SISTEMA DE ADMISSÃO DE AR COM ALTA DENSIDADE PARA AUMENTO DE PERFORMANCE EM MOTORES A COMBUSTÃO
Jean Lucas Oricil Moraes1 e Murilo Zampronio Alves de Lima1
F J S Henriques2
Universidade São Francisco
jean.moraes@icloud.com murilo.zampronio@live.com 1
Aluno do Curso de Engenharia Mecânica, Universidade São Francisco; Campus Campinas-Swift
2
Professor Orientador Francisco José da Silva Henriques, Curso de Engenharia Mecânica, Universidade São Francisco; Campus Campinas-Swift.
Resumo. Este trabalho apresenta o estudo do aumento da eficiência volumétrica e suas
consequências em motores à combustão interna através da otimização do sistema de admissão, aumentando a densidade do ar por resfriamento, utilizando um trocador de calor aletado instalado no duto de admissão visando o aumento da massa de ar admitida na câmara de combustão e tornando a queima da mistura ar/combustível mais eficiente, resultando no aumento da performance do motor. Como recurso para realizar o resfriamento do ar admitido, foi utilizado o sistema de módulos termoelétricos de Peltier distribuídos estrategicamente pela área superficial do trocador de forma a realizar o bombeamento de calor. Os cálculos aqui realizados se concentram em determinada condição de estudo de caso com base em dados experimentais obtidos em dinamômetro de um motor à combustão interna ciclo Otto comercial [1]. Os resultados obtidos apresentam o devido aumento na eficiência volumétrica e suas consequências no motor estudado, com ganhos de potência e torque até mesmo nas condições mais severas de uso, demonstrando assim a eficiência do conceito estudado e total aplicação nas condições de trabalho apresentadas.
Palavras-chave: Motores a combustão, Trocadores de calor, Módulos termoelétricos, Efeito
Peltier.
Introdução
Os motores à combustão interna são máquinas térmicas que geram trabalho mecânico a partir da energia em forma de calor obtido pelo fenômeno da combustão, que se trata de um processo químico exotérmico de oxidação de um combustível, onde ocorre a queima da mistura ar mais combustível através da ignição internamente ao motor [2].
Se tratando de máquinas térmicas, é fato que nem todo calor é transformado em trabalho, no modelo real o ciclo termodinâmico não acompanha a curva ideal por diversas perdas, como o atrito e processos irreversíveis como a queima do fluído ativo (mistura ar-combustível). Dessa forma as perdas são definidas pela quantidade de energia fornecida pela mistura ar-combustível que não gera o trabalho esperado, fazendo-se necessários contínuos estudos para o aumento das eficiências (rendimentos) térmica, mecânica e volumétrica do motor [3].
Dos motores nacionais, recentemente houve um avanço tecnológico em motores de baixa cilindrada, através de alternativas para o aumento das eficiências térmica, mecânica e volumétrica como, por exemplo, a utilização de blocos de alumínio, a eliminação de um cilindro, a injeção direta de combustível, assim como a utilização dos turbocompressores,
dando início a uma nova era para os motores 1.0L aumentando a performance quanto a redução do consumo de combustível, emissão de poluentes e aumento de potência e torque.
Visando este atual cenário da indústria automotiva nacional, o objetivo deste trabalho, é dar continuidade ao processo de avanço tecnológico em motores a combustão interna, através do estudo experimental do aumento da eficiência volumétrica e suas consequências em motores ciclo Otto de baixa cilindrada, através da otimização do sistema de admissão aumentando a densidade do ar por resfriamento do mesmo, visando o aumento de massa de ar admitida na câmara de combustão e tornando a queima da mistura ar/combustível mais eficiente.
Para realizar o bombeamento de calor do ar admitido para o meio externo utilizou-se um trocador de calor aletado e refrigerado por módulos termoelétricos de Peltier.
O efeito Peltier é o resultado da aplicação de uma corrente elétrica de intensidade determinada em um circuito constituído por dois materiais dissimilares, onde, em uma das junções há a liberação de calor, enquanto que na outra junção há a absorção de calor. Este efeito surge devido à existência da força eletromotriz na junção, originada pela diferente composição de cada um dos condutores que a formam. A corrente pode fluir em ambos os sentidos, sendo em um sentido o dispositivo absorve calor do meio externo onde se encontra, e quando se inverte o sentido da corrente a junção onde se absorvia calor passa a irradiar calor para o meio externo [4]. Utilizando-se dos fenômenos gerados pelo efeito Peltier, os módulos
termoelétricos são arranjos de pequenos blocos de (Bi2 Te3) telureto de bismuto, dopados do
tipo N e do tipo P e são montados alternadamente em um circuito em serie entre duas placas de cerâmica de boa condutividade térmica, essa configuração faz com que os termoelementos realizem o trabalho de bombeamento do calor na mesma direção [5].
Os módulos termoelétricos de Peltier tem papel fundamental no resfriamento do bloco central do trocador de calor utilizado neste trabalho, realizando o bombeamento de calor do ar admitido na parte interna do trocador para o meio externo.
Os conceitos aqui utilizados estão diretamente ligados às teorias de transferência de calor, os tipos de trocadores de calor e os tipos de trocas térmicas como condução, convecção e irradiação, pois sem esses conceitos não seria possível dimensionar o trocador de calor do sistema e principalmente estimar os valores das diferenças de temperaturas desejadas no projeto.
Materiais e Métodos
As premissas para execução deste projeto foram o baixo custo utilizando componentes amplamente disponíveis no mercado, e o fácil manuseio e instalação no motor sem alteração das características construtivas do mesmo.
Para o desenvolvimento dos estudos sobre os efeitos do resfriamento do ar admitido no motor, foi executada a construção de um protótipo de trocador de calor em alumínio constituído por módulos termoelétricos de Peltier modelo TEC1-12706.
Módulos termoelétricos de Peltier
Os módulos de Peltier são responsáveis por realizar o bombeamento de calor e tem papel fundamental no resfriamento do bloco central. O módulo termoelétrico de Peltier utilizado neste trabalho tem as características apresentadas na tabela 1.
Tabela 1 - Módulo de Peltier - Dados técnicos.
Modelo TEC1-12706
Dimensões (comprimento x largura x altura) 40 x 40 x 3,8 mm
Temperatura do Lado Quente 298,15 K (25°C) 323,15 K (50°C)
Qmax (Watts) 50 57
Delta Tmax (K) 66 75
Imax (Ampères) 6,4 6,4
Vmax (Volts) 14,4 16,4
Resistência do módulo (Ohms) 1,98 2,3
Dissipadores de calor e coolers de refrigeração
Os dissipadores de calor têm como atribuição conduzir o calor do lado quente do módulo de Peltier até o cooler que irá bombear esse o calor para o meio externo. Os dissipadores e coolers utilizados neste trabalho têm as características apresentadas na tabela 2.
Tabela 2 - Dissipadores de calor e coolers de refrigeração - Dados técnicos.
Dissipadores de calor
Material Alumínio
Dimensões (mm) 104x100x25
Número de aletas 13
Espessura das aletas (mm) 2,15
Espaçamento entre aletas (mm) 6
Coolers Tensão (V) 12
Dimensões (mm) 80x80x25
Trocador de calor (bloco central)
O trocador de calor do protótipo foi construído em alumínio devido à sua boa condutibilidade térmica (205,0 W/m K). O trocador de calor utilizado neste trabalho têm as características apresentadas na tabela 3.
Tabela 3 - Trocador de calor - Dados técnicos.
Trocador de calor
Material Alumínio
Dimensões (mm) 104x200x50
Número de aletas 13
Espessura de aletas (mm) 2,15
Espaçamento entre aletas (mm) 6
Cálculos pré-projeto
Para efeito de projeto, foi determinada a condição de estudo de caso a partir de dados experimentais obtidos de um motor a combustão interna ciclo Otto comercial, cedidos pela automotiva MAHLE Metal Leve S.A, apresentados resumidamente na figura 1.
Figura 1 - Dados de teste em motor comercial 1.0L, 3 cilindros, turbo alimentado - [1]
Sendo lambda um parâmetro que relaciona a relação mássica ar/combustível real com
a ideal, dado por 𝜆 = (𝑚
𝑎 𝑚 𝑐 ⁄ )𝑟𝑒𝑎𝑙 (𝑚𝑎 𝑚
𝑐
⁄ )𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞𝑢𝑖𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎, para este estudo lambda foi fixado em 0,85
(valor de trabalho do motor estudado), dessa forma se obteve como principais dados característicos do motor:
1) Pressão média efetiva (𝑚𝑒𝑝): 1,973 MPa (19,73 bar)
2) Potência efetiva (𝑃𝑒): 77,6 kW
3) Potência indicada (𝑃𝑖): 82,2 kW
4) Torque (𝑇): 148,2 Nm
5) Consumo específico (𝑠𝑓𝑐): 321,58 g/kWh
6) Temperatura no filtro de ar (ar ambiente) (𝑇𝑎𝑚𝑏): 297,15 K (24 °C)
7) Temperatura no coletor de admissão (𝑇𝑒): 315,65 K (42,5 °C)
8) Rotação (𝑁): 83,33 rps (5000 rpm)
Através de cálculos com base nas teorias de máquinas térmicas para fluxo de massa e energia em motores à combustão interna [3], foi possível encontrar as eficiências (rendimentos) térmica, mecânica e volumétrica do motor em questão:
1) Eficiência térmica: ηt =Pi∙3,6 Q̇ = (mep∙Vc∙N1200 )∙3,6 sfc∙Pe∙pci 1000 = 32%
2) Eficiência mecânica:
ηm =Pe
Pi = 94,4%
3) Eficiência volumétrica (condição de contorno para a atmosfera local dos testes –
Jundiaí/SP):
ηv = ρ 2ṁe amb∙Vc∙N=
me
ρamb∙Vc = 92,73%
(considerando ρamb:1,1052 kg/m³ @20°C, e ρe:1,0264 kg/m³ @42,5°C, ambos à 93000 Pa e
0% UR) [6]
Com todos os parâmetros e condições de estudo do motor já definidas, foi iniciado o dimensionamento do sistema de troca térmica.
Projeto do protótipo
O projeto do trocador de calor foi executado com base nos cálculos realizados através das análises de teorias de transferência e dissipação de calor por meio de condução e convecção [7].
1) Número de aletas: N= 13
2) Temperatura na superfície do trocador: Tfent = 263,15K (-10ºC)
3) Temperatura de entrada do ar: Tqent = 315,65K (42,5°C)
4) Densidade do ar na entrada do trocador (T= 315,65K, P= atm): ρ= 1,1098 kg/m³ [7]
5) Calor específico do ar (T= 315,65K, P= atm): cp = 1,0076 kJ/kg.K [7]
6) Coef. de convecção forçada máximo do ar (valor adotado): ℎ̅ = 300 W/m2.K
7) Velocidade do ar na entrada do trocador: 𝜇𝑚= 14,46 m/s
8) Condutividade térmica do Alumínio: k = 237 W/m.K
9) Largura do trocador: W1 = 0,1045 m
10) Comprimento do trocador: W2 = 0,2004 m
11) Altura da aleta: 𝑙𝑎= 0,040 m
12) Espessura das aletas: t = 0,0025 m
13) Espaçamento entre aletas: s = 0,006m
Após conhecer os parâmetros foram iniciados os cálculos de dimensionamento do trocador.
1) Taxa de capacidade calorífica mínima:
Cmin = mf x cpf = N x ρ x μm x 𝑙𝑎 x(s − t)𝑐𝑝
= 13 x 1.1098 x 14,46 x 0,040 x (0,006 − 0,0025)x 1007,62
Cmin = 29,42W
K
2) Área superficial de todas aletas e Eficiência das aletas:
Aa = 2 x 𝑙𝑎 x w2 x N = 2 x 0,040 x 0,2004 x 13 = 0,208m2 A = Aa + (w1− N x t) x w2 = 0,208 + (0,1045 − 13 x 0,0025) x 0,2004 = 0,223m2 mLa = √k 2 x h 𝑎𝑙 x t x La= √ 2 x 300 237 x 0,0025 x 0,040 = 159,11
ηa =Tanh(mLa)
mLa =
Tanh(159,11)
159,11 = 6,29 x 10−3
3) Taxa de transferência de calor:
Rtbase = Lb k𝑎𝑙 x w1 x w2 = 0,005 237 x 0,1045 x 0,2004 = 1.007 x 10−3 K W Rte = 1
h[A − Aa(1 − ηa)]=
1
300x(0,223 − 0,208 x (1 − 6,29 x 10−3))= 0,2043
K W
Rtotal = Rtbase + Rte = 1.007 x 10−3+ 0,2043 = 0,2053 K
W
ℇ = 1 − exp 1
Rtotal x Cmin= 1 − exp
1
0,2053 x 29,42= 0,18005
q = ℇ x Cmin x (Tqent − Tfent) = 0,18005 x 29,42 x ( 263,15 − 315,65) = −278,1 W
4) Temperatura do ar na saída do trocador:
Tsaida = Tfent + q
Cmin = 315,65 + (
−278,1
29,42 ) = 306,2K (33,05 °C)
5) Diferença de temperatura: ∆𝑇 = Tfent − Tsaida = 315,65 − 306,2 = 9,45K
Deste modo foi determinado o objetivo de reduzir em até 9,45K em relação à temperatura de entrada do ar no protótipo.
Após o dimensionamento dos trocadores e dissipadores de calor, foi confeccionado os projeto do protótipo em software (SolidWorks) para viabilizar a construção e montagem das peças modulares, assim como uma melhor visualização e compreensão do sistema e sua montagem com todas peças e componentes, apresentado na figura 2.
Figura 2 - Projeto do protótipo (Solid Works, 2017).
Com a conclusão do projeto foi possível confeccionar a montagem efetiva do protótipo, apresentado na figura 3.
Figura 3 - Protótipo montado.
Testes em Calorímetro
Para avaliação da funcionalidade do projeto, foram realizados testes experimentais no protótipo simulando condições reais de trabalho do motor a ser estudado. Os testes foram realizados em um calorímetro para ensaios em módulos HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) do centro de tecnologia da MAHLE Metal Leve S.A.
Tabela 4 - Calorímetro - Dados técnicos.
Fluxo massico - Ar 100 a 1100 kg/h
Faixa de temperatura- Ar 248,15 a 333,15K (-25 a 60°C)
Umidade relativa - Ar 10 a 95%
Fluxo volumetrico - Coolant 50l/h – 2000l/h
Faixa de temperatura - Coolant 323,15 a 393,15K (50 a 120°C)
Rotação do compressor – Fluido refrigerante (R134a) 0 a 600 rpm
Oleo no Sistema – Fluido refrigerante (R134a) 0 a 8% por massa
Resultados e Discussões
Para execução dos testes foi realizada a instalação do protótipo no calorímetro e devida instrumentação do mesmo conforme mostrado nas figuras de 4 e 5.
Figura 4 - Teste em Calorímetro - Montagem e Instrumentação.
Figura 5 - Teste em Calorímetro - Imagem térmica do protótipo em funcionamento.
Os parâmetros de teste foram definidos em função da velocidade do ar referente às condições de temperatura, pressão (condição de contorno para a atmosfera local dos testes –
Jundiaí/SP) e rotação do motor na condição de estudo de caso descrita na seção Materiais e Métodos (“Cálculos pré-projeto”). Os pontos de medição são mostrados na tabela 5.
Tabela 5 - Teste em Calorímetro - Parâmetros de teste.
Pontos de medição Velocidade ref. do ar @5000rpm [m/s] Variação da veloc. ref. do ar [%] Rotação ref. Motor [rpm] Condições do ambiente de ref. 1 14,46 25% 1250 ρe: 1,0264 kg/m³ @315,65 K e 93000 Pa [6] 2 50% 2500 3 75% 3750 4 100% 5000
Os testes foram divididos em duas etapas onde foi dobrado o número de módulos de Peltier na superfície do protótipo de modo a aumentar a área de bombeamento de calor.
Na primeira etapa foram utilizadas 4 células totalizando 15,3% de utilização da área superficial do trocador de calor.
Na segunda etapa foram utilizadas 8 células totalizando 30,6% de utilização da área superficial do trocador de calor.
Os resultados das duas etapas podem ser vistos na tabela 6 e figura 6.
Tabela 6 – Resultados das etapas 1 e 2 (4 e 8 módulos de Peltier).
Etapas Pontos de medição Variação da veloc. ref. do ar [%] Temperatura de entrada do ar [K (°C)] Temperatura de saída do ar [K (°C)] ΔT [K] 1 (4 módulos de Peltier) 1 25% 315,05 (41,9) 308,55 (35,4) 6,5 2 50% 315,25 (42,1) 311,05 (37,9) 4,2 3 75% 315,45 (42,3) 312,25 (39,1) 3,2 4 100% 315,55 (42,4) 312,95 (39,8) 2,6 2 (8 módulos de Peltier) 1 25% 314,25 (41,1) 305,85 (33,7) 8,4 2 50% 315,25 (42,1) 310,35 (37,2) 4,8 3 75% 315,55 (42,4) 311,85 (38,7) 3,7 4 100% 315,75 (42,6) 312,75 (39,6) 3,0
Figura 6 - Gráfico dos resultados obtidos nas etapas 1e 2 (4 e 8 módulos de Peltier).
Através dos gráficos foi possível analisar o comportamento do protótipo em função da velocidade do ar. Dessa forma foi obtida a caracterização do mesmo quanto à diferença de temperatura (∆𝑇) e a potência de troca térmica característica (𝑄). Foi possível perceber a alta eficiência do protótipo para baixas velocidades de ar, porém ainda sim os resultados ficaram abaixo do esperado quando comparados aos cálculos do trocador de calor que previam uma redução de temperatura de 9,45 K, quando foi obtido um máximo de 3,0 K na condição de estudo referente a 5000 rpm, obviamente pela área de bombeamento de calor ser inferior à área superficial total do protótipo (15,3% e 30,6%, etapa 1 e 2 respectivamente).
Através dos resultados obtidos nos testes foi possível calcular 𝜌𝑠 (densidade do ar na
saída do protótipo) e 𝑚̇𝑒 (fluxo mássico de ar admitido que escoaria para dentro dos cilindros
considerando 𝜌𝑠), podendo assim recalcular a eficiência volumétrica e por consequência todas
condições de performance do motor analisado simulando a aplicação do protótipo no mesmo. O cálculo da eficiência volumétrica apresentou ganhos elevados nas baixas rotações e até mesmo na rotação extrema de 5000 rpm onde anteriormente apresentava uma eficiência de 92,73% conforme descrito na seção Materiais e Métodos (“Cálculos pré-projeto”).
Os resultados das duas etapas aplicados nos cálculos da eficiência volumétrica do motor podem ser vistos na tabela 7 e figura 7.
Tabela 7 - Resultados obtidos nas etapas 1 e 2 aplicados no motor.
Etapas Pontos de
medição
Variação da veloc. ref. do ar
[%]
Rotação ref. Motor [rpm] Eficiência volumétrica [%] 1 (4 módulos de Peltier) 1 25% 1250 95,0 2 50% 2500 94,2 3 75% 3750 93,9 4 100% 5000 93,6 2 (8 módulos de Peltier) 1 25% 1250 95,8 2 50% 2500 94,5 3 75% 3750 94,0 4 100% 5000 93,7 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Q [W] D T [K ] Velocidade do ar [m/s]
Etapas 1 e 2 - Testes com 4 e 8 módulos termoelétricos
Figura 7 - Gráficos dos resultados obtidos nas etapas 1 e 2 aplicados no motor.
Os resultados foram expressivos, e com a nova eficiência volumétrica foi possível analisar as consequências da aplicação do protótipo na condição mais severa de uso do motor
estudado onde na rotação de 5000 rpm havia uma potência efetiva (𝑃𝑒) de 77,6 kW e um
torque (𝑇) de 148,2 Nm (dados da seção “Cálculos pré-projeto”). Neste ponto, com a
utilização do protótipo a eficiência volumétrica medida nos testes aumentou de 92,73% para 93,7%, logo: 1) 𝑇 =𝜌𝑎∙(𝓂 𝑐 𝓂 𝑎 ⁄ )∙𝑝𝑐𝑖∙𝑉𝑐∙𝜂𝑡∙𝜂𝑚∙𝜂𝑣 4𝜋 = 0,17824∙37300∙1∙0,32∙0,944∙0,937 4𝜋 = 149,75 𝑁𝑚 2) 𝑃𝑒= 2𝜋 ∙ 𝑁 ∙ 𝑇 = 2𝜋 ∙ 83,33 ∙ 149,75 = 78,4 𝑘𝑊
Assim foi obtido um ganho de 1,55 Nm de torque e 0,8 kW de potência efetiva na condição mais severa de uso do motor com utilização de apenas 30,6 % da capacidade do protótipo quanto a área de bombeamento de calor, podendo obter resultados ainda mais expressivos quando se fizer uso de 100% da capacidade do mesmo.
Conclusão
De fato o aumento da densidade do ar admitido através do resfriamento do mesmo apresenta ganhos na eficiência volumétrica do motor estudado, além do ganho de torque e potência mesmo na condição mais severa estudada neste trabalho de alta rotação do motor.
Entretanto os resultados esperados apresentados na seção “Cálculos Pré-projetos” não foram atingidos uma vez que os cálculos são em função da utilização de toda área superficial do trocador para o bombeamento de calor, ou seja, deve-se utilizar 100% da área disponível do trocador para o resfriamento de modo a ter o bombeamento de calor efetivo instalando os módulos de Peltier em toda superfície do trocador.
Mesmo sendo utilizado neste trabalho apenas 15,3% e 30,6% de capacidade da área do trocador, de acordo com os recursos então disponíveis, identifica-se que o conceito do estudo está correto e é possível realizar melhorias no projeto para que se atinjam os resultados esperados. 93,5% 93,8% 94,0% 94,3% 94,5% 94,8% 95,0% 95,3% 95,5% 95,8% 96,0% 0 1250 2500 3750 5000 6250 Efi ci ê nci a Vo lumét ric a [%] Rotação [rpm]
Eficiência Volumétrica vs Rotação
Durante os testes e simulações foi possível identificar pontos de melhoria no conceito protótipo que devem ser avaliados para trabalhos futuros, considerando o mesmo trocador de calor utilizado neste trabalho ou até aprimorando o mesmo. São eles:
1) Preencher 100% da superfície do trocador de calor com os módulos de Peltier ou utilizar módulos maiores, para garantir que toda área do trocador está realizando o bombeamento de calor para o meio externo.
2) Fazer uso de coolers de maior eficiência de modo a melhorar a dissipação do calor para o meio externo assim aumentando a eficiência do módulo de Peltier.
3) Isolar termicamente as áreas não utilizadas para o bombeamento de calor (laterais, entradas e saídas do trocador).
4) Aumentar o número de aletas do trocador para que o fluído tenha maior área de troca térmica durante o escoamento no interior do protótipo.
5) Projetar restrições ou turbilhonadores nas aletas a fim de aumentar o tempo de residência do ar dentro do trocador de calor assim forçando a troca térmica.
Com as melhorias apresentadas acredita-se que será possível atingir os resultados previstos pelos cálculos do projeto e consequentemente obter resultados ainda mais expressivos quanto à eficiência volumétrica do sistema e suas consequências no motor.
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