Thermodynamic analysis of a compact module based on the Stirling cycle for the recovery of exhaust gas energy from an internal combustion engine

In the process of generating mechanical work with the use of thermal energy from combustion, internal combustion engines release the exhaust gases, which have high temperature and contain pollutants harmful to the environment. Energy recovery consists of harnessing the energy that would be wasted during the operation of a system, and in the case of internal combustion engines, the thermal energy of the exhaust gases which are in high temperature can be recovered by means of thermal systems of energy recovery. Between 30% and 40% of the fuel energy is lost through the exhaust gases. Several systems can be used to recover exhaust gas energy, such as the Rankine cycle, thermoelectric, thermoacoustic and thermo-photovoltaic systems, Stirling cycle and others. Stirling engines, are external combustion engines, therefore they can operate with almost any source of heat, and they have high efficiency. In this sense, this work aimed to contribute to the study of the Stirling cycle as an option to recover energy through simulation and experiments to understand the behavior of the alpha type Stirling engine. The simulation was performed by means of a first order mathematical model based on the Schmidt’s theory, implemented with the aid of Matlab® software. The indicated power given by the simulated motor was 0.689 W, while its efficiency was 54.98%, similar to the efficiency of Carnot. In the experiments the temperatures of the hot cylinder, the cold cylinder and inside the flame of an alpha type Stirling were collected, and the electric voltage generated by the dynamo coupled to the motor was measured, considering alternating current. The results showed that the difference between the temperatures of the hot cylinder and the cold cylinder tends to become constant after some time, the temperature inside the flame has values above 600 °C and the electric voltage generated by the dynamo is stable and presented values around 0.36 V.Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação)No processo de gerar trabalho mecânico com o uso de energia térmica proveniente da combustão, os motores de combustão interna liberam os gases de exaustão, os quais se encontram em alta temperatura e possuem poluentes nocivos ao meio ambiente. A recuperação de energia consiste em aproveitar a energia que seria desperdiçada durante o funcionamento de um sistema. No caso dos motores de combustão interna, a energia térmica dos gases de escape, que estão em alta temperatura pode ser recuperada por meio de sistemas térmicos de recuperação de energia. Entre 30% a 40% da energia do combustível é perdida por meio dos gases de exaustão. Vários sistemas podem ser empregados na recuperação da energia dos gases de escape, como o ciclo Rankine, sistemas termoelétrico, termoacústico e termofotovoltaico, ciclo Stirling e outros. Os motores Stirling, por serem motores de combustão externa, podem operar com praticamente qualquer fonte de calor, além de possuírem alta eficiência. Neste sentido, este trabalho visa contribuir com o estudo do ciclo Stirling como opção de recuperação de energia por meio de simulação e experimentos que possibilitaram uma melhor compreensão do comportamento do motor Stirling do tipo alfa. A simulação foi realizada por meio de um modelo matemático de primeira ordem baseado na teoria de Schmidt, implementado com auxílio do software Matlab®. A potência indicada fornecida pelo motor simulado foi 0,689 W, enquanto sua eficiência foi 54,98%, semelhante a eficiência de Carnot. Nos experimentos foram coletadas as temperaturas do cilindro quente, do cilindro frio e dentro da chama de um motor Stirling do tipo alfa, e foi medida a tensão elétrica gerada pelo dínamo acoplado ao motor, considerando-se corrente alternada. Os resultados mostraram que a diferença entre as temperaturas do cilindro quente e do cilindro frio tende a se tornar constante com o tempo de funcionamento. A temperatura dentro da chama apresentou valores acima de 600 °C, e a tensão elétrica gerada pelo dínamo é estável e apresentou valores em torno de 0,36 V