Vamos a alguns gráficos para entender esses conceitos. Abaixo podemos ver a potência e o torque de um motor medido em dinamômetro em diversas posições de borboleta:
Como exemplo, se pegarmos o torque a 2.500 rpm com acelerador a 100% (130 Nm) e calcularmos a potência, teremos:
P = 130 * (2.500/60) * (2 * 3,14) = 34.000 W = 34 kW = 46 cv
Indo além para melhor entendimento, pode-se comparar um motor de moto pequena (Honda CG 125) com um ciclista. O motor da CG produz potência de 11,6 cv e torque de 1,06 m.kgf. Digamos que o ciclista profissional consiga fazer uma força, durante uma explosão muscular, de 1.000 N (próximo de 100 kg) no pedal da bicicleta. O torque gerado será de 175 Nm (17,8 m.kgf), quase 17 vezes o máximo obtido pela moto e próximo ao do motor de um Honda Civic de 1,8 litro! No entanto, o ciclista só consegue girar o pedal em torno de 90 rpm, o que resulta em potência de apenas 1.650 W ou 2,2 cv. Com esse exemplo fica nítida a importância da velocidade de rotação para geração de potência.
Vale notar que diversos países padronizaram a informação de potência dos veículos em kW (quilowatts), usando hp (horsepower) ou PS (Pferdestärke, seu equivalente alemão) apenas como dado suplementar, como na Europa desde 2010. Na Austrália chega-se a omitir a potência em hp, recorrendo apenas ao kW, até mesmo na denominação de versões e nas fichas técnicas.
Método carga: pode-se produzir a mesma potência com 20% de abertura de borboleta, fazendo 9,5 km/l, ou com 60% de abertura e consumo de 14,7 km/l
A origem das expressões horsepower, em inglês, e cavalo-vapor (cv) em português vem dos tempos em que se usavam cavalos para diversos tipos de trabalhos, como girar uma enorme roda conectada a algum tipo de equipamento numa fábrica. Com a introdução dos motores a vapor, não adiantava falar ao dono da fábrica que aquele motor produziria 1.500 W (cerca de 2 cv), pois ele não teria ideia do que isso significava. Contudo, era sabido que um cavalo podia suspender — não em explosão muscular, mas em longa duração, com cordas e polias — um peso de 75 kg a uma velocidade de 1 metro por segundo (m/s). Fazendo a conta, chega-se à potência de 736 W. Portanto, 1 cv = 736 W ou 1 kW = 1,36 cv.
Cabe lembrar que hp, cv e PS não são exatamente iguais devido às diferenças de unidades de medidas usadas (sistema inglês para hp e sistema métrico para cv e PS), seja para peso, seja para distância. Assim, 1 hp = 747 W = 1,015 cv ou, no sentido oposto, 1 cv = 0,985 hp.
• Consumo específico: representa o quanto de combustível se gasta por potência gerada por tempo, podendo ser expresso em gramas por kW por hora (g/kWh) ou gramas por cv por hora (g/cv.h). A ideia é informar o quanto determinado motor é eficiente em relação a outro, não importando o veículo no qual é instalado. Na indústria automobilística raramente esse dado é divulgado, sendo mais restrito a motores aplicados em caminhões, geradores, barcos, etc. Em geral os fabricantes divulgam apenas um número — o melhor número que se consegue, o que em motores Diesel costuma se aplicar ao máximo torque em determinada rotação. Contudo, como o torque, a eficiência varia em função da rotação e da carga, conforme mostrado no gráfico abaixo de um motor Otto usando álcool, no qual o consumo específico está em relação à rotação para cada posição de borboleta.
Esse gráfico comprova a validade do método carga, defendido pelo Best Cars há mais de 10 anos, para economia de combustível (veja teste a respeito publicado em 2003). Como exemplo mais extremo, nos gráficos já mostrados, digamos que se precisa de 25 cv para manter um veículo a 100 km/h. Podemos produzir esta potência com 20% de abertura de borboleta a 5.000 rpm, com consumo específico ao redor de 460 g/kWh, o que após algumas contas leva a 9,5 km/l. Mas o motor é capaz de produzir a mesma potência de 25 cv com 60% de abertura de borboleta a apenas 1.500 rpm, com consumo específico de 315 g/kWh, que resulta em 14,7 km/l.
Via de regra, obtém-se menor consumo de combustível com menor rotação em motores Otto a quatro tempos (a regra não se aplica aos dois-tempos). No entanto, nesses motores há um limite para se obter lambda 1: de modo geral, a central eletrônica mantém a relação estequiométrica ideal até por volta de 80-90% de abertura do pedal do acelerador em motores de aspiração natural. Com 100% de pedal, entende-se que a intenção é o máximo de torque possível, como em situação de emergência, e reduz-se o lambda para a faixa de 0,85 a 0,92 (mistura rica), podendo variar em cada motor e calibração.
Nota-se no gráfico de consumo específico que os valores são piores quando a posição de borboleta é 100% e, ao mesmo tempo, o torque é ligeiramente maior. O aumento de torque vem da possibilidade de conseguir um pouco mais de avanço de ignição, uma vez que o excesso de combustível reduz a temperatura de queima e o risco de detonação. Além disso, muitos motores necessitam trabalhar com misturas ricas para que os gases de escapamento não ultrapassem 900°C, limite para não haver deterioração do sistema de catalisador. Nesses casos pode-se, até como consequência, reduzir a potência máxima do motor devido ao grande excesso de combustível.
Por outro lado, o método carga não é válido para motores Otto turboalimentados. O motivo é que esses motores precisam do excesso de combustível para reduzir a temperatura dentro dos cilindros quando há pressão positiva no coletor de admissão, a fim de manter a temperatura dos pistões controlada — de novo, cada motor tem seu limite. Nesse caso, melhor consumo é obtido com rotação mais alta e lambda 1 que com giro baixo e mistura rica.
Dois compressores no Auto Union Type D 1939 (à esquerda) e os componentes desse sistema
Outra regra é que quanto maior a cilindrada do motor, mais eficiente ele será, devido à relação entre o volume do cilindro e sua área, pois essas dimensões não seguem a mesma proporção de crescimento (em motores maiores se tem uma relação volume/área do cilindro maior que em motores menores). Assim, a energia da queima do combustível será convertida melhor em movimento de pistão e menos em calor para as paredes dos cilindros.
É por isso que os motores de 1,0 litro, ou mesmo acima, têm migrado de quatro para três cilindros em várias marcas: além de economizar em partes móveis, o fabricante aumenta a eficiência e consegue converter mais combustível queimado em movimento e menos em calor. Algumas marcas defendem que para melhor equilíbrio geral a cilindrada unitária (por cilindro) fique ao redor de 500 cm³, como nos motores mais recentes da BMW. O 1,6-litro de quatro cilindros, por exemplo, deu lugar ao 1,5-litro de três cilindros.
Sobrealimentação: como e por quê
O princípio fundamental da sobrealimentação surgiu nos aviões com motores a pistão, no início do século XX. O motivo era simples: quanto maior a altitude, menor a pressão atmosférica e menos ar para o motor “respirar”, o que reduzia sua potência conforme o avião ganhava altitude. O mesmo fenômeno se vê até hoje nos automóveis e, embora carros não cheguem a mais de 10 mil metros de altitude, traz efeitos acentuados ao desempenho.
| Próxima parte |
