Há diversas normas para calcular a variação de torque e potência em função da altitude para motores de aspiração natural. Para referência, usando a norma ISO 1585, obtém-se em média 11% menos torque e potência em São Paulo, SP (altitude média de 760 metros), e 21% menos em Campos do Jordão, SP (média de 1.630 m), que ao nível do mar (veja o gráfico acima). Claro que diversos outros fatores influenciam, como a correção do avanço de ignição, que ajuda a compensar um pouco o efeito da altitude. Outro motivo da aplicação da superalimentação nos automóveis é o aumento considerável de torque e potência sem alterar a cilindrada do motor. Como já sabemos, quanto mais ar dentro dos cilindros, mais combustível e, por consequência, mais torque e potência.
No início usava-se um compressor conectado diretamente ao virabrequim para “empurrar” mais ar para dentro do motor. A vantagem desse dispositivo é ter sempre uma resposta pronta à pressão do acelerador. Por outro lado, retira-se torque do virabrequim para acionar o compressor, o que reduz o torque/potência final e prejudica a eficiência energética geral do motor, aumentando o consumo de combustível.
O turbocompressor, por outro lado, ajuda a aumentar a eficiência geral do motor, uma vez que o compressor responsável por “bombear” ar para a admissão do motor está conectado a uma turbina que usa a energia dos gases de escapamento — temperatura, pressão e velocidade —, que de outra forma seria desperdiçada. O lado negativo do turbo é o tempo de resposta ao acelerador, o turbo lag ou retardo do turbo. O motivo é que se necessita do aumento dos gases de escapamento para elevar a rotação da turbina e, em consequência, a rotação do compressor e a pressão de admissão.
Esquemas diferenciam o compressor (à esquerda) do turbocompressor: a cor azul indica ar de admissão, e a laranja, gases de escapamento
A própria inércia do turbo influencia no tempo de resposta, motivo pelo qual os fabricantes usam turbocompressores cada vez menores. A geometria das carcaças, dos rotores e suas pás também possui grande influência nesse tempo, bem como na eficiência do motor em geral. No entanto, um turbo pequeno limita a vazão de ar máximo e acarreta menor potência do motor, mesmo atingindo rotações de 250.000 a 270.000 rpm.
Com variação para as válvulas de admissão e de escapamento, obtém-se uma gama enorme de ângulos dos comandos para o melhor fluxo possível
Para tentar contornar cada uma dessas limitações, fabricantes já adotaram soluções interessantes, mas caras. Um exemplo é o motor do grupo Volkswagen (aplicado ao VW Golf e ao Audi A1, entre outros) com compressor mecânico e turbocompressor, para evitar o retardo do turbo em baixas rotações. Outras marcas, como a Mercedes-Benz, aplicaram uma embreagem eletromagnética no compressor para que ele se desconectasse do motor em condições de baixa carga, nas quais o uso do compressor não é necessário para produzir o torque requerido. Evita-se com isso o consumo de energia desnecessário.
Outras soluções, como o uso de dois turbocompressores (um pequeno de baixa inércia para baixa rotação, um grande para alta potência em regimes mais elevados), também estão caindo em desuso, tanto pelo custo quanto pelos avanços nos projetos dos turbos modernos. Vale considerar que recursos externos ao sistema podem reduzir o tempo para atuação, como a variação do tempo de abertura das válvulas: ajusta-se para que aumente o fluxo de ar na exaustão do motor e na entrada da turbina, para que esta acelere mais rápido durante a requisição repentina de torque, como em uma ultrapassagem.
Os componentes de um típico sistema de turbocompressor: A) rotor do compressor; B) rotor da turbina; C) aletas variáveis; D) “carcaça quente” ou carcaça da turbina; E) “carcaça fria” ou carcaça do compressor; F) base da carcaça do compressor; G) eixo do turbo, que conecta o compressor à turbina; H) linha de óleo lubrificante; I) linha de liquido de arrefecimento
Cada vez mais automóveis adotam o turbocompressor. Esse emprego tinha como propósito principal o aumento de torque e potência até meados dos anos 2000. Contudo, a era da redução de cilindrada (downsizing) chegou para ficar, substituindo motores aspirados de maior cilindrada por motores menores turboalimentados. Mas não foi dito aqui que motores maiores são mais eficientes? Sim, eles são — quando funcionam perto do torque máximo produzido. Em cargas parciais, porém, o tamanho do motor age com um fator negativo. Pense que para produzir determinada potência temos maiores perdas (massa das peças em movimento, número de partes móveis, bombeamento de óleo pelo motor, etc.) em um motor maior que em um motor menor.
É nesse fundamento que se baseia a redução de cilindrada, pois no uso normal do veículo usa-se apenas certo percentual do torque disponível. Se for empregado um motor pequeno, que durante o uso moderado está mais perto do máximo torque que pode produzir, teremos um motor mais próximo de sua máxima eficiência. Contudo, pode haver situações em que o torque e a potência produzidos por ele não sejam suficientes para garantir o desempenho desejável. Com um turbocompressor nesse pequeno motor, obtemos o torque e a potência de que precisamos para atingir o desempenho desejado, sem sacrificar o consumo quando a condução for moderada.
Entretanto, a redução de cilindrada tem seus limites — e causa descontentamento a diversos consumidores. Como já citamos, motores Otto requerem lambda menor que 1 (mistura rica) a partir de certa pressão positiva de ar na admissão, para que a temperatura dos pistões não seja alta a ponto de ocasionar fadiga e quebras. Outro fator, explicado no artigo técnico sobre emissões, é que certos ciclos-padrão de consumo são bastante amenos em acelerações e velocidades, não refletindo o uso comum de muitos consumidores.
Técnicas complexas e em desuso: o motor VW Twincharger (à esquerda), que associou compressor e turbo, e esquema de turboalimentação em dois estágios
O resultado é que certos veículos relativamente grandes e pesados, com motores pequenos turboalimentados, conseguem excelentes números de consumo nos ciclos-padrão, mas no uso comum o turbo precisa constantemente pressurizar para produzir torque e potência requeridos, o que leva ao uso de mistura rica para preservação dos pistões. Com isso, o consumo no mundo real acaba sendo muito pior que nos testes e, em alguns casos, até pior que quando comparado ao mesmo veículo com motor aspirado de maior cilindrada e potência similar.
Comando: em busca da curva de torque plana
Quem nunca esteve na situação de subir uma ladeira em terceira marcha, com baixa rotação, e notar que o veículo vai parar se não se reduzir para segunda? Já ao se chegar ao inicio da ladeira “embalado”, com uma rotação maior, o veículo consegue superar em terceira marcha. O motivo dessa diferença é o menor torque em rotações mais baixas — basta olhar a curva de torque já mostrada para visualizar. Uma situação muito comum, mas que tende a ser mais rara em motores modernos, pois as curvas de torque estão cada vez mais planas.
Antes de mais nada, cabe observar que em diferentes rotações há diferentes fluxos de ar e gases entrando e saindo do motor. Como esses gases atingem velocidades altíssimas, qualquer variação de rotação implica variações nas velocidades e atritos do ar e dos gases. Por isso é que se diz que motor não “gosta” de variar rotação e que os motores mais eficientes são os que trabalham em rotação e carga constantes: se for assim, podem-se dimensionar válvulas, dutos de admissão e escapamento e perfil dos comandos de válvulas para que os cilindros tenham o melhor enchimento de ar possível naquela condição.
O comando de válvulas de um Audi A8: oito cilindros, 32 válvulas, quatro comandos
Por exemplo, mantém-se aberta a válvula (ou as válvulas) de admissão, mesmo que o ciclo de admissão tenha terminado e o ciclo de compressão tenha começado, para que o ar em alta velocidade e inércia continue a entrar no cilindro, mesmo com o pistão subindo. Se a velocidade e a inércia do ar forem insuficientes, porém, o pistão “empurrará” esse ar de volta para o coletor de admissão. Por outro lado, se a velocidade for muito alta, haverá muito atrito, o que impede o enchimento completo do cilindro.
Assim, o ideal seria um sistema que abrisse e fechasse as válvulas nos momentos ideais em qualquer situação — contudo, a energia, a velocidade de atuação e o controle necessários limitam o tipo de acionamento das válvulas do motor. O que se mostrou mais eficiente, alinhando todos os quesitos, é o sistema por acionamento por um eixo com ressaltos para abertura das válvulas: o comando de válvulas. Esse sistema limita tanto o tempo de abertura quanto o levantamento da abertura a apenas uma condição.
No passado, o fabricante devia achar um equilíbrio ideal: podia favorecer o fluxo para baixas rotações, aumentando o torque e a eficiência do motor em regimes mais comuns de uso urbano, ou priorizar o torque e a potência em rotações mais altas. Por isso, era comum termos na década de 1990 motores de 1,6 litro com cerca de 80 cv, o mesmo que unidades de 1,0 litro atingem hoje. Apesar dessa potência similar, os motores 1,6 daquela época obtinham baixo consumo de combustível (para os padrões de então, com alimentação por carburador) e bom torque em baixas rotações, o que garantia agilidade no uso em cidade.
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