Análise numérica da implementação de um turbocompressor em motor monocilíndrico para competição Fórmula SAE

Abstract

Embora sejam amplamente utilizados em veículos de alta performance, motores de combustão interna possuem um rendimento de cerca de 30% do ponto de vista energético. Em competições, a diferença de rendimento entre motores pode determinar o vencedor. E em tempos de restrições governamentais cada vez mais rígidas, montadoras de todos os segmentos estão investindo em pesquisa e desenvolvimento para aumentar o rendimento de motores de combustão interna. Uma das tendências mais comuns atualmente é o downsizing, que significa o emprego de motores menores (porém sobrealimentados) no lugar de motores maiores e menos eficientes. Isso também é uma tendência em competições automobilísticas, como é o caso da Fórmula 1 e da competição estudantil Formula SAE, onde diversas equipes estão utilizando turbocompressores para aumentar a eficiência de seus motores. O objetivo deste trabalho foi a análise, por meio de simulação, dos benefícios da aplicação de um turbocompressor em um motor monocilíndrico que a Equipe Formula CEM da UFSC Joinville utiliza em seu protótipo. Primeiramente foi executado um estudo sobre a teoria por trás da sobrealimentação de MCI, e também estudos em diferentes softwares de simulação de motores. Com base nesses dados foi criado um modelo virtual representativo do motor em estudo. Um novo modelo modificado representou o motor em seu estado de competição enquanto o modelo final teve dois turbocompressores simulados para definição da melhor opção para essa aplicação. Resultados da simulação apontam ganhos de 13,8% de potência máxima e 19% de torque máximo em relação ao desempenho do motor original.

Although widely used in high performance vehicles, internal combustion engines operate on about a 30% energy conversion efficiency. In competitions, the small difference in engine efficiency can determine the winner. In times of ever-stricter government regulations, automakers of all segments are investing in research and development of new technologies in order to increase ICE efficiency. One of the tendencies today is the downsizing of engines, where smaller, turbocharged engines are replacing bigger and less efficient engines. This is also a tendency in motorsport, as Formula 1 recently brought back turbocharged engines in 2014 and, in Formula SAE, several teams are utilizing turbochargers to increase engine efficiency and performance output. The objective of this project is to analyze through simulation the benefits of utilizing a turbocharger on the single cylinder engine that team Formula CEM uses in its prototype. Firstly, a theory research was conducted about ICE supercharging and engine modeling software. Based on knowledge obtained from the research, a virtual model was created to replicate the behavior of the engine under study. Then, a modified model was created to represent the engine under competition limitations and this model was further modified to account for the turbocharger. Two turbocharger models were used in order to compare and choose the best option. Simulation results showed there was a 13.8% peak power gain, together with a 19% peak torque increase when compared to the original engine’s performance figures.