JOSE EDMUNDO PITILLO

COGERAO USANDO GASES DE ESCAPAMENTO

DE MOTORES DIESEL SOBREALIMENTADOS,

POTENCIALIDADES, IMPACTOS

UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLNDIA

FACULDADE DE ENGENHARIA MECNICA

2006

ii

Dados Internacionais de Catalogao na Publicao (CIP)

P684c

Pitillo, Jose Edmundo, 1955- Cogerao usando gases de escapamento de motores diesel sobreali-mentados, potencialidades, impactos / Jose Edmundo Pitillo. - 2006. 128 f. : il. Orientador: Oscar Saul Hernandez Mendoza. Dissertao (mestrado) Universidade Federal de Uberlndia, Progra- ma de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica. Inclui bibliografia. 1. Energia eltrica e calor - Cogerao - Teses. 2. Motores diesel - Teses. 1. Hernandez Mendoza, Oscar Saul. II. Universidade Federal de Uberlndia. Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica. IV. Ttulo.

CDU: 621.311

Elaborada pelo Sistema de Bibliotecas da UFU / Setor de Catalogao e Classificao

iii

JOSE EDMUNDO PITILLO

COGERAO USANDO GASES DE ESCAPAMENTO DE MOTORES

DIESEL SOBREALIMENTADOS, POTENCIALIDADES, IMPACTOS

Dissertao apresentada ao

Programa de Ps-graduao em

Engenharia Mecnica da Universidade

Federal de Uberlndia, como parte dos

requisitos para a obteno do ttulo de

MESTRE EM ENGENHARIA MECNICA.

rea de Concentrao: Transferncia de

Calor e Mecnica dos Fludos.

Orientador: Prof. Dr. Oscar Saul Hernandez

Mendoza

UBERLNDIA - MG

2006

iv

A amizade um sentimento mais nobre do que o

amor. Eis que permite que o objeto dela se divida

em outros afetos, enquanto o amor tem intrnseco o

cime que no admite a rivalidade.

Aos meus pais, irmos, esposa e filhos.

v

A G R A D E C I M E N T O S

Trata-se de uma questo de Estilo, Histria e Procedimentos, visto que as necessidades

remetem sabedoria.

A todos que me fizeram acreditar ser possvel, meu agradecimento.

Ao professor Oscar Mendonza, que extrapolando a funo de educador, soube identificar a

forma e o momento exato dos incentivos.

E em especial ao professor Gleyzer Martins, que a despeito da sua competncia me

permitiu compartilhar de sua amizade.

vi

PITILLO, J. E. Cogerao usando Gases de Escapamento de Motores Diesel

Sobrealimentados, Potencialidades, Impactos 2006.128f. Dissertao de Mestrado,

Universidade Federal de Uberlndia, Uberlndia.

Resumo

A cogerao uma ferramenta largamente utilizada para se aprimorar sistemas trmicos

atravs do uso de ciclos combinados. Neste sentido procurou-se identificar a ordem de

grandeza da energia excedente, manifestada na turbina empregada para promover a

sobrealimentao de motores, equipadas com wastegate e/ou de dupla entrada com seo

efetiva varivel, permitindo o seu aproveitamento na gerao de potencia frigorfica para

aplicao veicular. Para tanto foi utilizada uma modelagem semi-emprica para o motor,

fundamentada no ciclo Otto, e atravs de consideraes extradas das leis da

termodinmica, aplicadas ao escoamento do ar e dos gases pelos equipamentos auxiliares

do motor, definiu-se uma modelagem que possibilitou avaliar o comportamento dos

parmetros que caracterizam a operao do motor. Os modelos foram validados segundo

dados experimentais extrados da literatura (Bermudez 1995) para a condio do motor

operando a plena carga. Em base aos resultados simulados, determinou-se a potencia

lquida ou de co-gerao do turbocompressor, admitindo que os gases de escape

destinados a wastegate foram redirecionados a expandirem na turbina, assim como para as

turbinas de dupla entrada ao sofrerem modificaes em sua seo efetiva, permitem a

obteno deste excedente. Um outro aspecto tambm avaliado a questo referente

disponibilidade desta energia durante um percurso de operao do motor. Neste sentido

observou-se que durante este percurso o motor manteve-se 70% de seu tempo de operao

em condio de disponibilizar esta energia lquida, ou seja, com a wastegate aberta.

Palavras chave: Ciclos combinados. Motor sobrealimentado. Modelagem semi-emprica. Potencia de Cogerao. Wastegate.

vii

PITILLO, J. E. Cogeneration by using discharge gases in Diesel Engines

Turbocharged, Potentialities and Impacts 2006.128f. Dissertation of Master's degree,

Federal University of Uberlndia, Uberlndia.

Abstract

Cogeneration is a broadly used tool to improve the performance of thermal systems by using

combined cycles. In this sense, it is aimed to identify the amount of spare energy found in the

turbine used to perform extra power in engines equipped either with waste-gate or twin flow.

In this way, refrigerating power is used motor vehicle applications. For this purpose, a semi-

empirical model is used for the engine, as based on the Otto cycle. Consequently,

considerations extracted from the thermodynamic laws are applied to the air and gas flow

through the various auxiliary engine components leading to a model that permits to evaluate

the behavior of the parameters that characterize the operating conditions of the engine. The

models were validated according to experimental data extracted from the literature

(Bermudez, 1995) for the engine operating under full charge condition. Based on simulated

results, the liquid power (cogeneration power) of the turbo-compressor was calculated by

considering that the discharge gases were reoriented to the waste-gate to expand in the

turbine. Similarly, VGT turbines allow obtaining this eventual extra power by varying its

effective flow area. Another important aspect that was evaluated in this dissertation is related

to the availability of the extra energy during the operation of the engine. In this sense, it was

observed that this extra power was available in the engine during 70% of its operation time,

under the condition of open waste-gate.

Words key: Combined cycles. Turbo Engine. Semi-empiric modelling. Potency of Cogeneration. Waste-gate.

viii

SUMRIO

Descrio Pgina

Captulo I INTRODUO

1.1 Objetivo 1

1.2 Justificativas 1

1.3 Ciclos Motores 2

1.4 Sistemas de Aspirao de Ar 7

1.5 Aplicao das Turbomquinas 9

1.6 Turbomquinas 11

1.7 PRC. Processos de Renovao da Carga 13

1.8 Cogerao de Energia e Potencia Eltrica 16

1.9 Obteno dos Modelos 18

1.10 Critrios Adotados no Desenvolvimento do Trabalho 19 Captulo II REVISO BIBLIOGRFICA 20 .

Captulo III MODELAGEM

3.1 Introduo 33

3.2 Obteno dos Modelos 35

3.2.1 Modelando o Compressor 35

3.2.2 Modelando o Intercooler 39

3.2.3 Modelando o Motor 40

3.2.4 Modelando a Turbina 47

3.2.5 Modelando o Sistema Final de Exausto 51

3.2.6 Modelando o Fluxo de Massa 52

Captulo IV AJUSTE, VALIDAO E SIMULAO.

4.1 Introduo 53

4.2 Ajuste do Compressor 54

4.3 Ajuste do Intercooler 58

4.4 Ajuste da Turbina 60

4.5 Ajuste do Motor 64

4.6 Ajuste do Sistema Final de Exausto 70

4.7 Ajuste no Fluxo de Massa 70

ix

Captulo V AN LISE DOS RESULTADOS 73

Captulo VI CONCLUSO 83

Captulo VII TRABALHOS FUTUROS 86

Referncias Bibliogrficas 87

Anexo I POTNCIA DE COGERAO / ANALISE QUANTITATIVA 90

Anexo II VLVULA DE ALIVIO (WASTEGATE) 96

Anexo III MODELAGEM DA POTNCIA DO MOTOR 99 Anexo IV DADOS EXPERIMENTAIS DISPONIBILIZADOS PELA LITERATURA 103

x

Lista de figuras Descrio Pgina Figura 1.1 Esquema operacional dos quatro tempos de uma mquina trmica do

tipo Otto.

2

Figura 1.2 Funcionamento de um motor tipo Otto 3

Figura 1.3 Ciclo ideal composto Otto-Diesel 4

Figura 1.4 Comparao entre os ciclos das mquinas Otto e Diesel 5

Figura 1.5 Ganho relativo de torque, de um motor ciclo Otto ou Diesel

sobrealimentado.

7

Figura 1.6 Eficincia de motores turbos de vrios tamanhos 8

Figura 1.7 Perda de potencia de motores aspirados em funo da altitude 9

Figura 1.8 Relao de presso em funo do fluxo de massa, para velocidades

diferentes do eixo da turbina.

11

Figura 1.9 Processo de funcionamento de uma turbomquina 13

Figura 1.10 Esquema de um motor Diesel sobrealimentado 14

Figura 1.11 Comparao da eficincia entre cogerao e produo separada de

Eletricidade e Calor

16

Figura 1.12 Esboo de um sistema de cogerao com turbina a vapor 17

Figura 1.13 Conceito bsico de um sistema de cogerao 18

Figura 2.1 Esboo de um circuito duplo turbinado de produo de potencia 31

Figura 2.2 Esboo da operao de um circuito duplo turbinado 32

Figura 3.1 Diagrama esquemtico de um motor sobrealimentado (06) cilindros 34

Figura 3.2 Circuito completo da operao do Motor 34

Figura 3.3 Diagrama PV de um ciclo Otto ideal 41

Figura 3.4 Esquema da roda de Dlaval e do diagrama de velocidade 48

Figura 4.1(a) Relao de presso versus fluxo de massa de ar 55

Figura 4.1(b) Erro da modelagem para a relao de presso do compressor 55

Figura 4.2(a) Rendimento do compressor em funo do fluxo de massa de ar 57

xi

Figura 4.2(b) Erro da modelagem para o rendimento do compressor 57

Figura 4.3(a) Presso aps o intercooler em funo do fluxo de massa de ar 59

Figura 4.3(b) Erro da modelagem para a presso de sada do intercooler 59

Figura 4.4(a) Efetividade do intercooler em funo do fluxo de massa de ar 60

Figura 4.4(b) Erro da modelagem para a efetividade do intercooler 60

Figura 4.5(a) Rendimento em funo do fluxo de massa de gs 62

Figura 4.5(b) Erro da modelagem para o rendimento da turbina 62

Figura 4.6(a) Fluxo de massa de gs em funo da relao de presso da turbina 64

Figura 4.6(b) Erro da modelagem para o fluxo de massa de gs 64

Figura 4.7(a) Temperatura dos gases de exausto do motor em funo da rotao

do motor

68

Figura 4.7(b) Erro da modelagem para a temperatura dos gases de exausto do

motor

68

Figura 4.8(a) Potencia desenvolvida pelo motor em funo da rotao do motor 69

Figura 4.8(b) Erro da modelagem para a potencia desenvolvida pelo motor 69

Figura 4.9 Rendimento volumtrico em funo da rotao do motor 71

Figura 4.9 Rendimento volumtrico em funo da rotao do motor 71

Figura 5.1 Diagrama de blocos aplicado na simulao do ciclo do motor 73

Figura 5.2(a) Resultado da simulao na obteno da temperatura de sada dos

gases de escape do motor em funo da rotao do motor

74

Figura 5.2(b) Erros identificados na temperatura de sada dos gases de escape

do motor em relao aos valores medidos e os valores calculados

74

Figura 5.3(a) Resultado da simulao na obteno da potencia desenvolvida

pelo motor em funo da rotao do motor

75

Figura 5.3(b) Erros identificados na potencia desenvolvida pelo motor em relao

aos valores medidos e os valores calculados

75

Figura 5.4 Fluxo de massa de ar no motor em funo da rotao do motor 76

Figura 5.5 Resultado da simulao na obteno da potencia da turbina em

funo da rotao do motor.

77

Figura 5.6 Potencia lquida desenvolvida na turbina em funo da rotao do

motor.

79

Figura 5.7 Presso manomtrica de sobrealimentao do motor em funo do

seu regime de giro.

80

xii

Figura A1. 1 Trabalho em funo do ngulo de giro 90

Figura A1. 2 Fluxo de massa de ar no motor em funo da rotao do motor 91

Figura A1. 3 Rotao da turbomquina em funo da rotao do motor 92

Figura A1. 4 Curva de operao do compressor / motor 04 cilindros 93

Figura A2. 1 Conjunto wastegate-turbocompressor-motor 96

Figura A2. 2 Diagrama esquemtico de uma turbina de dupla entrada 98

Figura A2. 3 Esquema do modelo de uma turbina de dupla entrada 98

Figura A3. 1 Diagrama presso em funo do volume, para um ciclo Otto. 99 Figura A4. 1 Temperatura do ar aps o intercooler em funo da rotao do motor 103

Figura A4. 2 Presso aps o intercooler em funo da rotao do motor 103

Figura A4. 3 Trabalho da turbina em funo da rotao do motor 104

Figura A4. 4 Fluxo de massa de ar no motor em funo da rotao do motor 104

Figura A4. 5 Rotao da turbomquina em funo da rotao do motor

104

Figura A4. 6 Presso instantnea na sada do compressor, com o motor operando

a 2000 [RPM] em funo do angulo de giro

105

Figura A4. 7 Rendimento do compressor com o motor operando a 2000 [RPM] em

funo do angulo de giro

105

Figura A4. 8 Fluxo de massa instantneo no motor , com o motor operando a 2000

[RPM] em funo do angulo de giro

105

Figura A4. 9 Trabalho em funo do angulo de giro

106

Figura A4. 10 Presso de sobrealimentao em funo do angulo de giro

106

Figura A4. 11 Presso instantnea na admisso em funo do angulo de giro

106

Figura A4. 12 Presso instantnea no escape em funo do angulo de giro 107

Figura A4. 13 Fluxo de massa de ar admitido por cilindro ciclo do motor em funo

da rotao do motor

107

Figura A4. 14 Rotao da turbomquina em funo da rotao do motor 107

xiii

Figura A4. 15 Fluxo de massa de ar admitido no motor em funo da rotao do

motor

108

Figura A4. 16 Relao ar combustvel em funo da rotao do motor 108

Figura A4. 17 Temperatura do gs de entrada na turbina em funo da rotao do

motor

108

Figura A4. 18 Torque efetivo do motor em funo da rotao do motor 109

Figura A4. 19 Mapa de operao da Turbomquina

109

xiv

Lista de Tabelas

Tab.4.1 Relao entre as variveis fluxo de massa de ar, rotao do motor e rotao

da turbomquina

72 Tab.4.2 Relao entre as variveis fluxo de massa de ar, fluxo de massa de

combustvel, fluxo de massa de gs, em funo da rotao do motor.

72

xv

Lista de smbolos Abreviaturas

HVAC Heating Ventilation and Air Conditioning

OPC Opel Performance Center

PCI Poder Calorifico Individual

CD Coeficiente de Descarga

PRC Processo de Renovao de Carga

VGT Turbina de Geometria Varivel

JVGT Momento de Inrcia de Massa

COP Coeficiente de desempenho

MVEM Modelo do motor de valor mdio

MCIA Motor de Combusto Interna Alternativo

NG Gs Natural

ICE Ignio por centelha

CHP Calor e Fora Combinados

CI Ignio por compresso

TES Transient Emission Sampling

xvi

Letras Latinas

C Velocidade absoluta [ ]m/s

Cp Calor especfico presso constante [ ]J/kgK

Cv Calor especfico a volume constante [ ]J/kgK D Dimetro [m]

M Torque [N.m]

N Velocidade de rotao [RPM]

P Presso [ ]kPa

q Calor transferido por unidade de massa [ ]J/kg

R Constante dos gases [ ]J/kgK

r relao [ ]

Rp Relao de presso [ ]

T Temperatura [ ]K

u Energia interna especfica [ ]J/kg

U Velocidade tangencial [ ]m/s V Volume [m]

v Volume especfico [ ]m/kg

m Massa [ ]kg

W trabalho [ ]kg

W Velocidade relativa [ ]m/s .

m Fluxo de Massa [ ]kg/s .

W Potencia [ ]kW

K Constante de ajuste [ ]

xvii

Letras Gregas

e Eficincia [ ] ? Relao politrpica dos gases [ ] ? Relao entre ar/combustvel real e ar/combustvel estequiomtrico [ ] ? Rendimento [ ] ngulo entre a velocidade relativa e a velocidade tangencial [ ]rad a ngulo entre a velocidade absoluta e a velocidade tangencial [ ]rad ? Coeficiente de perdas [ ] ? Velocidade angular [ ]rad/s

xviii

Subscritos scp Sada do compressor

adiabtico Adiabtico

sinter Sada do intercooler

sm Sada do motor

amb Ambiente

ar Ar

AR Ar

ar,em Ar na entrada do motor

ar,m Ar no motor

sTb Sada da turbina

atm Atmosfrica

c Compresso

c,m Compresso no motor

cilin Cilindros

cool Resfriamento

cp Compressor

desl Deslocado

ecp Entrada do compressor

eixo Eixo

em Entrada do motor

escape Escape

eTb Entrada da turbina

fuel Combustvel

G Gs

Gr Gs residual

HV Calorfico

in Especfico

inter Intercooler

mistura Mistura

r Residual

rev/mim Revolues por minutos

xix

Sar Isentrpica do ar

sG Isentrpica do gs

SU Suplay

Tb Turbina

TC Turbomquina

Thr Thourgh

vol Volumtrico

x Frao

C A P I T U L O I

Introduo

1.1 Objetivo

O desafio deste trabalho consiste em obter a potencialidade de cogerao de energia,

que proporcione a gerao de um trabalho de eixo secundrio (potncia de cogerao),

extrado de uma eventual energia excedente, identificada na turbina acoplada a um motor

Diesel sobrealimentado, observando sempre o equilbrio dos impactos promovidos sobre o

equipamento trmico primrio (motor). A questo permite avaliar a possibilidade de se

viabilizar o aproveitamento do potencial energtico no utilizado dos gases de exausto de

um motor Diesel sobrealimentado, atravs de uma modelagem e simulao dos seus

componentes, analisando os diferentes regimes de operao.

1.2 Justificativa

Atualmente tm-se realado preocupaes pertinentes no que se refere a uma

eventual escassez das fontes geradoras de combustveis. Identificar solues alternativas

de fontes geradoras de energia, e a otimizao da utilizao dos atuais sistemas um dos

principais focos de estudo da comunidade cientfica. Entretanto essas iniciativas devem ser

sempre acompanhadas de uma anlise de viabilidade econmica. O sistema de refrigerao

veicular, empregado tanto para conforto trmico e/ou para conservao de alimentos

perecveis, apresenta-se como um fator de alto consumo de energia eltrica, sendo uma

planta passvel de estudos no desenvolvimento de projetos que possam minimizar estes

custos operacionais. O uso combinado de ciclos trmicos de forma a proporcionar um

melhor aproveitamento de energia, tem sido uma das alternativas amplamente empregadas.

Assim sendo, utilizar a energia dos gases de exausto de um motor Diesel para a sua

sobrealimentao uma tcnica bastante conhecida. Neste sentido (Martins, 2002) levantou

2

a possibilidade do emprego da energia excedente da sobrealimentao em sistemas de

resfriamento de ar, atravs de um ciclo Brayton/joule reverso. Baseado nesta observao

focou-se este trabalho no emprego desta energia para gerao de energia eltrica que

poderia ser destinada a um sistema convencional de refrigerao, avaliando os impactos

eventualmente ocorridos sobre o motor.

1.3 Ciclos Motores.

Dois ciclos basicamente assumem papel de relevncia quando se referem a

mquinas combusto interna, o ciclo Diesel e o ciclo Otto. Estas mquinas, inventadas no

final do sculo XIX, so compostas de no mnimo um cilindro, contendo um mbolo mvel

(pisto) e diversas peas mveis (Silveira, 2000). A Figura 1 uma representao

esquemtica e simplificada das partes principais de uma mquina Otto (ou Diesel).

Figura 1.1 - Esquema operacional dos quatro tempos de uma mquina trmica do tipo

Otto.

A caracterstica fundamental das mquinas Otto a de na admisso (1 tempo)

aspirarem uma mistura gasosa de ar e combustvel (gasolina, lcool, gs e outro

combustvel).

3

Figura 1.2 - Funcionamento de um motor tipo Otto.

Depois que o cilindro est cheio com esta mistura, a vlvula de admisso, que estava

aberta durante o 1o tempo, fecha-se; ento a mistura de ar e combustvel sofre a

compresso (2o tempo). A seguir uma centelha eltrica na vela de ignio deflagra a

exploso e, conseqentemente, a expanso (3o tempo) da mistura gasosa. Finalmente a

vlvula de escape abre-se, ocorrendo simultaneamente a descarga da mistura gasosa para

a atmosfera e a exausto do restante dos gases queimados (4o tempo).

As mquinas do tipo Diesel diferem das mquinas do tipo Otto por, no 1o tempo,

admitirem apenas ar. O ar ento comprimido durante o 2o tempo e, como neste processo

ainda no h combustvel, possvel se atingir uma taxa de compresso (razo entre o

mximo volume admitido pelo volume mnimo no incio da admisso) mais elevada - entre

16:1 e 20:1 - do que nas mquinas do tipo Otto. Quando, no incio do 3o tempo, o ar est

maximamente comprimido e a alta temperatura (de 600 a 750 K), uma bomba injetora,

posicionada no lugar da vela de ignio da figura 2, vaporiza combustvel (usualmente leo

diesel) para dentro do cilindro, ocorrendo a combusto espontnea (exploso) e a expanso

dos gases. Finalmente ocorre o 4o tempo, durante o qual os gases so expulsos do cilindro.

Da analise de um ciclo Otto possvel concluir que, aumentando a relao de

compresso obtemos um aumento no rendimento do ciclo, embora os rendimentos dos

ciclos Otto, possam afastar-se significativamente dos rendimentos dos motores reais. O ciclo

ideal que mais se aproxima do que efetivamente ocorre em mquinas do tipo Otto ou Diesel

o ciclo composto Otto-Diesel, representado na Fig. 1.3 atravs de um diagrama presso

versus volume.

4

Figura 1.3 - Ciclo ideal composto Otto-Diesel.

Os processos ef e bd da Fig. 1.3 representam transformaes adiabticas. Alm da

taxa de compresso representada na Fig. 1.3 pelo parmetro e, ser diferente entre as

mquinas de Otto e Diesel, h tambm diferenas nos outros dois parmetros e

apresentados na Fig. 1.3.

O parmetro expressa em que proporo a presso aumenta durante a

combusto da mistura gasosa. Este crescimento maior na mquina Otto, pois conforme j

notado, a combusto deflagrada por uma centelha eltrica na vela de ignio. Ocorre

ento um brusco aumento da presso, praticamente sem variao de volume, que chega a

triplic-la; isto , aproximadamente igual a 3 na mquina Otto. J na mquina de Diesel,

a combusto ocorre simultaneamente com a introduo de combustvel no cilindro

(lembremos que nesta mquina apenas o ar foi comprimido), determinando que o volume,

sem variar a presso, no cresa muito e, portanto limita o aumento da temperatura. Assim,

aproximadamente igual a 1,3 para a mquina Diesel.

O parmetro expressa o crescimento do volume, sem variar a presso, at que

todo o combustvel foi queimado (final da combusto). Na mquina Otto este crescimento

ordem de 1,3. Na mquina Diesel, como a injeo de combustvel no se d

instantaneamente, o gs se expande isobaricamente por cerca de quatro vezes o seu

volume inicial. Desta forma, o parmetro cerca de 1,3 na mquina Otto e cerca de 3,5

na mquina Diesel. A Fig. 1.4 permite que se comparem os ciclos das mquinas de Otto e

Diesel; ambos com o mesmo volume mximo, em um diagrama presso versus volume.

5

Figura 1.4 Comparao entre os ciclos das mquinas Otto e Diesel

Esta figura representa o ciclo de uma mquina Otto com taxa de compresso de 8:1 e o

ciclo de uma mquina Diesel com taxa de compresso de 18:1, ambos com o mesmo

volume mximo e utilizando um gs diatmico. importante observar que para os motores

atuais operando segundo um ciclo Otto ocorre a compresso da mistura numa taxa em torno

de 9:1 (gasolina) ou 12:1 (lcool), enquanto que para um motor operando segundo um ciclo

Diesel observa-se a compresso do ar puro, numa taxa acima de 20:1. A rea no interior do

ciclo representa o trabalho fornecido pela mquina em um ciclo completo. importante notar

que no final da compresso, a mquina Diesel atinge uma presso quase trs vezes maior

do que a presso na mesma etapa de uma mquina Otto. Isto se deve taxa de

compresso mais elevada na primeira mquina do que na segunda. Da mesma forma a

temperatura no final da compresso maior na mquina Diesel (de 750 a 900 K) do que na

mquina Otto (de 600 a 750 K).

Pode-se demonstrar que o rendimento (?) do ciclo composto dado por:

( )

= + 1

1 11

1 1 (1.1)

onde a razo entre o calor especifico presso constante pela calor especifico

volume constante do gs utilizado no ciclo termodinmico,

6

v

p

C

C= (1.2)

A equao (1.1) implica que, mantido todos os parmetros constantes, exceto a taxa

de compresso ( ), o rendimento aumenta. Entretanto, se calculamos os rendimentos da

mquina de Otto e Diesel utilizando os parmetros tpicos apresentados anteriormente,

encontramos rendimentos semelhantes, entre 50% e 60% para ambas, note-se que as duas

mquinas no diferem apenas na taxa de compresso (Morin, 1976). O rendimento real das

mquinas Otto um pouco inferior ao das mquinas Diesel, situando-se entre 22% a 30%

para as primeiras e entre 30% a 38% para as segundas.

Demonstra-se tambm que o trabalho no ciclo, mantido os demais parmetros

constantes, cresce quando aumenta a taxa de compresso e quando aumenta o produto da

presso pelo volume no final da admisso (1o tempo). Desta forma, desejvel implementar

a taxa de compresso e o tamanho dos motores, caso se deseje obter mais trabalho e, no

mesmo intervalo de tempo, mais potncia. Outra maneira de implementar o trabalho no ciclo

aumentar a presso no final da admisso (1o tempo). Neste momento a presso um

pouco menor do que a presso externa (presso atmosfrica); um compressor colocado

antes da vlvula de admisso providencia para que a presso no final da admisso seja

maior, conseqentemente determinando que o motor tenha aspirado uma quantidade maior

de ar (motor Diesel) ou de ar e combustvel (motor Otto).

Na expectativa de se obter rendimentos trmicos T maiores, uma alternativa comum

tem sido o controle das relaes de compresso vr , cujo comportamento apresenta-se com

variaes de uma forma direta com o rendimento trmico. Porm para motores ICE (ignio

por centelha) a variao indiscriminada da vr , leva ao fenmeno da detonao do

combustvel, que nada mais do que a queima do combustvel extremamente rpida, pela

presena de fortes ondas de presso no cilindro do motor, ocasionadas quando do aumento

da relao de compresso, que originam as chamadas batidas tornando-se, a detonao, o

parmetro limite para o acrscimo da relao de compresso. A utilizao de combustvel

com melhores caractersticas antidetonantes foi uma alternativa que contribuiu para a

possibilidade do controle da relao de compresso.

importante se observar caractersticas de comportamento nos motores SI no que se

refere ao afastamento do ciclo aberto em relao ao ciclo padro, tais como:

I. Os calores especficos dos gases reais aumentam com o aumento da

temperatura.

II. O processo de combusto substitui o processo de transferncia de calor a alta

temperatura e a combusto pode ser incompleta.

7

III. Cada ciclo mecnico do motor envolve um processo de alimentao e descarga

e, devido s perdas de carga dos escoamentos nas vlvulas, so necessrias

umas certas quantidades de trabalho para alimentar o cilindro com ar e

descarregar os produtos da combusto no coletor de escapamento.

IV. Existe uma transferncia de calor significativa entre os gases e as paredes dos

cilindros.

V. Existem irreversibilidades associadas a gradientes de presso e temperatura.

1.4 Sistemas de Aspirao de Ar.

A busca por motores de maior potncia, maior torque, e melhor eficincia sempre foi

perseguida por todos os fabricantes de automveis, e dois grandes grupos so identificados,

os motores de aspirao natural e os motores de aspirao forada. Em ambos a mais

importante varivel que determina a capacidade de gerao de potncia a massa de

mistura admitida por ele por unidade de tempo. Nos motores de aspirao natural, a

quantidade mxima de mistura admitida pelo motor fixa e definida pela sua eficincia

volumtrica para cada ponto de velocidade do motor, alm disto as perdas de carga no

coletor de admisso dificulta manter alta eficincia volumtrica para uma grande faixa de

utilizao (este problema hoje minimizado atravs de comando de vlvula e coletores

variveis). J nos motores sobrealimentados pode-se alterar a quantidade de mistura

admitida no motor muito acima de sua eficincia volumtrica mxima e manter esta situao

sob diferentes condies de densidade atmosfrica com a simples implementao de um

turbocompressor. Abaixo est um grfico emprico, representado pela figura 1.5, publicado

pela Western Michigan University, do ganho relativo de torque de um motor de ciclo Otto ou

Diesel com adoo de sobre-alimentao.

Figura 1.5 Ganho relativo de Torque, de um motor ciclo Otto ou Diesel, sobrealimentado.

8

Alm de maior potncia comparada a um motor de mesmo tamanho e construo, os

motores sobre-alimentados tm a vantagem de ter uma maior faixa de alta eficincia

volumtrica. Outra vantagem comparativa que na utilizao de motores menores sobre-

alimentados (menos atritos, peso etc) com a mesma potncia de motores maiores aspirados

trs ganhos de consumo de combustvel em condies de utilizao em carga baixa, alm

de obter vantagens dinmicas devido ao menor peso especfico por cavalo vapor gerado.

Abaixo, novamente um grfico, representado pela Fig. 1.6, que generaliza a eficincia do

uso de motores menores com superalimentao versus motores maiores com a mesma

potncia, desenvolvido pela Western Michigan University.

Figura 1.6 Eficincia de motores turbo de vrios tamanhos

Reparem pelo grfico mais direita, que os motores sobrealimentados so inferiores

em eficincia somente sob alta carga sendo at 20% mais eficientes em cargas baixas e

mdias, onde mais de 90% do tempo o motor trabalha. Alm de eficincia os motores

sobrealimentados ainda tm a vantagem de estabilidade de desempenho sob diferentes

condies ambientais. No grfico abaixo, representado pela Fig.1.7, pode-se observar a

perda de potncia de motores aspirados em funo da altitude:

9

Figura 1.7 Perda de potncia de motores aspirados em funo da altitude

Entretanto os motores sobrealimentados apresentam dois problemas cruciais que

esto sendo tratados e tem mostrado perspectivas de solues futuras promissoras. O

primeiro deles a no linearidade na entrega de potncia. Esta no linearidade atenuada

pelo uso de turbos de baixa inrcia, mas a resposta do motor ao acelerador no chega perto

dos motores aspirados naturalmente (excetuando-se os casos onde dispositivos anti-lag

so utilizados, que mantm a turbina sempre girando forte) e a resposta antes que o turbo

seja capaz de produzir presso tambm inferior.

O segundo problema as leis e padres de testes para poluio de veculos. Os

motores turbo demoram cerca de trs vezes mais tempo para aquecer o catalisador que os

motores aspirados, e isso os prejudica muito nas novas regras antipoluio. Para resolver o

primeiro, turbinas e coletores de alta tecnologia de fluxo, vlvulas de controle eletrnico e

sistemas anti-lag tm atenuado o problema a nveis altamente competitivos.

No caso dos controles de poluio ainda no se chegou a resultados to animadores

nem mesmo utilizando pr-aquecedores eltricos nos catalisadores. O desafio na tecnologia

dos motores turbo est em fazer com que estes nveis de presso sejam suportados e que

se consiga fazer a exausto destes gases do motor. , portanto possvel concluir que o

turbo compressor o nico modo de aumentar continuamente a potncia do motor. Essa

potncia pode ser aumentada at a quebra por estresse dos componentes mecnicos,

como virabrequim, pistes, bielas, caixa de marchas, embreagem, juntas homocinticas,

pneus mal dimensionados, etc. Os motores turbo-alimentados poluem menos que os

motores aspirados, e tambm gastam menos combustvel.

1.4 Aplicao das Turbomquinas

Nas primeiras dcadas do sculo passado se pretendia fundamentalmente elevar a

potncia efetiva, j nos anos 70 a crise energtica obrigou aos fabricantes de motores a

priorizar a economia de combustvel. No final do sculo XX os objetivos anteriores

10

persistem, porm a principal meta dos cientistas, tcnicos e diretores vinculados indstria

automobilstica, a reduo de rudo e emisses de gases contaminantes ao meio

ambiente. A aplicao de turbomquinas uma das solues mais empregadas quando se

necessita alterar o rendimento no motor, podendo-se obter uma tima relao custo

benefcio. Tudo comeou em 1905, observando algumas regras bsicas da dinmica

gasosa, o Dr. Alfred J. Buchia, na Sua, desenvolveu, os primeiros estudos sobre o

turbocompressor. Porm, somente em 1909 e 1912, surgiram os primeiros motores

equipados com turbo no mundo, existem registros indicativos de que em 1910 em uma

corrida realizada na Flrida, o vencedor foi um carro de passeio de 6 cilindros, cujo motor

era equipado com um super compressor. Porm como toda grande idia, os estudos do

Doutor Buchia foram considerados muito avanados para a poca, permanecendo em

compasso de espera por 18 anos. Somente em 1930 e 1940, suas pesquisas foram

retomadas e refeitas, pois existiam muitos problemas a serem solucionados. O objetivo era

fazer com que a produo de turbocompressores passasse a ter economia de escala, isto

ocorreu primeiramente na Europa e depois nos E.U.A. Na segunda grande guerra, a

General Eletric desenvolveu os turbocompressores para aplicao nos avies militares,

dando ao sistema o status de importante recurso para a aviao de guerra. Atualmente, os

turbos so utilizados em automveis, caminhes, nibus, equipamentos de agricultura,

embarcaes, aeronaves e em muitas outras aplicaes de transformao de energia 1.

Independentemente de qual ciclo se trabalhe, um processo de renovao de carga

(PRC) bastante difundido e a sobre-alimentao. Neste caso os gases de exausto fluindo

acionam a turbina, que atravs de seu eixo entrega a potncia ao compressor. Modelos para

a relao de presso (expanso e exausto) e a eficincia isentrpica da turbina so

largamente desenvolvidos. Estes modelos so usados junto com os modelos do compressor

para calcular uma expresso que possa determinar a velocidade do eixo da turbina, varivel

diretamente relacionada com a potncia desenvolvida pela turbomquina. A turbina trabalha

da mesma maneira que o compressor, porm na modalidade reversa. Um outro cenrio

que o turbocompressor est fornecendo um fluxo de massa demasiado elevado de ar da

exausto a uma sobrevelocidade. Para realizar esta reduo na relao da presso, alguma

quantidade do gs de exausto passada pela turbina na tubulao de exausto, reduzindo

a velocidade do eixo da turbina e assim a potncia fornecida ao compressor. A vlvula de

alivio instalada na turbina, governada por um controlador de modo que a parcela dos

gases de exausto que correm atravs da turbina possa ser controlada de uma maneira que

permita a operao segura do motor. 1 Castaldelli, Turbocompressor, Aro 15. O maior contedo de carros do Brasil

http://www.aro15.com/preparacao/turbocompressor.htm

11

Os dados fornecidos pelo fabricante so usados para desenvolver os modelos da

presso e da eficincia. O modelo isentrpico da eficincia da turbina desenvolvido de

forma anloga ao modelo do compressor, modelando a mudana isentrpica e entalpia real

respectivamente. Entretanto as mesmas observaes na complexidade do modelo para a

eficincia do compressor so vlidas. Para o compressor, uma medida da eficincia

introduzida para esclarecer o desvio de um processo isentrpico. Para que esta igualdade

seja vlida, o calor especfico pC para o gs de exausto deve ser considerado como uma

constante, porm na escala de temperatura o valor do pC do gs pode variar

significativamente, de modo que o pC do gs seja adotado como o valor mdio entre o

pC do gs na entrada e pC do gs na sada da turbina.

O modelo da presso mostrado na Fig. 1.8, mostra a existncia de um relacionamento

quase linear entre o fluxo de massa e a relao da presso para a turbina. A relao de

presso praticamente independente da velocidade do eixo da turbina.

Figura 1.8 Relao de presso em funo do fluxo de massa, para velocidades diferentes

do eixo da turbina.

1.6 Turbomquinas

A turbomquina utilizada em motores de combusto interna trata-se de duas

mquinas de fluxo, turbina e compressor acoplados no mesmo eixo dentro de duas carcaas

separadas. A turbina tem sua entrada de gs mecanicamente ligada na sada do coletor de

escape do cabeote. Um rotor dentro da turbina trabalha impulsionado pelos gases de

escape e em alta velocidade, que saem da cmara de combusto pela vlvula de descarga,

passam pelo coletor de escape ligado ao cabeote, entram na turbina onde toda essa

12

energia gira o rotor interno. Esses gases quentes ao impulsionarem o rotor passando por

suas ps deixam a turbina, seguem pelo tubo de escapamento, pelo catalisador (nos carros

de 1995 em diante), pelo silencioso; e se no fosse o turbocompressor a aproveitar todas

essas energias perdidas, resultantes da baixa eficincia dos motores de combusto interna

(da ordem de 30 % de eficincia, quando num motor eltrico essa eficincia vai a 90 %),

toda essa energia seria perdida pela sada do escapamento, e ainda esquentando a

atmosfera do planeta Terra.

O compressor possui sua admisso de ar ligada no filtro de ar, para reter o acesso

de eventuais impurezas no motor. A sada do compressor com o ar comprimido na presso

especificada de trabalho ligada na entrada do coletor de admisso original do motor.

Graas a isso, o turbo compressor, ao contrrio dos compressores mecnicos acionados por

correia, no rouba potncia do motor, nem varia a presso do ar em funo da rotao do

motor.

Um turbo compressor automotivo ciclo Otto corretamente dimensionado gira a cerca

de 120.000 [RPM], rotao em que balanceado pelo fabricante, e pode atingir 230.000

[RPM] no VW 1.0 16 vlvulas turbinado na fbrica (manual da fbrica), mas normalmente

esta rotao j considerada over-speed (acima de 180.000 [RPM]) e pode danificar a

turbina, ou diminuir sua vida til. Como exemplos, o motor turbo hlice de um velho Electra II

no passava de 11.000 [RPM], uma turbina de um moderno avio a jato no passa de

35.000 [RPM], e a turbina de um caminho Diesel no passa de 60.000 [RPM]. Turbinas

projetadas para trabalhar com motores a Diesel tero vidas teis menores se utilizadas em

motores de ciclo Otto, j que seus mancais de encosto no so dimensionados para altas

rotaes 2

Na obteno do turbo correto para seu motor, a sugesto que a turbina deve

entrar soprando a mxima presso por volta do torque mximo do motor, que em um motor

A.P(alta performance) da Volkswagen seria por volta de 3.600 [RPM]. O motor corretamente

turbinado e gerenciado pelo MEG (Mdulo Eletrnico de Gerenciamento) consome menos

combustvel que o original de fbrica, porque a turbina est sempre soprando ar e melhora o

rendimento do motor. A potncia medida em [kW] para qualquer motor a medida do torque

multiplicado pela rotao do motor e divididos por um fator constante, logo potncia

somente rotao multiplicada pelo torque 2.

Aumentar a taxa de compresso fornece mais potncia e mais economia de

combustvel.

2 Mitos e verdades sobre turbocompressores para motores a tecnologia CM Racing.

http://www.cmracing.com.br/turbocomp1.htm

13

Uma maior taxa de compresso s aumenta o torque pela melhor queima da mistura,

j que o ar admitido o mesmo, ou seja, se voc queimar a plvora no cho, ela apenas

queima. Se comprimir plvora, ela explode, e se comprimir bem, a exploso ainda maior.

Essa a preparao que mais fornece potncia sem aumentar a rotao. Concluso, se o

motor no admitir mais ar, no ganha um nico HP a mais. Como realmente o turbo

aumenta a potncia do motor? Injetando muito mais ar nas cmaras de combusto o torque

aumenta, e como potncia rotao vezes o torque, tem-se muito mais potncia e muito

mais torque.

(a)

(b)

Figura 1.9 Processo de funcionamento de uma turbomquina

A figura 1.9 (b) representa um turbocompressor, ao sarem os gases de descarga (7)

acionam a turbina (1) enquanto os gases em excesso so expulsos pela vlvula de alivio (8).

A turbina (1), ao girar, movimenta o compressor (2), que suga o ar ambiente (3) e o

comprime, fazendo-o passar pelo radiador (intercooler) (4) para resfri-lo. Daqui vai ao

carburador (5) e depois ao cilindro (6).

1.7 PRC Processo de renovao da carga.

O processo de renovao de carga (PRC), importante dentro do ciclo de trabalho

do motor, e a eficincia deste processo, influi no rendimento mecnico, na movimentao do

14

ar dentro dos cilindros, na quantidade de O2 disponvel para a combusto, na emisso dos

gases de escape e por conseqncia no desenvolvimento global do motor.

O processo de renovao de carga mais difundido a sobre-alimentao do motor,

obtido atravs das turbomquinas, utilizado desde a dcada de 30, ficando mais massificado

nos ltimos 15 anos. Turboalimentao o mtodo de PRC mais difundido em motores

Diesel automotivo, desta forma e possvel introduzir uma massa maior de ar que a

conseguida por aspirao natural, o que comparada a quantidades iguais, obtm-se at

50% mais de potncia. J sabido que na turbina, a energia dos gases de exausto

transformada em energia mecnica e transferida ao compressor atravs de um eixo. O ar

fresco, admitido no motor, comprimido no compressor. O ar comprimido transferido a um

intercooler, onde refrigerado e por conseqncia diminui o seu volume especfico. O fluxo

de ar continua atravs do coletor de admisso seu caminho at a cmara de combusto. Na

cmara de combusto o ar misturado com o combustvel, e sob alta presso a mistura (ar

combustvel) queimada. Durante a combusto a mistura (ar combustvel) se expande,

produzindo o torque no eixo de manivela. Aps a cmara de combusto o gs de exausto

transferido atravs do coletor de descarga turbina. Aps a turbina os gases de exausto

so impelidos ao sistema final de exausto onde ocorre uma queda de presso. A figura

1.10 mostra o esquema de um motor Diesel sobrealimentado.

Figura 1.10 Esquema de um motor DIESEL sobrealimentado

15

Ao comprimir o ar em um compressor inevitvel que ocorra um aumento em sua

temperatura, afetando sua densidade, e, portanto a massa de ar admitida pelo mesmo

diminui. Para minimizar este fenmeno, tem sido utilizada uma refrigerao intermediria

entre o compressor e motor, desta forma antes do coletor de admisso acopla-se um

trocador de calor, cujas caractersticas geomtricas condicionam no somente as

propriedades termodinmicas mdias do ar, como tambm a dinmica das ondas de

presso que fluem atravs dos condutos de admisso.

Para sobrealimentar um motor de combusto interna alternativo (MCIA), necessrio

resolver um grande problema, que consiste em acoplar uma mquina de fluxo contnuo a

uma mquina de fluxo pulsante. Do correto funcionamento deste motor misto, depender a

grande probabilidade de acerto na eleio da zona de trabalho conjunto de cada mquina.

Nos motores automotivos o regime de velocidade e carga varia em uma faixa ampla,

sobretudo os pequenos motores de veculos ligeiros. Nestas condies o fluxo mssico de

ar admitido e os gases em escape, tambm variam entre limites muito diferentes. Logo a

turbina ter que funcionar em ocasies de regime, onde a energia dos gases de escape

muito baixa, e, portanto o compressor soprar pouco ar para o interior dos cilindros do

motor. Este efeito, associado baixa turbulncia na cmara de combusto pode ocasionar a

produo de uma grande quantidade de fumaa no escape. Por outro lado, como o fluxo nos

coletores de admisso e escape pulsante, tanto a turbina como o compressor, so

afetados por onda de presso originadas em cada cilindro, durante os processos de escape

e admisso. Isto implica que os parmetros que caracterizam o ponto de funcionamento

instantneo podem modificar-se notadamente durante o ciclo do motor (Bermdez, 1995).

No PRC (processo de renovao de carga) os reflexos deste tipo de procedimento

incidem diretamente no rendimento do motor, no consumo de combustvel, na emisso de

poluentes, em fenmenos como curto circuito de ar no escape, na existncia de gases

residuais na cmara de combusto, distribuio no uniforme do ar nos cilindros, formao

de xidos de nitrognio e hidrocarbonetos sem queimar. Como administrar estes

inconvenientes?

Na equao (1.3), pode-se observar uma estreita correlao entre a potncia efetiva

do motor efetivao

W e o poder calorfico do combustvel HVq .

.

. . .o

efetiva ajuste ar HV efetivoW K m q = (1.3)

Em outras palavras o procedimento consiste em otimizar os processos de admisso e

escape, administrando o parmetro .

arm ( fluxo de massa de ar).

16

1.8 Cogerao de energia e Potncia eltrica

As duas formas mais usuais de manifestao da energia so energia mecnica e

trmica. A energia mecnica produzida pode ser usada tambm para dirigir um equipamento

auxiliar, tal como compressores e bombas. Por sua vez a energia trmica produzida pode

ser usada tanto para o aquecimento como para a refrigerao. Uma conjugao destas duas

formas de energia as custas de um processo de cogerao, pode ser efetuada a fim de se

obter energia eltrica ou mecnica a ser consumida. Cogerao a produo atravs de

processos seqenciais termodinmicos de dois ou mais bancos de energia til, atravs de

uma nica fonte de energia preliminar. Durante a operao de uma planta convencional de

produo de fora, grande quantidades de calor so rejeitadas na atmosfera atravs de

qualquer tipo de equipamento de refrigerao e arrefecimento (condensadores de vapor,

torres de resfriamento, gua de arrefecimento nos motores Diesel ou Otto, etc) ou at

mesmo com os gases de exausto. Entretanto, uma diminuio considervel no consumo de

combustvel total, pode ser conseguida se um sistema de cogerao, tambm entendido

como calor e fora combinados (CHP), for aplicado. A maioria deste calor pode ser

recuperada e usada para cobrir necessidades trmicas, assim aumentando a eficincia de

30-50% de uma planta de fora, para 80-90% em um sistema com cogerao. A

comparao entre a cogerao e a produo separada de eletricidade e calor, por exemplo,

sob o ponto de vista da eficincia, dada na Fig. 1.11, baseado em valores tpicos das

eficincias.

Figura 1.11 - Comparao da eficincia entre a cogerao e produo separada de

eletricidade e calor. (os nmeros abaixo das setas representam unidades da energia em

valores tpicos).

17

Sob o ponto de vista genrico alguns fatores contriburam para o declnio da

cogerao industrial, tais como:

I. O aumento crescente da gerao de energia eltrica reduziu-se os custos desta

energia, passando a representar uma porcentagem pequena dos custos industriais,

II. Avanos na tecnologia tais como caldeiras empacotadas,

III. Disponibilidade de combustveis lquidos ou gasosos em preos baixos,

IV. E o aperto das limitaes ambientais.

A tendncia acima mencionada na cogerao comeou ser invertida aps a primeira

ascenso dramtica dos custos de combustvel em 1973. Os sistemas que so eficientes e

podem utilizar combustveis alternativos tornaram-se mais importantes devido s ascenses

do preo e da incerteza de fontes de combustvel. Alm da reduo do consumo de

combustvel, a co-gerao resultou em uma diminuio das emisses de poluentes. Por

estas razes, os governos da Europa, os EUA e Japo esto estudando alternativas para

implementar um papel ativo no uso freqente dos sistemas de cogerao, com leis de

iseno fiscal, incentivos monetrios, e uma sustentao financeira para a pesquisa e

desenvolvimento tecnolgico. Os projetos da pesquisa e desenvolvimento realizados

durante os ltimos 25 anos conduziram a umas melhorias significativas da tecnologia, que

agora madura e de confiana. A figura 1.12 representa um esboo de uma planta de

cogerao de energia utilizando uma turbina a vapor.

Figura 1.12 - Esboo de um sistema de cogerao com turbina a vapor

18

A seleo de um bom sistema cogerao deve ser baseada em critrios

especificados pelo usurio do sistema, considerando o desempenho econmico, a eficincia

de energia, a operao ininterrupta, ou outras medidas de desempenho. O tipo da

tecnologia de cogerao (turbina a vapor, turbina a gs, reciprocidade do motor, ciclo

combinado, etc.), o equipamento de recuperao do calor, a necessidade do

armazenamento trmico ou eltrico, a interconexo com a grade (de sentido nico, em dois

sentidos, nenhuma conexo), a modalidade da operao do sistema (isto operando a fora

eltrica e trmica em algum instante do tempo), so identificados como parmetros

importantes a serem discutidos quando da implantao do processo. Na figura 1.13, podem

ser identificados sistemas de alimentao e produo de uma planta de cogerao.

Figura 1.13 - Conceito bsico de um sistema de cogerao

1.9 Obteno dos Modelos

A escolha e obteno dos modelos do motor e seus perifricos, a serem aplicados na

simulao do ciclo de operao do motor, que possam apresentar simultaneamente

caractersticas de simplicidade e aplicabilidade, consistem em desafio deste projeto. As

maneiras pelas quais usualmente podem ser conseguidos, neste caso particular resumem-

se na modelagem semi-empirica e modelagem estatstica. A presena ou no de um modelo

fsico o que diferencia um processo do outro, ficando caracterizada a modelagem semi-

empirica, como a que se utiliza um modelo fsico, porm com grau de complexidade mdio

(equaes matemticas de fcil soluo). J a modelagem estatstica, caracteriza-se por

trabalhar com um banco extenso de dados sem, no entanto lanar mo de um modelo fsico

pr-estabelecido.

19

Em ambos pode-se se conseguir modelos cuja simulao apresenta uma boa

aproximao com os dados medidos, existem dois grupos principais dos modelos:

I. Modelos do motor do valor mdio (MVEM)

II. Modelos do motor Cilindro-por-cilindro

O modelo do motor do valor mdio baseado naquele em que o torque no eixo de

manivela produzido pelas combustes individuais nivelado a um valor mdio. Enquanto o

modelo do motor cilindro-por-cilindro avalia de maneira mais criteriosa as irregularidades no

torque promovidas pelas combustes individuais. Neste trabalho tornou-se mais conveniente

a utilizao da modelagem do motor atravs dos valores mdios manifestados nas

propriedades operacionais.

1.10 Critrios adotados no desenvolvimento do trabalho

Da aplicao adequada dos modelos fsicos identificados, promove-se a simulao

atravs de uma modelagem semi-emprica, alimentando o processo com dados

experimentais extrados da literatura Sintesis De La Aerodinmica Interna Del Motor Diesel

Sobrealimentado, Vicente. R. Bermudz. 1995, a fim de se viabilizar sua validao, devido

a impossibilidade da montagem de uma bancada de testes por questes estruturais do

laboratrio de energia e sistemas trmicos onde o trabalho foi desenvolvido.

O circuito completo de operao do motor submetido a programas computacionais

(MATLAB/SIMULINK), a fim de se identificar as constantes de ajuste presentes nos

modelos, bem como promover a operacionalidade de um diagrama de blocos, definido para

viabilizar a simulao dos modelos.

A potncia de cogerao analisada para a extrao diretamente do eixo da turbina,

atravs de uma avaliao do rendimento do motor, bem como o impacto manifestado sobre

ele, a idia se obter o maior rendimento sob o menor impacto, avaliado apenas em funo

do fluxo de massa de combustvel a ser consumida, a que convenhamos o que realmente

representa um custo direto.

20

C A P I T U L O II

Reviso Bibliogrfica

No que diz respeito obteno de modelos de motores de combusto interna, alguns

autores desenvolveram pesquisas e estudos neste sentido, possibilitando a modelagem e

simulao dos mesmos. A simulao por computador tem se tornado uma ferramenta

importante no desenvolvimento e avaliao de motores. Uma forma de se fazer isto usar

uma simulao paramtrica do motor, comparando os resultados da simulao com os

valores obtidos das medies experimentais.

Pettersson, F. (2000) promoveu o desenvolvimento de modelos baseados em

sistemas controlados, novos testes, controles estratgicos e diagnsticos, sendo

posteriormente aplicados na simulao de motores. Para viabilizar a modelagem fsica, um

motor Otto foi dividido em subsistemas, onde modelos de temperatura e fluxo de massa

foram as propriedades principais a serem modeladas estaticamente (regime estacionrio).

Em alguns casos a combinao da modelagem fsica e a modelagem caixa preta foram

utilizadas para estabelecer os modelos dos subsistemas. As equaes dos subsistemas

sempre so implementadas em blocos em um software adequado, sendo conectados para

obter uma completa simulao do modelo. A proposta da simulao foi prever como uma

mquina reage em diferentes configuraes, definindo as hipteses necessrias para o

estudo e a compreenso dos fenmenos envolvidos. Quando o modelo descreveu de forma

correta a realidade, foi possvel determinar, como ser o comportamento da mquina sob

estas diferentes configuraes. exceo dos modelos da turbina, que no puderam ser

22

validados devido ao controle limitado sobre o gs de exausto que flui atravs da turbina,

todos os modelos validados apresentaram um erro mdio relativo abaixo de 2%, que um

resultado considerado satisfatrio. Para a validao dos modelos foram efetuados

experimentos sob 05 (cinco) velocidades diferentes do motor, a temperatura e presso

ambiente dentro do laboratrio foram tomadas antes dos experimentos, permanecendo

constantes durante todo o ensaio. Duas simulaes foram realizadas para a validao das

propriedades estacionarias. Na primeira comparou-se o modelo fsico com o motor instalado

na bancada de testes do laboratrio. Os dados de entrada no modelo foram, ngulo de

abertura do afogador ( ), rotao do motor ( mN ), temperatura e presso ambiente

,amb ambT P , todos os outros parmetros foram medidos. Na segunda simulao para um valor

constante da velocidade de rotao do eixo da turbina determinado na primeira simulao,

obtiveram-se os outros parmetros que definem a condio de estado do fluido de trabalho

nos diversos componentes do circuito do motor, tais como, filtro de ar, compressor,

intercooler, coletores de admisso e descarga, turbina etc, para 05 (cinco) diferentes

condies de velocidade e carga tomadas na operao do motor. Em ambas determinou-se

o erro percentual de acordo com a expresso, =-

[%]simulado medidomedido

v vv

. Nas diversas

condies de operao em que o motor fora submetido aos experimentos, observou-se

oscilaes considerveis nas propriedades operacionais entre a primeira e segunda

simulao. A maioria dos modelos estticos apresentou um timo comportamento quando

aplicados na simulao.

Ritzn, J. (2003), modelou e simulou por etapas fixas, um motor Diesel

sobrealimentado. O objetivo foi criar um modelo de valor mdio que pudesse ser simulado

com solues individuais por etapas do ciclo. Um modelo a ser utilizado em uma aplicao

automotriz em linha, deve combinar a exatido com a simplicidade e ser de confiana sem

ser demasiado complexo. O modelo foi construdo e simulado com o MATLAB/SIMULINK de

Mathworks. Na validao do modelo as quantidades simuladas e medidas foram

comparadas sendo utilizado, um motor Scania R124LB Diesel turbo alimentado de seis

cilindros, 12 litros, onde os erros mdios foram considerados baixos. Os erros e suas

provveis causas foram discutidos. Para a presso do ar no coletor de admisso o erro

atingiu media entre 3,5% a 5%, e no coletor de exausto 2,5% a 3,8%. As variveis, fluxo

de massa e eficincia do turbo apresentaram desvios acentuados quando comparados com

os valores experimentais. Os mapas do fluxo de massa e eficincia da turbina foram

definidos para velocidades da turbina at 75000 [RPM].

23

Bergstrom e Brugard . (1999), modelaram atravs de uma modelagem para valores

mdios (MVEM), um motor SAAB 2:3 SI turboalimentado, enfatizando presses,

temperaturas, fluxos de massa, para o filtro de ar, intercooler, regulador de presso,

coletores, cilindros, compressor e turbina. A modelagem procurou ser a mais abrangente e

geral possvel, em sua maioria baseada em modelos fsicos, porm quando a aproximao

falha ou torna-se insuficiente, a modelagem caixa preta foi utilizada. A simulao baseou-se

em dados extrados dos procedimentos experimentais sob o regime estacionrio de

operao. A modelagem dinmica foi desenvolvida na obteno de modelos para o coletor

de admisso e a velocidade de rotao do eixo da turbina. Devido a dificuldade de controle

sobre o gs de exausto que flui atravs da turbina, este modelo no pode ser validado.

Todos os modelos validados apresentaram um erro mdio relativo abaixo de dois por cento,

que um resultado satisfatrio.

Bermudez. (1995), desenvolveu uma anlise da aerodinmica interna de um motor

Diesel sobrealimentado, traando a influncia dos equipamentos componentes de dois

motores de 4 e 6 cilindros com intercooler, utilizando turbomquinas equipadas com vlvulas

de alvio de presso (wastegate), para o motor de 4 cilindros, e com turbinas de dupla

entrada com variao da seo efetiva para o motor de 6 cilindros, nas curvas de

performance destes motores.

Bermudez. (1995), para o desenvolvimento do modelo fsico do compressor de uma

turbomquina acoplada em um motor CI 06 cilindro, definiu como hipteses simplificadoras

que as condies de trabalho do compressor fossem quase estacionrias, e que a perda de

presso do ar na entrada do compressor fosse considerada constante para cada condio

operacional aplicada (regime de giro; carga). A primeira hiptese possibilitava a realizao

de clculos de maior simplicidade, a segunda poderia facilmente ser aceita visto que, as

variaes de presso na entrada do compressor so geralmente desprezveis. Foi possvel

a obteno da curva caracterstica de operao do compressor, apresentando a inter-

relao entre as variveis operacionais, tais como, relao de presso, rendimento, rotao

e fluxo de massa, o que viabilizou principalmente estabelecer uma relao entre a potncia

entregue pela turbina e a potncia realmente absorvida pelo compressor. Os resultados

apresentaram uma alta correlao entre os valores medidos e os experimentais.

Martins (2004), estudou e avaliou atravs de modelos semi-empricos propostos pelo

documento ASHRAE T.C 4.7, as caractersticas de comportamento do fluxo de massa de

ar e da eficincia (na aplicao do campo de refrigerao) de turbo compressores usuais,

utilizados na sobre alimentao de motores Diesel. Inicialmente com os dados de operao

fornecidos pelos fabricantes brasileiros, as turbinas radiais e os compressores centrfugos

foram simulados atravs dos modelos obtidos pela ASHRAE, e a comparao dos

24

resultados no se mostrou satisfatria. Na expectativa de melhores resultados, os efeitos

compressveis e as perdas nas turbo mquinas foram avaliados de uma maneira

diferenciada. Foi possvel conseguir modelos de turbina satisfatrio com erros da ordem de

5% para a relao de presso e 3% para o rendimento em relao aos parmetros

identificados, o que no ocorreu com o compressor centrfugo impossibilitando o

desenvolvimento dos modelos inicialmente propostos, apresentando erros da ordem de 10%

para o rendimento e para a relao de presso, nas curvas de maior velocidade de rotao.

O rendimento apresentado pelo modelo apresentou-se de forma linear enquanto que o das

curvas de operao parablico. A relao de presso no caracterizou os efeitos

compressveis representados pelas condies de choques to caractersticos nestas turbo

mquinas.

Martins (2002), desenvolveu um trabalho na expectativa de se obter uma energia

excedente, utilizando os gases de escape de um motor Diesel, 04 cilindros,

sobrealimentado, para movimentar um sistema de resfriamento fundamentado em um ciclo

BRAYTON/JOULE reverso a ar, atravs do uso de turbocompressores comerciais, a fim de

promover o resfriamento de frutas perecveis. Da anlise terica utilizando as curvas de

operao das turbomquinas e efetividade de troca nos trocadores de calor, determinou-se

uma temperatura de resfriamento do ar da ordem de 12 C. Isto posto foi possvel realizar o

resfriamento somente para bananas. No entanto esta anlise no levou em considerao a

influencia do ciclo na operao do motor, visto que o objetivo era avaliar a disponibilidade de

alguma energia para movimentar o ciclo.

Flardh e Gustafson. (2003), procuraram desenvolver modelos fsicos e modulares de

turbinas, passvel de se executar em tempo real, a fim de acopl-los a um modelo existente

de um motor Diesel desenvolvido para valores mdios. Quatro modelos compostos

diferentes de turbinas foram avaliados e dois modelos foram selecionados para uma

avaliao mais completa de sua integrao com o modelo do motor existente. De uma

maneira geral os modelos compostos de turbinas integradas com o modelo do motor

existente, que d forma a um modelo completo do motor do valor mdio, a diferena na

exatido mostrou ser insignificante para todos os valores exceto a velocidade de rotao do

eixo da turbina. A velocidade de rotao da turbina apresentou comportamentos

diversificados, porm na faixa de erros que no influenciou os outros sinais de sada

significativamente. Por exemplo, a presso dos gases de entrada na turbina, apresentou

erros da ordem de 3%, comparados aos 5,8% identificados no modelo j existente, o que

permitiu classificar os modelos como de bom desempenho. No que se refere a temperatura

do gs de exausto, informaes restritas quanto ao comportamento dos gases, impediram

uma validao apropriada, apresentando-se como uma modelagem imprecisa, porm isto

25

no se mostrou suficiente para que pudessem ser invalidados os modelos propostos.

Provavelmente, isto compensado por correes dos mapas da eficincia e do fluxo das

turbinas e do compressor.

Skogtjarn. (2002), desenvolveu um modelo para a temperatura dos gases de escape

do motor, extraindo os dados para a sua validao em um motor Scania, Diesel

sobrealimentado, equipado com turbina de geometria varivel (VGT). Com a avaliao de

diferentes modelos, uma extenso do ciclo Seliger ideal foi sugerido como o modelo a ser

adotado. Conhecidos como dados de entrada, tais como, fluxo de massa de ar e de

combustvel, temperatura do ar de entrada no motor, presso do ar e do gs, na entrada e

sada do motor respectivamente, o modelo do motor operando sob um ciclo Seliger ideal,

estima a temperatura dos gases de exausto do motor. Uma validao esttica feita com a

temperatura dos gases de exausto compreendida entre 550 a 950 [K], sob um regime de

giro do motor constante. Sob estas circunstncias o modelo do ciclo de Seliger, com os

parmetros extrados dos para pontos de operao extrapolados, o erro relativo mximo

5%.

Westin. (2002), modelou um motor SI sobrealimentado de 4 cilindros, ajustado a

condies de operao permanente e em circunstancias transientes. Os resultados das

simulaes foram comparados aos dados medidos. Grandes diferenas entre os resultados

medidos e os simulados foram detectadas e as razes para esta discrepncia foram

investigadas. O modelo da turbina o que se comportou de forma menos satisfatria. Para

lidar com isto, o modelo da turbina manteve os parmetros que poderiam ser ajustados, de

modo que os resultados modelados combinassem com os dados medidos. Entretanto, era

absolutamente necessrio ter a disposio uma carta que contivesse dados sobre os pontos

de operao do motor, o que proporcionaria a um software predizer o desempenho dos

vrios sistemas em operao. Conseqentemente os meios de melhorar o procedimento da

modelagem foram investigados. Para permitir tal investigao uma tcnica foi desenvolvida

para medir a presso de sobrealimentao e a eficincia da turbina da turbomquina,

acoplada ao motor. O objetivo inicial do projeto era predizer com as simulaes, a melhor

condio de operao de um motor SI, submetido a uma demanda muita elevada de

presso de sobrealimentao. Em uma primeira simulao, para uma turbomquina padro,

os resultados mostraram-se insatisfatrios. Foram estudadas alternativas para se obter um

aumento da potncia desenvolvida e/ou da presso de sobrealimentao de uma

turbomquina equipada com wastegate. Os sistemas so investigados em motores,

variando de ICE 1.4 litros aos motores Diesel 12 litros. Conseqentemente era difcil extrair

todas as concluses seguras sobre os prs e contras dos sistemas. Devido a complexidade

das informaes a serem conseguidas, propostas por este trabalho, as simulaes por

26

computador apresentou softwares deficientes no que diz respeito a confiabilidade dos

resultados obtidos nas simulaes.

Fredriksson estudou e modelou um motor Diesel 12 litros, 6 cilindros, quatro tempos

com turbina de geometria varivel (VGT), modelada em um valor mdio. Para a modelagem,

o modelo do motor foi dividido em diversos submodelos correspondendo aos componentes

fsicos reais. Cada subsistema foi modelado baseado em leis fsicas e em dados empricos.

O modelo do motor desenvolvido foi um modelo no-linear com trs variveis do estado, a

velocidade do motor, a presso de sobrealimentao e a velocidade do turbo. O motor

responde a quatro sinais de controle, a quantidade de combustvel injetada, o momento

exato para a injeo do combustvel, o ajuste das ps de direcionamento da turbina e o freio

do motor. A modelagem dos subsistemas foi executada no software Dymola e agrupados

para dar forma ao motor Diesel sobrealimentado. A modelagem do compressor centrfugo

utilizado ocorreu atravs dos dados fornecidos pelo fabricante, onde suas propriedades e

caractersticas operacionais foram apresentadas fundamentalmente em dois grficos. O

primeiro mostrou o comportamento das interaes entre as propriedades, relao de

presso do compressor, estado de giro do compressor e turbina, e fluxo de massa de ar que

flui atravs do compressor. O segundo apresentou o comportamento das interaes entre as

propriedades, relao de presso do compressor, fluxo de massa de ar que flui atravs do

compressor e a eficincia isentrpica do compressor. Para se utilizar os mesmos grficos

em pontos de operao diferentes, a velocidade de rotao do eixo do compressor e o fluxo

de massa de ar so corrigidos e aplicados. De posse da eficincia do compressor, a

temperatura de sada do ar do compressor, a potncia e o torque de acionamento, podem

ser calculados. A turbina modelada uma turbina de geometria varivel (VGT). Com este

tipo de turbina a capacidade da admisso de gs pode ser variada em funo da posio

das palhetas do rotor da turbina em relao ao fluxo da entrada. Quanto mais fechada a

posio das palhetas, maior ser a perda de presso do gs, proporcionando um torque

maior ao eixo da turbina. A finalidade de se usar uma turbina da geometria varivel ao invs

de uma turbina fixa, que um sinal de controle extra introduzido para que seja possvel

controlar o turbo, isto controlar a presso de sobrealimentao. O fluxo de massa de gs

corrigido que flui atravs da turbina, funo da relao de presso sobre a turbina e a sua

capacidade de admisso deste gs. A eficincia da turbina obtida atravs dos dados do

fabricante, em funo da relao da velocidade da lmina (BSR) e a velocidade corrigida da

turbina. A relao da velocidade da lmina a relao entre a velocidade do eixo da turbina

e a velocidade dos gases de exausto. Sob o ponto de vista dinmico, o compressor e a

turbina so conectados atravs de um eixo, com um momento de inrcia de massa (JVGT).

Para poder frear mais rapidamente o motor do que a frico usual, um freio motor

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incorporado. Este freio motor consiste em dois outros freios, o freio do gs de exausto e o

freio obtido atravs da descompresso. O freio do gs de exausto e o freio da

descompresso podem ser modelados atravs de um fator de correo aplicado frico do

motor. Nenhuma dinmica para os freios foi includa no modelo do motor. Foi possvel

observar que o freio da descompresso muito mais rpido do que o freio do gs de

exausto.

Rakopoulos e Giakoumis. (2005), desenvolveram um software para estudar em um

motor diesel turbo-alimentado de seis cilindros, a influencia do perfil da temperatura nas

paredes dos cilindros do motor, em sua resposta transiente, com bases fundamentadas na

segunda lei da termodinmica. O modelo foi validado de acordo com dados experimentais,

resolvidos separadamente para cada cilindro do motor diesel, sob alteraes continua de

carga. A segunda lei foi aplicada individualmente para cada processo transiente do motor

diesel. O efeito do perfil de temperatura nas paredes dos cilindros do motor diesel foi

descrito e detalhado em vrios diagramas, sendo feita uma referencia especial para a baixa

rejeio de calor identificada pelo processo adiabtico. O motor e o turbo compressor,

termos avaliados pela segunda lei da termodinmica e algumas variaes irreversveis

foram especialmente afetados em regies do cilindro de baixa rejeio de calor. As

irreversibilidades nos coletores de exausto alcanaram importncias significativas,

independentes da forma da combusto, especialmente quando do carregamento elevado. A

baixa rejeio de calor no motor conduziu a uma significante reduo no percentual das

variveis irreversveis no cilindro, assim aumentando o potncial para a produo de

trabalho devido o aumento das perdas de calor. Por outro lado mesmo com a disponibilidade

dos gases de exausto parcialmente recuperados no turbo compressor, ainda assim uma

quantidade significante de gs necessria para a produo de trabalho.

Hountalas e Kouremenos. (1998), desenvolveram um modelo rpido e simples, para a

simulao de um sistema de injeo de combustvel em motores diesel, observando a

extensa aplicao no campo dos motores de combusto interna, para o desenvolvimento do

motor e para a compreenso dos mecanismos que afetam sua operao e a formao dos

poluentes. Um dos subsistemas mais importantes do motor diesel o sistema de injeo do

combustvel, visto que sua operao afeta extremamente o mecanismo da combusto e a

formao dos poluentes no cilindro do motor. Estes modelos so geralmente complicados,

requerem uma interpretao computacional elevada e o conhecimento dos detalhes

geomtricos que no esto geralmente disponveis.

Cheikh et al. (2000), modelaram um motor Diesel, alimentado por um sistema de duplo

combustvel (Gs-Diesel). O objetivo foi investigar as caractersticas da emisso e do

desempenho de um motor Diesel comercial (Deutz FL8 413F) que est sendo operado no

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gs natural com ignio piloto a Diesel. Um programa de computador foi desenvolvido para

modelar o mecanismo cintico qumico da reao da combusto do duplo combustvel (Gs-

Diesel). Estes mecanismos cinticos qumicos detalhados de uma reao do gs natural e

da emisso de Nox foram utilizados para predizer as caractersticas principais da combusto

nas condies simuladas de operao do motor. Uma predio razoavelmente boa do

desempenho e da emisso foi obtida pela computao que cobriu toda a escala das

condies operacionais do motor. Pde-se concluir que os resultados deste estudo foram

satisfatrios.

Strandh. (2002), apresentou um trabalho de modelagem a fim de contribuir para o

desenvolvimento de veculos hbridos, e aumentar o conhecimento de como simular os

motores de combusto de uma forma eficiente e fcil atravs de um software a ser

implementado por um computador, apresentando resultados qualitativos e quantitativos. A

idia foi o desenvolvimento de modelos simples, pois so naturalmente mais fceis de

compreender do que os complexos, desta forma possibilitando uma maior utilizao. Uma

ateno especial foi empreendida na modelagem do turbo compressor, visto se tratar do

principal componente de carga do motor. Um veculo hbrido aquele cuja energia de

operao obtida por duas fontes distintas. Estas duas fontes so geralmente um motor

eltrico acionado por uma bateria e um motor principal acionado por um combustvel. O

motor principal est geralmente na forma de um motor de combusto. O problema principal

identificado com o motor SI (ignio por fasca) foi sua eficincia, apresentando-se baixa

quando o motor estava submetido a cargas. A eficincia foi mxima perto do torque mximo

e em velocidades moderadas, caracterstica dos motores com aspirao natural. Para os

motores turbo alimentados a eficincia mxima manifesta-se em um torque mais baixo.

Durante a operao normal, o motor raramente esteve operando nesta rea. A eficincia

caracterstica do motor diesel foi similar quela do motor SI. Entretanto em um torque mais

baixo a eficincia foi muito mais elevada. Mas a fim de se conseguir a eficincia mxima foi

importante funcionar o motor sob carga elevada e velocidade moderada. Foi utilizado um

motor SAAB 2.3l 1.6. aspirao natural com injeo direta. O motor foi montado em um

banco de teste conectado a um freio (dinammetro), sendo avaliada as emisses atravs do

sistema TES (Transient Emission Sampling), emisso transiente por amostragem. Este

mtodo apresentou problemas na determinao das emisses especificas, devido

dificuldade de se obter o fluxo de massa de combustvel utilizado. As medidas foram

executadas com o freio do motor ajustado em uma velocidade constante, e o torque

controlado pela vlvula de posicionamento do fluxo de massa de ar no afogador. Os

modelos aplicados na simulao apresentaram a caracterstica de poder simular tipos

diferentes de motores de combusto. O trabalho mostrou a possibilidade de criar modelos

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do motor na resposta dinmica e usar o conhecimento gerado e os dados deste motor de

combusto no regime esttico.

Klein e Eriksson estudaram o comportamento e a influncia da relao de

compresso desenvolvida nos cilindros de motores combusto interna. Quatro mtodos

foram descritos e avaliados para ciclos de motores ICE (ignio por centelha) sendo

observado a velocidade da suas convergncias. Modelos aos quais foi atribudo que a

compresso dos gases assume o comportamento de uma transformao politrpica

mostraram resultados mais coerentes quando apresentavam relao de compresso baixa.

Para relaes de compresso elevada no foi possvel a identificao de um modelo

simples, visto que no foram acessveis as informaes sobre a transferncia de calor,

remetendo a erros considerveis com respeito s estimativas atribudas aos valores

ensaiados. Um mtodo onde os efeitos de transferncia de calor so modelados, junto com

um modelo geralmente usado da liberao do calor para promover o inicio da combusto em

um ciclo, contemplou de uma maneira mais coerente os processos de relao de

compresso baixa bem como processos de relao de compresso alta. Desde que o valor

verdadeiro da relao de compresso do motor desconhecido, as simulaes foram

necessrias para executar e avaliar os mtodos propostos, somente ento se pode

determinar se as estimativas dos valores foram fundamentadas. Quando a relao de

compresso foi demasiadamente elevada, o fenmeno de batidas do motor se

manifestava, bem como a existncia de um maior consumo de combustvel para relao de

compresso demasiadamente baixa.

A cogerao surgiu inicialmente no final do sculo XVIII na Europa e nos EUA. No

fim do sculo XX a maioria das plantas industriais geraram sua prpria eletricidade usando

caldeiras e geradores (Coal-Fired) de turbina a vapor. Muitas das plantas usaram o vapor de

exausto para os processos industriais. Aproximadamente 58% da energia obtida nas

plantas de cogerao, eram responsveis pela potncia de operao das plantas industriais

nos EUA. J no sculo XIV a cogerao identificava muito bem o seu espao nos processos

industriais, tendo desempenhado um relevante papel no reaproveitamento de energia,

proporcionando considervel reduo nos custos de implantao dos mesmos.

Stodolsky, (1983), observou um sistema de cogerao industrial operando com um

motor Diesel a baixa velocidade, cuja combusto se processa com leo residual, instalado

em uma planta de uma indstria qumica da Hoffmann La Roche em New Jersey, tornando-

se operacional em dezembro 1982, produzindo 23.300 [kW] de energia, 160.000 [lb/h] de

vapor a 225 [psig], utilizado para a alimentao das caldeiras existentes na planta. A taxa

total da utilizao do combustvel foi 79.1% (combustvel bruto menos perda). A planta

prpria usou a maioria da fora produzida. As flutuaes diurnas e sazonais da carga

30

esperavam-se que fossem menores, e da planta de cogerao esperava-se conseguir um

fator da capacidade de aproximadamente 96%. De uma maneira particular, o projeto da

manufatura, a avaliao das emisses e uma avaliao econmica, foram observados. Uma

compilao dos resultados dos testes, especificaes do equipamento, dados da licena do

governo e custo da construo, tornou-se uma preocupao pertinente. As taxas reais da

produo do calor e a confiabilidade da operao da planta foram estabelecidas ao longo do

ano.

Agnew et tal. (1998), desenvolveram um projeto que visualizava a obteno de

potncia e resfriamento combinados, na anlise de um ciclo Diesel-absoro. A necessidade

de se encontrar alternativas de produo econmica de energia justificaram este projeto. Os

gases de exausto encontrados em instalaes industriais tm sido usados na combinao

da aplicao do binmio calor e trabalho. Em regies submetidas a temperaturas ambiente

na faixa de 35 C, a alternativa de se utilizar o calor perdido, a fim de se conseguir

estabelecer o controle de temperaturas internas dos ambientes, passou ser uma excelente

opo. A simulao foi executada custa de um programa bastante usual para motor diesel,

conhecido como SPICE. O ciclo Diesel-absoro foi a opo convencional tomada quando

da utilizao do calor perdido na exausto de um motor Diesel. Os arranjos do motor

definiram ciclos ideais, para posterior incluso em ciclos reais, a fim de se obter a mxima

eficincia e quantidade de ar a ser resfriado, e ainda como exigncia adicional o custo

benefcio, que no tem sido contemplado nas anlises termodinmicas. A unidade de

absoro apresentou um COP de aproximadamente 0,8. Observou-se que para a obteno

de um COP na ordem de 2,0 necessria a adio de algum trabalho externo atravs de

mquinas de mltiplas funes.

Entenmann, et al. (1993), observou em uma instalao industrial o motor 701DA

verso avanada do MW 701D, equipado com uma turbina industrial resistente a faixas

elevadas de combusto. O motor foi desenvolvido conjuntamente por Mitsubishi Heavy

Industries Ltda (MHI), e Westinghouse Eltrico Corporation (WH), e posto primeiramente em

servio de cogerao em Teesside, Reino Unido. O projeto revia o desenvolvimento do

motor, incluindo discusses quanto ao desempenho e quanto aos componentes avanados,

incorporados para proporcionar um aumento na temperatura de entrada dos gases de

exausto no rotor (RIT). O projeto instalado em Teesside combinou algumas configuraes

de ciclo com a facilidade natural de implement-los, resultando na maior planta de

cogerao de gs-campo no mundo.

Lazzarin et al. (1996), estudaram e desenvolveram um sistema de aquecimento,

ventilao e ar condicionado (HVAC Heating Ventilation and Air Conditioning), baseado na

cogerao de energia por um motor de ignio por compresso (C. I). A planta equipada

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com um motor de gs reaproveitvel produzia energia eltrica com recuperao do calor da

gua de arrefecimento e dos gases da exausto. A energia eltrica aciona bombas de calor

reversveis de ar-gua de um edifcio proporcionando de maneira individual o controle

trmico dos quartos, satisfazendo principalmente a refrigerao no vero e o aquecimento

no inverno. O reaproveitamento da energia foi obtido pela recuperao do calor do motor C.

I O sistema proposto foi analisado comparando seu desempenho com uma planta

tradicional, operando no vero e no inverno, os resultados obtidos apresentaram-se em um

patamar extremamente satisfatrio.

Barelli e Bidini. (2000), estudaram e avaliaram o comportamento de um motor

Caterpillar CAT 3516, abastecido de gs natural (NG) instalado na Faculdade de Engenharia

da Universidade de Perugia, para promover um sistema de cogerao de energia eltrica e

trmica. Os primeiros resultados apresentados de cogerao de energia foram da anlise do

comportamento em condies operacionais reais. Os dados foram coletados diariamente

pelos operadores da planta ao longo de 24 meses de operao do motor, os que se

revertem fora, eficincia eltrica, taxa de fluxo do NG. Disponibilidade e a temperatura

da carga foram analisadas, em relao aos eventos gravados de Breakdown/defects e de

Maintenance/repair. Um sistema de aquisio para a monitorao contnua destas variveis

do motor e da planta foi desenvolvido.

Onovwiona e Ugursal. (2004), apresentaram estudos sobre sistemas de micro-

cogerao no setor residencial, onde identificada a possibilidade de produo de energia

trmica til e energia eltrica de uma nica fonte de combustvel, por exemplo, o leo ou o

gs natural. Observaram que em sistemas de cogerao, a eficincia da converso da

energia aumenta 80% em comparao a uma mdia de 30-35% para sistemas

convencionais de gerao de eletricidade atravs de combustveis fsseis. Este aumento na

eficincia de energia pde resultar em custos mais baixos e em uma reduo nas emisses

de gs poluentes quando comparado aos mtodos convencionais de gerar o calor e a

eletricidade. Os sistemas e os equipamentos de cogerao apropriados para aplicaes

comerciais, residenciais em pequena escala, podem ser observados nos hospitais, hotis ou

edifcios institucionais, e em muitos outros sistemas novos em desenvolvimento. Procuraram

proporcionar a satisfao das exigncias de demandas eltricas e trmicas de um edifcio

possibilitando o aquecimento da gua de utilizao domestica, bem como o resfriamento

dos ambientes de absoro. O objetivo foi fornecer uma viso moderna das vrias

tecnologias de cogerao apropriadas para aplicaes residenciais. Foram discutidos.

Renedo, et al. (2005), analisou as diferentes possibilidades de fornecimento de calor,

condicionamento de ar e fornecimento de gua quente na torneira de um centro hospitalar.

Para esta viabilizao, diversos sistemas de cogerao com motores diesel e turbinas a gs

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foram considerados. Da avaliao dos resultados, foi possvel observar que quanto mais

simples for o processo de controle utilizado, maior ser a influencia na economia do sistema,

mostrando que o parmetro mais importante a eletricidade produzida. Assim, as solues

com motores diesel so mais eficientes do que as equivalentes com turbinas a gs, desde

que tenham um desempenho eltrico mais elevado.

Moura (2004) apresentou na revista 04 Rodas em sua publicao de Agosto de 2004

no item Novas Tecnologias, um artigo que desenvolvia um assunto sob o ttulo Turbo

Sequencial. A idia era mostrar que o trabalho seqencial de duas turbinas garante

desempenho e economia surpreendentes aos motores diesel. O turbo seqencial

certamente uma soluo que promete potncia, no importando onde esteja o ponteiro da

conta-giros. Esta alternativa j vem sendo empregada nos carros da Opel desde o incio de

2005. Para os motores a gasolina o desenvolvimento de projetos neste sentido ainda esto

aguardando o estatus de prioridade. sabido que geralmente turbinas grandes melhoram o