uma melhor relao entre preparao da mistura ar/combustvel e ignio.

A primeira gerao de motores com injeo direta para produo possui sistema de combusto orientado pela parede. J existem projetos que utilizam sistema de combusto orientados pelo spray devido a potencial melhoria em consumo de combustvel, combuto estratificada e menor nvel de emisses.

Simulaes eletrnicas comparando um motor com injeo direta com taxa de compresso 11,2:1 e um motor convencional com taxa de compresso de 9,4:1, mostram que o motor com injeo direta tem eficincia 15% maior e consequentemente 15% melhor em consumo de combustvel. A Figura 2-37 abaixo mostra a influncia de vrios fatores na eficincia do motor.

Figura 2-37 - Fatores que contribuem na eficincia do motor com injeo direta (Alkidas, 2007)

Interpretando a figura 2-37, as contribuies positivas na eficincia do motor com injeo direta resultam da taxa de compresso (CR), transferncia de calor (HT), propriedades da mistura (PROP) e bombeamento (PUMP), enquanto contribuies negativas foram obtidas da combusto (COMB) e atrito / frico (FRICT).

Sistemas de injeo direta de gasolina possuem maior potncia e eficincia quando comparados a sistemas de injeo indireta. A injeo direta de combustvel na camra de combusto gera maior economia de combustvel pois o ar admitido refriado de forma mais

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eficiente pela evaporao do combustvel. Injeo direta tambm melhora a resistncia anti-detonao e eficincia volumtrica. Injeo direta com sistema de combusto orientado pelo spray permite a operao em combusto enxuta estratificada devido a caracterstica de no molhar a parede dos cilindros e formar misturas inflamveis prximas as velas de ignio (Park et al., 2012).

No estudo realizado por Park et al. (2012) foram realizados ensaios de um motor com injeo direta monocilindrico, visando investigar os efeitos das estratgias de injeo e caractersticas de combusto correlatas. O processo de combusto orientado pelo spray foi realizado com um injetor piezo eltrico e uma vela de ignio posicionado prxima do injetor posicionado no centro da cmara de combusto.

Os ensaios foram feitos em uma larga faixa de parmetros de injeo, incluindo presso e tempo de injeo. A Tabela 2-4 mostra as especificaes do motor utilizado no testes.

Tabela 2-4- Especificaes do motor utilizado nos testes (Park et al.,2012)

Na Figura pode ser visto o esquema das instalaes onde os testes foram realizados.

Figura 2-38 - Esquema da instalao e montagem do motor para ensaio (Park et al.,2012)

As condies de operao do motor durante os ensaios podem ser verificadas na Tabela 2-5, onde IMEP (indicated mean effective pressure presso mdia efetiva indicada), BTDC

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(before top dead center antes do ponto morto superior), CAD (crank angle degree ngulo do virabrequim).

Tabela 2-5- Condies de operao do motor nos ensaios (Park et al.,2012)

A temperatura do motor foi mantida em 82,5 2,5 C, aps aquecimento. A razo ar combustvel foi variada de =1,0 com incremento de 0,5 at o limite de combusto enxuta.

Nos grficos abaixo so mostrados os resultados dos testes executados, onde ISFC (indicated specific fuel consumption consumo especfico de combustvel indicado). Com = 1,5 houve aumento no consumo especfico devido a baixa concentrao de oxignio da zona de reao, a mistura pobre resultou em misfire com injeo adiantada, combusto estvel foi possvel com o atraso na injeo e uma rea localmente rica.

Figura 2-39 - Grfico Consumo especifico x ngulo de ignio em diferentes razes ar combustvel (Park et al., 2012)

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Figura 2-40 - Estabilidade da combusto x Razo ar combustvel em diferentes presses de injeo (Park et al., 2012)

Figura 2-41 - Grfico concentrao de NOx x Razo ar combustvel em diferentes presses de injeo (Park et al., 2012)

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Figura 2-42 - Grfico concentrao de HC no escapamento x Razo ar combustvel em diferentes presses de injeo (Park et al., 2012)

Figura 2-43 - Grfico Opacidade x Razo ar combustvel em diferente presses de injeo (Park et al., 2012)

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Figura 2-44 - Consumo especfico e coeficiente de variao da presso mdia efetiva indicada x ngulo de ignio a 20 MPa de presso de injeo e razo ar combustvel de 2,5 (Park et al., 2012)

Figura 2-45 - NOx e HC x ngulo de ignio a 20 MPa de presso de injeo e razo ar combustvel de 2,5 (Park et al., 2012)

Park et al. (2012) conclui que os tempos de injeo e ignio so altamente relacionados e sensveis eficincia da combusto pois a ignio atrasada ou adiantada resulta na formao inadequada da mistura prxima a vela de ignio. Em condio de mistura enxuta com = 2,0 os pontos de injeo e ignio foram programados em 40 antes do PMS. Na presso de injeo de 20 MPa possvel criar uma mistura suficientemente rica para ignio prxima a vela at mesmo em condies de mistura muito pobre, entretanto o limite de flamabilidade restrito em = 1,5 com 10 MPa e = 2,0 com 15 MPa devido a baixa atomizao do combustvel. Na regio de combusto enxuta com estrtgia de injeo atrasada, reduo da

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emisso de fumaa no foi alcanada quando a presso de injeo foi elevada a 20 MPa, filtros de material particulado devero ser utilizados para atender a regulamentao de emisses.

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2.2.4 Coletor de admisso varivel

Conforme Heywood (1988) um coletor de admisso consiste de um tubo de entrada, onde fixado o corpo de borboleta, e neste so ligados os dutos que levam o ar ou mistura ar/combustvel para os cilindros. A figura 2-46 ilustra um coletor de admisso anteriormente explicado.

Figura 2-46 - Coletor de admisso (BLOG DE CARROS E MOTOS, 2014)

Importantes critrios de design so baixa resistncia ao escoamento de ar, boa distribuio de ar e combustvel entre os cilindros, suficiente mas no excessivo aquecimento para assegurar adequada vaporizao de combustvel (Heywood, 1988).

No estudo de Ceviz (2006) foi ensaiado um motor variando-se o volume do tubo de entrada do coletor de admisso, para servir de teoria de base para o design de coletores de admisso varivel. As especificaes do motor utilizado nos testes podem ser visualizadas na Tabela 2-6.

Tabela 2-6 - Especificaes do motor para teste (Ceviz, 2006)

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O primeiro experimento foi feito com o coletor de admisso original, o segundo e terceiro teste foram feitos com adio de 90 e 180 cm3 ao volume do tubo de entrada do coletor de admisso respectivamente. A rotao do motor foi regulada atravs da mudana de posio da borboleta de acelerao, o teste foi feito nas rotaes de 1250, 1500, 2000, 2500 e 3000 rpm para cada volume adicionado ao tubo de entrada do coletor de admisso, os volumes adicionais foram istalados entre o coletor e o corpo de borboleta respeitando a geometria original do coletor.

Nos grficos abaixo sero apresentados os resultados dos testes:

Figura 2-47 Grfico Torque x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006)

A Figura 2-47 mostra influncia do coletor no torque, variao do volume do tubo de entrada gerou aumento de torque, com a adio de 180 cm3 existe um maior aumento entre 1700 e 2600 rpm, porm aps 2600 rpm o efeito do aumento de volume na presso de admisso torna-se pior e o motor perde performance.

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Figura 2-48 Grfico Potncia x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006)

Figura 2-49 Grfico Presso mdia efetiva x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006)

A figuras 2.-48 e 2-49 mostram aumento da potncia e presso mdia efetiva, com o aumento do volume do coletor.

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Figura 2-50 Grfico Consumo especfico x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006)

Figura 2-51 Grfico Eficincia trmica x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006)

As Figuras 2-50 e 2-51 apresentam o consumo especfico de combustvel e eficincia trmica, pode-se notar melhora na eficincia com o uso de volume adicional no coletor, entretanto h queda de rendimento com a adio de volume de 180 cm3 prximo a 2500 rpm.

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Figura 2-52 Presso de admisso no coletor x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006)

A principal razo da variao no funcionamento do motor devido ao aumento de presso no coletor de admisso, esse aumento provoca maior entrada de ar nos cilindros portanto a razo ar combustvel relativa aumenta, o aumento da presso pode ser visto na Figura 2-52.

Figura 2-53 Grfico Emisso de CO x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006)

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Figura 2-54 Grfico Emisso de CO2 x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006)

Figura 2-55 Grfico Emisso de HC x Rotao em trs diferentes volumes de tubo de entrada do coletor de admisso (Ceviz, 2006)

A Figuras 2-53 a 2-55 mostram o comportamento das emisses devido as modificaes no coletor, houve diminuio nas emisses de CO e HC e aumento em CO2.

No estudo de Ceviz e Akin (2010) foi desenvolvido e testado um mecanismo controlado eletronicamente para variar o comprimento do tubo de entrada do coletor de admisso. Nos testes foi utilizado um motor com injeo eletrnica multi ponto indireta. As caractersticas do motor podem ser vists na Tabela 2-7.

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Tabela 2-7 - Especificaes do motor usado no teste (Ceviz e Akin, 2010)

No nicio dos testes a borboleta de acelerao teve de abertura para o motor chegar a sua rotao mxima, quando o motor estabilizou foram conduzidos testes com o coletor original. O motor recebia carga do dinammetro gradativamente, a faixa de rotao iniciava em 1500 rpm e chegava a 5000 rpm com intervalo de 500 rpm. Os ensaios foram feitos separadamente com adio no comprimento do coletor de 16 mm (40 cm3), 32 mm (80 cm3), 48 mm (120 cm3) e 64 mm (160 cm3), a adies de comprimento respeitam a geometria orinal do coletor.

Figura 2-56 - Representao esquemtica do sistema de variao de comprimento do coletor de admisso (Ceviz e Akin, 2010)

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Figura 2-57 - Representao 3D do sistema de variao de comprimento do coletor de admisso (Ceviz e Akin,2010)

As figuras 2-56 e 2-58 ilustram o sistema desenvolvido por Ceviz e Akin (2010), o sistema interliga o corpo de borboleta e o coletor, no sistema o corpo de borboleta se move linearmente em resposta ao comando do mdulo para definir o comprimento adequado para a condio do motor, quando em baixa rotao o sistema alonga o comprimento e em alta rotao diminui o comprimento.

Os resultados dos testes sero mostrados atravs dos grficos a seguir, visando provar experimentalmente a efetividade da tecnologia.

Figura 2-58 Grfico Eficincia trmica x Rotao em trs comprimentos diferentes do coletor de admisso (Ceviz e Akin, 2010)

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Figura 2-59 Grfico Consumo especfico x Rotao em trs comprimentos diferente do coletor de admisso (Ceviz e Akin, 2010)

Figura 2-60 Grfico Torque x Rotao em trs comprimentos diferente do coletor de admisso (Ceviz e Akin, 2010)

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Figura 2-61 Grfico Potncia x Rotao em trs comprimentos diferente do coletor de admisso (Ceviz e Akin, 2010)

Figura 2-62 Grfico Eficincia trmica x Rotao em cinco comprimentos diferente do coletor de admisso (Ceviz e Akin, 2010)

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Figura 2-63 Grfico Consumo especfico x Rotao em cinco comprimentos diferente do coletor de admisso (Ceviz e Akin, 2010)

Os grficos mostram melhoria no consumo especfico do motor e eficincia trmica para aumento no comprimento do coletor de at 32 mm em baixas rotaes, porm aumento no comprimento alm disso piorou a eficincia do motor. Em rotaes mdias e altas no h mudanas expressivas no comportamento do motor.

O coletor de admisso varivel uma boa soluo para a operao de veculos em condio urbana, onde opera-se com baixas velocidades e rotao do motor e alta carga (Ceviz e Akin, 2010).

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3 CONCLUSO Neste trabalho foram apresentadas solues tecnolgicas, em desenvolvimento ou j implementadas em automveis em produo, as quais visam aumento de eficincia energtica dos motores de combusto interna.

Conforme mencionado anteriormente exigncias mercadolgicas e legislao ambiental gradativamente mais rigorosa no que tange a consumo de combustvel e emisso de gases poluentes, obrigam a indstria a buscar meios de atender tais requisitos de maneira a manter custo acessvel de seus produtos e preservar sua performance percebida pelo cliente.

A pesquisa realizada mostra, atravs dos testes e simulaes feitas pelos pesquisadores, que ainda existem oportunidades de adoo de novas tecnologias visando reduzir consumo de combustvel e emisso de poluentes em veculos produzidos em larga escala, as quais ainda no possuem grande penetrao no mercado devido o custo.

Conclui-se tambm que a diminuio (downsizing) dos motores de combusto interna atrelada a uma ou mais solues tecnolgicas apresentadas neste trabalho so alternativas bastante viveis para o prolongamento da vida deste tipo de propulsor, uma vez que a indstria demonstra que a completa eletrificao do trem de fora o caminho a ser seguido em um futuro, no se sabe quo prximo.

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