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
27
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
28
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
29
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
32
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
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