Arrefecimento integrado cascateado do ar de admissão

Aumentar a potência específica em um motor turbocomprimido de deslocamento reduzido é uma forma comum de se conseguir baixos valores de consumo e emissões sem sacrificar o desempenho. Entretanto, o processo de combustão, o motor e seus componentes, além dos periféricos do motor, ficam sujeitos a efeitos importantes. O esforço tecnológico aumenta na mesma medida que aumentam as cargas térmicas e mecânicas.

Pressões cada vez maiores do ar de admissão e suas crescentes temperaturas associadas, além das regulações mais restritivas, requerem sistemas de arrefecimento mais eficientes, que permitam maiores reduções na temperatura do ar de admissão. Recentemente, a MAHLE desenvolveu e apresentou o arrefecimento integrado cascateado do ar de admissão no módulo de entrada de ar para motores a gasolina. O sistema resfria o ar de admissão em dois estágios: primeiro, por meio do circuito refrigerante de alta temperatura do motor e, então, por meio do circuito de baixa temperatura para o arrefecimento indireto do ar de admissão. Resultados de testes em motores demostraram que o arrefecimento cascateado do ar de admissão é um “habilitador” para novos passos de downsizing e níveis mais altos de turbocompressão. As desvantagens atualmente associadas com altos níveis de turbocompressão (tais como ignição retardada, enriquecimento na curva de carga-plena) são eliminadas graças ao arrefecimento integrado do ar de admissão que, mais frio, encaminha a causa-raiz, ou seja, as condições de combustão, tornando assim desnecessárias novas medidas a jusante. Ele também proporciona maior liberdade para a seleção da taxa de compressão. Isto resulta em economias no consumo nas faixas de carga relevantes para o ciclo.

Motivado pelos resultados positivos, o próximo passo foi investigar o potencial do arrefecimento integrado cascateado do ar de admissão no motor diesel. Testes em motores mostraram que a redução das temperaturas do ar de admissão também proporciona vantagens fundamentais para motores diesel. Sob carga parcial, as emissões foram reduzidas, enquanto que, a carga plena, o efeito pode ser usado tanto para reduzir o consumo do combustível a uma potência de saída constante ou, inversamente, para aumentar o desempenho a uma taxa de consumo constante. Além disso, a maior massa de fluxo do ar aumenta a velocidade do compressor e, assim, melhora a responsividade do motor.

As vantagens identificadas pela MAHLE na bancada de testes devem ser classificadas de acordo com sua factibilidade e com o esforço requerido. Assumindo uma base inicial de arrefecimento direto do ar de admissão, a conversão para uma solução indireta, integrada ao módulo de entrada do ar, oferece um enorme potencial devido à maior capacidade de arrefecimento e à habilidade de regular a capacidade de arrefecimento. As perdas de pressão no trajeto do ar para esta variante também são significativamente reduzidas.

O arrefecimento cascateado do ar de admissão, também integrado no módulo de entrada do ar, proporciona aumentos ainda maiores na capacidade de arrefecimento, além de completa flexibilidade de controle. Esta abordagem é necessária se a dissipação de calor do circuito de baixa temperatura se torna insuficiente.

Todas as vantagens obtidas a partir de medições realizadas em testes de bancada sob carga total e parcial podem ser implementados no veículo: os benefícios relacionados às emissões em carga parcial podem ser obtidos usando-se um arrefecimento indireto integrado do ar de admissão de estágio simples convencional, ao mesmo tempo em que outros benefícios relacionados ao consumo sob carga plena requerem a variante cascateada. Isto foi confirmado através de simulações computadorizadas realizadas para circuitos de veículos para todas as variantes. Em ambos os casos, um pré-requisito é um radiador integral de baixa temperatura no front-end. Para o arrefecimento cascateado do ar de admissão, a capacidade do radiador de alta temperatura deve ser verificada. Esta reserva de potência foi suficiente para o motor testado e compensou a carga mediante o arrefecimento cascateado do ar de admissão, mesmo sob carga total, sem mudanças no projeto do radiador. Um aumento adicional na carga térmica do EGR paralelo em carga total requer que o radiador de alta temperatura seja ajustado. A gestão de condensados pode ser conduzida por meios simples devido à controlabilidade de ambas as variantes.

Devido aos bons resultados de emissões na operação a carga parcial, e também às economias de combustível a carga total, pode-se prever o aumento da fatia de mercado do uso do arrefecimento indireto integrado do ar de admissão tanto em motores gasolina como diesel. A médio prazo, o arrefecimento cascateado do ar de admissão, com diversos circuitos de arrefecimento ligados em série para se obter novas e significativas reduções nas temperaturas do ar de admissão, também terão crescente aplicação no mercado.