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Página 1 CENTRO UNIVERSITÁRIO PADRE ANCHIETA Augusto Alves Camillo Flávio Zanetta Junior Gabriel Lorente Matheus Fiori PROJETO DE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO MELHORIA DO DESEMPRENHO NA FUNCIONALIDADE DOS ANÉIS DE PISTÃO AUTOMOTIVO Jundiaí - SP 2019 Página 2 CENTRO UNIVERSITÁRIO PADRE ANCHIETA Augusto Alves Camillo Flávio Zanetta Junior Gabriel Lorente Matheus Fiori MELHORIA DO DESEMPRENHO NA FUNCIONALIDADE DOS ANÉIS DE PISTÃO AUTOMOTIVO Projeto de monografia elaborado pelo acadêmico Augusto Alves Camillo, Flávio Zanetta Junior, Gabriel Lorente e Matheus Fiori, como exigência do curso de graduação em Engenharia Mecânica do Centro Universitário Padre Anchieta, sob a orientação do professor Paulo Corredori Jundiaí - SP 2019 Página 3 CENTRO UNIVERSITÁRIO PADRE ANCHIETA DEDICATÓRIA A nossa família, ao Paulo Corredori e aos funcionários da MAHLE Metal Leve, que possibilitaram o desenvolvimento desta monografia, em especial Sr. Marcelo Miyamoto. Jundiaí - SP 2019 Página 4 RESUMO O futuro da nossa mobilidade hoje aponta para a parte de eletrificação, porém um dos maiores empecilhos enfrentados é a questão do alcance de veículos somente elétricos. Tempo de recarga, desempenho do motor e desenvolvimento de baterias ainda é uma grande barreira para a popularização e barateamento do veículo puramente elétrico. Para que se dê um passo à frente com a eletrificação, precisamos adaptar e buscar opções para o atual mercado. Este que aponta para a combinação do motor a combustão com o motor elétrico seja em híbridos, ou como extensores de alcance (Range Extender). Este projeto apresentará os possíveis ganhos e melhorias no desempenho dos anéis de pistão em Range Extender, onde funcionam em carga e rotação fixa. Possibilitando uma otimização de seu consumo energético e também menor emissão de poluentes. Palavras chave: Motores, Motores SI. Anéis de Vedação, Eficiência Térmica. Eficiência Energética. Range Extender. Página 5 ABSTRACT The future of our mobility today points to an electrification part, but one of the biggest obstacles faced is a matter of the range of electric-only vehicles. Recharging time, engine performance and battery development is still a major barrier to the popularization and cheapening of the purely electric vehicle. Therefore, that one-step ahead with electrification, it is possible to adapt and seek options for the current market. This indicates that the combination of combustion engine with electric motor is either in hybrids, or as Range Extenders. This design introduces the possible gains and improvements in the performance of the piston rings in the Range Extender, where it operates on load and alternates fixed. Enabling an optimization of your energy consumption and lower emission of pollutants. Keywords: Engines, SI engines. Sealing Rings, Thermal Efficiency. Energy efficiency. Range Extender. Página 6 LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 1: Representação dos sistemas dos veículos.....................................................................11 Figura 2: Sistema máquina a Vapor, condensação do vapor........................................................12 Figura 3: Triciclo a vapor com capacidade de quatro passageiros...............................................13 Figura 4: Veiculo a vapor Stanley Steam Car..............................................................................13 Figura 5: Primeiro motor a combustão interna.............................................................................14 Figura 6: Motor a combustão interna criado por Otto..................................................................15 Figura 7: Quarto estágio do Ciclo Otto........................................................................................16 Figura 8: Veículo criado por Karl Benz.......................................................................................17 Figura 9: Ford Modelo T e descritivo...........................................................................................18 Figura 10: Motor a combustão interna de Bersanti e Matteucci...................................................19 Figura 11: Dois estagio motores dois tempos...............................................................................20 Figura 12: Principais componentes de um motor 2 tempos.........................................................21 Figura 13: Motor elétrico Primitivo de Jedlik..............................................................................23 Figura 14: Motor elétrico alimentado por baterias.......................................................................24 Figura 15: Carro elétrico em escala de Stratingh.........................................................................24 Figura 16: Bateria de Chumbo Acido de Planté...........................................................................25 Figura 17: Propaganda de época veículo elétrico.........................................................................26 Figura 18: Demonstração mistura ar – combustível.....................................................................28 Figura 19: Ciclo Otto detalhado em seus 4 tempos......................................................................29 Figura 20: Ciclo Otto 1° Tempo...................................................................................................29 Figura 21: Ciclo Otto 2° Tempo...................................................................................................30 Figura 22: Ciclo Otto 3° Tempo...................................................................................................30 Figura 23: Ciclo Otto 4° Tempo...................................................................................................31 Figura 24: Demonstração raspagem dos anéis na camisa do cilindro..........................................32 Figura 25: Posicionamento e perfil dos anéis do cilindro............................................................33 Figura 26: Perfil e nomenclatura dos anéis..................................................................................34 Figura 27: Dimensionamento dos Anéis......................................................................................35 Figura 28: Demonstração dos diferentes tipos de Perfis..............................................................36 Figura 29: Folgas e Detalhamento................................................................................................37 Figura 30: Perfis dos tratamentos superficiais na região de contato dos anéis de pistão.............37 Figura 31: Motor elétrico BMW I3..............................................................................................38 Figura 32: Funcionamento sistema carro elétrico.........................................................................39 Figura 33: comparação de densidade gravimétrica e volumétrica de baterias recarregáveis.......40 Figura 34: Baterias convencional veículos ciclo Otto..................................................................42 Figura 35: Célula de bateria Veículos Bolt GM...........................................................................42 Figura 36: Motor range extender BMW I3...................................................................................43Figura 37: Distribuição energética do motor (FERNANDEZ. M. 2012, p. 41) ..........................45 Figura 38: Distribuição de perdas do motor por rotação e carga (FERNANDEZ. M. 2012, p. 47) ......................................................................................................................................................46 Figura 39: Designs típicos de anéis..............................................................................................47 Figura 40: Comparação de um anel comum com um anel Napier...............................................49 Figura 41: Modelos do terceiro anel ............................................................................................50 Figura 42: Anel com revestimento de Cromo..............................................................................51 Figura 43: Revestimento de PVD.................................................................................................52 Figura 44: Revestimento de DLC.................................................................................................53 Figura 45: Fricção gerada em cada coating (HERBST e LARSSON, 2017, p. 277)..................54 Página 7 Figura 46: Relação durabilidade do Anel x Tipos de tratamento................................................54 Figura 47: Influência da redução de atrito no consumo de combustível para um motor a 2000 Rpm (BASSHUYSEN e SCHÄFER, 2004, p. 293)…………….................................................55 LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Comparativo motor 2 e 4 tempos...............................................................................22 Tabela 2- Emissões por tipo de carro ciclo completo..................................................................41 Página 8 LISTA DE ABREVEATURAS E SIGLAS a1 Espessura radial AP Alta performance B Boro BMW Bayerische Motoren Werke C Carbono CC Cubic centimeter CC/CA Corrente Continua / Corrente Alternada Cd Cadmio Cm² Centimetros Cubicos COL Consumo de Óleo Lubrificante Cr Crom CV Cavalo Vapor d1 Diametro Nominal DLC Diamond Like Carbon (Carbono tipo Diamante) EA Familia de Motores Fabricante VW g/Co² Gramas de Gas carbonico H Hidrogenio h1 Altura INEE Instituto nacional de Energia Eletrica ISO International Organization for Standardization Kg Kilograma Kgf/m Kilograma Força por Metro Km/h Kilometros por Hora Kw Kilowatt Kw/h Kilowatt por hora M Abertura livre MH Hidreto de Metal Mm Milimetros Ni Niquel Nm Newton Metros PVD Physical Vapor Deposition (Deposição Fisica a Vapor) R$ Reais REx Range Extander RPM Rotação por Minuto s Segundos s1 Folgas entre pontas Si Silicio SI Spark ignition (Ignição por faísca) SREC Sistema de Recuperação de Energia Cinetica Página 9 Ta Tantalo US Dolares V Motores cujo Cilindro ficam disposto na posição V VEB Veiculos Eletricos a Bateria VW Volkswagen Wh/Kg Watts-hora por Kilograma Wh/Km Watts-hora por Kilometro Wh/L Watts-hora por Litro ηe Rendimento efetivo ηi Rendimento indicado Página 10 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 11 1.1 Evolução dos motores a combustão interna............................................................12 1.2 Evolução dos motores elétricos.................................................................................23 1.3 Objetivo do tabalho...................................................................................................27 2 DEFINIÇÕES GERAIS ...................................................................................................... 28 2.1 Motor SI.....................................................................................................................28 2.2 Definição dos anéis....................................................................................................32 2.3 Motor elétrico - Como funciona..............................................................................38 2.3.1 Bateria e seu ciclo completo...................................................................40 2.3.2 Dificuldades de autonomia.....................................................................43 2.4 Introdução Range Extender.....................................................................................43 3 PERDAS GERADAS NOS ANÉIS DE PISTÃO...............................................................44 3.1 Mapeamento do atrito no motor..............................................................................44 4 PROPOSTAS PARA MELHORIAS NOS ANÉIS DE PISTÃO.....................................47 4.1 Designs.......................................................................................................................47 4.1.1 Primeiro anel...........................................................................................47 4.1.2 Segundo anel............................................................................................48 4.1.3 Terceiro anel............................................................................................49 4.2 Coatings.....................................................................................................................50 4.2.1 Cromo......................................................................................................51 4.2.2 PVD..........................................................................................................52 4.2.3 DLC..........................................................................................................53 5 CONCLUSÃO.......................................................................................................................55 6 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS ..............................................................................56 Página 11 1. INTRODUÇÃO Os primeiros automóveis surgiram no início do século 20, nas principais metrópoles, Europa e Estados Unidos, contribuindo para o crescimento industrial e marcando ali uma nova condição de vida. Sendo umas das criações mais importantes de todo o mundo o automóvel tornou-se para todos um meio de transporte muito conveniente, que mesmo atualmente necessita de combustível fóssil para seu abastecimento, de revisões e manutenções, com a necessidade de peças sobressalentes. Os veículos são vistos como uma grande somatória de peças e acessório, agrupadas assim como um sistema e classificadas de acordo com o processo de cada fabricante, a eficiente integração entre esses componentes, se torna cada vez mais difícil perante as novas tecnologias ea sede de mudança de nós consumidores. Figura 1 – Representação dos sistemas dos veículos. Fonte: https://www.fazerfacil.com.br/carros/carros_master.htm Como propulsor de um veículo e sendo um dos principais sistemas, o motor pode ser classificado em três tipos: combustão externa, combustão interna e elétricos. https://www.fazerfacil.com.br/carros/carros_master.htm Página 12 1.1 EVOLUÇÃO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA O primeiro conhecido também como máquina a vapor foi criada por Thomas Newcomen (1664 – 1729) em 1705, nos quais movimentaram as primeiras Locomotivas, barcos, fabricas e veículos comuns, tendo uma grande importante influencia na Primeira Revolução industrial. Seu funcionamento era bem simples, necessitava apenas de vapor d’agua e uma forte fonte de calor, todas as maquinas a vapor tinha a necessidade de possuir uma fornalha para realização da queima do carvão, óleo, madeira ou alguns outros combustíveis para produzir energia calorifica, o vapor proveniente da água aquecida era levado até a ebulição em uma caldeira em seguida transportada para uma câmara, que precisava ser arrefecida por aspersão de água fria tendo assim a condensação do vapor. Figura 2 – Sistema máquina a Vapor, condensação do vapor. Fonte: https://www.oficinadanet.com.br/post/14633-como-funciona-a-energia-a-vapor https://www.oficinadanet.com.br/post/14633-como-funciona-a-energia-a-vapor Página 13 Em 1769 o primeiro veículo a vapor estava saindo dos papeis e indo para as estradas era um Trator, desenvolvido por um Engenheiro e mecânico francês chamado Nicolas Joseph Cugnot (1725-1805), este veículo compunha de três rodas e um motor a vapor, sendo utilizado pelo exército francês para mover suas artilharias, com velocidade máxima aproximadamente de 4 km/h e necessidade de paradas a cada 10 ou 15 minutos para acumular vapor, não sendo um motor eficaz, levando em conta seu tamanho e peso. Figura 3 – Triciclo a vapor com capacidade de quatro passageiros. Fonte: http://www.sinaldetransito.com.br/curiosidades_foto.php?IDcuriosidade=38 Os motores a vapor ficaram em uso diretamente nos automóveis entre o fim do século XIX e início do século XX, sendo aproveitado e aperfeiçoado em média 30 anos. O mais famoso motor fabricado foi feito pelo americano Stanley e esteve em uso até 1945. Figura 4 – Veiculo a vapor Stanley Steam Car. Fonte: http://www.museudantu.org.br/contemporanea.htm O segundo tipo de motor, denominasse de motor a combustão interna ou explosão interna, os termos “combustão” e “explosão” são usados em seus nomes, pois seu princípio de http://www.sinaldetransito.com.br/curiosidades_foto.php?IDcuriosidade=38 http://www.museudantu.org.br/contemporanea.htm Página 14 funcionamento baseia-se no aproveitamento da energia liberada na reação da combustão da mistura ar e combustível que ocorre dentro da câmara do cilindro. Neste trabalho abordaremos de forma sucinta apenas dois sistemas de motores a combustão: Ciclo Otto e o Dois tempos. O Primeiro motor a combustão interna foi inventado pelo engenheiro belga Jean Joseph Étiènne Lenoir, Figura 5 – Primeiro motor a combustão interna. Fonte: http://www.autoentusiastasclassic.com.br/2013/03/motores-combustao-interna-uma-breve.html Os motores de combustão interna (Ciclo Otto) foi criado pelo Engenheiro e inventor alemão Nikolaus August Otto (1832 - 1891), foi desenvolvido a partir das investigações do trabalho de Jean, descobrindo o real valor da compressão da mistura ar-combustível, antes da queima na câmara de explosão, tendo um aumento significativo na potência gerada do motor. O motor de Nikolaus Otto recebeu inúmeras vantagens sobre o motor a vapor. Uma de suas vantagens seria o baixo peso, pois o motor não exigia um grande reservatório de água para gerar vapor, muito menos um combustível para produzir calor e aquecer a água, como era comum em sua época lenha ou carvão. Outra vantagem foi o baixo consumo de combustível, embora ainda sendo benzeno e um sistema de suprimento de combustível não muito eficiente, mas significativamente diferenciava dos motores anteriores, onde uma grande quantidade de madeira era queimada para poucos quilômetros ou poucas horas de operação, portanto eram necessários grandes espaços para seu armazenamento. http://www.autoentusiastasclassic.com.br/2013/03/motores-combustao-interna-uma-breve.html Página 15 O desempenho dos motores a combustão também superava em tamanho os motores a vapor. Somente a pressão do vapor empurrava os pistões e as bielas para gerar energia e movimento rotacional, enquanto no motor a gasolina uma explosão de combustível, energia térmica e deslocamento de gases assumiam o papel do vapor com muito mais eficiência e geravam mais energia. A utilização da gasolina, que antes de ser utilizada nos motores era um subproduto do petróleo descartado, passou a ser um combustível com mais poder de explosão e com um percentual de lubrificação, sendo assim adotada para o abastecimento dos motores a combustão aumentando ainda mais a sua potência e torque. O motor a gasolina, com todas essas vantagens, mais leve, mais compacto e mais versátil que o motor a vapor, logo se estabeleceu como a força motriz que se estende até o presente nas mais diferentes aplicações que pudesse servir com a sua força de trabalho ao homem. Figura 6 – Motor a combustão interna criado por Otto. Fonte: http://www.engineknowhow.com/the-internal-combustion-engine/history/ Uma de suas características é seu funcionamento que é dividido em quatro estágios, Admissão, Compressão, Explosão ou Combustão e o Escape, este processo inicia-se novamente e os quatro tempos ocorrem de modo sucessivo, no qual estudaremos mais afundo neste trabalho. http://www.engineknowhow.com/the-internal-combustion-engine/history/ Página 16 Figura 7 – Quatro estágios do Ciclo Otto. Fonte: https://www.manualdaquimica.com/combustiveis/gasolina.htm Os mais famosos propulsor dos veículos a 4 tempos foi Henry Ford no qual fundou a fábrica Ford Motor Company, tendo a ajuda de alguns investidores, compondo o grupo principalmente pelos irmãos John e Horace Dodge que posteriormente ganhariam uma grande e importante fatia no desenvolvimento dos veículos com a criação da sua própria companhia. Ainda neste período Robert Bosch conquistou a patente das velas de ignição na Alemanha . O primeiro veículo motorizado a ser produzido comercialmente no mundo foi um triciclo, desenvolvido pelo alemão Karl Benz em 1886. https://www.manualdaquimica.com/combustiveis/gasolina.htm https://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Bosch Página 17 Figura 8 – Veículo criado por Karl Benz. Fonte: https://sputniknews.com/infographics/20110615164621567/ A primeira produção feita pela Ford Motor Company foi em meados de 1903, o Modelo A, que vendeu aproximadamente 1.708 veículos no primeiro período, em seguida com a evolução de sua empresa conseguiram desenvolver o Ford modelo T, ou Tin Lizzie em 1909. Cujos seu meio de produção (Linha de Produção) e seus conceitos comerciais iriam revolucionar o mundo. Em 1914, os irmãos Dodge deram início a produção de peças de reposição, e logo em seguida inaugurarão sua própria empresa automobilística. Após dois anos, eles criaram o conceito que até hoje utilizamos, a carroçaria toda em aço. Com seu imenso sucesso atingiu o seu quarto lugar em vendas nos Estados Unidos, com 70.700 veículos vendidos. Nos meados dos anos 20, os irmãos faleceram, sendo assim a empresa Dodge Brothers foi comprada por Walter Chrysler que lhe custou na época US$ 175.000.000, desde então ela passou a integrar a Chrysler Corporation.https://sputniknews.com/infographics/20110615164621567/ https://www.time.com/time/covers/0,16641,19290107,00.html Página 18 Figura 9 – Ford Modelo T. Fonte: https://www.museu-caramulo.net/pt/content/2-coleces/17-automveis/66-ford-t Os motores dois tempos são motores também a combustão interna a pistão, com seu ciclo efetivado em apenas dois tempos, aspiração, explosão e de descarga. Entres os inventores deste tipo de motor está a dupla de italianos Nicolo Bersanti e Felice Matteucci, onde suas primeiras concepções foi no ano de 1853, no qual se aproxima muito do Criado por Nickolas Otto. https://www.museu-caramulo.net/pt/content/2-coleces/17-automveis/66-ford-t Página 19 Figura 10 – Motor a combustão interna de Bersanti e Matteucci. Fonte: https://motoresdecombustao.blogspot.com/2014/12/motores-de-dois-tempos-diversidade-de.html Uma de suas características é seu funcionamento que é dividido em dois estágios, aspiração, explosão e de descarga, este processo inicia-se novamente e os dois tempos ocorrem de modo sucessivo. Descrição dos estágios: 1º tempo - o pistão sobe comprimindo a mistura no cilindro e produzindo rarefação no cárter. Logo após, acontece a ignição e a combustão da mistura. 2º tempo - os gases da combustão se expandem, fazendo o pistão descer, comprimindo a mistura no cárter. O pistão abre a janela de exaustão, possibilitando a saída dos gases queimados. https://motoresdecombustao.blogspot.com/2014/12/motores-de-dois-tempos-diversidade-de.html Página 20 Figura 11 – Dois estagio motores dois tempos. Fonte: https://www.motonline.com.br/noticia/montadora-espanhola-destaca-qualidades-dos-motores-dois- tempos/ Comparado com os de 4 tempos temos muitas diferenças, porém a mais importante são os seus ciclos, nos de 4 tempo temos 4 ciclos definitivos como citado anteriormente, são necessários 4 cursos do pistão para completar apenas um ciclo de potência, com ignição a cada 2 giros do virabrequim. São utilizados válvulas e coletores de admissão para levar a mistura ar e combustível, para as câmaras de combustão e válvulas e coletores de escapamento para expelir os gases da explosão. Nos motores 2 tempos temos apenas dois ciclos como visto acima, no primeiro ciclo ar e combustível ficam alojados na parte inferior do virabrequim, no ciclo seguinte ocorre a ignição que empurra o pistão para baixo dando abertura para os gases serem expelidos para o escapamento pela janela superior, quando a janela de admissão se fecha, o combustível é levado para a câmara de combustão por um duto do virabrequim, assim as velas emitem a centelha ocorrendo a explosão e finalizando o ciclo. https://www.motonline.com.br/noticia/montadora-espanhola-destaca-qualidades-dos-motores-dois-tempos/ https://www.motonline.com.br/noticia/montadora-espanhola-destaca-qualidades-dos-motores-dois-tempos/ Página 21 Figura 12 – Principais componentes de um motor a 2 tempos. Fonte: https://docplayer.com.br/87667638-Estudo-e-otimizacao-de-motores-a-dois-tempos-rotax.html Com tamanha simplicidade esses motores conseguem ser mais versátil e potentes que os 4 tempos, versatilidade no funcionamento, podendo funcionar em qualquer posição inclusive de ponta cabeça e potência por completarem o ciclo de potência a cada volta de seu virabrequim. Mesmo sendo muito parecido com o ciclo Otto os motores dois tempos têm algumas desvantagens, alta emissões de poluentes, alto consumo de combustível e menor durabilidade. Sua alta emissão de poluente se resume na mistura de seu combustível, no qual precisa ser diluído um pouco de óleo lubrificante a cada parte de combustível, e com a queima deste combustível temos altos índices de poluição. Como dito, os motores 2 tempos chegam a gerar uma potência maior comparado com os quatro tempos. E para isso, exige um maior consumo de combustível em função ao seu ciclo de potência, exige uma maior rotação de seus componentes (virabrequim e pistão), condenando-o a ter uma menor durabilidade. https://docplayer.com.br/87667638-Estudo-e-otimizacao-de-motores-a-dois-tempos-rotax.html Página 22 MOTORES 4 TEMPOS QUESITO 2 TEMPOS A cada DUAS voltas do virabrequim Explosão do combustível A cada UMA volta do virabrequim Mais pesado, para compensar o movimento do pistão quando não há explosão na câmara de combustão Peso do volante do motor Como há explosão cada vez que o pistão chega ao ponto morto superior, o volante do motor é pequeno e leve Pesado e grande, devido ao maior número de peças, exigindo maior espaço e reforço no chassi Peso e tamanho do motor Leve e pequeno, devido ao número reduzido de peças Projeto mais complicado pela existência do comando de válvulas Projeto do motor Projeto mais simples. Número reduzido de peças móveis Caro Custo de fabricação Barato Menor, devido à maior quantidade de peças móveis Eficiência mecânica Maior devido ao pequeno número de peças móveis o atrito é menor Mais frio Temperatura de trabalho Mais quente Normalmente é arrefecido a líquido Arrefecimento Normalmente é arrefecido a ar Mais econômico Consumo de combustível Menos econômico Complicado Sistema de lubrificação Simples Menor Emissão de ruído Maior Através de válvulas de admissão e escape Alimentação e exaustão Através de portas de admissão e escape Maior Eficiência térmica Menor Baixo Consumo de óleo lubrificante Alto Menor Desgaste de peças móveis Maior Baixo Emissão de poluentes Alto Tabela 1 – Comparativo motor 2 e 4 tempos. Fonte: https://www.motonline.com.br/noticia/motores-dois-tempos-e-quatro-tempos-grandes-diferencas/ https://www.motonline.com.br/noticia/motores-dois-tempos-e-quatro-tempos-grandes-diferencas/ Página 23 1.2 EVOLUÇÃO DOS MOTORES ELETRICOS Em Terceiro lugar, mas não menos importante são os motores elétricos, por mais atual que pareça, os carros elétricos foram inventados há mais de 140 anos, antes mesmo dos mais conhecidos a combustão interna. A invenção do carro elétrico em si tem sido atribuída a várias pessoas, entretanto o húngaro Ányos Jedlik (1800-1895) é considerado o precursor por inventar em 1827 um tipo primitivo de motor elétrico. Jedlik criou, em 1828, um pequeno carro alimentado, então, pelo seu novo motor (ELECTRIC VEHICLES NEWS, 2014a). Entre 1832 e 1839, pois o ano correto é incerto, o escocês Robert Anderson construiu o primeiro protótipo de carro movido a eletricidade, alimentado por pilhas não recarregáveis (GLOBAL EV OUTLOOK, 2013). Figura 13 – Motor elétrico Primitivo de Jedlik. Fonte: http://fisicaemclasse.blogspot.com/2017/11/para-conhecer-historia-construir-e.html Em 1834 o norte-americano Thomas Davenport (1802-1851) desenvolveu um motor elétrico alimentado por bateria instalando-o em um pequeno carro que foi usado em uma pequena pista circular de 4 metros de diâmetro. A energia foi fornecida por uma bateria estacionária para a locomotiva elétrica em movimento, usando os trilhos como condutores para a eletricidade (ELECTRIC VEHICLES NEWS (a), 2014). http://fisicaemclasse.blogspot.com/2017/11/para-conhecer-historia-construir-e.html Página 24 Figura 14 – Motor elétrico alimentado por baterias. Fonte: https://edisontechcenter.org/DavenportThomas.html Em 1835, o professor holandês Sibrandus Stratingh (1785-1841) e seu assistente Christopher Becker criaram um carro elétrico em pequena escala alimentado por pilhas não recarregáveis. Usando os princípios físicos desenvolvidos pelo inglês Michael Faraday, Stratingh e Becker construíram então seu pequeno carro elétrico. (ELECTRIC VEHICLES NEWS (a), 2014). Figura 15 – Carro elétrico em escalade Stratingh. Fonte: (ELECTRIC VEHICLE NEWS (a), 2014). https://edisontechcenter.org/DavenportThomas.html Página 25 Em 1837 o escocês Robert Davidson desenvolveu, utilizando seus próprios princípios, uma locomotiva elétrica, enquanto que, ao mesmo tempo, William H. Taylor, de forma independente, sem o conhecimento do trabalho um do outro, desenvolveu nos Estados Unidos motores semelhantes a partir de 1838. Em 1942, Davidson criou uma máquina de quatro rodas alimentada por baterias de zinco não recarregáveis. O francês Raymond Gaston Planté, em 1859 inventou a primeira bateria recarregável que se tornou a base para as baterias que foram usadas posteriormente nos carros elétricos. A bateria de Planté era de chumbo-ácido, enorme e difícil de mover (figura 16). Em 1881, Camille Alphonse Faure melhorou a bateria de armazenamento e abriu o caminho para que os carros elétricos progredissem (ELECTRIC VEHICLE NEWS (a), 2014). Figura 16 – Bateria de Chumbo Acido de Planté. Fonte: (ELECTRIC VEHICLE NEWS (a), 2014). O ímpeto da trajetória inicial dos carros elétricos ainda perduraria por algum tempo, sendo a França e a Inglaterra a desenvolver estes tipos de carro, seguida pelos Estados Unidos, em 1897 a cidade de Nova Iorque teve uma frota de taxis com motores elétricos, com seus valores variando (algo como US 26.000,00 a 70.000,00 de hoje). Página 26 Entre os anos de 1900 e 1920 os carros elétricos tiveram grande aceitação fazendo assim grande sucesso, chegando a possuir uma fatia de 1/3 de toda a frota de carros de Nova York. Figura 17 – Propaganda de época veículo elétrico. Fonte: http://climainfo.org.br/2017/09/25/uma-breve-historia-dos-veiculos-eletricos/ A ruína da produção de carros elétricos veio por um conjunto de fatores: a descoberta de grandes reservas petrolíferas, barateamento dos veículos de combustão interna graças à produção em massa criada por Henry Ford (enquanto o preço médio dos veículos elétricos era de US 1750,00 o preço médio dos veículos a gasolina era de US 650,00), as limitações de velocidade e de autonomia dos veículos elétricos que impedia sua utilização em trajetos mais longos e, por fim, a invenção da partida elétrica em 1912 por Charles Kettering, substituindo a partida manual por manivela. Por esses motivos, a popularização dos carros elétricos não aconteceu, fazendo assim essa tecnologia estagnar por todo esse período, apenas no final do século estes tipos de veículos começou a retornar ao cenário. Foi em 1997 com a montadora Toyota e com seu modelo Prius, que as indústrias automotivas, retomaram as pesquisas e estudos deste tipo de motor tornando assim o primeiro veículo hibrido a ser produzido em linha de produção. Dentre os veículos elétricos na atualidade encontramos dois tipos: http://climainfo.org.br/2017/09/25/uma-breve-historia-dos-veiculos-eletricos/ Página 27 100% Elétricos: Tem apenas o motor elétrico como sistema de Tração, dependente assim apenas das recargas de sua bateria, levando em torno de 8 a 12 horas para uma carga complete (carga saldável) e autonomia de 300 km. Não emite ruídos e nem fumaça. Híbridos: Funciona com dois motores: um elétrico e outro a combustão, que também é responsável por recarregar a bateria, juntamente com a energia cinética das frenagens, no qual iremos estudar mais afundo no decorrer deste trabalho. 1.3 OBJETIVO DO TRABALHO Contudo nosso trabalho trata-se de um estudo de desenvolvimento focado em otimizar o máximo possível o anel de pistão do motor a combustão, buscando o maior rendimento na transformação de energia, viabilizando o seu uso em conjunto a outras tecnologias. Dentre as melhorias do anel se encontra tratamentos ou revestimentos, e também com o estudo de melhores faixas de rendimento, desempenho e emissões. Especialmente para as aplicações em Range Extenders, onde conciliamos o uso do motor a combustão ao elétrico podendo neste caso fixar a rotação e otimizar ao máximo de sua eficiência. Página 28 2. DEFINIÇÕES GERAIS 2.1. Motor SI Caracterizado por ser um motor de ignição por centelha (motor SI) é um motor de combustão interna, geralmente o combustível utilizado é a gasolina e etanol, sendo que todo processo de combustão se inicia pela centelha da vela de ignição, assim, a mistura ar-combustível é consumida. Entrando em contraste com os motores a Diesel que utilizam a robustez da forte compressão gerando energia calorifica que com a micro-particulação do combustível criada pelos bicos injetores de alta pressão a mistura particularizada entra em combustão assim se não há a necessidade de centelha Seu funcionamento tem início com a abertura da válvula de admissão, dando início no primeiro tempo do motor (Admissão Ar – Combustível) Conforme a Figura 18. Assim damos início ao processo que com a combustão se formara a reação química entre dois reagentes ou mais, gerando a liberação de energia. . Figura 18 – Demonstração mistura ar – combustível. Fonte: https://sites.google.com/site/testemen7090/motores-de-combustao-interna/ciclo-otto O motor ciclo Otto funciona em quatro processos distintos, ou seja, para um ciclo completo o motor percorre quatro tempos. São eles: entrada de combustível e ar, compressão destes dois elementos, explosão e escapes destes gases formados no processo. https://sites.google.com/site/testemen7090/motores-de-combustao-interna/ciclo-otto Página 29 Figura 19 – Ciclo Otto detalhado em seus 4 tempos. Fonte: https://educacaoautomotiva.com/2017/07/06/motor-4-tempos-como-funciona/ 1º Tempo – Admissão O primeiro tempo se inicia com a abertura da válvula de admissão e o movimento de descida do pistão assim aspirando (Admitindo) o ar ou mistura para ignição para dentro do cilindro. Somente em casos de ignição direta de combustível (Gasolina) ou sistema Diesel de Rudolf Diesel será admitido somente ar e não a mistura de combustível. Figura 20 – Ciclo Otto 1° Tempo. Fonte:http://mecanicaesuastecnologias.blogspot.com/2012/03/funcionamento-de-motores-de-2-e-4.html https://educacaoautomotiva.com/2017/07/06/motor-4-tempos-como-funciona/ http://mecanicaesuastecnologias.blogspot.com/2012/03/funcionamento-de-motores-de-2-e-4.html Página 30 2º Tempo – Compressão Agora com a mistura dentro do cilindro o pistão a movimento ascendente faz um papel muito importante que além de fazer com que a mistura se distribua corretamente em toda área do cilindro e câmara de combustão, também comprime as partículas gerando calor, assim sendo mais fácil a ignição por intermédio da centelha gerada pela vela de ignição. Figura 21 - Ciclo Otto 2° Tempo. Fonte:http://mecanicaesuastecnologias.blogspot.com/2012/03/funcionamento-de-motores-de-2-e-4.html 3º Tempo – Combustão O terceiro tempo é onde ocorre a combustão da mistura, ou seja, um processo controlado de expansão gerado por energia calorifica se transforma em enérgica mecânica. Essa expansão desloca o pistão para baixo com força energética que fará o ciclo e tempo dos outros cilindros um movimento continuo. Figura 22 - Ciclo Otto 3° Tempo. Fonte:http://mecanicaesuastecnologias.blogspot.com/2012/03/funcionamento-de-motores-de-2-e-4.html http://mecanicaesuastecnologias.blogspot.com/2012/03/funcionamento-de-motores-de-2-e-4.html http://mecanicaesuastecnologias.blogspot.com/2012/03/funcionamento-de-motores-de-2-e-4.html Página 31 4º Tempo – Exaustão O último tempo se inicia com a abertura da válvula de escape e juntamente o movimento ascendente do pistão, tem como função eliminar todos os gasesdeixados pela combustão e limpar a câmara de combustão e cilindro assim preparando para admitir a mistura novamente. Figura 23 - Ciclo Otto 4° Tempo. Fonte:http://mecanicaesuastecnologias.blogspot.com/2012/03/funcionamento-de-motores-de-2-e-4.html Os motores mais convencionais possuir quatro cilindros, cada um localizado em alguma posição dos tempos descritas acima. Portanto, sempre haverá um cilindro diferente na fase da explosão, transferindo energia para o motor, porem cada tipo de motor tem sua configuração, V6, V8, 5 cilindros. Esta denominação de motor de combustão interna é referente a motores que utilizam os próprios gases gerados na combustão como energia para trabalho. Estes próprios gases gerados realizam as etapas de compressão, aumento de temperatura que ocasiona na queima dos gases, expansão dos mesmos e, finalmente, exaustão. (INDUSTRIAL; FTP 2016, p.01). Este tipo de motor é popularmente conhecido como motor de explosão, porém sugere uma atividade que não ocorre. A explosão de fato não acontece, mas sim um aumento de pressão interna decorrente da alta temperatura/queima dos gases. (INDUSTRIAL; FTP 2016, p.01). http://mecanicaesuastecnologias.blogspot.com/2012/03/funcionamento-de-motores-de-2-e-4.html Página 32 2.2. Definição dos Anéis O componente anel de pistão é definido pela ISO 6621 - 1984 como sendo uma peça metálica de determinada, na forma que instalada no pistão e em contato com o cilindro (forma de trabalho), aplica uma força de vedação ou qualquer função se modificando de acordo com a função do anel, contra a parede do cilindro figura 24. Figura 24 – Demonstração raspagem dos anéis na camisa do cilindro. Fonte: http://news.mit.edu/2005/gasengine O primeiro anel é instalado na primeira canaleta do pistão, normalmente acima do pino e sempre abaixo do topo do pistão figura 26. Os anéis de pistão normalmente estão dispostos em um conjunto de três anéis em cada pistão figura 24. Esses anéis são usualmente denominados pela sua posição em relação ao topo do pistão. Os anéis consequentemente acompanham o movimento alternado do pistão, exercendo sua respectiva ação de raspagem na parede do cilindro. O contato anel-cilindro é lubrificado pelo óleo, porém há situações durante o trabalho do anel tais que, no seu deslizamento sobre o cilindro, o filme de óleo lubrificante altera sua viscosidade, nessa situação, citam-se as zonas de inversão do movimento do pistão. Assim, o contato anel com o cilindro ocorre em um regime de lubrificação mista (Menos viscoso ou mais viscoso), no qual parte do atrito da vedação do anel contra o cilindro é suportada pelo contato metal-metal (localizado nas rugosidades) e parte é suportada pela ação hidrodinâmica do óleo lubrificante (Não há contato metal – metal). Porém, se concluem http://news.mit.edu/2005/gasengine Página 33 situações que no curso dos anéis em que a lubrificação é hidrodinâmica, somente no meio curso onde a velocidade é máxima. Existem condições de trabalho peculiares para as funções dos anéis: Vedação da câmara de combustão, reduzindo a passagem de gases vindos da queima do combustível para o óleo, assim o contaminando (Blow-by); Parte de refrigeração (troca de calor), impedindo uma sobrecarga de calor no pistão; Adequar o filme de óleo lubrificante entre o anel e a parede do cilindro, assim evitando a quantidade extraída do sistema – queimada ou arrastada (Consumo de Óleo Lubrificante - COL). Figura 25 – Posicionamento e perfil dos anéis do cilindro. Fonte: https://www.canaldapeca.com.br/blog/instalar-os-aneis-dos-pistoes/ Caracterizado por funções distintas os três anéis normalmente presentes no pistão têm desempenhos relativamente diferentes para o cumprimento das suas funções. As características de contorno, contorno do anel da primeira canaleta são muitos mais robustas em relação mecânica e térmica. Devido sua localização que é o mais próximo da combustão, O primeiro anel(Anel Fogo) é submetido a grande quantidade de calor proveniente da queima do combustível, assim sendo, a alta temperatura e a pressão submetida ao longo do trabalho do ciclo, a sua condição tribologica, relativamente não é favorável, levando a ter uma cobertura especial ou tratamento em face de contato para diminuir os coeficientes de desgaste de material que também é especificado por ter uma resistência estrutural diferenciada que são aplicadas geralmente nos anéis, normalmente, ferro fundido nodular ou aço, classes 50 e 60, segundo ISO 6621-3 – 1984. Pela sua posição de exposição que recebe todos os gases provenientes da combustão ele é o maior responsável pela exposição dos gases ao óleo lubrificante (blow-by). https://www.canaldapeca.com.br/blog/instalar-os-aneis-dos-pistoes/ Página 34 Já o anel da segunda canaleta, chamado de anel raspador, tem como função raspar o óleo que está depositado na parede do cilindro, isso explica suas características físicas, que no caso são de perfil cônica para aumentar sua eficiência quanto a raspagem. Levando em consideração sua grande importância em todo ciclo, seu tratamento é menor referente ao primeiro anel, que é submetido a condições mais severas. Para terceira função e localizada na terceira canaleta, temos o anel lubrificante, e disposição de dois tipos básicos: os anéis de duas peças e os anéis de 3 peças. Ambos têm em sua composição um elemento de expansão que se responsabiliza de promover a pressão no anel gerando a vedação: os anéis de duas e os anéis de três peças. Em ambos, existe um elemento expansor responsável por prover a força de vedação ao anel. Salvo na condição da combustão o terceiro a anel é o conjunto que exerce maior força de vedação dentre todos. Em ambos tipos de terceiro anel o contato com a parede do cilindro é duplo como na figura 24, Normalmente o tipo de anel tres peças é utilizados em motores ciclo Otto, assim como o SI, já os de duas peças são mais comuns em motores a Diesel mas é possível encontrar situações contrarias. Para o quesito desgaste, o anel da terceira canaleta, normalmente possui uma cobertura de tratamento nas faces de contato sendo base: o ferro fundido nodular (classe 50), ferro fundido perlítico (classes 10 e 20) e aço (classe 60) segundo normas ISO 6626 e 6627 - 1984. Figura 26 – Perfil e nomenclatura dos anéis. Fonte: https://contagemmotorpecas.com.br/instalar-os-aneis-de-segmento/ Com esforço focado na primeira canaleta temos algumas especificações geométricas desse componente que são detalhadas na figura 27, sendo que o primeiro anel não tem o formato circular quando está livre de tensão, neste caso chamado de abertura livre (m). Com a condição fria do cilindro o anel adquire a forma circular com a abertura entre suas pontas que é chamada de folga https://contagemmotorpecas.com.br/instalar-os-aneis-de-segmento/ Página 35 entre pontas (S1). O diâmetro do exterior do anel que entra em contato com o cilindro é chamado de diâmetro nominal (d1). Em quesito a secção transversal, a parte do anel entre o diâmetro externo(nominal) é chamado de espessura radial (a1), além disso a espessura na direção axial é chamada de espessura radial(h1).Contendo vários detalhes geométricos assim como rebaixos, chanfros e arredondamentos, esses detalhes podem fazer efeitos de torção quando são colocados em ciclo no motor, porém esse efeito não será referência. Figura 27 – Dimensionamento dos Anéis. Fonte: (ISO 6621-2 - 1984) A medição da força tangencial pode e nos dará a informação da tensão de raspagem. Utilizando uma fita flexível para fazer o fechamento do anel até sua folga entre pontas (s1) a força tangencial é dimensionada e saberemos a força de tração gerada pelo anel na fita. Podemos ver na figura 28 os diferentes tipos de características de perfil deraspagem, porém, o mais utilizado e simplista é o perfil plano, que se destaca, pois, toda a altura do anel fica em contado direto com a parede do cilindro, hoje tem se evitado esse tipo de característica pelo seu desempenho ruim e seu desgaste excessivo. Já outro perfil que é adotado é o de perfil cônico que possui um desempenho funcional excelente que também se relaciona muito bem com o controle de consumo de óleo lubrificante. Já os de características abaulados somente são diferenciados pela sua posição de geometria simétrica ou não. Página 36 Figura 28- Demonstração dos diferentes tipos de Perfis. Fonte: FERRARESE; ANDRÉ (2004, p.08). É relevante ressaltar a importância dos dimensionais dos anéis no pistão em si, Como a configuração do pistão restringe, os anéis são alocados em suas respectivas canaletas, e sua posição irão apresentar algumas relações de folga conforme a figura 29. Em primeiro caso temos a folga radial entre anel e canaleta, isso será fracionado na direção radial entre o diâmetro interno da canaleta até o diâmetro interno do anel. Em seguida temos a folga axial, é caracterizada pela diferença entra a altura da canaleta e a espessura do anel, também vale ressaltar que o efeito de torção nesse caso de medição é desconsiderado. Concluindo os detalhes de canaleta do pistão podem possuir várias características, como raios internos e furos de lubrificação que não serão mencionadas. Página 37 Foto 29- Folgas e Detalhamento. Fonte: FERRARESE; ANDRÉ (2004, p.09). Figura 30 - Perfis dos tratamentos superficiais na região de contato dos anéis de pistão. Fonte: http://pelicano.ipen.br/PosG30/TextoCompleto/Marcos%20Batista%20Garcia_M.pdf http://pelicano.ipen.br/PosG30/TextoCompleto/Marcos%20Batista%20Garcia_M.pdf Página 38 Podemos explorar três tipos de geometria de tratamento superficial como na figura 30 que são realizados na face de contato. Na maior parte dos anéis são realizados tratamentos termoquímicos a uma camada em todo perímetro da secção transversal. Relacionado a grande importância da vida útil do primeiro anel devido seu grande esforço, o tratamento térmico depositado nele tem visão como um todo ao aumento da resistência ao desgaste. Para estas ações temos tecnologias como revestimento à base de molibdênio que necessitam a aplicação pelo procedimento de metalização via plasma, neste mesmo processo a camada gerada tem característica lamela respectivo a solidificação de suas moléculas aspergidas sobre a superfície do contato. 2.3. Motor elétrico - Como funciona O motor elétrico é a máquina mais usada para transformar energia elétrica em energia mecânica, pois combinam as vantagens da utilização de energia elétrica (baixo custo, facilidade de transporte, limpeza e simplicidade de comando) com sua construção simples e robusta a baixos custos com grande versatilidade de adaptação aos mais variados tipos de cargas. O motor elétrico atua no meio automotivo de forma similar ao modelo a combustão, ao primeiro contato o que pode se notar é muito mais silencioso, ao abrir o capô é apresentado um sistema bem diferente do usual. Figura 31- Motor elétrico BMW I3. Fonte: https://quatrorodas.abril.com.br/testes/bmw-i3/ https://quatrorodas.abril.com.br/testes/bmw-i3/ Página 39 O modelo além de diferente visualmente tem certas peculiaridades, o motor elétrico não necessita de marchas, ao acionar o acelerador gradativamente o motor se desenvolve normalmente, e se acionado completamente entrega toda a potência de forma quase que instantânea. Vejamos por exemplo dados do Chevrolet Bolt: 0 a 100 km/h em 7,5 segundos, retomada de 40 a 80 km/h em 2,8 s, 60 a 100 km/h em 3,6 s e de 80 a 120 km/h em 4,7 s. Vale lembrar que o Bolt é um hatch compacto sem pretensões esportivas. O funcionamento do veículo elétrico CC/CA, parte de um banco de baterias de corrente continua, energia essa que passa por um inversor, transformando energia continua em energia alternada que segue para o motor trifásico, que agora transforma a energia alternada em energia mecânica realizando força motriz para as rodas, sendo monitoradas por um controle central. Figura 32 – Funcionamento sistema carro elétrico. Fonte: http://www.biblioteca.pucminas.br/teses/EngMecanica_NoceT_1.pdf A indicação de seta apontando para os dois lados que se encontra entre as baterias e o inversor, o inversor e o motor trifásico, o motor trifásico e as rodas, indica que a energia ocorre em ambos os sentidos, ou seja, o banco de baterias fornece energia para movimentar o veículo e, na frenagem utiliza-se do sistema SREC, que faz o reaproveitamento de energia pelo sistema http://www.biblioteca.pucminas.br/teses/EngMecanica_NoceT_1.pdf Página 40 regenerativo, sendo assim, parte da energia cinética gerada pela frenagem é recuperada e retorna para o banco de baterias. Abastecer um carro elétrico custa hoje R$ 0,06 por quilômetro rodado na cidade de São Paulo. Isso significa que o consumidor gastará, na capital paulista, algo entre R$ 9 e R$ 12 para recarregar a bateria dos veículos, que possuem autonomia para rodar entre 160 a 200 quilômetros por carga. 2.3.1. Bateria e seu ciclo completo Os carros elétricos passam a fazer parte da cultura automobilística e com isso encontramos novos desafios, a fonte de energia prove de uma bateria, que por sua vez tem características próprias para seu uso e descarte. Utilizamos a bateria de íons de lítio para a maioria dos equipamentos que utilizamos que seja recarregável. E os VEB não ficaram de fora, além que essa bateria se destaca no quesito de armazenamento de energia por peso, em comparação as outras baterias recarregáveis. Figura 33 - Comparação de densidade gravimétrica e volumétrica de baterias recarregáveis. Fonte: (Energy Harvesting Tecnologies, 2008) . A utilização do carro elétrico traz junto a poluição, que deve de ser analisada no ciclo completo, o veículo elétrico não emite gases no escapamento, o carregamento dessas baterias nos apresenta riscos ao meio ambiente. Página 41 Tabela 2- Emissões por tipo de carro ciclo completo. Fonte: https://quatrorodas.abril.com.br/noticias/os-pros-e-contras-do-carro-eletrico/ Esse é um dos pontos mais controversos da chamada propulsão limpa, então a questão é: como será gerada a energia para abastecer os motores elétricos? No Brasil levamos vantagem neste ponto, pois nossa energia gerada vem de hidrelétricas, apesar de utilizar um recurso natural renovável e de custo zero que é a água, para sua construção ocorre grande desmatamento, provocando prejuízos a fauna e a flora. Segunda INEE: “Um carro de família percorre, em média, 20.000 km por ano. Se for um VEB (Veículo Elétrico a Bateria) consumirá, com a tecnologia atual, em média, 200 Wh/km, ou seja, terá uma demanda anual de eletricidade para transporte da mesma ordem de grandeza que para os demais usos. As baterias deste tipo de veículo acumulam cerca de 30 kW/h, ou seja, para carregar na rede de distribuição poderá demandar 8 horas com uma carga de 4 kW. Assim, se crescer a população de VEB haverá um fortíssimo impacto na rede de distribuição de energia elétrica”. Com o uso massivo de carros elétricos afetaria a demanda por energia elétrica sendo necessário grande investimento em infraestrutura na geração e distribuição. O descarte ou reciclagem dessas baterias, já é alvo de preocupação para o setor automobilístico, o destino das baterias dos carros elétricos será sem dúvida, um desfio para o setor nos próximos anos. Tal descarte não deve ser feito de maneira que as baterias tenham o destino do aterro sanitário, pois há grandes riscos de explosões devido ao material ainda contido nas mesmas, e o https://quatrorodas.abril.com.br/noticias/os-pros-e-contras-do-carro-eletrico/Página 42 desperdício da matéria prima (lítio) que por sua vez é proveniente de uma mineração suja e cara, que poderia ser reciclado e remontados em novos materiais, além de que essas baterias são muito maiores que as que utilizamos usualmente. Os carros de ciclo Otto atualmente utilizam uma bateria de aproximadamente 15 quilos, já os novos carros elétricos utilizam uma bateria de aproximadamente 400 quilos. Figura 34 – Baterias convencional veículos ciclo Otto. Fonte: https://revistacarro.com.br/entenda-como-funciona-e-como-escolher-a-bateria-do-carro/ Figura 35 – Célula de bateria veículos Bolt GM. Fonte: http://automoveiseletricos.blogspot.com/2016/ https://revistacarro.com.br/entenda-como-funciona-e-como-escolher-a-bateria-do-carro/ http://automoveiseletricos.blogspot.com/2016/ Página 43 2.3.2. Dificuldades de autonomia O grande entrave neste momento para a aquisição deste tipo de carros, é o seu preço e a sua autonomia, ainda muito limitada. Isso faz com que o carro elétrico se mantenha apenas nos centros urbanos e inviável para viagens. A autonomia implica diretamente no tamanho e capacidade da bateria utilizada. Já obtivemos diversos avanços na tecnologia e desenvolvimento das baterias, porém ainda não satisfatórios para a maioria dos consumidores e é algo de extrema importância, pois carro elétrico com grande autonomia é o que realmente interessa. Seu Desempenho ao ser aumentada, implica diretamente no seu custo. Assim, um range extender é uma ótima opção para minimização deste problema. 2.4. Introdução Range Extender BMW Para o modelo BMW I3 é comercializado como REx e é alimentado pelo mesmo motor de dois cilindros em linha de 647 CC da Kymco. O sistema foi concebido como um backup de emergência para estender o alcance para o próximo local de recarga, e não para viagens de longa distância. O mecanismo REx opera quando a capacidade da bateria cai para um nível pré- especificado, gerando eletricidade para estender o alcance. Seu funcionamento no veículo tem a funcionalidade de ser um gerador, assim abastecendo apenas as baterias e não realiza nenhum tipo de força motriz. Figura 36- Motor range extender BMW I3. Fonte: https://bmwi3germany.blogspot.com/2019/07/bmw-i3-rex-engine.html https://bmwi3germany.blogspot.com/2019/07/bmw-i3-rex-engine.html Página 44 3. Perdas geradas nos anéis de pistão Primeiramente se faz necessário obter o conhecimento de quais são as perdas geradas, para assim existir uma proposta coerente. E assim, saber onde devem ser aplicadas melhorias e onde não há espaço para tal. As perdas inerentes aos anéis de pistão são basicamente por atrito, já que estes vedam os cilindros do motor como um todo. Logo, será neste tipo de perde que haverá a maior atuação e propostas de ganho referente ao trabalho. O atual estágio do desenvolvimento de motores de combustão interna tem como principais linhas de trabalho: a redução de emissões poluentes, o aumento da potência específica e a redução do peso e do tamanho dos motores. Ou seja, com as melhorias propostas aos anéis de pistão, trará impacto positivo em todos os principais quesitos de melhorias do motor a combustão interna. Consequentemente viabilizando o projeto, seja por custo, emissões e desempenho em si. 3.1. Mapeamento do atrito no motor A perda por atrito de um motor a combustão interna pode ser medida com um ensaio especifico chamado Ensaio de Atrito Interno, que teoricamente só pode ser realizado com dinamômetro elétrico que permita acionar o motor de combustão desligado. Desta forma, com o acionamento do dinamômetro elétrico é possível mensurar quanto se perde por atrito. A eficiência mecânica neste trabalho é definida como a razão entre a potência efetiva e a potência indicada (BASSHUYSEN e SCHÄFER, 2004, p. 23). 𝑛𝑚 = 𝑝𝑒 𝑝𝑙 = 𝑛𝑒 𝑛𝑖 Pe: Potência efetiva Pi: Potência indicada ηe: Rendimento efetivo ηi: Rendimento indicado Página 45 Tendo a parte teórica calculada, conseguimos mapear onde a perda por atrito se situa entre as perdas de um motor a combustão interna. Figura 37- Distribuição energética do motor. Fonte: (FERNANDEZ. M. 2012, p. 41). Em teoria seria uma pequena perda mecânica (atrito). Porém os 8% de perda mecânica indicados na figura acima, é um resumo da perda geral de um motor a combustão interna. Como estamos tratando de um Range Extender, que funcionaria em rotação fixa, é necessário ir mais afundo no cálculo das perdas inerentes ao seu funcionamento. Além do próprio mapeamento e caracterização das perdas no motor a combustão interna, outro argumento que se faz totalmente plausível intervir na perda por atrito em um Ranger Extender é analisar os REx atualmente disponíveis no mercado. Como exemplo, pegamos novamente o motor REx da BMW: Potência: 34 cv (25 kW) @ 4300 rpm Torque: 5,61 kgf/m (55 Nm) @ 4300 rpm Nota-se que o maior rendimento do Range Extender da BMW vem em uma rotação elevada (4300rpm). https://pt.wikipedia.org/wiki/Cavalo-vapor https://pt.wikipedia.org/wiki/Quilowatt https://pt.wikipedia.org/wiki/Rpm https://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Quilograma-for%C3%A7a_metro&action=edit&redlink=1 https://pt.wikipedia.org/wiki/Newton-metro https://pt.wikipedia.org/wiki/Rpm Página 46 Figura 38- Distribuição de perdas do motor por rotação e carga. Fonte: (FERNANDEZ. M. 2012, p. 47). E o ponto de maior potência e torque do Range Extender BMW é exatamente onde há a tendência de aumento da perda por atrito no motor a combustão interna. (Alta RPM e baixa carga) O regime com maior potencial de melhoria é o de altas rotações e baixas cargas. (FERNANDEZ. M. 2012, p. 47). Página 47 4. Propostas para melhoras nos anéis de pistão 4.1. Designs A maneira da própria definição de qual anel de pistão será utilizado no projeto, começa por seu design em si. Como exemplificado anteriormente, existem diversos tipos de designs, cada um com sua característica e funcionalidade atrelada. Figura 39- Designs típicos de anéis. Fonte: https://www.chevyhardcore.com/tech-stories/engine/an-in-depth-conversation-on-piston-ring- technology-with-total-seal/ 4.1.1. Primeiro anel Começando pelo primeiro anel, o qual é mais submetido a altas pressões e temperaturas. Seu principal desafio, para ganho de performance como um todo, tem sido a diminuição de sua espessura. Motores de concepções mais antigas, como o motor VW AP (EA827), utilizavam um primeiro anel de 1.5mm. Já em motores de concepções mais recentes e disponíveis na rua, é bastante comum os anéis de 1,2mm e até mesmo 1mm. E em aplicações não de rua (Ex: NASCAR), se utilizam os primeiros anéis de 0,8mm. Teoricamente, reduzindo a espessura do anel também se reduz a fricção gerada. Porém os benefícios são ainda maiores. Uma espessura de anel especifica deve gerar uma determinada carga ou pressão estática contra a parede do cilindro, para ocorrer a vedação. Um anel mais espesso requer mais tensão radial devido a sua maior área de contato. Entretanto, reduzindo sua espessura, isso permite também reduzir a pressão radial para compensar a menor área de contato com a parede do cilindro. https://www.chevyhardcore.com/tech-stories/engine/an-in-depth-conversation-on-piston-ring-technology-with-total-seal/ https://www.chevyhardcore.com/tech-stories/engine/an-in-depth-conversation-on-piston-ring-technology-with-total-seal/ Página 48 Essa tendência para anéis de menor espessura também melhora a vedação do anel. Devido ao anel de menor espessura ter uma maior chance de se conformar em um cilindro que sob carga usualmente não é totalmente circular ou concêntrico. Algo bem comum nos dias de hoje,com outra tendência, que são os blocos de alumínio. Um ponto a ser levado em consideração é o tamanho do cilindro. Em motores com grande diâmetro de cilindro, pode haver uma insuficiência de espessura radial para manter uma tensão adequada sob altas pressões de combustão. O anel de menor espessura requer uma carga axial reduzida, logo a carga por cm² é similar ao anel de maior espessura. Logo, podemos concluir que o ponto ideal para uma melhora de desempenho no primeiro anel de um range extender no quesito design, é um primeiro anel de menor diâmetro e espessura e que trabalhe também num menor curso de cilindro. Assim impactando na maior perda que o anel de pistão traz para o motor a combustão interna, que é a perda mecânica (atrito). E como consequência gera menos calor (perda térmica), resultando em menores perdas como um todo no conjunto de anéis. 4.1.2. Segundo anel A tarefa do segundo anel, usualmente referido erroneamente como segundo anel de compressão, é uma “combinação” entre a tarefa do primeiro e o terceiro anel. O segundo anel controla o óleo que passou pelo terceiro anel, e ao mesmo tempo reduz o gás restante que passou pelo primeiro anel e iria para o cárter. Na verdade, em estudos recentes sugeriram que até 85% da função do segundo anel é controle de óleo, e apenas 15% é o controle de gás de combustão. Portando o segundo anel é essencial para raspar o excesso de óleo e permitir passar apenas o mínimo de óleo para a lubrificação do primeiro anel. Dito isto, o segundo anel ainda tem uma visão de função secundária em muitos desenvolvimentos de motores a combustão interna, e a atenção para seu design e usabilidade é muitas vezes deixada de lado. Diversos motores disponíveis na rua utilizam um segundo anel de desenho retangular, de aço e sem nenhum tratamento superficial. O que abre mais uma oportunidade de melhora, tratado neste tópico, focado no design. A grande vantagem do design Napier no segundo anel, comparado a um design simples, é sua habilidade de reter óleo debaixo de sua ponta. Isso garante que sempre haverá espaço para qualquer excesso de óleo fluir, e previne uma potencial pressão entre anéis que forçaria o óleo a Página 49 passar entre estes. Logo, um pistão de 3 anéis, com um segundo anel Napier sempre terá um melhor consumo de óleo que os outros designs. Figura 40- Comparação de um anel comum com um anel Napier. Fonte: https://cdm.ing.unimo.it/files/progetto_strutturale_del_motore/Dispense/4_Pistone_ppt.pdf 4.1.3. Terceiro anel Entre o típico pacote de 3 anéis de pistão, o anel de óleo cria a maior tensão/carga individual. Essa carga é aplicada de modo diferente, dependendo no design do anel. No anel de óleo 2 peças, a tensão é criada pela mola na parte interna do anel. Já no anel de óleo 3 peças, a tensão é criada pela peça central, chamada expansor. Nos motores a combustão interna ciclo Otto, é mais comum se utilizar o design 3 peças. No ciclo Diesel, majoritariamente se aplica o design 2 peças. Cada um com sua característica de funcionamento. No Range Extender, é utilizado um anel de óleo 3 peças. O formato e o perfil dos furos de dreno de óleo do expansor também estão mudando. A tendência aponta para drenos maiores e mais circulares. Os anéis de óleo mais antigos utilizavam https://cdm.ing.unimo.it/files/progetto_strutturale_del_motore/Dispense/4_Pistone_ppt.pdf Página 50 pequenos canais retangulares. “Se você pode ver através do dreno de óleo do terceiro anel, logo o óleo terá um retorno menos restritivo”. Figura 41- Modelos do terceiro anel. Fonte: https://egge.com/info/piston_ring_installation/ 4.2. Coatings (Coberturas) Um dos tratamentos utilizados no processo de fabricação dos anéis para os motores ciclo Otto é o tratamento superficial, assim podem alcançar os índices esperados, pois são submetidos a longos períodos de funcionamento e pressão. Na maior parte dos anéis são realizados tratamentos termoquímicos a uma camada em todo perímetro da secção transversal. As seleções de cobertura são baseadas nas propriedades necessárias do revestimento. Nos revestimentos de anel de pistão, a compatibilidade entre o revestimento de anel e o material do cilindro é o principal ponto a ser analisado. https://egge.com/info/piston_ring_installation/ Página 51 4.2.1. Cromo Coberturas pulverizadas por plasma fornecem uma ampla gama de composições que podem ser usadas no projeto de revestimento do anel de pistão. Qualquer material que não sublime ou se decomponha no plasma pode ser pulverizado. Isso inclui metais, ligas metálicas, óxidos e alguns não-metálicos. Os constituintes podem ser agregados ou misturas secas. Devido às suas propriedades anti-soldagem, além de uma boa resistência, é uma prática comum melhorar a resistência do revestimento adicionando NiCr ou CrNiSiB. A fase dura é fornecida pela adição de carbonetos ou óxidos. A eliminação das arestas de ferro fundido evita a possibilidade de ocorrências de scuffing em situações extremas de temperatura. E além de sua boa durabilidade já comprovada, o cromo é sempre uma opção quando se trata de custos. Figura 42 – Anel com revestimento de Cromo. Fonte: http://www.federalmogul.com/en-US/OE/Markets/Pages/Product- Details.aspx?ApplicationId=78&CategoryId=39&ProductId=692 Materiais pulverizados com plasma têm resistência e ductilidade suficientes para serem pulverizados no anel por inteiro. A pulverização total da face elimina as arestas de ferro fundido e, ao mesmo tempo, minimiza a possibilidade de oxidação, eliminando cantos e fendas onde a oxidação e a erosão do metal base começam. http://www.federalmogul.com/en-US/OE/Markets/Pages/Product-Details.aspx?ApplicationId=78&CategoryId=39&ProductId=692 http://www.federalmogul.com/en-US/OE/Markets/Pages/Product-Details.aspx?ApplicationId=78&CategoryId=39&ProductId=692 Página 52 4.2.2. PVD PVD significa Physical Vapor Deposition (Deposição Física a Vapor). O revestimento PVD se refere a uma variedade de técnicas de deposição de filmes finos em que um material sólido é vaporizado em um ambiente de vácuo e depositado em substratos como um revestimento de composição pura de material ou liga. Como o processo transfere o material de revestimento como um único átomo ou no nível molecular, ele pode fornecer revestimentos extremamente puros e de alto desempenho que, para muitas aplicações, podem ser preferíveis a outros métodos. No coração de todos os microchips e dispositivos semicondutores, películas protetoras duráveis, lentes óticas, painéis solares e muitos dispositivos médicos, os Coatings PVD fornecem atributos cruciais de desempenho para o produto final. Se o revestimento precisa ser extremamente fino, puro, durável ou limpo, a escolha do PVD se faz válida. Figura 43 – Revestimento de PVD. Fonte: http://npr-europe.com/24-1-technical-re.. Geralmente os Coatings PVD são depositados sobre uma camada base de outro substrato, podendo ser sobre o nitretado e até mesmo o próprio cromo. Desse modo, mesmo que o PVD se desgaste, ainda há uma boa camada de substrato abaixo, aumentando muito a vida útil do componente. http://npr-europe.com/24-1-technical-re.. Página 53 4.2.3. DLC O revestimento DLC significa Diamond-Like Carbon (“Carbono tipo diamante”), que é um revestimento de carbono semelhante ao diamante e é um nanocompósito que possui propriedades únicas do diamante natural de baixa fricção, alta dureza e alta resistência à corrosão. Nada mais é que um revestimento PVD, porém com um carbono com a dureza comparável à de um diamante. Figura 44 – Revestimento de DLC. Fonte: https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=11588 Suas caracteristicas compoem de altadureza, baixo coeficiente de friccção (0,02 – 0,15), alta resistencia a corrosão, boa aderência ao substrato e auto-lubrificação em situações secas. Todas essas vantagens oferecidas pelo DLC se encaixam perfeitamente nas melhorias que um anel de pistão precisa em um motor a combustão, podendo ser utilizado livremente nestes componentes. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=11588 Página 54 Figura 45 - Fricção gerada em cada coating. Fonte: (HERBST e LARSSON, 2017, p. 277). Figura 46 – Propriedade de fricção com velocidade crescente. Fonte: http://www.sfplayers.com/blog/dlcPapers/Kano_2006_Tribology-International.pdf http://www.sfplayers.com/blog/dlcPapers/Kano_2006_Tribology-International.pdf Página 55 5. Conclusão Tendo em vista o que foi apresentado neste estudo, concluímos que a eletrificação, principalmente no Brasil, ainda caminha a passos pequenos por diversos fatores tangentes a este assunto. Logo, a popularização de carros elétricos com a alternativa de um Range Extender se faz totalmente plausível em nosso mercado. Porém, por ser ainda pouco difundido, se apresenta como qualquer tecnologia em seu ínicio de desenvolvimento. Neste estudo, buscamos mostrar quais os pontos fracos dos Ranger Extender atuais, e apresentar soluções baseadas em quesitos de designs e coberturas, disponíveis ao longo do trabalho. Não existe uma receita perfeita para a melhoria de cada um dos atuais 3 anéis de pistão, porém com o estudo aqui apresentado, provamos flexibilizar e abrimos o leque de melhorias, principalmente na carga e rotação que um motor Range Extender atua. Assim se fazendo uma intervenção válida e com impacto no ponto fraco atual, que é a utilização de um pacote de anéis padrão de um motor de combustão interna para a aplicação em um motor Range Extender, que tem finalidades e funcionalidades diferentes no quesito carga e rotação. Assim concluímos que a melhoria do pacote de anéis para um motor Range Extender, traz mais que apenas benefícios em sua própria aplicação, mas também traz benefícios em sentido a melhoria, e logo a viabilidade. Figura 47 - Influência da redução de atrito no consumo de combustível para um motor a 2000 Rpm. Fonte: (BASSHUYSEN e SCHÄFER, 2004, p. 293). Página 56 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ABESCO. Desafio para a reciclagem de baterias de carro elétrico. 2017. Disponível Em:< http://www.abesco.com.br/novidade/desafio-para-reciclagem-de-baterias-do-carro- eletrico/>Acesso em: 11 set. 2019. AGRALA, Lucas. Este carro elétrico brasileiro roda 200 km com apenas R$8 de energia. 2019. Disponível em:<https://exame.abril.com.br/tecnologia/este-carro-eletrico-brasileiro-roda- 200-km-com-apenas-r-8-de-energia/>Acesso em: 11 set. 2019. BELLI, Milton. Motores a combustão interna, uma Breve História. 2013. 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