A sobrealimentação é extremamente importante no MCI, dado que aumenta a massa de ar que entra em cada ciclo motor, e com isso o binário, a potência e a pressão média efectiva do motor, ao mesmo tempo que diminui, para uma potência equivalente, as dimensões e massa do motor e reduz a emissão de partículas dos motores Diesel, essencial para o cumprimento das exigências de emissões de gases [19, 140]. A implementação da sobrealimentação nos motores a ignição comandada é bastante limitada, devido ao aparecimento do «knock», fenómeno que obriga à diminuição da taxa de compressão e, consequentemente, do rendimento do motor [140].
O turbo-compressor é o sobrealimentador mais utilizado, sendo utilizado na quase totalidade dos motores Diesel. É constítuido por uma turbina que retira potência aos gases de escape, fornecendo-a aos gases de admissão, comprimindo-os [140]. Ao utilizar a energia cinética dos gases de escape para fazer girar uma turbina solidária com o compressor, é possível comprimir o ar de admissão e, consequentemente, aumentar a massa de ar que entra no motor a cada ciclo.
Geralmente, os turbo-compressores são utilizados em conjunto com um sistema de arrefecimento do ar de sobrealimentação, vulgarmente conhecido como intercooler (ou CAC), que ao reduzirem a temperatura do ar de entrada, aumentam a sua massa específica, permitindo a introdução de ainda mais massa de ar e de combustível na câmara de combustão. Um sistema deste tipo é apresentado na figura 31 [150].
Algumas das desvantagens destes sistemas mais simples prendem-se com o “turbo lag”, que é o tempo que decorre entre o pressionar do acelerador e o aumento de potência devido ao turbo-compressor. Isto é, existe um atraso na resposta às variações de velocidade do motor, especialmente a baixas rotações, dado o menor fluxo de ar de admissão, que por sua vez gerará menos gases de escape para impulsionar a turbina, que terão que vencer a inércia do turbo-compressor [19]. Esta resposta desajustada às variações de carga do motor – boa a altas rotações e má a baixas rotações – resulta numa perda de rendimento global. Por conseguinte, existe a necessidade da optimização destes sistemas [16].
Por forma a solucionar estes aspectos surgiram dois desenvolvimentos com especial relevância: as turbinas de geometria variável (VGT) e o turbo-compressor de duplo estágio. As turbinas de geometria variável procuram reunir o melhor de dois tipos de turbinas, as de elevado rácio área/raio (indicadas para elevadas rotações) e as de baixo rácio (indicadas para baixas rotações). Ao utilizarem palhetas que se movem solidárias com um anel que é movido por um actuador linear conseguem alterar a geometria da turbina; a baixas rotações (menor fluxo de ar), as palhetas são parcialmente fechadas diminuem a área de passagem do ar, o que aumenta a velocidade do ar e a altas rotações abrem mais, aumentando a área de passagem do ar, por forma a permitir um maior fluxo de ar a elevada velocidade (figura 32 [151]).
1 – Admissão de ar à pressão ambiente no compressor 2 – Descarga de ar comprimido 3 – Intercooler (CAC) 4 – Válvula de admissão 5 – Válvula de escape 6 – Admissão de ar na turbina 7 – Descarga de ar da turbina
O turbo-compressor de duplo estágio (figura 33 [152]) consiste basicamente em dois turbo-compressores de diferentes dimensões montados em série; a turbina menor, de alta pressão, responde a baixas rotações e a maior, de baixa pressão, a altas rotações [153]. Para gerir o regime de operação das duas turbinas, o sistema utiliza uma válvula de bypass, que direcciona o fluxo de gases de escape para as turbinas conforme a velocidade e carga do motor. A baixa velocidade do motor (até cerca de 1500 rpm) e plena carga, a válvula de bypass da turbina está praticamente fechada, para permitir a passagem dos gases de escape por ambos os estágios das turbinas, sendo o ar comprimido em dois estágios no lado do compressor. À medida que a velocidade aumenta, a válvula de bypass direcciona cada vez maior caudal de gases de escape para a turbina de baixa pressão, até que, por volta das 2800 rpm, a válvula de bypass encontra-se totalmente aberta e a turbina de baixa pressão assume totalmente o controlo da operação, reduzindo as perdas de rendimento do sistema [152, 154].
As principais vantagens dos turbo-compressores de duplo estágio face aos de estágio único são: maiores potências de saída devido ao maior rácio de pressão; maior eficiência a baixas rotações mesmo em condições limite como a altitude elevada e temperaturas extremas; minimização do “turbo lag”.
As principais desvantagens são: maior peso e dimensão, maior complexidade, maior número de actuadores necessário e um sistema de controlo (válvulas) mais complexo [152].
4.5. Sumário
A crise petrolífera de 1973 despoletou a procura de tecnologias que maximizassem o rendimento do MCI. No entanto, a descida dos preços de combustível durante a década de 80 causaram a estagnação da investigação nesta área. Contudo, a recente escalada dos preços de combustível e restrições nas emissões gasosas, provocaram um interesse renovado nesta área, como se pode verificar pelo financiamento destas iniciativas por parte de grandes construtoras de motores como a Honda, Toyota, Wartsila, BMW e Volvo [2, 130, 144, 155-157].
Mais ainda, estes sistemas estão a tornar-se cada vez mais viáveis, devido principalmente à evolução tecnológica dos expansores [158] e permutadores de calor [2], bem como à utilização de novos fluidos. Historicamente, a maioria dos investigadores prefere o ORC em detrimento das demais tecnologias, porque oferecem o melhor compromisso entre simplicidade, custo e rendimento. De realçar que não existe uma configuração única ideal para um sistema ORC de aproveitamento de calor residual num MCI. Deverá ser conduzida uma análise termo-económica do sistema; uma análise termodinâmica visando maximizar o aproveitamento de calor de uma fonte térmica específica e uma análise económica do sistema avaliando diferentes configurações (regeneração, pré-aquecimento, etc.).
O factor determinante na implementação em automóveis é o volume ocupado, ou mais propriamente, as dimensões de atravancamento do sistema e, portanto, deverão ser determinadas antes da selecção do ciclo termodinâmico. Por conseguinte, fluidos com elevada massa molecular e permutadores de calor compactos são desejáveis. Estudos indicam que a fonte térmica mais atractiva é a dos gases de escape devido à sua maior exergia; no entanto, pré-aquecer o fluido operante com calor residual do sistema de arrefecimento do motor pode também ser desejável [146, 159].
Relativamente ao tipo de motor mais atractivo, os motores de ignição comandada, tomam a dianteira, em virtude da maior temperatura dos gases de escape e, consequentemente, maior exergia. Há a considerar também que nestes motores, não havendo frequentemente sobrealimentação, isto é, não sendo retirada potência dos gases de escape para comprimir os gases de admissão, torna-se ainda mais premente a utilização de um sistema de aproveitamento de calor residual. Tal sistema apresentará um maior potencial de recuperação, dado que o fluxo dos gases de escape apresenta maior temperatura e maior potência disponível [147].
Os modelos computacionais diferem da realidade, dado que, frequentemente negligenciam os efeitos combinados da transferência de calor para o ambiente, das perdas mecânicas e nas perdas de potências associadas à contrapressão no escape por via da instalação do permutador de calor (1.5-2.5% para cargas elevadas e 0.2-0.5% para cargas baixas) [4]. Em média, as simulações mais optimistas apontam rendimentos do ORC na ordem dos 15-20%, enquanto as expectativas reais recaem na gama dos 7-10%. Portanto, dado que a melhoria de rendimento é similar à fracção de calor residual aproveitado, uma economia de 10% no consumo de combustível é atingível.
Para além disto, as pesquisas apontam que um ORC optimizado para um sistema automóvel teria um tempo de retorno relativamente curto (aproximadamente 2-5 anos), dependendo da distância anual percorrida e do custo de combustível [141].
Por último, há a referir os novos desenvolvimentos principalmente na área dos nanofluidos, com vantagens na redução das dimensões do “radiador” e do motor, o que consequentemente, reduz a área frontal e peso do veículo, traduzindo-se numa economia de combustível. A incorporação de outros dispositivos ao sistema ORC pode ser equacionada, nomeadamente os TEGs [139], resultando num maior rendimento global, mas deve ter-se presente a relação custo/benefício associada.