Sub-resfriamento do ar de admissão – resfriamento do ar de admissão baseado em gás refrigerante para uma melhor dinâmica de condução

A MAHLE já apresentou o arrefecimento indireto do ar de admissão, e também o arrefecimento indireto em cascata, dois métodos para resfriar o ar de admissão de forma tão eficaz quanto possível. A temperatura que pode ser atingida por meio deles é fisicamente limitada, permanecendo acima da temperatura ambiente. Pela primeira vez Interligando os circuitos de refrigerante líquido e gás refrigerante ao sistema de arrefecimento do ar de admissão, a MAHLE quebra essa barreira e agora consegue uma melhoria substancial na dinâmica do veículo sem afetar o conforto dos passageiros e sem aumentar o consumo de combustível.

O ar de admissão aquecido devido à compressão tem diversas desvantagens para a combustão: maior suscetibilidade à detonação, maior formação de óxido de nitrogênio e, de forma geral, uma maior carga térmica sobre os componentes do motor. A densidade do ar também cai na medida que a temperatura aumenta, reduzindo assim a quantidade máxima de oxigênio admitida na câmera de combustão. Dobrar a pressão de alimentação a partir de um ponto inicial de 1 bar e 25ºC leva a um aumento na densidade do ar de apenas 50%. Resfriar o ar de admissão a jusante para cerca de 15 K acima da temperatura ambiente aumenta a densidade em outros 40%. Sub-resfriar o ar de admissão, por exemplo, para 15 K abaixo da temperatura ambiente, poderia aumentar a densidade do ar de admissão em outros 21%, o que poderia corresponder a um aumento de 200 mbar na pressão de alimentação.

Geralmente, o circuito de ar condicionado de um veículo é projetado para resfriamento rápido quando as temperaturas externas são altas. Na sequência, ele é desacelerado e opera com um consumo de potência reduzido. Correspondentemente, depois do resfriamento inicial, há um excesso de capacidade, normalmente de até 4 kW. Como se sabe, a potência de saída do compressor é reduzida em resposta a súbitas mudanças de patamar na carga a fim de minimizar as perdas no trem de força. Graças à elevada inércia térmica do circuito de gás refrigerante, o condutor mal percebe qualquer mudança.

Ao invés disso, tal capacidade em excesso pode ser transferida para o sistema de sub-resfriamento do ar de admissão. Para isto, o novo duto de admissão iCAS (integrated Charge Air Subcooling, ou sub-resfriamento integrado do ar de admissão) da MAHLE é conectado em paralelo com o evaporador do ar condicionado através de um resfriador (trocador de calor gás/líquido refrigerante) com uma válvula de expansão. O resfriador alimenta o trocador de calor integrado – o sub-resfriador do ar de admissão – com líquido refrigerante “subresfriado”. Uma válvula de bypass permite trocar entre a função de sub-resfriamento e o arrefecimento direto regular do ar de admissão.

O sistema iCAS da MAHLE tem sido testado em bancada com um motor turbocomprimido de 3 cilindros 1.0 L a gasolina, operando em regime constante, com uma temperatura do ar de admissão de 10 oC. As medidas indicam uma melhora no torque entre 16 e 19% na extremidade inferior (entre 1.100 e 1.300 rpm), em comparação com uma temperatura do ar de admissão de 40ºC. A pressão de alimentação pode, assim, ser reduzida em 200 mbar e o ângulo de ignição otimizado para eficiência, avançando 3º a 4º CA.

Quando se avalia o consumo de combustível, entretanto, o consumo adicional de potência devido ao compressor do ar-condicionado deve também ser considerado. As condições climáticas, em particular, afetarão o benefício real com relação à responsividade e à economia de combustível. As medidas mostram que, a uma temperatura ambiente de 25ºC e umidade relativa de 50%, o consumo de potência do compressor do ar-condicionado devido ao iCAS é cerca de 0,85 kW (sub-resfriamento de 30 K) e, assim, menor que um quarto da potência ganha graças ao sistema iCAS (a 1.300 rpm).

Com um desenho otimizado e uma “estratégia de carga” adequada, a relação pode ser melhorada ainda mais: ao mesmo tempo em que o iCAS é regenerativamente condicionado durante a fases de frenagem, o consumo de potência do compressor do ar-condicionado pode ser desacoplado do iCAS no momento certo. A melhoria de desempenho a 1.300 rpm graças ao iCAS pode, então, ser ampliada para acima de 22%.

O iCAS MAHLE foi instalado em um veículo de demonstração compacto a fim de verificar a melhoria na dinâmica e de testar a estratégia de carga baseada, por exemplo, em uma estratégia de recuperação de energia da frenagem. Em um primeiro teste realizado à temperatura ambiente de 30ºC (800 W/m2 de carga solar) e umidade do ar em 50%, foi simulada uma aceleração de 30 km/h para 50 km/h em quarta marcha em um túnel de vento climático. Com o iCAS carregado e o compressor desacoplado, o veículo atinge a velocidade final 0,7 segundos mais cedo que com a variante sem o iCAS. Ao mesmo tempo, a pressão de alimentação requerida é atingida significativamente mais cedo.

Especificamente para demonstrar o potencial de recuperação da energia de frenagem por meio do compressor do ar-condicionado e, assim, fornecer energia ao iCAS, um perfil de condução hipotético foi simulado no túnel de vento climático. O veículo acelerou de uma velocidade constante de 30 km/h para 130 km/h. Depois de operar estabilizado nesta velocidade, o veículo freou novamente para 30 km/h. Os resultados deste teste mostram que a energia recuperada por meio do compressor completamente acoplado do ar-condicionado durante desaceleração de frenagem moderada de -2m/s2 pode compensar a energia consumida pelo sistema iCAS durante a fase de aceleração. Em acelerações mais intensas ou em desacelerações mais curtas e intensas, devidas a frenagem, por exemplo, esta energia pode ser apenas parcialmente compensada. Entretanto, o teste demonstra que é possível e benéfico condicionar o iCAS por meio de energia recuperada de frenagem, mesmo em um ciclo NEDC ou WLPT.

Um dos requisitos fundamentais para a aceitação do iCAS é que o conforto dos passageiros não seja perceptivelmente afetado pelo sistema. Neste sentido, os controles para ambos os sistemas – ar condicionado e resfriamento do ar de admissão – devem ser estreitamente coordenados.

Quando, entretanto, é requerido um resfriamento máximo, para altas temperaturas ambiente e interna, o evaporador interno tem prioridade sobre o iCAS. Somente quando a temperatura requerida de descarga do sistema HVAC foi atingida é que o resfriador do iCAS pode ser rapidamente acoplado para evitar qualquer influência negativa na temperatura do evaporador. Subsequentemente, o resfriador é repetidamente acoplado, dependendo da temperatura de descarga. Isto mantém a variação da temperatura do evaporador na faixa de ±3ºC, sendo imperceptível para o condutor, ao mesmo tempo em que também carrega completamente o sistema iCAS dentro de 2 a 4 minutos durante a fase de resfriamento. Até lá, ambos os circuitos atingiram suas respectivas temperaturas alvo. O compressor do ar-condicionado pode agora desacelerado a fim de manter a temperatura interna.

Nesta condição controlada de operação, a MAHLE usa a inércia térmica do circuito de gás refrigerante a fim de harmonizar os diferentes requisitos do iCAS e do ar-condicionado: por um lado, o resfriamento constante do interior do veículo; por outro, o consumo de potência do sistema de arrefecimentos iCAS, que depende da potência de acionamento presentemente requerida. Graças à inércia térmica, o compressor do ar condicionado pode ser desacoplado do circuito do gás refrigerante por cerca de 15 a 20 segundos sem mudança perceptível no ar condicionado do interior do veículo. Normalmente, este período é suficiente para carregar o iCAS em um clima típico da Europa Central.

Interligando os anteriormente independentes sistemas de ar condicionado e arrefecimento do motor, a MAHLE conseguiu melhorar ainda mais o desempenho de motores a gasolina turbocomprimidos. A dirigibilidade a baixas velocidades, em particular, também conhecida como torque na extremidade inferior, pode ser bastante aprimorada. A eficiência do combustível é aumentada utilizando-se a energia excedente do sistema do ar condicionado. Apesar do aumento de potência, o sistema iCAS não leva ao aumento do consumo de combustível, especialmente graças ao potencial para pre-condicionamento recuperativo durante as fases de frenagem. E o conforto decorrente do ar condicionado no interior do veículo não é perceptivelmente afetado.

Os sistemas de controle climático e arrefecimento do motor são interligados para melhorar ainda mais o desempenho dos motores a gasolina turbocomprimidos sem comprometer o conforto dos passageiros.

O torque no extremo inferior de velocidade, em particular, é bastante melhorado, bem como a eficiência do combustível.

O pre-condicionamento recuperativo durante as fases de frenagem aumenta especialmente o desempenho do sistema.