Em busca de mais desempenho e eficiência, os fabricantes avançam em recursos técnicos, mas para que serve tudo isso?
Texto: Felipe Hoffmann – Fotos: divulgação
Turbocompressor, injeção direta de combustível, variação do tempo de abertura das válvulas, desativação de cilindros, duplo circuito de arrefecimento: tecnologias como essas são cada vez mais comuns nos motores, mesmo em modelos de baixa cilindrada e preço não tão elevado. Por que tudo isso? Faz mesmo sentido que os fabricantes invistam em tanta sofisticação em motores que, há 15 ou 20 anos, eram muito mais simples?
O propósito deste artigo não é o aprofundamento no assunto de motores — há diversos livros de 500 páginas que fazem isso —, mas trazer ao leitor um resumo da tecnologia que vem sendo aplicada, seus objetivos e seus resultados. Para isso, antes de seguir, vale uma breve explicação do funcionamento dos motores para quem não está habituado ao tema.
Todos os automóveis de hoje, quando não elétricos, usam motores de combustão interna que convertem a energia de combustão em energia cinética por meio de pistões, bielas e virabrequim. Ha raras exceções como os motores rotativos Wankel, fora de uso no momento, que por suas limitações e poucas vantagens não conseguiram ganhar espaço em relação ao tipo mais comum.
O conceito fundamental para um motor de combustão interna funcionar refere-se à quantidade de ar admitido (o volume de combustível é apenas consequência). Quanto mais ar dentro dos cilindros, mais torque e potência são obtidos. A seguir, as características básicas dos motores de combustão interna por pistões:
O motor do BMW M3/M4 em corte e o turbo de um BMW V12: exemplos da tecnologia
• Cilindrada: volume interno dos cilindros (somatória de todos os cilindros). Quanto maior esse volume, mais ar e combustível podem ser consumidos no mesmo intervalo de tempo e, em consequência, mais torque e potência são produzidos. Em teoria, um motor de 2.000 cm³ ou 2,0 litros consegue aspirar o dobro de ar (e, em consequência, de combustível) no mesmo intervalo de tempo que um motor de 1.000 cm³ ou 1,0 litro, produzindo o dobro da energia. Este conceito é importante para o entendimento de outras características descritas neste artigo (saiba como calcular a cilindrada).
• Taxa de compressão: é a proporção na qual o volume do cilindro é reduzido ao se comparar o volume encontrado no ponto-morto superior (PMS) com o encontrado no ponto-morto inferior (PMI). O conceito é: quanto maior a compressão de qualquer combustão, maior a energia liberada. Como analogia, se você explodir um rojão na mão aberta sofrerá apenas queimaduras, enquanto se segurar firmemente provavelmente perderá os dedos.
Para a mesma potência, ou você pode fazer uma grande força em velocidade pequena, ou uma força pequena em velocidade alta
Em motores do ciclo Otto (a gasolina, álcool ou gás natural) a taxa de compressão é limitada pela capacidade do motor, junto à do combustível, de evitar a detonação. A central eletrônica reduz o avanço de ignição (veja a seguir) caso detecte detonação em qualquer cilindro (as centrais mais modernas conseguem detectar qual cilindro está com detonação e retardar o avanço apenas naquele cilindro). Se isso ocorrer, o torque produzido com a mesma quantidade de combustível e ar será menor, ou seja, cai a eficiência. Por isso, de nada adianta usar taxa de compressão mais alta se não se pode usar o avanço de ignição ideal para produzir o máximo de torque naquela condição. Já em motores Diesel a taxa de compressão está limitada não só pela capacidade mecânica do motor, como também pelo balanço de aproveitamento entre perdas de bombeamento e compressão com a energia liberada durante a explosão.
• Balanço energético: a energia liberada pela queima do combustível é convertida em energia térmica (calor dissipado para fora do motor) e energia cinética (energia de movimento). Quanto mais energia se converte em calor, menos se converte em movimento e menos eficiente se torna o motor — e vice-versa. Guarde também este conceito.
Conceitos básicos
O resultado disso tudo é rotação, torque e potência produzidos na saída do motor por meio da queima do combustível — mais precisamente no volante do motor. Antes de continuarmos, porém, vamos aos conceitos básicos da física:
• Força: a famosa equação F = m * a (força é igual a massa vezes aceleração). No mesmo veículo, quanto maior a força, maior a aceleração. Vale lembrar que há forças que “seguram” o veículo, que se opõem a seu movimento, mesmo em velocidades constantes, como a força de resistência ao rolamento dos pneus e a aerodinâmica.
Complexo, mas eficiente: o novo motor de 12 cilindros em “W” do grupo Volkswagen
• Torque: é o resultado de uma força aplicada a certa distância de um centro de giro. Para entender melhor, pense em uma chave de roda ou pedal da bicicleta: aplica-se uma força perpendicular a certa distância do centro. Quanto maior a alavanca (como o braço da chave da roda), maior o torque gerado. Seguindo este raciocínio, o que chega às rodas é um torque que, aplicado a certa distância do centro, gera uma força na extremidade do pneu.
• Potência: embora muito confundida com força, na verdade potência é força vezes velocidade (P = F * v). Ou seja, para mesma potência, ou você pode fazer uma grande força em velocidade pequena, ou pode fazer uma força pequena em velocidade alta. Para ficar mais didático, apesar de não ser fisicamente correto, imagine que está em uma canoa cheia de água e tem de tirar a água de dentro dela para não afundar. Para retirar a água você dispõe de um copo de 200 ml e de um balde de 2 litros. Digamos que a cada minuto você consiga tirar 10 baldes de 2 litros cheios de água, ou seja, 20 l/min.
Neste exemplo, o balde seria a força, e o volume retirado por minuto, a potência. Para tirar o mesmo volume de água por minuto com o copo — isto é, obter a mesma potência — você precisaria de 100 copos de água cheios com 200 ml. Seguindo o raciocínio, pode-se dizer que a potência produzida pelo motor em determinada rotação é o torque vezes a rotação do motor (P = T * rpm). Em um futuro artigo técnico, entenderemos a sensação de desempenho oferecida por dois tipos de motores que podem obter a mesma potência: o de aspiração natural e alta rotação e o sobrealimentado de baixa rotação.
• Relação estequiométrica: princípio que vem das aulas de Química do colégio e significa a relação ideal entre ar e combustível para o motor. Exemplo: duas moléculas de hidrogênio com uma de oxigênio formam uma molécula de água. No caso dos motores Otto esta relação é muito importante, pois garante que o combustível seja queimado de forma tão completa e eficiente quanto possível. Excesso de ar pode ocasionar falhas de combustão — quem teve carro com carburador lembra-se bem do motor “engasgando” devido a resíduos que bloqueavam os dutos de combustível —, mas excesso de combustível pode levar à queima incompleta, com menor energia liberada e maior emissões de poluentes nocivos à saúde.
No mundo do automóvel, chama-se a relação estequiométrica correta de lambda 1, sendo lambda menor de 1 considerado excesso de combustível (mistura rica) e lambda maior de 1 considerado excesso de ar (mistura pobre). Um pouco de mistura pobre, como lambda 1,1 a 1,2, tende a melhorar o consumo de combustível, mas compromete a capacidade do catalisador de converter os gases nocivos, sobretudo o monóxido de carbono (CO). Por esse motivo faz-se controle constante, por meio do sensor de oxigênio (sonda lambda), para que a mistura de combustível seja sempre lambda 1 (leia mais sobre o catalisador e os poluentes). Contudo, a mistura rica torna-se válida em certas condições como máximo torque e para resfriamento dos pistões e dos gases de escapamento.
• Avanço de ignição MBT (maximum brake torque): é o avanço de ignição considerado ideal, que produz o maior torque (e eficiência) possível em determinada condição de carga e rotação.
• Avanço de ignição BDL (border line): é o avanço de ignição considerado limite para que não ocorra detonação. O ideal é que o avanço BDL seja igual ao MBT na condição específica de carga (abertura de acelerador) e rotação, produzindo o máximo de torque e eficiência possível nessa condição. Contudo, em motores de taxa de compressão alta há maiores possibilidades de que o avanço de ignição BDL seja menor que o MBT em diversas condições, sobretudo em cargas mais altas e com combustíveis de baixa octanagem.
Isso explica o conceito de que motores flexíveis em combustível não são ideais nem para gasolina nem para álcool. Ao usar gasolina, provavelmente terão avanços de ignição BDL menores que o MBT em grande parte das condições de carga e rotação. Por outro lado, com álcool, praticamente sempre estarão com avanço de ignição BDL igual ao MBT. Por certo ponto de vista isso é bom, mas a maior resistência à detonação do álcool permitiria usar uma taxa de compressão mais alta, favorecendo a eficiência em condições de menor risco de sua ocorrência, como em cargas baixas.
| Próxima parte |
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 |
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.
| Próxima parte |
Esquema da Honda para seu VTEC: em alta rotação, maior levantamento das válvulas
Caso o fabricante ou o consumidor quisesse aumentar a potência, bastava colocar um comando mais “bravo” (com maiores duração e levantamento) e obter potência superior em altos giros, com sacrifício do torque em baixa rotação e aumento de consumo, entre outras perdas. Com o tempo houve enorme aprimoramento no desenvolvimento dos motores, devido à evolução dos computadores, o que permitiu cálculos e simulações bastante avançados dos fluxos de ar/gases dentro do motor e contribuiu para a evolução das curvas de torque — mas este é assunto para outro artigo.
Foi diante desse desafio que diversos fabricantes começaram a adotar mecanismos de variação do comando de válvulas, sendo um caso de sucesso o VTEC (variable valve timing and lift electronic control system, sistema de controle eletrônico para tempos de distribuição e levantamento de válvulas variáveis) da Honda. Em resumo, o sistema permitia que o cliente tivesse dois perfis de comandos de válvulas no mesmo motor: um para aprimorar o torque em baixas e médias rotações, favorecendo agilidade, consumo e emissões no uso comum, e outro que acima de certa rotação de acionamento favorecesse a potência. Os resultados em termos de potência impõem respeito até hoje: em meados dos anos 90 o Civic VTi aspirado de 1,6 litro desenvolvia 160 cv e, no mercado japonês, chegou a 170 (acima de 106 cv por litro). Mais tarde o esportivo S2000 chegaria 240 cv em 2,0 litros (120 cv/l).
A operação do VVT: comando avançado ou atrasado para alterar a abertura das válvulas
Esse sistema foi-se tornando obsoleto, porém, por apresentar apenas duas opções de perfil de comando. Por esse motivo criou-se a variação do tempo de abertura das válvulas (variable valve timing, VVT), que varia o ângulo (posição) do comando de válvulas em relação ao virabrequim. De início, a exemplo do VTEC, usou-se um sistema de duas posições apenas, como se viu no Brasil no Volkswagen Gol/Parati 1,0 Turbo, mas os sistemas atuais são capazes de impor de maneira contínua desde pequenas variações de ângulo, em torno de 0,5 grau, até variações expressivas como 50 graus.
No modelo atual, suspende-se não apenas a injeção como também a atuação da válvula de admissão do cilindro desativado
Apesar de não variar o período total de abertura nem o levantamento (fator este que variava no VTEC), o VVT consegue controlar o momento das aberturas e fechamentos das válvulas em relação ao virabrequim. Usando um sistema VVT para o comando das válvulas de admissão e outro para as válvulas de escapamento, obtém-se uma gama enorme de variações dos ângulos dos comandos para conseguir o melhor fluxo possível em cada condição de carga e rotação. Por meio desse maior controle, podem-se adotar comandos de válvulas com perfil que favorece o torque em alta rotação (maior potência) e apenas otimizar sua posição para outras situações, como de baixa rotação e carga.
O resultado é o melhor dos dois mundos: um motor econômico e de boa resposta em baixa rotação, com potência elevada em rotações altas e, acima de tudo, um fornecimento de torque mais linear e sem grandes vales. Além disso, a variação dos comandos permitiu que alguns fabricantes aumentassem a taxa de compressão nos motores Otto. Pode parecer que não haja correlação entre esses fatores, mas o melhor controle do fluxo de ar dentro dos cilindros pode ajudar a afastar o risco de detonação. Como explicado antes, a tendência a tal fenômeno é menor em cargas baixas. Assim, o ideal seria ter uma taxa de compressão alta para regimes de uso comum e outra mais baixa em regimes mais severos.
 |
A Saab testou anos atrás um sistema de variação da taxa de compressão, mas é uma solução complexa e cara |
Embora fabricantes como a sueca Saab já tenham estudado motores com taxa de compressão variável, são muito complexos e caros, menos confiáveis e com um controle do sistema muito complicado. É aí que entra a variação do tempo de abertura das válvulas. Como exemplo, a japonesa Mazda produz hoje um quatro-cilindros aspirado de 2,5 litros com taxa de compressão de 13:1 e que funciona mesmo com gasolina de 91 octanas RON (considerado baixo valor de octanagem, lembrando que a gasolina brasileira possui de 94 a 102 RON, conforme o tipo e a mistura de álcool). Qual o segredo?
Sob certas condições, como cargas baixas, o comando de válvulas é controlado para fornecer o máximo de enchimento dos cilindros possível. Assim, pode-se usar a maior eficiência da taxa de compressão alta alinhada com o avanço de ignição BDL igual ao MBT em cargas parciais. Já em condições de possível detonação, controla-se o comando para reduzir a eficiência de enchimento dos cilindros durante a fase de compressão (mantendo as válvulas de admissão abertas por maior período nesta fase), o que equivale a uma taxa de compressão menor.
Há outros sistemas de variação do acionamento das válvulas, aplicados por diversos fabricantes, com princípio semelhante: aprimorar o fluxo de ar em condições variadas de carga e rotação. O Valvelift usado pela Audi, por exemplo, segue a estratégia do VTEC da Honda — um perfil de abertura para rotações baixas e médias e outro para as altas.
O sistema Valvelift da Audi: diferentes levantamentos para baixas e altas rotações
Já Fiat e Alfa Romeo adotam o sistema Multiair, de princípio e operação interessantes, que permite “ligar” e “desligar” a atuação do comando de válvulas a qualquer momento. Em termos simples, o sistema usa um controle eletro-hidráulico entre o comando e as válvulas que habilita a atuação dos ressaltos do comando quando desejado. Há situações, como as de baixa carga, em que se usa apenas uma fração do período de abertura imposto pelo comando.
Com isso, obtêm-se duas vantagens. Uma é o melhor controle do enchimento de ar necessário naquela condição, o que elimina possíveis vales na curva de torque. A outra é que, ao fracionar a abertura do comando, pode-se eliminar a atuação do corpo de borboleta, mantendo-o totalmente aberto para que não haja vácuo no sistema de admissão, o qual seria responsável por “segurar” a descida do pistão durante a fase de admissão, com prejuízo à eficiência total do motor. Assim, pode-se ter um comando bem “bravo” para alta potencia e controlar sua atuação em regimes de baixa carga e rotação.
Outro sistema interessante, embora não muito recente, é o Valvetronic da BMW. Nele, um mecanismo impõe o quanto de atuação terá nas válvulas de admissão, com uma variação tão grande a ponto de permitir a total eliminação do corpo de borboleta. Nesse caso, o controle do ar que entra no motor cabe a esse sistema, com o mesmo benefício de redução de vácuo encontrado no Multiair. É preciso lembrar que reduzir ou eliminar o vácuo no coletor de admissão pode impactar negativamente no sistema de freios, que usa esse vácuo para obter assistência e reduzir o esforço de acionamento do pedal. Nesse caso o fabricante pode ter a necessidade de uma bomba de vácuo, como a presente nos veículos a diesel, só para o sistema de freios.
A partir da esquerda, o Multiair da Alfa Romeo em três modos: “multilevantamento”, fechamento antecipado da válvula e levantamento completo, mais favorável à potência em alta
Desativação: cilindros fora de ação
Outra solução em busca de eficiência nos motores, o conceito de desligar parte dos cilindros, nada tem de novo: na década de 1980 a Cadillac norte-americana já oferecia o chamado V8-6-4, um motor V8 capaz de operar com apenas seis ou quatro cilindros em condições de baixa demanda de potência. Contudo, a capacidade limitada dos sistemas eletrônicos da época e o fato de os cilindros continuarem a admitir ar, o que não aumentava muito a eficiência, foram responsáveis por colocar essa tecnologia em espera até que a Mercedes-Benz a retomasse, no fim dos anos 90, também em motor V8.
Hoje diversos fabricantes investem nesse recurso, mesmo em motores de baixa cilindrada. A Volkswagen o usa em versão do motor turbo de 1,4 litro, que opera então com apenas dois cilindros, e a Ford mostrou estudos para lançar a tecnologia no motor Ecoboost turbo de 1,0 litro e três cilindros, desativando um deles — um desafio e tanto em termos de equilíbrio de massas, que já é crítica com três cilindros ativos.
No modelo atual de desativação, suspende-se não apenas a injeção de combustível como também a atuação da válvula de admissão do(s) cilindros(s) desativado(s), para eliminar as perdas de bombeamento e compressão do ar nesse(s) cilindro(s). A desativação é feita por mecanismos próprios no comando de válvulas, que atuam em rotações médias e com torque baixo ou médio, de forma semelhante à dos sistemas de dois perfis de comando. A diferença é que, em vez de um perfil para economia e outro para desempenho, têm-se um perfil normal de operação e outro sem os ressaltos para a abertura das válvulas.
| Próxima parte |
A desativação de dois cilindros do Audi A1 é feita diretamente nas válvulas de admissão
Esse conceito de aumento de eficiência se baseia em dois pilares. Como já explicado, a relação volume/área do cilindro influencia muito a eficiência de combustão. Mais cilindros operando para receber a quantidade de ar necessária para produzir o torque requerido (relativamente baixo) significa um volume menor em relação à área total (torque baixo ou médio requer vazão de ar baixa ou média) que com menos cilindros realizando o mesmo trabalho. Além disso, reduzem-se as perdas de bombeamento e compressão por não admitir ar no(s) cilindro(s) desativado(s), o que resulta em menor energia total necessária para o motor funcionar.
O calcanhar de Aquiles dessa tecnologia está na capacidade de controle do sistema e em seu tempo de resposta. Afinal, imagine que o motor está com dois cilindros desativados e, de repente, o motorista exige o máximo de torque para uma ultrapassagem ou outra situação de emergência. Além disso, o refinamento dos carros atuais tornaria inaceitável uma atuação abrupta do sistema ao desativar ou reativar cilindros, sobretudo em modelos de luxo.
Sistemas de injeção indireta (à esquerda) e direta dos motores do VW Up aspirado e do Up TSI
Os fabricantes devem levar em conta, em todos esses sistemas que operam nos comandos de válvulas, a deterioração de sua capacidade durante a vida útil do motor, pois o próprio óleo lubrificante do motor, sua pressão e vazão são usadas para ativar tais dispositivos. Com o passar do tempo, o acúmulo de impurezas e o aumento das folgas das peças pode reduzir drasticamente a capacidade de operação desses sistemas, principalmente no tempo de resposta.
Injeção direta e outros recursos
Outra tecnologia cada vez mais comum nos motores Otto é a injeção direta de combustível, feita dentro dos cilindros. No sistema indireto, convencional, a injeção é feita por injetores na porta de entrada da válvula de admissão, injetando o combustível com essa válvula fechada. Com isso, o combustível injetado líquido em forma de borrifo é aquecido e evaporado pelo calor presente na válvula, o que facilita a mistura com o ar na fase de admissão. A vantagem é uma mistura bem distribuída de combustível no ar admitido, o que otimiza a queima e reduz as emissões de poluentes por haver uma combustão mais completa. Cria-se, porém, maior tendência à detonação, o que faz reduzir o avanço de ignição e, em consequência, torque e eficiência.
Uma vantagem da injeção direta é a maior admissão de massa de ar quando se requer o máximo torque, pois não há combustível “ocupando” espaço
Já no sistema de injeção direta, o combustível é injetado dentro da câmara de combustão durante a fase de admissão do ar (em geral, no fim dessa fase). Uma vantagem é a maior admissão de massa de ar quando se requer o máximo torque, pois não há combustível “ocupando” espaço durante a admissão. Além disso, como o combustível não entra em contato com componentes do motor, o próprio calor dentro do cilindro será responsável por vaporizá-lo — ou seja, a temperatura da mistura antes da combustão será menor, reduzindo as chances de detonação.
Outro benefício é a partida a frio favorecida em motores que usam álcool, pois há uma facilitação para o combustível evaporar ao ser injetado dentro do cilindro com ar aquecido, devido à compressão, em vez de permanecer líquido e “preso” à válvula de admissão em baixa temperatura, sem calor suficiente para evaporar. Contudo, a atomização do combustível dentro do cilindro antes da ignição é menor, o que resulta em pior qualidade de queima e maiores emissões, que devem ser compensadas por um catalisador mais eficaz.
O motor turbo do Audi S3 e o aspirado do Toyota 86/Subaru BRZ (à direita): exemplos de aplicação simultânea das injeções direta e indireta
Alguns fabricantes, como o grupo Volkswagen e a Toyota/Lexus, vêm adotando os dois sistemas de injeção no mesmo motor para tentar unir as vantagens de cada tipo. A estratégia varia: pode-se usar a injeção indireta em cargas e rotações baixas, para melhoria em emissões (o que reduz o custo do catalisador, dotado de metais nobres e caros), e a direta para cargas e rotações mais altas, visando a maiores torque e potência. Por outro lado, usar a injeção direta para cargas e rotações baixas e médias melhora o consumo de combustível, enquanto a injeção indireta auxiliaria atender à vazão de combustível necessária para condições de altas carga e rotação. Em qualquer caso, usa-se a direta para dar partida ao motor.
Uma tecnologia que também influencia no aumento da eficiência do motor é dividir o circuito de arrefecimento entre o cabeçote e o bloco, permitindo temperaturas diferentes de trabalho por meio de duas válvulas termostáticas. Esse arranjo permite maior temperatura do bloco para que o óleo lubrificante se mantenha mais quente, com menores viscosidade e perdas de bombeamento. Por outro lado, define-se menor temperatura de trabalho para o cabeçote para redução do risco de detonação.
O interessante dessa tecnologia é a adoção de apenas um radiador, o qual deve ter a temperatura de saída do liquido de arrefecimento baixa o bastante para manter o cabeçote mais frio que o bloco. Assim, a temperatura do bloco é controlada pelo fluxo de líquido de arrefecimento que passa por ele. Um controle preciso do ventilador elétrico do radiador é mandatório para esse circuito, pois pode variar a velocidade e o fluxo de ar constantemente, não só com a antiga condição de liga-desliga.
Outros aspectos, que podem até parecer menos relevantes, também afetam a eficiência. Um desses itens é o ponto de admissão de ar do motor, estudado com atenção pelo fabricante do automóvel visando à admissão de ar com temperatura mais baixa possível. Quanto mais alta a temperatura do ar admitido, maior o risco de detonação, precisando-se retardar o avanço de ignição com prejuízos ao torque e à eficiência.
Duplo circuito de arrefecimento do motor VW EA-211: o cabeçote trabalha mais frio
Muitos já devem ter notado que, após dois ou três minutos parados no trânsito com o motor ligado em dia quente, a saída do carro é notavelmente mais lenta e fraca que em outras situações. Esse tempo faz com que o ar embaixo do capô se aqueça devido à falta de fluxo, o que eleva a temperatura de admissão. Para tentar evitar situações como essa os fabricantes estudam o melhor ponto de admissão, sendo comum recorrerem a lugares um tanto estranhos como atrás da luz de direção ou mesmo dentro do para-lama, fora do cofre do motor.
Por isso, pense duas vezes antes de colocar aquele filtro de ar esportivo no lugar do filtro original, sobretudo alterando o ponto de admissão: na maioria dos casos se perde potência por esse aspecto, além de ter menor capacidade de filtragem de partículas no ar admitido, o que pode reduzir em muito a vida útil do motor. Além disso, a perda de carga dos filtros de ar originais hoje é praticamente desprezível.
Nada impede que todas, ou quase todas, as tecnologias citadas sejam aplicadas a um só motor para obter o melhor equilíbrio entre desempenho, consumo de combustível e emissões. Fazer um motor apenas econômico ou só potente é relativamente fácil: o problema é conciliar essas características. Por isso dizemos que as características de um motor — e como combiná-las da melhor forma possível — vão muito além dos simples índices de potência e torque máximos. Há muitas outros elementos responsáveis pela sensação de desempenho, algo diferente do simples desempenho, assim como o consumo e as emissões. Nossos próximos passos, em artigos futuros, são compreender o desenvolvimento dos sistemas de transmissão e como um conjunto motor/transmissão pode, ou não, resultar em um carro eficiente e prazeroso de dirigir.
| Mais Técnica |