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Prêmio AEA 2015 - Projetos de Meio Ambiente

Desenvolvimento de uma Bomba Elétrica de Combustíve l Flex com foco na Eficiência

Responsáveis pelo Projeto (Erwin Franieck, Celso Favero, Lazaro Melo, Rafael Angelo, Marcos Silva e Reynaldo Souza)

Robert Bosch Ltda

RESUMO

Desde o principio do desenvolvimento dos veículos Flex Fuel, no início dos anos 2000, um dos principais entraves para se garantir a confiabilidade do sistema estava ligado a conceber uma bomba elétrica de combustível instalada dentro do tanque, que ora pressurizasse gasolina, ora etanol hidratado e suas misturas, nas mais diversas condições de qualidade destes combustíveis disponíveis ao público consumidor

Neste sentido, foi concebido um produto baseado em um motor elétrico DC de 2 pares de polos de imã permanente e uma bomba de turbina (também conhecida como centrífuga ou de fluxo) com foco na robustez do produto contra corrosão eletrolítica, corrosão química e desgaste das peças móveis, buscando também uma melhoria na eficiência na transformação da Energia Elétrica em Energia Hidráulica, que contemplava a introdução dos comutadores de Carbono ao invés do tipo convencional de Cobre, utilizado até então nos motores elétricos das Bombas elétricas para aplicaçãoes - gasolina.

Durante os últimos 15 anos este produto passou por várias melhorias gradativas, baseadas nas análises das falhas de campo por um time multi funcional, para o qual o maior fator motivador foi aumentar a robustez de forma a atingir resultados para falhas de campo similares aos países que utilizam gasolina pura.

Hoje estamos com uma situação onde as falhas de campo das bombas de combustível para veículos Flex Fuel atingem padrões internacionais.

Porém, ainda existem alguns entraves com relação à comutação elétrica, que está limitada pela densidade de corrente para os projetos futuros que buscam pressões de trabalho mais elevadas..

Com base nesta demanda do mercado, uma ação fundamental foi buscar o ganho de eficiência do produto, objetivando atingir maiores pressões e vazões, sem impactar diretamente no maior consumo de corrente elétrica.

Como metas de partida para o projeto tínhamos:

- Ganho acima de 10% de eficiência em relação à do produto atual,

- Ganhos adicionais de robustez em relação à comutação elétrica.

Um time de trabalho foi constituído pelo grupo que anteriormente cuidava da robustez em relação aos problemas de campo e direcionaram esforços para conceber um novo sistema de comutação elétrica e uma otimização do pacote hidráulico, com uso intensivo de simulação numérica, e ensaios exaustivos que comprovassem a robustez do produto.

Aplicabilidade :

Atualmente a Bosch detém aproximadamente 75% do mercadoveículos novos Flex Fuel em todas as mercado. Estamos falando de uma abrangência de aproximadamente 2,5 milhões de baseado nos dados de 2013. A proposta é fazermos uma migração da família atual de acordo com a aprovação em cada uma das

Objetivo :

O Mercado automotivo, cada vez mais exigente, quer seja pela grande concorrênciados prazos de garantia e pelos custos crescentes de manutençãopane no veículo, uma robustez maior a cada dia. Do outro lado a busca de uma melhor eficiência nos tornou uma grande ação da indústria automotiva

Principais demandas do Mercado :

Juntamente com a evolução dos veículos automotivo dobrando o volume de vendas de veículos em menos de 7 anosmontadoras para o país e que acabaram trazendo novas demandas tecnológicas, ao mesmo tempo que buscavam parceiros de desenvolvimento que pudessem

A transferência de tecnologia flex ocorreu praticamente em todosBrasil e que se tornaram em sua maioria centros de competência nesta área, viabilizando uma evolução tecnológica em combustíveis, motores e componentes em contato com o combustível, criando soluções diferencmercado brasileiro.

Com esta base tecnológica implantadaliderança mundial do produto passou a ser gerenciada no Brasil. Esta competência foi fundamental para desenvolvermos um produto novo com base nos novos requisitos levantados no mercado brasileiro.podemos verificar na figura 1 como se desenvolveu amercado brasileiro:

Figura 1.: Principais demandas para o Associação Brasileira de Engenharia Automotiva

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Atualmente a Bosch detém aproximadamente 75% do mercado de bombas elétricas de combustível montadoras que estão no Brasil e mais de 80% dos

Estamos falando de uma abrangência de aproximadamente 2,5 milhões de veículos fabricados por anoos dados de 2013. A proposta é fazermos uma migração da família atual de bombas

de acordo com a aprovação em cada uma das montadoras.

O Mercado automotivo, cada vez mais exigente, quer seja pela grande concorrênciae pelos custos crescentes de manutenção, busca nos produtos mais sensíveis a gerarem uma

uma robustez maior a cada dia. Do outro lado a busca de uma melhor eficiência nos tornou uma grande ação da indústria automotiva, motivada pela legislação do INOVAR Autos.

Principais demandas do Mercado :

veículos flex fuel no Brasil, tivemos um crescimento automotivo dobrando o volume de vendas de veículos em menos de 7 anos. Este crescimento atraiu diversas

cabaram trazendo novas demandas tecnológicas, ao mesmo tempo que buscavam que pudessem conceber as versões flex fuel de seus veículos.

A transferência de tecnologia flex ocorreu praticamente em todos os clientes, através de empresas localizadas no em sua maioria centros de competência nesta área, viabilizando uma evolução tecnológica em

combustíveis, motores e componentes em contato com o combustível, criando soluções diferenc

Com esta base tecnológica implantada, foi possível criar projetos de novas plataformas de produtos, onde a liderança mundial do produto passou a ser gerenciada no Brasil. Esta competência foi fundamental para

envolvermos um produto novo com base nos novos requisitos levantados no mercado brasileiro.podemos verificar na figura 1 como se desenvolveu as novas demandas para o produto bomba de combustível no

ais demandas para o produto Bomba de combustível no mercado brasileiro.Associação Brasileira de Engenharia Automotiva

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de bombas elétricas de combustível para veículos em circulação no

eículos fabricados por ano, de bombas para esta nova família,

O Mercado automotivo, cada vez mais exigente, quer seja pela grande concorrência, quer seja pelo aumento s produtos mais sensíveis a gerarem uma

uma robustez maior a cada dia. Do outro lado a busca de uma melhor eficiência nos automóveis se INOVAR Autos.

tivemos um crescimento em paralelo do mercado Este crescimento atraiu diversas novas

cabaram trazendo novas demandas tecnológicas, ao mesmo tempo que buscavam de seus veículos.

através de empresas localizadas no em sua maioria centros de competência nesta área, viabilizando uma evolução tecnológica em

combustíveis, motores e componentes em contato com o combustível, criando soluções diferenciadas e robustas para o

foi possível criar projetos de novas plataformas de produtos, onde a liderança mundial do produto passou a ser gerenciada no Brasil. Esta competência foi fundamental para

envolvermos um produto novo com base nos novos requisitos levantados no mercado brasileiro. Resumidamente s para o produto bomba de combustível no

Bomba de combustível no mercado brasileiro.

O mercado automotivo a partir de 2015, traz 3 mensagens claras de novas Demandas para o Produto:

1.: Maior pressão de trabalho elevando a pressão média

2.: Extensão do prazo de garantia de 1 ano para 3 a 5 anos, necessitando rever a vida útil dos projetos e suas probabilidades de falhaspeças, que na verdade se tornam produtos a secombustível ao longo de sua vida.

3.: Necessidade de melhora de eficiência dos consumidores elétricos do combustível é um dos maiores consumidorestá em operação 100% do tempo em que o veículo permaarrefecimento, ou de um compressor do ar

1. Novo Sistema de Comu tação :

O produto Bomba elétrica de combustível se divide em um motor elétrico imerso e refrigerado pelo próprio combustívelpacote hidráulico, como pode ser observa

Figura 2.: Visão geral da Bomba de Combustível.

O componente atual mais sensível às novas demandas de pressão e eficiêelevação da pressão exige um maior torque dcorrente mais elevada aumenta a tendência de em seus componentes (comutador e escovas)

As perdas decorrentes deste motor estão si. Com base nisto, o projeto foi otimizado para obter o melhor desempenho elétrico para a potência mecânica demandada pelo pacote hidráulico, considerando Overlap entre segmentos do comutadorqual é um dos grandes limitantes para a operação com etanoleficiência da máquina elétrica em seus pontos principais de operação

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a partir de 2015, traz 3 mensagens claras de novas Demandas para o Produto:

Maior pressão de trabalho do sistema de alimentação de combustível para os motores com Injeção Direta, média de 420 KPa para 500 a 600 KPa

Extensão do prazo de garantia de 1 ano para 3 a 5 anos, necessitando rever a vida útil dos projetos e as probabilidades de falhas, sem comprometer as demandas atuais de custos de garantia e trocas de

peças, que na verdade se tornam produtos a serem descartados posteriormente por terem absorvido combustível ao longo de sua vida.

Necessidade de melhora de eficiência dos consumidores elétricos do veículocombustível é um dos maiores consumidores elétricos na maioria dos veículos, considerando que ela está em operação 100% do tempo em que o veículo permanece ligado, diferente de uma ventoinha de

um compressor do ar-condicionado ou das bobinas de ignição.

tação :

Bomba elétrica de combustível se divide em um motor elétrico de corrente contínua de imã permanente, combustível que passa em seu interior, , e em uma bomba de turbina compostaobservado na Figura 2.

Figura 2.: Visão geral da Bomba de Combustível.

O componente atual mais sensível às novas demandas de pressão e eficiência é a comutação ão da pressão exige um maior torque de operação, o que implica em um aumento do consumo de

tendência de centelhamento durante a comutação, gerando um desgaste acentuado escovas). .

As perdas decorrentes deste motor estão intrinsecamente ligadas ao projeto da comutação e do motor elétrico o projeto foi otimizado para obter o melhor desempenho elétrico para a potência mecânica

demandada pelo pacote hidráulico, considerando para isso uma comutação de maior área de contato, criando um comutador, conforme Figura 3. Desta forma procurou-se minimizar

dos grandes limitantes para a operação com etanol em altas pressões, buscando tambem seus pontos principais de operação




a partir de 2015, traz 3 mensagens claras de novas Demandas para o Produto:

para os motores com Injeção Direta,

Extensão do prazo de garantia de 1 ano para 3 a 5 anos, necessitando rever a vida útil dos projetos e sem comprometer as demandas atuais de custos de garantia e trocas de

rem descartados posteriormente por terem absorvido

veículo. No caso, a Bomba de na maioria dos veículos, considerando que ela

nece ligado, diferente de uma ventoinha de ou das bobinas de ignição.

de corrente contínua de imã permanente, uma bomba de turbina composta pelo

comutação elétrica, pois a do consumo de corrente. Esta

durante a comutação, gerando um desgaste acentuado

ligadas ao projeto da comutação e do motor elétrico em o projeto foi otimizado para obter o melhor desempenho elétrico para a potência mecânica

uma comutação de maior área de contato, criando um minimizar a corrente comutada, a buscando também uma melhor

Figura 3: Desenvolvimento de um novo

2. Novo Projeto de motor elétrico :

Para adequar o novo sistema de comutação à potência necessária e maior eficiência, foi necessário um novo projeto do induzido do motor, com otimização do ângulo de comutação e do enrolamento mantendo a compatibilidade dimensional com o diâmetro e comprimento da Bomba tanques diferentes.

Para isso, foi utilizada uma combinação demotor e um DoE (Design of Experiments) para motor.

Figura 4: Novo projeto do motor elétrico com otimização do ângulo de comutação e enrolamento.

Além dos pontos já mencionados, uma evolução dos matepara este motor.


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Figura 3: Desenvolvimento de um novo projeto de Comutação elétrica.

Novo Projeto de motor elétrico :

Para adequar o novo sistema de comutação à potência necessária e maior eficiência, foi necessário um novo com otimização do ângulo de comutação e do enrolamento

mantendo a compatibilidade dimensional com o diâmetro e comprimento da Bomba atual

utilizada uma combinação de simulação numérica para otimização da performanceum DoE (Design of Experiments) para adequação do material da comutação ao novo ponto de operação do


uma evolução dos materiais utilizados trouxe um ganho adicional de rendimento




Para adequar o novo sistema de comutação à potência necessária e maior eficiência, foi necessário um novo com otimização do ângulo de comutação e do enrolamento das bobinas deste motor,

atual em aplicação em diversos

performance magnética do adequação do material da comutação ao novo ponto de operação do


riais utilizados trouxe um ganho adicional de rendimento

3. Novo design do pacote Hidráulico :

Paralelamente ao motor, utilizando as ferramentas simulação por CFD, para a obtenção de um perfil de turbina e geometrias perdas hidráulicas nos canais de entradado fornecimento de combustível a quente, minimizando a formação indesejável de bolhas de vapor de combustível, as perdas por vazamento interno e as perdas por atrito entre partes móveis.

Figura 5: Evolução da geometria do Pacote Hidraulico para a bomba” Evolution. “

4. Resultado obtidos com as amostras da bomba

Após a fase de otimização do design de amostras representativas do novo projeto, as quais clientes, considerando sempre o requisito mais elevadorobustez deste novo produto. Além disso o objetivo inicial de 10% de ganho em eficiência foi superado, permitindo alcançar níveis de redução de consumo de corrente sempre acima de 20%.

Figura 6.: Curva de Eficiência comparativa entre FP

New Inlet Plate (IP)Machining


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Novo design do pacote Hidráulico :

Paralelamente ao motor, utilizando as ferramentas mais modernas, junto à nossa matrizpara a obtenção de um perfil de turbina e geometrias do pacote hidráulico

nos canais de entrada, nos canais da turbina, minimizar a geração de ruídosa quente, minimizando a formação indesejável de bolhas de vapor de combustível, as

e as perdas por atrito entre partes móveis.

Figura 5: Evolução da geometria do Pacote Hidraulico para a bomba” Evolution. “

amostras da bomba FP Evolution :

design de comutação, motor elétrico e pacote hidráulico foram construídas centenas de amostras representativas do novo projeto, as quais foram ensaiadas conforme todas as exigências de nossos

requisito mais elevado de cada um deles, e os resultados permitiram demonstrar . Além disso o objetivo inicial de 10% de ganho em eficiência foi superado, permitindo

alcançar níveis de redução de consumo de corrente sempre acima de 20%.

comparativa entre FP 14 ( Atual) e FP EVO

New Outlet Plate (OP) Machining

New Impeller

New Inlet (IP)

Machining

+ IP e OP otimizadas paraobtenção de melhor eficiência

+ Novo Impeller trazendobenefícios em ruído, e eficiência




matriz, fizemos um trabalho de áulico, de forma a minimizar as

nos canais da turbina, minimizar a geração de ruídos pela turbina, otimização a quente, minimizando a formação indesejável de bolhas de vapor de combustível, as

foram construídas centenas das conforme todas as exigências de nossos

e os resultados permitiram demonstrar a . Além disso o objetivo inicial de 10% de ganho em eficiência foi superado, permitindo

paraeficiência.

trazendoeficiência

Better Efficiency




Considerando um ganho de eficiência saindo de 15,5% chegando a 23% no ponto de operação médio no campo, temos um ganho de eficiência de pelo menos 30 % em relação ao produto em série, que hoje já é um dos mais eficientes no mercado.

CONCLUSÃO:

Com a utilização desta nova bomba de combustível, temos uma redução de aproximadamente 7,5% sobre o consumo médio de corrente comparado com as aplicações atuais no mercado. , Considerando que em operação a 12V este consumo médio se situa em pelo menos 5 amperes, temos uma redução de 4,5Watts por veículo de potencia consumida pela bomba de combustível.

Num mercado de 2,5 Milhões de veículos novos por ano, onde em média se roda 15.000km ao ano, a uma velocidade média de 40 km/h, resultando em um tempo médio de rodagem de 375 horas por ano por veículo, temos um tempo total de 937 Milhões de Horas por ano operando com esta nova bomba todos os anos.

Totalizando os ganhos, teremos uma redução de cons umo de energia Elétrica nesta frota anualmente de 4,2 Milhões de KWh independente da forma de util ização do veículo, gerado pela queima de combustíve l predominantemente em grandes centros urbanos.

Se outros sistemas de controle de demanda forem empregados no acionamento eletrônico desta bomba, onde ela irá operar parcialmente em menores tensões médias, o ganho será proporcionalmente ainda maior, uma vez que em baixas tensões o ganho de eficiência foi ainda maior, podendo chegar a dobrar a eficiência desta nova bomba de combustível. ( Vide Figura 6)

Este produto já está em aplicação nos novos projetos, devendo entrar em série ainda em 2015 num projeto de grande Volume de vendas.

REFERÊNCIAS

Todos os dados e relatórios de desenvolvimento de Produto encontram-se nos arquivos da Engenharia de Produto da Robert Bosch Ltda, em Campinas, estando disponível para futuras discussões.

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