i
GUSTAVO SANTOS LOPES
Análise Cinemática, Dinâmica e
Termodinâmica de um Motor com Taxa de
Compressão Variável
25/2015
CAMPINAS 2015
iii
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
GUSTAVO SANTOS LOPES
Análise Cinemática, Dinâmica e
Termodinâmica de um Motor com Taxa de
Compressão Variável
Orientador: Prof. Dr. Janito Vaqueiro Ferreira
CAMPINAS 2015
Dissertação de Mestrado apresentada à Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas como parte dos requisitos exigidos para obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica, na Área de Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico.
iv
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura
Luciana Pietrosanto Milla - CRB 8/8129
Lopes, Gustavo Santos,
1987-L881a LopAnálise cinemática, dinâmica e termodinâmica de um motor com taxa de compressão variável / Gustavo Santos Lopes. – Campinas, SP : [s.n.], 2015.
LopOrientador: Janito Vaqueiro Ferreira.
LopDissertação (mestrado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de
Engenharia Mecânica.
Lop1. Motores de combustão interna. 2. Combustão. 3. Termodinâmica. 4. Cinemática. 5. Dinâmica. I. Ferreira, Janito Vaqueiro,1961-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Kinematics, dynamics and thermodynamics analysis of an internal combustion engine with variable compression ratio
Palavras-chave em inglês:
Internal combustion engine Combustion
Thermodynamics Kinematics
Dynamics
Área de concentração: Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico
Titulação: Mestre em Engenharia Mecânica
Banca examinadora:
Janito Vaqueiro Ferreira [Orientador] Waldyr Luiz Ribeiro Gallo
Marcelo Becker
Data de defesa: 26-02-2015
v
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULADE DE ENGENHARIA MECÂNICA
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
DEPARTAMENTO DE MECÂNICA COMPUTACIONAL
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO ACADÊMICO
Análise Cinemática, Dinâmica e
Termodinâmica de um Motor com Taxa de
Compressão Variável
Autor: Gustavo Santos Lopes
Orientador: Prof. Dr. Janito Vaqueiro Ferreira
A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Dissertação:
vii
Dedico este trabalho à minha mãe Regeane, ao meu pai Wagner, à minha irmã Carolina e à minha avó Elza, que sempre estiveram ao meu lado nos momentos bons e ruins, me dando apoio e incentivo para seguir os meus sonhos e conquistar meus objetivos. Esta dissertação de mestrado também é dedicada à minha futura esposa, Luanna, amor do tamanho do céu.
ix
Agradecimentos
Acima de todos, agradeço a Deus que me concedeu a oportunidade de evoluir meu espírito, me dando a oportunidade de nascer em uma família maravilhosa, que me educou e instruiu a conquistar a melhor educação, buscando sempre alcançar meus sonhos.
Aos meus pais, Wagner e Regeane, pelo enorme esforço que fizeram para me manter durante a graduação e pelo enorme incentivo durante o mestrado. Serei eternamente grato pela forma como fui educado durante todos os anos de minha vida.
À minha amada irmã, Carolina, que apesar da distância esteve sempre ao meu lado, me apoiando.
À minha avó, Elza, professora dedicada que me abriu os olhos e o gosto pelos estudos e que foi fundamental durante toda a minha educação. Hoje consigo “bater minhas asas e voar”.
À minha futura esposa, Luanna, que suportou todos os meus problemas, a distância, a saudade, os aborrecimentos, sempre com carinho, compreensão e um sorriso que me acalmará para sempre.
Aos amigos de Goiânia e de graduação, pelo apoio e pelos momentos felizes.
Aos amigos do laboratório BD308, insubstituíveis, mas em especial agradeço ao Me. André Bosso, Caio Rufino e ao Me. Nelson Cró, pela contribuição neste trabalho, pelas boas horas de discussões, pelo incentivo e amizade.
À Elisabeth Viana, secretária do DMC, mas mais que isso, uma grande amiga, que me ajudou nos momentos bons e principalmente nos momentos difíceis. Serei eternamente grato por ter te conhecido e te agradeço por todos estes anos. Você contribuiu muito para a conclusão deste trabalho.
x
À ThyssenKrupp Metalúrgica Campo Limpo, representada por Luís Antônio Fonseca Galli, pela confiança em mim depositada, pelo apoio financeiro à pesquisa, pela oportunidade e colaboração com este trabalho.
Ao meu orientador prof. Dr. Janito Vaqueiro Ferreira, que depositou toda sua confiança em um desconhecido, deixo meus sinceros agradecimentos por todo o apoio, suporte e paciência durante toda a jornada que percorremos juntos.
Ao prof. Dr. Waldyr Luiz Ribeiro Gallo, pelas fundamentais instruções que agregaram valor a este trabalho, pelas melhores aulas de termodinâmica que já assisti em minha carreira acadêmica e por aceitar fazer parte da Banca Examinadora deste trabalho.
Ao prof. Dr. Marcelo Becker por aceitar o convite de fazer parte da Banca Examinadora deste trabalho.
Ao 15th Brazilian Congress of Thermal Sciences and Engineering pela oportunidade de publicar e apresentar o meu trabalho.
Ao XXII Simpósio Internacional de Engenharia Automotiva pela oportunidade de publicar e apresentar o meu trabalho.
À INOVA e ao INPI pela extensa parceria e ajuda no processo de patenteamento do projeto desenvolvido neste trabalho.
À todas às pessoas e instituições que, de alguma forma ou em algum momento colaboraram para o meu crescimento pessoal e acadêmico.
xi
“O futuro pertence àqueles que acreditam na beleza de seus sonhos” Eleanor Roosevelt
xiii
Resumo
Este trabalho desenvolveu um novo conceito de dispositivo mecânico capaz de variar a taxa de compressão dos cilindros de um motor a combustão interna para estudar as possibilidades de novos projetos para a indústria automotiva e apresentar as possíveis melhorias atingidas com essa tecnologia. O modelo desenvolvido foi submetido a simulações computacionais para avaliar sua cinemática e dinâmica através das teorias de múltiplos corpos rígidos e da modelagem geométrica. Foi implementado um modelo simplificado robusto zero dimensional para tornar as análises mais simples utilizando os conceitos de termodinâmica envolvidos no motor. Foi considerado transferência de calor instantânea, processo de queima finita pela curva de Wiebe e os fluxos de massa envolvidos nos processos de admissão e exaustão dos cilindros. Não foram implementados os processos de dissociação e equilíbrio químico e um modelo que prevê detonação. Os resultados cinemáticos e dinâmicos foram validados em softwares comerciais de renome e apresentaram ótima semelhança. Os resultados termodinâmicos possibilitaram comprovar a eficácia da adoção da variação da taxa de compressão quando se necessita aumentar a eficiência térmica dos motores, melhorar os índices de consumo e desempenho. Os resultados permitiram também o desenvolvimento de novas curvas fundamentais para análises mais sofisticadas e calibrações mais específicas do motor.
Palavras-chave: Motores de combustão interna; Combustão; Termodinâmica; Cinemática; Dinâmica.
xv
Abstract
This work developed a new concept of a mechanical device able to vary the compression ratio of an internal combustion engine cylinder to study the possibilities of new projects for the automotive industry and present the possible improvements achieved with this technology. The developed model was subjected to computer simulations to evaluate its kinematics and dynamics through the theories of multiple rigid bodies and geometric modeling. A robust zero dimensional simplified model to make simpler analysis using thermodynamic concepts involved in engines was implemented. Was considered instantaneous heat transfer, finite burning process by Wiebe curve and the mass flows involved in the admissions and exhaust process from the cylinders. The dissociation and chemical balance processes and a model that predicts knocking have not been implemented. The kinematic and dynamic results were validated in leading commercial software and showed excellent accuracy. The thermodynamic results allowed prove the efficacy of adopting varying the compression ratio when it needs to increase the thermal efficiency of the engine, improve the rates of consumption and performance. Results also enabled the development of new fundamental curves for more sophisticated analysis and more specific engine calibrations.
xvii
Lista de Ilustrações
1.1.Etiqueta do PBEV - ENCE...1
2.1. Locomotiva a vapor e máquina a vapor...10
2.2. Motor a gás de lampião de Étienne Lenoir...10
2.3. Motor 4 tempos de Nikolaus Otto...11
2.4. Motor rotativo/Wankel...12
2.5. Exemplo de bloco, cárter e sottobasamento...13
2.6. Demanda de energia mundial e os recursos energéticos a longo prazo...15
2.7. Motores VCR garantem alta eficiência em baixos níveis de potência...17
2.8. Exemplo do cenário da potencial redução das emissões de CO2 de um motor VCR combinado com o downsizing...18
2.9. Estratégia de controle para motores VCR – Transição da taxa de compressão em função da carga e dá sobre alimentação...19
2.10. Eficiência térmica em função da taxa de compressão...22
2.11. Eficiência térmica x Taxa de compressão e da proporção de mistura...23
2.12. Variação do BMEP em função do tempo de ignição para taxas de compressão diferentes e em WOT...24
2.13. VCR da SAAB com cabeçote móvel...26
2.14. Potência e torque do VCR da SAAB com cabeçote móvel...27
2.15. VCR de Edward Charles Mendler...28
2.16. VCR da FORD pistões secundários...29
2.17. VCR da Daimler-Benz com topo do pistão móvel...29
2.18. VCR da Universidade de Michigan pistão de pressão reativa...30
2.19. Exemplo de dispositivos da Nissan com bielas de geometria variável...31
2.20. Exemplo de dispositivos da Nissan com bielas de geometria variável...32
2.21. Exemplo de dispositivo da Honda com biela de geometria variável ...32
2.22. VCR da Gomecsys com moentes móveis e excêntricos. (a) Modelo com 4 cilindros e (b) modelo com 2 cilindros...33
xviii
2.23. Posicionamento do moente excêntrico para as taxas de compressão de 8:1 e 16:1...33
2.24. VCR com virabrequim de rolamentos excêntricos...34
2.25. VCR da FORD com olhal menor excêntrico...35
2.26. VCR da Hyundai com olhal menor excêntrico...36
2.27. VCR da MCE-5 com alavanca central engrenada...37
2.28. Protótipo da MCE-5...39
2.29. A evolução da potência, do torque e da compressão ao longo dos anos...41
2.30. Redução de CO2 x Dificuldade de introdução da tecnologia...43
2.31. Comparação do atrito entre alguns motores e o protótipo MCE-5...44
3.1. Motor com taxa de compressão variável desenvolvido pela MCE-5...46
3.2. Vista do MCE-5 com baixa e alta taxa de compressão mais vista detalhada...47
3.3. Modelo de utilidade adotado...48
3.4. Vista explodida do modelo de utilidade adotado...49
3.5. Comparação das forças laterais atuantes no pistão entre o MUA e um motor convencional….51 4.1. Modelagem geométrica do MUA, sua base de coordenada inercial e suas bases móveis...53
4.2. Modelagem geométrica para deslocamento do pistão em função dos ângulos e vetores de posição...58
4.3. Modelagem geométrica para desenvolvimento da Equação 4.25...60
5.1. Diagrama de corpo livre do virabrequim...73
5.2. Diagrama de corpo livre da biela...75
5.3. Diagrama de corpo livre da alavanca...77
5.4. Diagrama de corpo livre do pistão...80
5.5. Diagrama de corpo livre do atuador...83
6.1. Trabalho indicado no ciclo...109
6.2. Funcionamento de um dinamômetro...114
xix
7.1. Exemplo de comparação da cinemática entre o software comercial PRO Engineer e o algoritmo
desenvolvido em MATLAB...120
7.2. Posição e Deslocamento do Pistão em função da variação TC...121
7.3. Velocidade do pistão em X e em Z em função da variação da TC...121
7.4. Aceleração do pistão em X e em Z em função da variação da TC...122
7.5. Exemplo de comparação da dinâmica entre o software comercial PRO Engineer e o algoritmo desenvolvido em MATLAB...123
7.6. Força no eixo virabrequim em X em função da variação da TC – Inércia e FCB aplicada...124
7.7. Força no eixo do virabrequim em Z em função da variação da TC – Inércia e FCB aplicada..124
7.8. Força no olhal maior da biela em X em função da variação da TC – Inércia e FCB aplicada...125
7.9. Força no olhal maior da biela em Z em função da variação da TC – Inércia e FCB aplicada...126
7.10. Força no olhal menor da biela em X em função da variação da TC – Inércia e FCB aplicada...126
7.11. Força no olhal menor da biela em Z em função da variação da TC – Inércia e FCB aplicada...127
7.12. Força na guia do atuador em X em função da variação da TC – Inércia e FCB aplicada...127
7.13. Força na guia do atuador em Z em função da variação da TC – Inércia e FCB aplicada...128
7.14. Força na guia do pistão em X em função da variação da TC – Inércia e FCB aplicada...128
7.15. Força na guia do pistão em Z em função da variação da TC – Inércia e FCB aplicada...129
7.16. Torque instantâneo no virabrequim em função da variação da TC – Inércia e FCB aplicada...129
7.17. Torque médio no virabrequim em função da variação da TC – Inércia e FCB aplicada...130
7.18. Fração de massa queimada em função da variação da TC...131
7.19. Pressão na câmara em função da variação da TC – WOT – 1000 e 7000 RPM...132
7.20. Pressão na câmara x Volume em função da variação da TC – WOT – 1000 e 7000 RPM...133
7.21. Temperatura na câmara em função da variação da TC – WOT – 1000 e 7000 RPM...133
7.22. PME indicada x Carga do pedal em função da variação da TC – 2000 e 7000 RPM...134
7.23. PME indicada x Rotação do motor em função da variação da TC – 25 e 100% de carga...135
7.24. Potência indicada x Carga do pedal em função da variação da TC – 2000 e 7000 RPM...135
7.25. Potência indicada x Rotação do motor em função da variação da TC – 25 e 100% de carga.136 7.26. Consumo específico x Carga do pedal em função da variação da TC – 2000 e 7000 RPM....137
xx
7.27. Consumo específico x Rotação do motor em função da variação da TC – 25 e 100% de
carga...137
7.28. Consumo específico x Potência indicada em função da TC – 2000 e 7000 RPM – Variando carga...138
7.29. Consumo específico x Potência indicada em função da TC – 25 e 100% carga–Variando rotação...138
7.30. Rendimento térmico x Carga do pedal em função da variação da TC – 2000 e 7000 RPM...139
7.31. Rendimento térmico x Rotação do motor em função da variação da TC – 25 e 100% de carga...140
7.32. Rendimento térmico x Potência em função da TC – 2000 e 7000 RPM – Variando carga....140
7.33. Rendimento térmico x Potência em função da TC – 25 e 100% de carga – Variando a rotação...141
7.34. Rendimento térmico x CEC em função da TC – 2000 e 7000 RPM – Variando carga...141
7.35. Rendimento térmico x CEC em função da TC – 25 e 100% de carga – Variando a rotação...142
7.36. Rendimento volumétrico x Carga do pedal em função da variação da TC – 2000 e 7000 RPM...143
7.37. Rendimento volumétrico x Rotação do motor em função da TC – 25 e 100% de carga...143
7.38. Rendimento volumétrico x Potência em função da TC – 2000 e 7000 RPM – Variando carga...144
7.39. Rendimento volumétrico x Potência em função da TC – 25 e 100% de carga – Variando a rotação...144
7.40. Rendimento volumétrico x CEC em função da TC – 2000 e 7000 RPM – Variando carga...145
7.41. Rendimento volumétrico x CEC em função da TC – 25 e 100% de carga – Variando a rotação...145
7.42. Comparações da posição e do deslocamento do Pistão – TC = 6...148
7.43. Comparações da posição e do deslocamento do Pistão – TC = 15...148
7.44. Comparações do volume total e do volume deslocado – TC=6...149
7.45. Comparações do volume total e do volume deslocado – TC=15...150
7.46. Comparações da velocidade do pistão em Z. TC=6 e 15 – 7000 RPM...150
7.47. Comparações da aceleração do pistão em Z. TC=6 e 15 – 7000 RPM...151
xxi
7.49. Comparação da força na guia do pistão em Z. TC=6 e 15 – FCB aplicada...153
7.50. Comparação do torque instantâneo no virabrequim. TC=6 e 15 – FCB aplicada...153
7.51. Comparação do torque médio instantâneo no virabrequim. TC=6 e 15 – FCB aplicada...154
7.52. Comparação do consumo específico x Carga do pedal. TC = 6 e 15 – 7000 RPM...155
7.53. Comparação do consumo específico x Rotação do motor. TC = 6 e 15 – 100% de carga...155
7.54. Comparação do consumo específico x Potência indicada. TC = 6 e 15 – 7000 RPM – Variando carga...156
7.55. Comparação do consumo específico x Potência indicada. TC = 6 e 15 – 100% carga – Variando rotação...157
7.56. Comparação do rendimento térmico x Carga do pedal. TC = 6 e 15 – 7000 RPM...157
7.57. Comparação do rendimento térmico x Rotação do motor. TC = 6 e 15 – 100% de carga...158
7.58. Comparação do rendimento térmico x Potência. TC = 6 e 15 – 7000 RPM – Variando a carga...158
7.59. Comparação do rendimento térmico x Potência. TC = 6 e 15 – 100% de carga – Variando a rotação...159
7.60. Comparação do rendimento térmico o x CEC. TC = 6 e 15 – 7000 RPM – Variando carga..160
7.61. Comparação do rendimento térmico x CEC. TC = 6 e 15 – 100% de carga – Variando a rotação...160
7.62. Comparação do rendimento volumétrico x Carga do pedal. TC = 6 e 15 – 7000 RPM...161
7.63. Comparação do rendimento volumétrico x Rotação do motor. TC = 6 e 15 – 100% de carga...162
7.64. Comparação do rendimento volumétrico x Potência. TC = 6 e 15 – 7000 RPM – Variando carga...162
7.65. Comparação do rendimento volumétrico x Potência. TC = 6 e 15 – 100% de carga – Variando a rotação...163
7.66. Comparação do rendimento volumétrico x CEC. TC = 6 e 15 – 7000 RPM – Variando carga...164
7.67. Comparação do rendimento volumétrico x CEC. TC = 6 e 15 – 100% de carga – Variando a rotação...164
xxii
B1.2. Velocidade do pistão em Z em função da rotação, com TC = 6 e 15, respectivamente...194
B1.3. Aceleração do pistão em Z em função da rotação, com TC = 6 e 15, respectivamente...194
B2.1. Torque médio no virabrequim em função da variação da TC – FCB aplicada – 4 cilindros..195
B2.2. Comparação da força no eixo virabrequim em X. TC=6 e 15 – FCB aplicada...195
B2.3. Comparação da força no eixo virabrequim em Z. TC=6 e 15 – FCB aplicada...196
B2.4. Comparação da força no olhal maior da biela em X. TC=6 e 15 – FCB aplicada...196
B2.5. Comparação da força no olhal maior da biela em Z. TC=6 e 15 – FCB aplicada...197
B2.6. Comparação da força no olhal menor da biela em X. TC=6 e 15 – FCB aplicada...197
B2.7. Comparação da força no olhal menor da biela em Z. TC=6 e 15 – FCB aplicada...198
B2.8. Comparação da força na guia do atuador em X. TC=6 e 15 – FCB aplicada...198
B2.9. Comparação da força na guia do atuador em Z. TC=6 e 15 – FCB aplicada...199
B2.10. Comparação do torque médio instantâneo no virabrequim. TC=6 e 15 – FCB aplicada – 4 cilindros...199
B3.1.1. Torque indicado x Carga do pedal em função da variação da TC – 2000 e 7000 RPM...200
B3.1.2. Torque indicado x Rotação do motor em função da variação da TC – 25 e 100% de carga...200
B3.2.1. Comparação da pressão na câmara. TC = 6 e 15 – WOT – 7000 RPM...201
B3.2.2. Comparação da pressão na câmara x Volume. TC = 6 e 15 – WOT – 7000 RPM...202
B3.2.3. Comparação da temperatura na câmara. TC = 6 e 15 – WOT – 7000 RPM...202
B3.2.4. Comparação da PME indicada x Carga do pedal. TC = 6 e 15 – 7000 RPM...203
B3.2.5. Comparação da PME indicada x Rotação do motor. TC = 6 e 15 – 100% de carga...203
B3.2.6. Comparação do torque indicado x Carga do pedal. TC = 6 e 15 – 7000 RPM...204
B3.2.7. Comparação do torque indicado x Rotação do motor. TC = 6 e 15 – 100% de carga...204
B3.2.8. Comparação da potência indicada x Carga do pedal. TC = 6 e 15 – 7000 RPM...205
B3.2.9. Comparação da potência indicada x Rotação do motor. TC = 6 e 15 – 100% de carga...205
C1.1. Biombo com dupla engrenagem...206
C2.1. Duplo rolamento externo...207
C3.1. Pistão apenas com translação e atuador rotacionando...208
xxiii
Lista de Tabelas
1.1. Metas a serem cumpridas ao longo do INOVAR AUTO pelas montadoras habilitadas...3
1.2. Propriedades dos combustíveis – Tabela PBEV...4
2.1 – Comparações entre os dispositivos apresentados...39
7.1. Dados de entrada do modelo original - Cinemática...120
7.2. Dados de entrada do modelo original - Dinâmica...123
7.3. Dados de entrada - Termodinâmica...131
7.4. Dados de entrada do modelo com alteração no virabrequim...147
7.5. Dados de entrada do modelo com alteração na biela...147
7.6. Dados de entrada do modelo com alteração na alavanca...147
7.7. Dados de entrada do modelo com alteração no virabrequim (+10%) - Dinâmica...151
7.8. Dados de entrada do modelo com alteração na biela (+10%) - Dinâmica...152
7.9. Dados de entrada do modelo com alteração na alavanca (+10%) - Dinâmica...152
D1.1. Posicionamento do atuador para o modelo original - Cinemática...210
D2.1. Posicionamento do atuador para o modelo com variação no virabrequim - Cinemática...210
D2.2. Posicionamento do atuador para o modelo com variação na biela - Cinemática...211
xxv
Lista de Abreviaturas e Siglas
Letras Latinas CG
a Aceleração do centro de massa de cada componente [m/s2]
A Área total instantânea da câmara de combustão [m2]
m
A Área do volume morto [m2]
p
A Área do pistão [m2]
T
A Área da seção transversal da válvula [m2]
D
C Coeficiente de descarga [-] CEC Consumo específico de combustível [g/kWh]
.
Hid ETANOL p
c Calor específico a pressão constante do etanol hidratado [kJ/mol.K]
.
Hid ETANOL v
c Calor específico a volume constante do etanol hidratado [kJ/mol.K]
Hid ETANOL
dH Variação de entalpia do etanol hidratado [kJ] dHx Variação de entalpia da substância [kJ]
E
dm Variação de massa que entra no cilindro [kg]
S
dm Variação de massa que sai do cilindro [kg]
p
D Diâmetro do pistão [m]
C
dQ Taxa de energia entregue pelo combustível [kJ]
.
Hid ETANOL
dU Variação da energia interna do etanol hidratado [kJ]
X
dU Variação da energia interna da substância [kJ]
d Variação do ângulo do virabrequim [-]
dt Variação do tempo [s] dV Variação de volume [m3]
f Frequência de rotação [Hz]
Com bustão
F Força de combustão [N] fresidual Fração molar de gás residual [-]
xxvi
g aceleração da gravidade [m/s²]
E
h Entalpia das substâncias que entram no cilindro [kJ/mol]
p
h Coeficiente de película [W/m2.K]
S
h Entalpia das substâncias que saem do cilindro [kJ/mol]
X
h Entalpia da substância [kJ/mol] Ix Tensor de Inércia de cada componente [m2.kg]
L Curso do pistão [m]
b
L Comprimento da biela [m]
A r
m Fluxo de massa de ar admitido [kg/s]
C
m Fluxo de massa de combustível [kg/s]
C
m Massa de combustível admitida [kg] CC
m
Fluxo de massa de ar que poderia ser admitido em condições ideais [kg/s].
Hid ETANOL
n Número de mols do etanol hidratado [mol]
X
n Número de mols da substância x [mol]
N Rotação do motor [RPM]
P Pressão instantânea na câmara de combustão [Pa/bar]
T
P Pressão da válvula [kPa] PCI Poder calorífico inferior do combustível [kJ/kg] PME Pressão média efetiva [Pa] PMI Pressão média indicada [Pa] PMF Pressão média de atrito [Pa]
R Constante Universal dos Gases [kJ/molK]
S Deslocamento do pistão em função do ângulo [m]
T Temperatura instantânea dos gases no interior do cilindro [K] TC Taxa de compressão simulada [-]
i
T Temperatura no cilindro no instante i [K]
p
xxvii
X
u Energia interna da substância [kJ/mol]
V Volume total instantâneo da câmara de combustão [m3]
CC
V Volume deslocado (Cilindrada de um cilindro) [m3]
m
V Volume morto do cilindro [m3]
M áx
V Volume máximo (Pistão em PMI) [m3]
Mín
V Volume mínimo (Pistão em PMS) [m3]
p
V Velocidade média do pistão [m/s] W Trabalho no ciclo [J] i
W
Trabalho indicado [J] eW
Potência efetiva [kW] iW
Potência indicada [kW] fW
Potência de atrito [kW] bX Fração de massa queimada [-]
Letras Gregas
Ângulo de giro da alavanca central [°]
Ângulo de giro da biela [°]
Ângulo de giro do virabrequim [°]
f
Ângulo do virabrequim para o final da combustão [º]
0
Ângulo do virabrequim para o início da combustão [º]
Combustão
Intervalo da combustão [º]
X H
Variação de entalpia das substâncias [kJ]
X U
Variação da energia interna da substância x [kJ]
p Q
Taxa de transferência de calor [J]
W
xxviii
Razão entre calor específico a pressão constante e a volume constante [-]
C Eficiência da combustão [-] M ec
Rendimento mecânico [-] Vol
Rendimento volumétrico [-] e
Rendimento Térmico Efetivo [-]i
Rendimento Térmico Indicado [-]
Velocidade angular do virabrequim [rad/s]
Abreviações e Siglas
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas BMEP Brake Mean Effective Pressure
CEC Consumo Específico do Combustível
CNG Compressed Natural Gas
CONPET Programa Nacional da Racionalização do uso dos Derivados de Petróleo e do Gás Natural
DCL Diagrama de Corpo Livre
EGR Exhaust Gas Recirculation
ENCE Etiqueta Nacional de Conservação de Energia
EURO European Emission Standards
EVC Exhaust Valve Closing
EVO Exhaust Valve Opening
FCB Força de Combustão
GNV Gás Natural Veicular
ICE Ignição por Centelha
ICO Ignição por Compressão
IMEP Indicated Mean Effective Pressure
IVC Intake Valve Closing
xxix
MCE Motor de Combustão Externa
MCI Motor de Combustão Interna MUA Modelo de Utilidade Adotado
PBEV Programa Brasileiro de Etiquetagem Veicular PCI Poder Calorífico Inferior do Combustível
PMI Ponto Morto Inferior
PMS Ponto Morto Superior
PROCONVE Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos Automotores
RPM Rotações Por Minuto
SI Spark Ignition
TC Taxa de Compressão
TIB Tecnologia Industrial Básica
TKMCL Thyssen Krupp Metalúrgica Campo Limpo VCR Variable Compression Ratio
VVT Variable Valve Timing
xxxi
SUMÁRIO
1. Introdução...1 1.1. Objetivo do Trabalho...6 1.1.1. Requisitos Iniciais...7 1.2. Organização do Trabalho...72. Motores com taxa de compressão variável...9 2.1. A revolução industrial e os motores de combustão interna...9 2.2. A influência dos motores VCR na demanda mundial de energia...13 2.3. As vantagens da taxa de compressão variável...16 2.3.1. As estratégias de controle dos motores VCR...19 2.4. A evolução dos motores com taxa de compressão variável...20 2.4.1. Porque variar a taxa de compressão? ...21 2.4.2. Os principais dispositivos VCR desenvolvidos...25 2.4.2.1. Cabeçote móvel...26 2.4.2.2. Altura do virabrequim variável...27 2.4.2.3. Pistão secundário para variar o volume da câmara de combustão...28 2.4.2.4. Pistão com altura variável do topo...29 2.4.2.5. Geometria da biela variável...31 2.4.2.6. Moentes excêntricos...33 2.4.2.7. Virabrequim de rolamento excêntrico...34 2.4.2.8. Olhal menor da biela excêntrico...35 2.4.2.9. Alavanca central engrenada...37 2.5 Comparações entre os dispositivos apresentados...39 2.6. Confiabilidade, durabilidade, ruídos e vibrações de motores VCR...40 2.7. As barreiras impostas pelo mercado...42
3. Modelo de utilidade desenvolvido...46 3.1. Modelo de utilidade adotado (MUA)...47
xxxii
4. Cinemática do mecanismo...52 4.1. Modelagem de múltiplos corpos rígidos e modelagem geométrica...52 4.1.1. Sistemas de coordenadas e matrizes de transformação...54 4.1.1.1. Sistemas de coordenadas (X1Z1) ...55
4.1.1.2. Sistemas de coordenadas (X2Z2) ...56
4.1.1.3. Sistemas de coordenadas (X3Z3) ...57
4.2. Deslocamento do pistão...58 4.3. Velocidade do pistão...61 4.3.1. Velocidade do ponto A – Olhal maior da biela...62 4.3.2. Velocidade do ponto B – Olhal menor da biela...62 4.3.3. Velocidade do ponto C – Pistão...64 4.4. Aceleração do pistão...65 4.4.1. Aceleração do ponto A – Olhal maior da biela...65 4.4.2. Aceleração do ponto B – Olhal menor da biela...66 4.4.3. Aceleração do ponto C – Pistão...69 4.4.4. Aceleração dos centros de massa...70
5. Dinâmica do mecanismo...71 5.1. Definição das equações de Newton-Euler...71 5.2. Análise dinâmica do virabrequim...72 5.3. Análise dinâmica da biela...75 5.4. Análise dinâmica da alavanca...77 5.5. Análise dinâmica do pistão...80 5.6. Análise dinâmica do atuador...83 5.7. Resolução do sistema de equações não lineares...85
6. Modelo termodinâmico implementado...89 6.1. Desenvolvimento do modelo termodinâmico...90 6.1.1. Parâmetros geométricos do motor...90 6.1.2. Energia interna e entalpia dos produtos e reagentes...92 6.1.3. Transferência de calor dos gases com o cilindro...95
xxxiii
6.1.4. Combustão interna...98 6.1.5. Fluxo da mistura e dos gases de combustão através das válvulas...100 6.1.6. Variação da pressão no cilindro...101 6.1.6.1. Pressão no cilindro para tempos com sistema fechado...102 6.1.6.2. Pressão no cilindro para tempos com sistema aberto...105 6.2. Parâmetros para análises de desempenho...107 6.2.1. Força de combustão...107 6.2.2. Pressão média indicada...108 6.2.3. Pressão média efetiva...109 6.2.4. Pressão média de atrito...111 6.2.5. Potência indicada...111 6.2.6. Potência efetiva...112 6.2.7. Potência de atrito...112 6.2.8. Torque indicado...113 6.2.9. Torque efetivo...114 6.2.10. Rendimento térmico indicado...115 6.2.11. Rendimento térmico efetivo...116 6.2.12. Rendimento mecânico...116 6.2.13. Rendimento volumétrico...117 6.2.14. Consumo específico de combustível...117 6.3. Dinâmica do algoritmo...118
7. Resultados, discussões e análises...120 7.1. Cinemática do mecanismo...120 7.2. Dinâmica do mecanismo...123 7.3. Termodinâmica do mecanismo...131 7.3.1. Pressão média efetiva indicada (IMEP)...134 7.3.2. Potência indicada...135 7.3.3. Consumo específico de combustível (CEC)...136 7.3.4. Rendimento térmico...139 7.3.5. Rendimento volumétrico...142
xxxiv
7.4. Análise preliminar de sensibilidade...146 7.4.1. Análise preliminar de sensibilidade da cinemática do mecanismo...146 7.4.2. Análise preliminar de sensibilidade da dinâmica do mecanismo...151 7.4.3. Análise preliminar de sensibilidade da termodinâmica do mecanismo...154 7.4.3.1. Consumo específico de combustível (CEC)...155 7.4.3.2. Rendimento térmico...157 7.4.3.3. Rendimento volumétrico...161
8. Conclusões e próximos trabalhos...165 8.1. Conclusões...165 8.2. Próximos trabalhos...167
Referências bibliográficas...168
Apêndice A – Equacionamentos completos...173 A1. Cinemática...173 A1.1. Velocidade do ponto B – Olhal menor da biela...173 A1.2. Velocidade do ponto C – Pistão...175 A1.3. Aceleração do ponto A – Olhal maior da biela...175 A1.4. Aceleração do ponto B – Olhal menor da biela...176 A1.5. Aceleração do ponto C – Pistão...180 A1.6. Aceleração dos centros de massa...181 A1.6.1. Aceleração do centro de massa do virabrequim...181 A1.6.2. Aceleração do centro de massa da biela...182 A1.6.3. Aceleração do centro de massa da alavanca central...184 A1.6.4. Aceleração do centro de massa do pistão...186 A2. Dinâmica...186 A2.1. Análise dinâmica do virabrequim...186 A2.2. Análise dinâmica da biela...187 A2.3. Análise dinâmica da alavanca...188 A2.4. Análise dinâmica do pistão...190
xxxv
A2.5. Análise dinâmica do atuador...191
Apêndice B – Resultados adicionais...193 B1. Cinemática...193 B2. Dinâmica...195 B3. Termodinâmica...200 B3.1. Torque indicado...200 B3.2. Comparações entre as variações do MUA...201
Apêndice C – Outros modelos desenvolvidos...206 C1. Biombo com dupla engrenagem...206 C2. Duplo rolamento externo...207 C3. Pistão apenas com translação e atuador rotacionando...208 C4. Pistão convencional e atuador transladando...209
Apêndice D – Posicionamento do atuador...210 D1. Posicionamento do atuador para o modelo original...210 D2. Posicionamento do atuador para as variações do modelo...210
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1. INTRODUÇÃO
Observando o cenário mundial no setor automobilístico, a busca por redução de consumo com custo passível de industrialização é o novo foco das montadoras para o futuro.
Sabe-se que a eficiência de queima do combustível é influenciada por diversos fatores como os níveis de carga, rotação do motor, centelhamento, taxa de compressão e outros, os quais possuem uma influência direta na eficiência térmica e consequentemente no consumo de combustível. Destes vários fatores, a variação da taxa de compressão traz enormes benefícios, pois permite que a eficiência de queima do combustível esteja mais próxima da ideal. O aumento da taxa de compressão propicia uma maior capacidade de gerar trabalho, devido aos gases de combustão ficarem mais frios após uma expansão mais completa, aumentando a eficiência térmica e tornando o motor mais econômico.
A eficiência é uma palavra que pode ser utilizada com muitos produtos, situações e procedimentos diferentes. No entanto, a eficiência relacionada à energia tem sido destaque no cenário mundial em muitas situações, como a eficiência energética na geração e condução de energia elétrica, na reciclagem de energia desperdiçada, nos aparelhos domésticos, nas indústrias e também nos veículos como navios, aviões, trens e automóveis, (INEE, 2014).
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Essa busca crescente por eficiência energética tem levado a indústria automobilística a investir cada vez mais em novas tecnologias que tragam esses benefícios (CONPET, 2014).
A Figura 1.1 mostra a Etiqueta Nacional de Conservação de Energia (ENCE) utilizada pelo Programa Brasileiro de Etiquetagem Veicular (PBEV), realizado pelo Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia (INMETRO) em parceria com o Programa Nacional da Racionalização do uso dos Derivados de Petróleo e do Gás Natural (CONPET), o qual verifica dentro das normas ABNT de medição de consumo, qual a eficiência energética dos veículos brasileiros.
O PBEV é um programa de etiquetagem voluntário aos veículos leves movidos a gasolina, etanol ou GNV (de fábrica) que foi criado em 2008 no intuito de fornecer informações úteis para os consumidores na decisão de compra e estimular as montadoras a fabricar e importar veículos mais eficientes e econômicos. Com este programa o Brasil se une a países como EUA, Japão, membros da União Europeia, Canadá, Austrália e China, os quais desenvolvem programas de uso racional dos combustíveis, buscando melhor eficiência energética dos veículos. Todo ano a adesão voluntária deve ser renovada e os fabricantes devem informar os valores de consumo energético de ao menos 50% de todos os modelos novos que serão comercializados no período.
Os modelos integrados ao programa são comparados e classificados de A a E dentro de suas respectivas categorias, sub compactos, compactos, médios, grandes, extras grandes, carga derivado, comercial, utilitário esportivo compacto, utilitário esportivo grande, fora de estrada, minivan e esportivos. Os resultados são informados pelo INMETRO e as etiquetas são afixadas opcionalmente nos veículos.
Em 2014, a 6ª edição do PBEV reuniu trinta e seis fabricantes com um total de quatrocentos e noventa e cinco modelos. A ENCE classifica o modelo em função da sua eficiência energética, autonomia em km/l na cidade e rodovia, e a emissão de CO2. Até 2017, 100% dos veículos
declarados no programa deverão ter etiqueta nos vidros do veículo.
Na tabela disponível no site do PBEV, outras informações como emissão de poluentes (hidrocarbonetos, monóxido de carbono e óxido de nitrogênio) do Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores (PROCONVE) podem ser visualizadas.
Com a oficialização do novo regime automotivo brasileiro, INOVAR AUTO, iniciado em 2013 com metas a serem alcançadas até 2017, o Brasil lançou uma nova política de longo prazo para atrair investimentos nos setores de inovação, engenharia de veículos, manufatura, compras de
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peças, insumos de produção e ferramental no Brasil. O programa estabelece um aumento de trinta pontos percentuais de IPI adicionais para os veículos nacionais e importados vendidos no Brasil, mas garante uma compensação dos mesmos trinta pontos percentuais adicionais do IPI através da geração de crédito presumido, caso as montadoras cumpram as metas ao longo dos anos do programa, Tabela 1.1. Além deste benefício, podem conseguir crédito presumido de IPI referente a gastos em Pesquisa e Desenvolvimento, investimentos em tecnologia industrial básica, engenharia de produção e capacitação de fornecedores. A partir de 2017, carros que consumam 15,46% menos ainda terão direito a abatimento de um ponto percentual de IPI e carros que consumam 18,84% menos terão direito a abatimento de dois pontos percentuais de IPI.
Tabela 1.1 – Metas a serem cumpridas ao longo do INOVAR AUTO pelas montadoras habilitadas.
Etapas 2013 2014 2015 2016 2017 Inovação % Faturamento 0,15% 0,30% 0,50% 0,50% 0,50% Eng. / TIB % Faturamento 0,50% 0,75% 1,00% 1,00% 1,00% Etapas fabris Veículos leves 08 de 12 09 de 12 09 de 12 10 de 12 10 de 12 Veículos Pesados 10 de 14 11 de 14 11 de 14 12 de 14 12 de 14 Etiquetagem % Vendas veículos 25% 40% 60% 80% 100%
Para os veículos leves, as empresas habilitadas devem cumprir 3 de 4 etapas e para os veículos pesados, as empresas habilitadas devem cumprir 2 de 3 etapas.
O programa tem como objetivos aumentar a competitividade, a tecnologia e a segurança dos carros produzidos e vendidos no Brasil. Sendo o Brasil, em 2013, o quarto maior mercado global de veículos, com vendas anuais de 3,6 milhões e o sétimo maior fabricante com 3,4 milhões de unidades produzidas, este grande mercado permite, via incentivo tributário, colocar os carros produzidos e vendidos no Brasil no patamar tecnológico global.
Para que tais objetivos sejam alcançados, há o estimulo em investimentos nas pesquisas e no desenvolvimento de tecnologia nacional (Inovação), aumento do volume de gastos em engenharia, melhorias na tecnologia industrial básica (TIB) com a capacitação de fornecedores, aumento da qualidade e da segurança e produção de veículos mais econômicos, estipulando metas de eficiência energética a serem atingidas.
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A meta a ser atingida é de 17,26 km/l (gasolina) e 11,96 km/l (etanol), sendo hoje o consumo médio nacional de 14 km/l (gasolina) e 9,71 km/l (etanol). Para o cliente final, um veículo que atinja a meta de incentivo dentro de dois pontos percentuais deixará de gastar em média R$ 1.150,00 / ano em combustível, o que equivale a ¾ do IPVA pago por um carro médio no país, (desenvolvimento.gov.br, 2014).
No programa INOVAR AUTO a eficiência energética é medida através da unidade MJ/km, calculada segundo o ciclo de condução combinado (55% urbano mais 45% estrada) descrito na norma ABNT NBR 7024:2010. Para se habilitar ao programa as empresas deverão se comprometer a cumprir até o dia 1º de outubro de 2017 a exigência de consumo energético menor ou igual ao valor máximo (CE1) calculado conforme a equação 1.1. Para se enquadrar à redução de alíquota de
dois pontos percentuais do IPI, as empresas deverão cumprir até 1º de outubro de 2016 o consumo energético menor ou igual ao valor máximo (CE2) calculado conforme a equação 1.2. Para se
enquadrar à redução de alíquota de um ponto percentual do IPI, as empresas deverão cumprir até 1º de outubro de 2016 o consumo energético menor ou igual ao valor máximo (CE3) calculado
conforme a equação 1.3.
CE1 = 1,155 + 0,000593 x (Mempresa habilitada) (1.1)
CE2 = 1,067 + 0,000547 x (Mempresa habilitada) (1.2)
CE3 = 1,111 + 0,000570 x (Mempresa habilitada) (1.3)
Mempresa habilitada é a massa média, em ordem de marcha, em kg, de todos os veículos vendidos
no Brasil pela empresa, ponderada pelas vendas ocorridas no período mencionado.
Tabela 1.2 – Propriedades dos combustíveis – Tabela PBEV. Combustível E00 (Gasolina
pura) E100 (AEHC) E22 (Gasolina do Brasil) GNV Poder Calorífico MJ/Kg 43,06 24,80 38,92 MJ/Kg 48,74 Densidade Kg/l 0,735 0,810 0,745 Kg/Nm3 0,723 Densidade Energética MJ/l 31,65 20,09 28,99 MJ/Nm 3 35,24
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Para se chegar ao consumo em MJ/km, são calculados os resultados das autonomias em km/l ou km/m3 (GNV) e a partir dos valores de densidade energética de cada combustível, Tabela 1.2, divide-se a densidade energética pela autonomia em km/l.
Para os veículos flex, o consumo de energia será dado pela média aritmética entre os consumos em MJ/km calculados de acordo com os combustíveis consumidos. Segue um exemplo.
k m MJ Energético Consumo do Média Energético Consumo do Média E Est E Est E Urb E Urb Energético Consumo do Média E Estrada Energético Consumo E Estrada Energético Consumo E Urbano Energético Consumo E Urbano Energético Consumo k m MJ l k m Autonomia l MJ Energética Densidade Energético Consumo 665 , 1 45 , 0 2 4141 , 1 5117 , 1 55 , 0 2 8039 , 1 8568 , 1 45 , 0 2 22 . 100 . 55 , 0 2 22 . 100 . 4141 , 1 50 , 20 99 , 28 22 5117 , 1 29 , 13 09 , 20 100 8039 , 1 07 , 16 99 , 28 22 8568 , 1 82 , 10 09 , 20 100 Empresas que produzem no país, que importam e comercializam veículos e que apresentem projeto de investimento são beneficiárias do programa. Para atingir a meta de redução de consumo em 2017, estas empresas deverão investir necessariamente em tecnologias mais modernas como: motores mais eficientes com injeção direta de combustível, coletor de admissão variável, sistemas de fase variável, materiais mais leves e que permitam menos atrito, motores menos poluentes, aumentando o padrão veicular nacional. Menores coeficientes de arrasto aerodinâmico, menores resistências à rolagem, além de outras, também irão cada vez mais estar presentes nos veículos do mercado brasileiro, (ANPEI, 2014) e (KPMG, 2014).
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Uma tecnologia promissora, mas pouco explorada devido à sua complexidade de desenvolvimento, é a variação da taxa de compressão. No entanto, os estudos feitos até agora mostram que os resultados têm sido muito encorajadores, (Cassiani e Bittencourt, 2009).
Caminhos diferentes levaram a dispositivos que moviam o cabeçote, que usavam pistões móveis ou válvulas sobressalentes, e até mesmo dispositivos com virabrequim excêntrico ou sistema de engrenagens entre a biela e o pistão. Conceitos pouco robustos, industrialização complexa ou os altos investimentos no desenvolvimento e fabricação, levaram a estagnação desses projetos, (AMJAD SHAIK, 2007).
No futuro, a compressão variável vai ser uma grande aliada dos engenheiros na busca de menor consumo de combustível e a quantidade de possíveis soluções faz com que as pesquisas e o desenvolvimento de soluções robustas e baratas sejam mais difíceis, demorados e caras. Assim, o uso de simulação por computador permite que a pesquisa de tais modelos se torne mais rápida e menos dispendiosa, permitindo o desenvolvimento da tecnologia.
Sendo assim, a motivação deste trabalho se dá pela busca da redução da emissão de CO2 com
o aumento da eficiência do motor através da implementação da taxa de compressão variável em motores de combustão interna. Uma tecnologia futura que dispõe de amplas possibilidades de desenvolvimento e se encaixa perfeitamente nos requisitos estabelecidos pelo INOVAR AUTO.
1.1. Objetivo do Trabalho
O objetivo deste trabalho foi o de criar um modelo de utilidade baseado no mecanismo adotado pela empresa francesa MCE-5 através de uma completa revisão bibliográfica sobre os conceitos envolvidos. Assim, foi possível estudar o comportamento deste dispositivo que varia a taxa de compressão continuamente, de um motor de combustão interna, para avaliar a possibilidade de atingir a melhor condição de eficiência de funcionamento independentemente do tipo de combustível sendo utilizado. Para isso serão observados os parâmetros termodinâmicos, cinemáticos e dinâmicos, a fim de desenvolver os conceitos para as diversas situações impostas ao veículo.
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O modelo de análise foi implementado em MATLAB e validado através da comparação com simulações feitas em Pro – Engineer e de dados conhecidos na literatura. Os algoritmos desenvolvidos foram capazes de auxiliar no desenvolvimento do mecanismo, permitindo a comparação de vários parâmetros diferentes e a avaliação dos possíveis ganhos cinemáticos, dinâmicos e termodinâmicos.
1.1.1. Requisitos Iniciais
Devido ao modelo de utilidade, baseado no protótipo do MCE-5, ser o objetivo principal deste trabalho, alguns requisitos foram solicitados:
Manter a cinemática do pistão apenas com movimento de translação para evitar o desgaste da câmara de combustão, dos anéis de segmento e da saia do pistão.
Criar um dispositivo com componentes mais simples, facilitando sua fabricação e sua montagem.
Criar um dispositivo que não necessite de ferramental sofisticado, reduzindo o custo de produção e consequentemente o custo de cada componente.
Criar um dispositivo capaz de variar a taxa de compressão com uma ampla faixa de trabalho.
1.2. Organização do Trabalho
O capítulo 1 se inicia descrevendo novos programas que buscam o aumento da eficiência energética de veículos e motores a combustão interna como o INOVAR AUTO. Posteriormente cita algumas possíveis tecnologias, para o aumento de eficiência em motores, enfatizando a taxa de compressão variável.
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O capítulo 2 apresenta uma revisão bibliográfica sobre motores a combustão interna enfatizando os motores com taxa de compressão variável, ilustrando o histórico, o desenvolvimento e os conceitos das tecnologias mais impactantes apresentadas até os dias de hoje.
O capítulo 3 apresenta o modelo de utilidade desenvolvido neste trabalho, detalhando seus componentes e a interação entre eles, assim como se dá o seu funcionamento.
Nos capítulos 4 e 5 são apresentadas as modelagens Cinemática e Dinâmica, respectivamente, usando a teoria de Múltiplos Corpos Rígidos, baseadas nas equações de Newton-Euler e na modelagem geométrica.
O capítulo 6 apresenta a modelagem Termodinâmica implementada ao modelo de estudo, assim como as teorias, parâmetros e métodos utilizados. São ilustrados quais os parâmetros podem ser obtidos e onde os mesmos podem ser empregados.
O capítulo 7 mostra os resultados obtidos assim como discussões e análises sobre os parâmetros e curvas obtidas. Também é apresentado uma análise de sensibilidade dos componentes.
O capítulo 8 apresenta as conclusões que se chegaram após as simulações e análises feitas, assim como as sugestões para trabalhos futuros.
O apêndice A apresenta o equacionamento completo das equações cinemáticas e dinâmicas. O apêndice B ilustra alguns resultados adicionais que foram obtidos.
O apêndice C mostra outras alternativas de modelos de utilidade que podem ser estudados futuramente.
O apêndice D apresenta o mapa de posicionamento do atuador para cada condição de taxa de compressão.
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2. MOTORES COM TAXA DE COMPRESSÃO VARIÁVEL
Há atualmente uma tendência da indústria automotiva em investir um maior montante de capital em suas áreas de pesquisa e desenvolvimento na busca de técnicas e ferramentas que permitam a criação de componentes mecânicos que melhorem o desempenho e reduzam o consumo de combustíveis, fato que, em produções de grande escala, acarreta em menor impacto ambiental. Esta tendência se comprova agora no Brasil com a implementação do novo regime automotivo, INOVAR AUTO.
Sabe-se que a necessidade de potência está diretamente ligada ao peso do veículo e ao que é imposto que o veículo seja capaz de fazer. Enquanto as prioridades estabelecidas pelas montadoras forem carros grandes com alta potência, o desenvolvimento de novas tecnologias continuará. Mas a partir do momento que o mundo se conscientizar que não são necessários veículos pesados, de alta potência e que carreguem 7 pessoas onde na maioria das vezes anda apenas uma, o ganho de eficiência energética do veículo será muito maior, visto que serão produzidos veículos leves com motores pequenos, de baixa potência, que emitem pouco CO2 e entregam alta eficiência energética.
Diversas tecnologias permitem o aumento da eficiência energética do veículo, sejam elas aplicadas ao motor, à transmissão, ao chassi, ao conjunto de suspensões e às rodas. No entanto, observado o cenário atual, os maiores ganhos acontecem no motor a partir do momento que se melhora a eficiência e o aproveitamento da combustão da mistura ar/combustível.
Este capítulo apresentará uma revisão sobre os motores a combustão interna e apresentará o histórico de desenvolvimento de uma tecnologia capaz de aumentar a eficiência energética dos motores a combustão interna e que ainda tem muito a ser desenvolvida.
2.1. A revolução industrial e os motores de combustão interna
A transformação da energia térmica em energia mecânica se dá desde a Revolução Industrial em meados de 1780 na Inglaterra, Figura 2.1. A crescente troca dos trabalhadores pelas máquinas impulsionou o desenvolvimento de novas tecnologias e assim surgiram novos processos para a
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produção do ferro, novas máquinas a vapor e o aumento do uso do carvão em detrimento da madeira e de outros biocombustíveis.
Figura 2.1 – Locomotiva a vapor (Fonte: www.flickr.com) e máquina a vapor (Fonte: www.fazdesign.com.br).
Neste período foi criada uma das máquinas mais dominantes e deslumbrantes que o mundo já viu, o motor a combustão interna. Inicialmente, Étienne Lenoir em 1860 construiu um motor a combustão interna a base dos combustíveis de lampiões, Figura 2.2.
Figura 2.2 – Motor a gás de lampião de Étienne Lenoir (Fonte: www.pt.wikipedia.org/).
Mas foi o físico francês Beau de Rochas, em 1862, que sugeriu e patenteou a sequência de funcionamento mais conhecida e utilizada até os dias atuais, admissão, compressão, expansão e exaustão e o engenheiro alemão Nikolaus Otto, em 1876, que aplicou e construiu o primeiro motor de ignição por centelha com ciclo de quatro tempos (OBERT, 1968), Figura 2.3.
Anteriormente, Otto já havia desenvolvido um motor com ciclo de dois tempos baseado no motor de Étienne Lenoir com a ajuda de seu sócio e financiador, o engenheiro Eugen Langen.
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Figura 2.3 – Motor 4 tempos de Nikolaus Otto (Fonte: www.wright-brothers.com / www.kaskus.co.id).
Desde então os motores a combustão interna vêm sendo desenvolvidos e aperfeiçoados por diversas áreas da engenharia ao longo dos anos. Conhecimentos de projeto, mecânica dos fluidos, termodinâmica, tribologia, vibrações, materiais e diversos outros vem sendo aplicados no melhoramento desta máquina fascinante.
Conforme os anos passam e o mundo evolui, são impostos novos objetivos, principalmente ambientais, a serem alcançados por essas máquinas e assim novas tecnologias são desenvolvidas para que estes objetivos sejam cumpridos e os fabricantes continuem vendendo seus carros com o aval dos governos ao redor do mundo, (CASSIANI, 2011).
A amplitude de tecnologias que podem ser aplicadas e as diferentes configurações que podem ser estabelecidas dá uma amostra de quão complexa é esta máquina e o quanto ela ainda poderá ser desenvolvida ao longo da história. Motores mono cilíndricos ou com até mesmo 16 cilindros, com duas, quatro ou cinco válvulas, dispostos em linha, em V ou contrapostos (boxer), com ou sem controle da abertura das válvulas, sendo este controle fixo ou variável, com desativação ou não de cilindros, recirculação dos gases de escape (Exaust Gas Recirculation – EGR), injeção direta de combustível, turbo alimentação, redimensionamento (em inglês, downsizing - redução da capacidade volumétrica do motor e ciclos com alta carga de admissão), downspeeding (redução da velocidade de rotação do motor) e até mesmo a variação da taxa de compressão, seja essa variação fixa, intermitente ou contínua, são exemplos de tecnologias e diferentes configurações que foram propostas e desenvolvidas com o intuito de melhorar o desempenho dos motores, mas principalmente com o objetivo de torná-lo mais eficiente e econômico, (HEYWOOD, 2009).
Seguindo outra estratégia de combustão, o engenheiro alemão Rudolf Diesel criou o motor a ignição por compressão (ICO) em 1892. Este motor é caracterizado pelo seu rendimento superior
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aos motores de ciclo Otto e pela combustão ocorrer devido à alta compressão da mistura ar/combustível, inflamando o diesel espontaneamente.
Este tipo de motor resultou no ciclo Diesel e é amplamente utilizado na Europa, aliado a outras tecnologias, para a redução de emissão de poluentes devido ao seu rendimento superior, ou seja, ele emite menos gramas de CO2 por quilômetro rodado. No Brasil, os motores a diesel não
podem ser utilizados em veículos de passeio devido a legislação vigente, mas são amplamente utilizados em veículos de serviço, transporte e carga.
Outro tipo de motor que utiliza a ignição por centelha e o ciclo Otto são os motores com movimento rotativo. Estes motores não são compostos por uma árvore de manivelas, bielas e pistões. O motor Wankel, como é conhecido o motor de movimento rotativo, foi desenvolvido por Felix Wankel em 1924, e se diferencia pelo seu tamanho reduzido e por ser composto por triângulos de arestas ovaladas conectadas a um eixo de transmissão. Tanto o eixo quanto os triângulos giram no mesmo sentido e não há movimento alternativo, apenas rotativo (BOSSO, 2013), Figura 2.4.
Figura 2.4 – Motor rotativo/Wankel (Fonte:www.aficionadosalamecanica.net / www.youtube.com).
Apesar da inúmera quantidade de tecnologias desenvolvidas aos motores de movimento alternativo, essas tecnologias são aplicadas ao cabeçote do motor, sendo a parte baixa (bloco do motor, sottobasamento e cárter) onde se alojam a árvore de manivelas, as bielas e os pistões são praticamente idênticas em todos os motores de movimento alternativo, alterando apenas suas dimensões e designs, mas mantendo sua cinemática e funcionamento padrão, Figura 2.5.
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Figura 2.5 – Exemplo de bloco, cárter e sottobasamento (Fonte:www.meccanicaroselli.com).
No que diz respeito ao design do mecanismo dos motores a combustão atuais, composto por pistão, biela e virabrequim, a maioria das propostas dos motores com taxa de compressão variável mostram soluções que alteram o design do mecanismo da parte baixa do motor e possivelmente podem modificar a cinemática do pistão, a dinâmica do mecanismo e a termodinâmica da câmara de combustão. Consequentemente teremos uma alteração do funcionamento padrão do motor, provocando sua desqualificação pela indústria automotiva, que se mostra extremamente conservadora a novas tecnologias devido ao custo de desenvolvimento e aplicação das mesmas.
Desta forma, o item 2.4 apresentará como a taxa de compressão variável se desenvolveu ao longo da história.
2.2. A influência dos motores VCR na demanda mundial de energia
Por definição, a taxa de compressão é a relação entre o volume total do cilindro (volume deslocado mais volume da câmara) e o volume da câmara de combustão, e é dependente do deslocamento do pistão e do volume da câmara de combustão.
A escolha apropriada de um dispositivo VCR (em inglês, Variable Compression Ratio) é um passo decisivo para determinar o custo da implementação desta tecnologia em veículos futuros. As diferentes tecnologias disponíveis devem ser comparadas focando todos os impactos positivos e negativos nos componentes e na operação do motor. Benefícios esses que incluem densidade de
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potência aumentada, número de cilindros reduzidos, tecnologias sofisticadas de injeção e pós tratamento complexo.
De fato, para se tornar comercializável, a tecnologia VCR deve apresentar características indispensáveis como robustez, durabilidade, fácil integração ao veículo (packging), baixa emissão de ruídos e baixos níveis de vibração.
O real potencial dos motores VCR serão percebidos quando ele for usado em combinação com o downsizing e com a super alimentação. Aliás, apenas com os dispositivos VCR será possível se desenvolver motores com downsizing e super alimentação extrema. Como a detonação está sempre sobre controle, a tecnologia pode ser combinada com os compressores mecânicos ou com os turbo compressores para promover o aumento da potência de um motor, ou até mesmo diminuir o tamanho deste motor sem a perda da potência original, além de promover a redução das perdas de calor, perdas por atrito, por bombeamento e a perda de massa. Adicionalmente, motores VCR entregam um ganho maior de eficiência graças a maior taxa de expansão em cargas parciais, que compensam as perdas por bombeamento. Mesmo que os motores VCR sejam destinados para a implementação do downsizing, a sua faixa de rotação deve ser comparável ao de motores SI (em inglês: Spark Ignition) existentes.
A tecnologia VCR permitirá a implantação de um ciclo adaptado de Atkinson. Isso irá permitir o aumento da faixa de carga/rotação para estratégias mais efetivas no uso de misturas pobres tais como: combustão pobre, carga estratificada ou ignição por compressão. Nos motores de ciclo Otto-Atkinson do futuro, as altas taxas de expansão em cargas parciais irá permitir o ganho de benefícios vindos da melhor eficiência em baixas cargas do que em altas cargas, (MALLIKARJUNA J., 2002).
A Figura 2.6 ilustra a demanda de energia no mundo e os recursos energéticos disponíveis a longo prazo. É possível ver que os combustíveis fósseis ainda são e continuarão sendo, pelas estimativas feitas, a maior fonte de energia no mundo e consequentemente nos automóveis. No caso particular dos automóveis, o petróleo, o gás natural e a gasolina derivada do carvão mineral, xisto e areias betuminosas ainda serão por muitos anos à frente, a fonte principal de energia. Mesmo quando fala-se de veículos elétricos ou híbridos, a energia elétrica fornecida às baterias é proveniente, em grande parte do mundo, da queima de combustíveis fósseis.
Analisando este cenário no presente e no futuro a longo prazo, os motores VCR se mostram uma ótima solução estratégica, devido à sua excelente capacidade de fornecer a flexibilidade do
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uso de diferentes tipos de combustíveis no motor, desde que a taxa de compressão possa ser variada e ajustada para se adequar às propriedades de cada combustível.
Figura 2.6 – Demanda de energia mundial e os recursos energéticos a longo prazo, (Fonte: www.mce-5.com).
Consequentemente, o motor sempre estará funcionando na melhor taxa de compressão possível para o combustível que estiver sendo utilizado. Para veículos bicombustíveis ou multi combustíveis (gasolina (E0) / etanol (E100), gasolina / E85, CNG/gasolina, gasolina / E22 / etanol / GNV, dentre outros), o avanço da tecnologia VCR é necessária e de interesse específico. Além disso, a tecnologia VCR para misturas pobres é uma combinação perfeita para motores a GNV e pode ser integrada em motores já existentes, mantendo o maquinário de produção e montagem existente, (Mistry Chetankumar Sureshbhai C. K., 2006). Dentre os combustíveis alternativos, o gás liquefeito de petróleo (LPG) tem potencial para uso em motores a combustão interna com um menor nível de modificações necessárias no motor.
Em 2050, quatro bilhões de barris de óleo biocombustíveis serão produzidos e os motores convencionais atuais, com taxa de compressão fixa, não tem a capacidade de aproveitar o desempenho ótimo desses biocombustíveis, sendo necessário um motor VCR para tal, (Khatri D. S., 2006).
Atualmente e a cada dia que se passa em direção ao futuro, os veículos que consomem combustível não só são e serão penalizados pelos mercados onde são vendidos, mas também pelos governos que autorizam suas vendas. No Brasil, o INOVAR AUTO está previsto para entrar em
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vigor em 2017, mas o PROCONVE e o PBEV já estão em prática. Na Europa, o regime automotivo já é aplicado desde 1993 através do EURO 1 (European Emission Standards), estando atualmente na versão EURO 6 e com os parâmetros do EURO 7 já definidos para entrar em vigor a partir de 2020. No EURO 7, a emissão de CO2 deverá cair de 130g/km para 95g/km, ou seja, uma redução
de 27% dos gases emitidos para a atmosfera, além da diminuição das emissões de hidrocarbonetos totais e não metânicos, monóxido de carbono, óxidos de azoto (NOx) e materiais particulados,
(Fonte: europa.eu / findadblue.com).
A busca cada vez mais crescente pela preservação ambiental e atmosférica está priorizando o aumento da eficiência energética de todos os setores industriais do mundo. O setor automotivo, por ser um dos grandes responsáveis pela poluição e consequentemente pelas mudanças climáticas e ambientais atuais, está sendo pressionado a reduzir o consumo e a emissão de poluentes, fato este que além de beneficiar a população global em termos econômicos, sociais e ambientais, beneficia os governos que diminuem os gastos com a importação de petróleo ou combustíveis fósseis, promovendo o crescimento econômico e as receitas fiscais associadas, investindo o recurso excedente em outras áreas. Dito isto, a variação da taxa de compressão é uma tecnologia benéfica em diversas direções, para todas as classes sociais, todos os veículos e todos os combustíveis.
2.3. As vantagens da taxa de compressão variável
Motores com compressão variável são a melhor solução para a queima de mistura pobre ou baixa carga devido a possibilidade de se elevar a taxa de compressão, elevando a temperatura e a pressão interna do cilindro, além de promover o melhor enchimento do mesmo, restaurando as condições favoráveis para o processo de combustão entregar uma melhor eficiência térmica, ou seja, ausência de falhas da ignição (misfiring) e rápida propagação da frente de chama, mesmo em condições de mistura pobre.
Os motores VCR também promovem um melhor controle sobre a emissão de poluentes e sobre o pós-tratamento dos gases pelo catalisador, comparado aos motores convencionais de compressão fixa. Essa característica garante a extensão da vida útil dos catalisadores de três vias.
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Com a variação da compressão, o motor sempre trabalhará abaixo do limite de detonação, independente da carga de mistura ou do combustível utilizado, garantindo mais durabilidade e confiabilidade ao motor. Para isso, deve haver um compromisso entre a taxa de compressão e o avanço da ignição, para que se obtenha a melhor eficiência térmica indicada.
Esses motores conseguem reduzir a temperatura dos gases de exaustão em condições de potência máxima, que por sua vez diminui as tensões térmicas do motor e evita o enriquecimento da mistura em alta potência (carga máxima – WOT).
Figura 2.7 – Motores VCR garantem alta eficiência em baixos níveis de potência, (KISHORE T., 2011).
AMJAD SHAIK (2007) resume as vantagens dos motores com taxa de compressão variável em:
Melhoria do torque e da potência em baixas e médias rotações sem o risco de haver detonação, Figura 2.7;
Eficiência de combustão otimizada para qualquer carga, rotação do motor e combustível utilizado;
Baixo consumo de combustível e baixo nível de emissões dos gases de exaustão;
Flexibilidade no uso de combustíveis diferentes, com eficiência da combustão otimizada; Rotações de marcha lenta suaves e ótimas acelerações a plena carga podem ser alcançadas;