Dissertação Mestrado em Engenharia Automóvel Tecnologias de Última Geração em Motores de Ignição Comandada para Automóveis Manuel Álvaro Martins Lopes Pombo Leiria, setembro de 2018 Dissertação Mestrado em Engenharia Automóvel Tecnologias de Última Geração em Motores de Ignição Comandada para Automóveis Manuel Álvaro Martins Lopes Pombo Dissertação de Mestrado realizada sob a orientação do Doutor Helder Manuel Ferreira Santos, Professor da Escola Superior de Tecnologia e Gestão do Instituto Politécnico de Leiria. Leiria, setembro de 2018 Esta página foi intencionalmente deixada em branco ii Homenagem Presto aqui homenagem a personalidades para mim marcantes, no que respeita ao tema “Motores Térmicos”. Em primeiro lugar: Pessoas que tive o privilégio de conhecer pessoalmente, enquanto meus professores, no Instituto Superior Técnico (IST), onde concluí a Licenciatura (pré-Bolonha) em Engenharia Mecânica, em 1982. Para além dos conhecimentos que me transmitiram, marcaram pela personalidade e forma de estar, notáveis: - Professor Engenheiro Francisco de Almeida e Castro (1919 - 2007) – Meu professor em 1981, na cadeira de Motores Térmicos, do 5º ano. Para além de professor no IST, foi Engenheiro na CP, onde, nos anos 50, esteve ligado ao arranque e desenvolvimento da chamada Dieselização. Na CP, ascendeu progressivamente na hierarquia, até chegar a membro do Conselho de Gerência. No IST, foi jubilado em 1989, como Professor Associado. - Professor Doutor Engenheiro José Miguel Carrusca Mendes Lopes (1954 - 2013) – Meu professor em 1979, na cadeira de Termodinâmica II, do 3º ano. Lecionou mais tarde a cadeira de Motores Térmicos, após o Professor Almeida e Castro ter sido jubilado. Fomos mantendo contacto, a propósito dos motores térmicos, até ao seu desaparecimento precoce, em 2013. Em segundo lugar: Pessoas que não conheci pessoalmente, mas cuja obra – motores projetados ou desenvolvimento de motores – captou a minha atenção e exerceu fascínio, ao longo dos anos: Harold Arminius Miller, Harry Ricardo, Frederick Offenhauser, Walter Owen Bentley, Vittorio Jano, Harry Weslake, Gioacchino Colombo, Ludwig Apfelbeck, Walter Hassan, Tadeusz "Tadek" Marek, Harry Mundy, Aurelio Lampredi, Franco Rocchi, Carlo Chiti, Hans Mezger, Georges Martin, Tadashi Kume, Keith Duckworth, Paul Rosche, Mauro Forghieri, Brian Hart, Gordon Blair e Mario Illien. Manuel Pombo “(…) many adjectives supporting the words Engine Designer came to my mind: thrill, insight, stimulation, to name a few.” Alec Osborn MBE, à data Presidente do Institution of Mechanical Engineers (IMechE), Londres, 2006, in Tales of an Engine Designer iii Esta página foi intencionalmente deixada em branco iv Agradecimentos Estou muitíssimo agradecido ao Professor Doutor Engenheiro Helder Manuel Ferreira dos Santos, pelos conhecimentos e ânimo que me transmitiu, orientação, sugestões e paciente revisão do trabalho que aqui apresento. Desejo igualmente expressar o meu agradecimento à minha querida família, isto é, à minha mulher Cristina e aos meus filhos Inês e Duarte, pelo encorajamento e apoio que me deram e pela privação de tempo e atenção a que foram sujeitos, ao longo da frequência do Mestrado e realização deste trabalho de dissertação. Devo, no entanto, um agradecimento especial à minha filha Inês, pelo redobrado apoio que deu, entusiamo que comunicou, e até companhia que me fez em horas de estudo e deslocações a Leiria. A todas estas pessoas, MUITO OBRIGADO! Manuel Pombo Carcavelos, setembro de 2018. v Esta página foi intencionalmente deixada em branco vi Resumo A presente dissertação tem por objetivo descrever, analisar e avaliar as tecnologias mais recentes, ou em desenvolvimento, que integram ou se destinam a integrar, no futuro próximo, motores de combustão interna de ignição comandada (MCI-IC), para utilização em veículos automóveis. Estas tecnologias “servem” as estratégias que procuram o aumento de eficiência e a redução no impacto ambiental, proporcionando simultaneamente maior segurança, mais conforto e maior satisfação na utilização. Entre as estratégias abordadas incluem-se a redução de dimensão e de velocidade e a correção de dimensão (mais conhecidas pelas respetivas designações anglo-saxónicas, downsizing, downspeeding e rightsizing), a redução de perdas de bombagem, a redução das perdas por atrito, a utilização de ciclos termodinâmicos avançados (e.g. Miller / Atkinson), a variação da taxa de compressão, a recuperação de energia dos gases de escape, o pós- tratamento dos gases de escape, a hibridização, a gestão térmica e a utilização de combustíveis alternativos. Entre as tecnologias que permitem a implementação daquelas estratégias, consideram-se as inerentes a distribuição e válvulas, sobrealimentação, injeção de combustível, ignição, variação da taxa de compressão, desativação de cilindros, gestão térmica e hibridização. Para estas tecnologias, apresentam-se e discutem-se os respetivos impactos, vantagens, eficácia e custos, face aos objetivos e fatores determinantes. A análise efetuada permitiu verificar que as tecnologias de “última geração” para MCI-IC se encontram em diferentes estágios de desenvolvimento / implementação, nomeadamente: i) em investigação e desenvolvimento; ii) em nichos de mercado (competição e / ou veículos sofisticados); iii) em produção em massa para o mercado. Palavras-chave: motor de ignição comandada, rendimento, desempenho, emissões, estratégias, tecnologias vii Esta página foi intencionalmente deixada em branco viii Abstract The purpose of this dissertation is to describe, analyze and evaluate the most recent or developing technologies that integrate or are intended to integrate, in the near future, spark- ignition (SI) internal combustion engines (ICE) for automotive vehicle applications. These technologies "serve" strategies that seek to increase efficiency and reduce environmental impact, while providing greater safety, more comfort and greater satisfaction to the user. The addressed strategies include the so-called downsizing, downspeeding and rightsizing, the reduction of pumping losses, the reduction of friction losses, the use of advanced thermodynamic cycles (e.g. Miller / Atkinson), the variation of compression ratio, the recovery of exhaust gas energy, the exhaust gas aftertreatment, the hybridization, the thermal management and the use of alternative fuels. Among the technologies that allow the implementation of these strategies it will be considered those concerning valve train, supercharging, fuel injection, ignition, variable compression ratio, cylinder deactivation, thermal management and hybridization. For these technologies, their impact, advantages, effectiveness and cost are presented and discussed, in relation to the objectives and determinant factors. The analysis allowed to verify that the “last generation” technologies for ICE-SI, are at different development / implementation stages, specifically: i) in research and development; ii) in niche market (racecar and / or upper class vehicles); iii) market mass production. Keywords: spark-ignition engine, efficiency, performance, emissions, strategies, technologies ix Esta página foi intencionalmente deixada em branco x Lista de figuras Pág. Figura 1.1: Previsão de vendas de veículos ligeiros de passageiros, a nível mundial, por tipo de motorização, até 2050. Reproduzido de IEA (2015). 3 Figura 1.2: Esquematização do processo de abordagem seguido no presente trabalho. 5 Figura 2.1: Diagrama P-V para o ciclo Seiliger. Reproduzido de Ferguson e Kirkpatrick (2016). 9 Figura 2.2: Esquema do mecanismo pistão-bielas-cambota do motor de James Atkinson, tal como representado no registo de patente Norte Americana, Atkinson (1887). 9 Figura 2.3: Diagrama P-V esquemático do ciclo Atkinson. Reproduzido de Stone (1999). 10 Figura 2.4: Digrama P-V esquemático do Ciclo Miller. Reproduzido de Ferguson e Kirkpatrick (2016). 11 Figura 2.5: Razão entre os rendimentos térmicos dos ciclos Miller e Otto, em função da razão entre taxas de expansão e de compressão, para as mesmas taxas de compressão, com valores de 8, 10 e 12, Q2-3/P1V1 = 30 e γ = 1,3. Reproduzido de Ferguson e Kirkpatrick (2016). 12 Figura 2.6: Razão entre as pressões médias efetivas do ciclo Miller e do ciclo Otto, em função da razão entre taxas de expansão e de compressão, para as mesmas taxas de compressão, com valores de 8, 10 e 12, Q2- 3/P1V1 = 30 e γ = 1,3. Reproduzido de Ferguson e Kirkpatrick (2016). 12 Figura 2.7: Diagrama qualitativo representando efeitos que condicionam a eficiência volumétrica. Adaptado de Mendes-Lopes (2003), citando Matsuoka et al. (1971). 16 Figura 2.8: Comparação de curvas de Pme ao freio, em situação de abertura máxima da válvula de controlo de admissão, de dois motores de automóvel, de volume varrido diferente, em função da velocidade média do pistão. Reproduzido de Ferguson e Kirkpatrick (2016). 18 Figura 2.9: Rendimento de conversão da energia química do combustível em energia térmica, em função de λ. Adaptado de Merker et al. (2012). 20 Figura 2.10: Variação da potência e do consumo específico, em função do coeficiente de excesso de ar, λ, em condições de mistura ar- combustível homogénea, para motores a gasolina. Reproduzido de Hofmann et al. (2015). 21 Figura 2.11: Variação das emissões não tratadas de CO, HC e NOx, em função do coeficiente de excesso de ar, λ, em condições de mistura ar- combustível homogénea, para motores a gasolina. Reproduzido de Hofmann et al. (2015). 21 xi Figura 2.12: Previsão da produção anual de eletricidade por fonte de energia, até 2040. Milhares de