Desenvolvimento de um compressor centrífugo de pequenas dimensões para sobrealimentar o motor Honda GX50

Abstract

A implementação de sistemas de sobrealimentação em motores alternativos é algo já praticado há várias décadas. O aumento de potência, juntamente com a redução de consumos que o uso desta tecnologia trouxe, tornaram-na amplamente usada. No entanto, durante muito tempo, os sistemas de sobrealimentação foram projetados e construídos, maioritariamente, com base em conhecimento empírico. Devido ao aprofundamento do conhecimento em aerodinâmica e em dinâmica de fluidos computacional, hoje é possível prever o desempenho de turbomáquinas em função de parâmetros geométricos muito específicos e, desta forma, otimizar o conceito antes da fase de construção. Deste processo resultam sistemas mais fiáveis e eficientes. O presente trabalho foi elaborado com o intuito de verificar se a construção de sistemas de sobrealimentação de pequenas dimensões e o seu uso em motores alternativos são uma opção viável. Tendo esse objetivo em vista, projetou-se um compressor centrífugo de pequenas dimensões, movido por um motor elétrico de alta velocidade, para ser acoplado ao motor Honda GX50, um motor monocilíndrico a 4 tempos. O foco deste trabalho passou pelo dimensionamento de três partes essenciais do compressor com o objetivo de se obter uma razão de compressão de 1,5. Através de análise a trabalhos experimentais semelhantes realizados por outros autores e de cálculos complementares, foi possível dimensionar um rotor de 45 mm, um difusor do tipo vaneless e a respetiva voluta. Em última instância e com base nos resultados obtidos, determinou-se que a velocidade do compressor que apresenta o desempenho mais próximo do motor naturalmente aspirado, anda em torno das 8000 rpm. Abaixo desta velocidade, os valores de binário são inferiores, mas consistentes. Acima, o binário cai rapidamente com o aumento da velocidade de rotação do compressor. A causa provável para este fenómeno estará relacionada com o calibre do injetor usado que, incapaz de injetar mais combustível, acaba por originar uma mistura ar/ combustível excessivamente pobre.

The implementation of supercharging systems in reciprocating engines has been practicing for some decades. The increase in power, along with fuel consumption reduction that the use of this technology brought, made it widely used. However, for a long time, supercharging systems were projected and build, mostly, based on empirical knowledge. Due to the deepening of knowledge in aerodynamics and computational fluid dynamics, today is possible to predict turbomachinery performance in function of very specific geometric parameters and, with this, optimize the concept before construction phase. From this process result more reliable and efficient systems. The present work aims to verify if small dimensions, supercharging systems construction and its use in reciprocating engines are a viable option. With this objective in sight, a small centrifugal compressor was designed. The compressor is moved by a high-speed electrical motor and it is meant to be coupled to Honda GX50, a single cylinder, 4 stroke engine. The work focus passed by the sizing of three main compressor components in order to achieve a 1,5-compression ratio. Through similar experimental work analysis lead by other authors and some complementary calculations, it was possible to project a 45-millimeter rotor, a vaneless diffuser and the respective volute. At the end, based on the collected results, it was found that the compressor velocity which presents the closer performance to the one obtained without the use of supercharging, is somewhere around 8000 rpm. Below this velocity, the engine torque is slightly inferior, but consistent. Above this mark, the engine torque falls quickly with the increase of compressor rotational speed. A probable cause for this phenomenon is related with the fuel injector caliber. At high speeds, the fuel injector is unable to inject enough fuel in the air mass which goes through the carburetor, resulting in an air/fuel mixture excessively poor, thus decreasing the engine torque.