Variando a taxa de compressão
Thursday, 22 September 2016 23:55
O assunto sobre alternativas para se melhorar a performance dos motores está mesmo rendendo e está ficando muito interessante, especialmente porque as empresas que investem milhões em novas tecnologias para ter carros que não usem mais combustíveis fósseis ou motores de combustão interna também investem em sistemas alternativos.
Um dos avanços mais interessantes dos últimos anos teria (ou terá, caso chegue nos modelos fabricados no Brasil) uma enorme valia, uma vez que temos uma frota de veículos que em sua grande maioria funciona com mais de um combustível (e todas as suas misturas possíveis) na forma líquida, além do gás natural veicular.
Para cada combustível o motor precisa trabalhar com uma determinada taxa de compressão. A taxa de compressão para a gasolina é diferente da do álcool e ambas são diferentes do gás natural veicular. O controle eletrônico do motor é quem regula a taxa de compressão para cada tipo de combustível quando ele é substituído e queimado na câmara de combustão dos cilindros no caso do álcool e da gasolina e, através de comando no caso do gás natural veicular.
A taxa de compressão é o volume do cilindro mais o volume da câmara de combustão, dividido pelo volume da câmara -- em outras palavras, o quanto a mistura ar-combustível é comprimida no cilindro antes de ocorrer a centelha que dá início à combustão. É um dos fatores mais importantes na determinação da eficiência do motor.
Tomemos por exemplo um motor 1.6 de quatro cilindros, no qual cada cilindro tem volume 400 cm³ quando o pistão está na posição mais baixa (ponto morto inferior) e 40 cm³ na posição mais alta (ponto morto superior). Daí surge a razão de compressão, que neste caso é de dez vezes ou 10:1.
Como regra, a energia do combustível será melhor utilizada se a compressão for a maior possível. Mas se ela for alta demais, o combustível entrará em auto-ignição, levado à detonação "batida de pino", que pode destruir o motor. Numa unidade convencional, a maior taxa possível é estabelecida com carga total, quando as vazões de combustível e de ar são máximas. Essa taxa permanece a mesma quando o motor encontra-se em carga parcial, com potência e pressão de superalimentação baixas, como viajar em velocidades de estrada moderadas e constantes.
Um motor de ciclo Otto é mais eficiente e extrai melhor a energia do combustível quando funciona em cargas elevadas (acelerador praticamente todo aberto). Motores pequenos têm de trabalhar mais próximos de sua carga máxima, sendo capazes de fazer render melhor o combustível.
Uma das razões é que, dentro dessas condições, as perdas por bombeamento são menores num motor de menor cilindrada. Essas perdas surgem quando o motor funciona com baixa carga (pouca aceleração). De modo a manter ideal a relação ar-combustível (14,7:1), o suprimento de ar deve ser diminuído ainda mais, pela redução da abertura da válvula-borboleta de entrada.
Contudo, isto significa que o pistão está sob ligeiro vácuo durante o curso de admissão. O efeito é aproximadamente o mesmo de tapar a saída de ar de uma bomba de encher pneu e tentar puxar para fora o cabo da bomba. A energia adicional para puxar o pistão para baixo é chamada de perda por bombeamento. Como um motor pequeno anda mais tempo com carga elevada e acelerador todo aberto, as perdas por bombeamento são menores. Além do mais, um motor menor é mais leve e apresenta menos atrito. Desse modo pode-se dizer, em linhas gerais, que é mais eficiente do que um motor grande.
Mas um motor pequeno em geral não é potente o suficiente. Por meio de superalimentação,mais combustível pode ser injetado e queimado com eficiência. O motor, então, desenvolve mais potência. Além disso, se o motor é superalimentado apenas durante grandes aberturas do acelerador, quando potência extra é realmente necessária, a economia do motor pequeno consegue ser combinada com o desempenho do grande.
No ano passado (2015) a Porsche registrou a patente de uma biela com cabeça articulada num excêntrico, cujo movimento ascendente e descendente (controlado por dois tirantes movidos a pressão de óleo) faz mudar a posição do pistão para, dessa forma, modificar o volume da câmara de combustão, alterando a taxa de compressão.
A marca alemã está desenvolvendo motor com taxa de compressão variável, quebra-cabeça tentado por muitos, mas até hoje não viabilizado na indústria automotiva. Para isso, registrou a patente de uma biela articulada. Os esboços mostram que a peça poderá variar o volume da câmara de combustão, alternando a taxa de compressão.
O componente foi desenvolvido em parceria com a Hilite International, e a grande virtude desta solução de engenharia é proporcionar ganhos de eficiência, em especial nos motores turbo e/ou flex, na medida em que a relação de compressão até agora é fixa e só está otimizada para a potência máxima. Com esta biela articulada, seria possível aumentar a compressão quando o turbo está na pressão mínima, graças à variação do comprimento da biela, compensando-se, assim, a menor potência e eficiência em regimes mais baixos.
Por outro lado, reduzindo o comprimento da biela baixamos a taxa de compressão e evitamos a ocorrência de detonação quando o turbo sopra com a pressão máxima. No caso dos motores flex, otimizaria o uso do etanol, da gasolina e da mistura de ambos, que com a taxa de compressão correta para cada combustível, traria ganhos no consumo e desempenho.
No salão de Genebra, a sueca Saab apresentou um motor de compressão variável (SVC), que ainda está em fase de conceito. O propósito da fabricante é permitir redução do consumo sem afetar do desempenho. A combinação de baixa cilindrada, elevada pressão de superalimentação e o exclusivo sistema permite aproveitar a energia do combustível de maneira bem mais eficiente.
O SVC possibilita reduzir em 30% o consumo de um motor aspirado. O SVC de cinco cilindros e 1,6 litro da Saab é tão eficiente em condições normais quanto um 1,6-litro convencional, mas pode desenvolver 225 cv, a potência de um 3-litros, quando necessário. As emissões de dióxido de carbono (CO2) diminuem proporcionalmente ao consumo, enquanto as de monóxido de carbono, hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio se enquadram em todos os requisitos legais.
A característica exclusiva do SVC está na taxa de compressão variável, continuamente ajustada para o valor ideal, segundo as condições que prevalecem num dado momento. O motor consiste de uma parte superior, que compreende o cabeçote com cilindros integrados, chamado monocabeçote, e uma parte inferior correspondente à carcaça do virabrequim, virabrequim, bielas e pistões. A compressão varia por ajuste da inclinação da parte superior em relação à inferior. Isto altera o volume da câmara de combustão estando o pistão no ponto-morto superior (a posição do pistão mais alta no cilindro), que por sua vez altera a taxa de compressão.
O conceito SVC pode ser usado para desenvolver motores com torque específico de 20,4 m.kgf/litro e potência específica de 150 cv/litro. A taxa variável também proporciona flexibilidade de combustível: o motor funciona sempre com a taxa mais apropriada, por exemplo, para álcool e gasolina.
Mas a eficiência de um motor aspirado só melhoraria em 4 ou 5% com o sistema. O potencial da compressão variável pode ser explorado ao máximo por haver baixa cilindrada e alta pressão de superalimentação.
Devido à compressão variável, o SVC é capaz de funcionar à taxa de compressão ideal de 14:1 em baixas cargas, de maneira a aproveitar ao máximo a energia do combustível, para depois baixar para 8:1 em altas cargas, permitindo que a potência seja aumentada por superalimentação sem o surgimento de detonação.
Virabrequim, bielas, pistões e válvulas do SVC são do mesmo tipo dos usados nos motores atuais. O que distingue o motor Saab é a maneira como é dividido em parte superior e inferior. A face de junta entre os dois é cerca de 20 centímetros mais baixa. O monocabeçote é articulado no bloco. A compressão é alterada inclinando o monocabeçote em relação ao bloco, por meio de um atuador hidráulico. O volume da câmara de combustão aumenta e o maior volume reduz a compressão. Para aumentá-la, a inclinação do monocabeçote fica menor, diminuindo a câmara de combustão.
O monocabeçote pode ser inclinado em até 4 graus. A taxa de compressão ideal é calculada pelo sistema de gerenciamento Trionic da Saab, levando em conta rotação, carga e qualidade do combustível. A taxa de compressão é continuamente variável.
Um benefício importante é que a compressão variável pode ser conseguida sem necessidade reprojetar a câmara de combustão de quatro válvulas. Uma vez que o monocabeçote é inteiriço, foi possível também desenhar passagens da água de arrefecimento mais apropriadas.
O compressor mecânico usado para a superalimentação é acoplado e desacoplado pelo sistema de gerenciamento Trionic. Inclui um resfriador e gera pressão máxima de 2,8 bar, mais alta do que a gerada pelos sistemas atuais da Saab. Os engenheiros da companhia escolheram compressor, em vez de turbo, porque nenhum disponível hoje no mercado seria capaz de gerar a elevada pressão e a pronta resposta necessária para o motor SVC.
O próximo passo neste sentido está nas mãos da Infiniti, marca premium da Nissan que acaba de mostrar o primeiro motor de produção do mundo com taxa de compressão variável. Esta poderá ser, no futuro, a solução definitiva para que motores flex sejam mais eficientes.
O que a Infiniti fez foi encontrar uma forma eficiente de variar esta taxa de compressão, algo que diversas empresas já tentaram de diversas formas. O complexo sistema da Infiniti chama-se VC-T (de compressão variável turbocomprimida) e funciona aumentando e diminuindo o curso dos pistões diretamente no virabrequim, onde as bielas se conectam. Uma engrenagem harmônica comanda um braço, que gira um eixo e este ajusta a inclinação do virabrequim.
A tecnologia foi aplicada em um motor quatro cilindros 2.0 turbo. Nele, as taxas de compressão variam entre 8:1 e 14:1. A primeira é a que resulta em maior desempenho para motores turbo, que trabalham com uma pressão extra de admissão, enquanto a segunda se torna mais eficiente na queima do combustível em regimes de menor rotação, justamente quando o turbo lag ganha a cena. O resultado são 274 cv de potência e torque de 39,82 mkgf, números que o credencia para substituir o motor V6 3.5 do GX80 a partir de 2018.
Na prática, o motor consegue ajustar o momento da ignição e o tamanho da câmara de combustão de acordo com suas necessidades para o momento. Hoje, para amenizar a falta de força antes do turbo entrar em ação (e olha que os turbocompressores evoluíram muito nos últimos anos), o que as fabricantes conseguem fazer é alternar entre o uso de injeção direta e indireta, e, mais recentemente, usar turbocompressores com geometria variável, ou seja, que conseguem adaptar sua atuação de acordo com as necessidades do motor. Hoje, quem usa as duas tecnologias juntas é o Grupo Volkswagen.
O novo motor da Infiniti é um dos mais complexos já feitos e seu desenvolvimento está em curso desde 1998. A fabricante japonesa o trata como um novo passo na história dos motores a combustão. Além do consumo de combustível significativamente reduzido, as emissões menores, os níveis de ruído e vibração reduzidos e o fato de ser leve e compacto mostram o quão inovador ele é.
Mas onde entram os motores flex? Simples. A taxa de compressão ideal para a queima de etanol e de gasolina varia: a gasolina prefere taxa menor, de até 10,5:1, enquanto o poder calorífico do etanol é melhor aproveitado com taxa entre 11,5:1 e 12,5:1. O que as fabricantes fazem hoje no Brasil é estabelecer uma taxa de compressão intermediária para os dois combustíveis, o que muitas vezes ajuda a explicar o consumo maior de motores flex frente às suas versões a gasolina.
Com a taxa de compressão variável, seria possível explorar o melhor de cada combustível e, assim, encontrar números de consumo e emissões menores. Bastaria para isso trabalhar a variação de taxa em função do combustível que está no tanque. Mas isso é algo que só deveremos ver na prática na próxima década - isso, claro, se os custos de produção de tal motor permitirem sua popularização.
E o mais interessante de todos estes processos é a velocidade com a qual as ideias tem surgido e deixado o estágio de conceito para equipar os carros que rodam pelos quatro cantos do mundo.