Simpósio SAE Brasil: longa vida ao motor a combustão

 

As apresentações de Bosch e Mahle Metal Leve foram focadas nas estratégias para atingir as metas de eficiência do programa Rota 2030. Mais uma vez se discutiu muito o uso do álcool, sobretudo em híbridos, para redução de emissões de CO2, chegando a níveis abaixo dos puramente elétricos no mercado europeu e próximo aos elétricos que usam energias renováveis (acima).

 

 

Uma solução da Bosch para aumentar a eficiência é elevar a taxa de compressão a 15:1 em motores otimizados para álcool, controlando os riscos de detonação com injeção de água ao usar gasolina (acima). Com isso consegue-se trabalhar com avanços de ignição maiores sem riscos de quebra, o que eleva em muito a eficiência.

 

 

Para tal estudo foi usado um Polo MPI aspirado de 1,0 litro (acima) com pistões modificados para aumento da taxa de 11,5:1 para 15:1, além de tecnologias para redução de peso e área de contato das saias, o que reduz o atrito. Foram elaborados novos mapas de posição da variação de tempo de válvulas, de injeção de combustível e de avanço de ignição, assim como um mapa de injeção de água — isso para cada tipo de combustível, gasolina E22 e álcool. A injeção de água elimina a necessidade de excesso de combustível em cargas altas, uma vez que a água resfria a câmara de combustão (abaixo).

 

 

Como resultado, os ganhos no consumo foram de 8,1% com álcool e 2,8% com gasolina. Muitos na plateia esperavam maior ganho com gasolina pelo melhor resfriamento da câmara. O motivo, explicou a Bosch, foi o fato de limitarem a vazão de água com gasolina: o resfriamento necessário exige uma vazão muito grande, que diminui a autonomia do reservatório de água de cinco litros, hoje estimada em 3.500 km. Por isso, os próximos passos do estudo visam aumentar a autonomia e a eficiência com gasolina. Uma das frentes é reutilizar a água oriunda da liquefação do ar-condicionado.

 

 

A Mahle Metal Leve mostrou novos pistões (acima) que focam na redução de peso e de área de atrito, além da maior dissipação de calor, a fim de proteger o motor com alta taxa de compressão. A simples alteração na geometria dos pistões permite 1,5% de melhora no consumo.

 

 

Outro estudo da Bosch foi o impacto do aquecimento do combustível nas emissões de poluentes (abaixo). Os primeiros 120 segundos dos testes de emissões representam boa parte de toda emissão poluente, muito pelo fato de o catalisador ainda não estar aquecido — abaixo de 300°C não há conversão dos poluentes. Há também o fator da liquefação do combustível injetado ao entrar em contato com partes frias da câmara de combustão, resultando em má queima.

 

 

A proposta da Bosch é aquecer o combustível até 100°C, sobretudo o álcool, para homogeneização mais completa do combustível com o ar. Como resultado, as emissões são reduzidas a ponto de se trabalhar com mistura ar-combustível mais perto de lambda 1, podendo até reduzir os custos do catalisador. Interessante notar que o aquecimento não seria apenas no momento da partida, mas durante boa parte da fase de aquecimento do motor. Em certas estratégias, pode ser benéfico aquecer o combustível mesmo com o motor quente.

Essas estratégias permitiriam aos carros atuais, que atendem às normas Proconve L6, migrar para L7 sem grandes modificações. Estudos mostraram redução de até 71% em gases orgânicos não metânicos (NMOG) e óxidos de nitrogênio (NOx) sem prejuízo da dirigibilidade do carro. Pelo contrário, até melhora, pois consegue evitar falhas de combustão em temperatura ambiente baixa.

 

 

A palestra da Toyota abordou os desafios do projeto do Corolla Hybrid, primeiro veículo híbrido flexível (acima). A empresa concorda que ainda veremos carros novos com motores CI por 20 ou 30 anos. Um dos alicerces desse argumento é a eficiente combinação do motor com álcool a um motor elétrico. Na matriz energética atual, um híbrido com álcool emite menos CO2 que um carro elétrico que usa eletricidade oriunda de combustíveis fósseis.

 

A proposta da Bosch é usar alta taxa de compressão para álcool e injeção de água para gasolina, o que trouxe ganho de consumo de até 8% em testes

 

Então, por que não usar apenas um motor CI a álcool? Pelo fato de sua eficiência máxima, na casa de 40%, ser alcançada em pequenas faixas de operação. Ou seja, para determinadas situações, como o anda-para de um trânsito pesado, o motor elétrico obtém muito maior eficiência que o CI, além de regenerar energia nas frenagens. Por outro lado, devido à limitação de autonomia da bateria, usa-se o motor CI em sua faixa de melhor eficiência para carregar a bateria quando necessário.

As modificações no motor CI do Corolla (abaixo) para trabalhar com álcool começam em componentes mecânicos como sensor de álcool no tanque, injetores com aquecimento e pistões e válvulas diferentes, mas o sistema que abrange motor, gerador elétrico e transmissão também é de nova geração, mais compacto e eficiente. Na parte de gerenciamento eletrônico, o álcool traz um grande problema: a contaminação do óleo durante a fase fria pode degradá-lo de tal forma a comprometer o motor como um todo.

 

 

Para eliminar esse risco, a temperatura do óleo deve ultrapassar 70°C para que o álcool retido nele evapore. Isso afeta diretamente as estratégias de funcionamento do motor e o gerenciamento energético do carro. Ao perceber que há apenas álcool no tanque, o sistema aciona o motor CI mesmo que a bateria do motor elétrico esteja carregada, aquecendo o motor até a temperatura de trabalho e mantendo-o aquecido durante todo o percurso. É uma estratégia diferente de quando se roda apenas com gasolina, em que o sistema não precisa se preocupar tanto com a temperatura do óleo.

 

 

Ponto interessante perguntado pelo autor foi sobre o ar-condicionado do Corolla, com sistema independente do motor CI. A Toyota usou um tipo “sistema reverso”, como em aparelhos residenciais, em que se inverte o sistema para aquecer o ambiente em dias frios. Tal reversão se torna muito mais eficiente que ligar uma resistência elétrica para aquecer o ar que vai para cabine, o que afetaria em muito a autonomia da bateria em dias frios. A resistência elétrica está lá para situações mais extremas de frio, mas não deve ser usada na maioria dos dias em nosso clima.

Uma apresentação que orgulha qualquer brasileiro foi da WEG, empresa brasileira de motores elétricos com fábricas na Europa, nos Estados Unidos, na China e na Austrália, entre outros países. Seus motores/geradores equipam desde usinas hidrelétricas até navios de grande porte, nos quais um motor gerador Diesel envia a energia de movimento para motores elétricos para propulsão.

 

 

A demonstração deixou claro que o limite dos motores elétricos está na temperatura de operação, que pode ser compensada com sistemas de arrefecimento quando há grande demanda de potência. A temperatura afeta tanto o verniz usado no enrolamento das bobinas como os mancais de rolamento, que costumam ter sensores de monitoramento de temperatura. Um exemplo de robustez citado é o dos motores de sistema de ventilação de túneis na Europa: a norma exige que, em caso de incêndio, continuem a operar durante duas horas a 400°C.

A WEG fez parceria com a Volkswagen para o E-Delivery (acima), caminhão elétrico de entrega urbana, e com a Random em uma carreta com motor elétrico e bateria. A energia de frenagens é regenerada para uso em rampas ou ultrapassagens, o que reduz o consumo de combustível. A pergunta que ficou no ar é se, no futuro, os fabricantes de veículos vão desenvolver os próprios motores elétricos ou comprar a tecnologia pronta de terceiros, como se faz hoje com motores Diesel comerciais e transmissões automáticas.

O 17º Simpósio de Powertrain da SAE deixou claro que, apesar das grandes forças de eletrificação do automóvel, durante muito tempo ainda conviveremos com motores de combustão interna, mas em sistemas híbridos. Uma solução ideal para países em que o consumidor não pode pagar os altos custos do carro elétrico, podendo-se importar o maquinário fabril que se tornar obsoleto na Europa. No caso do Brasil o álcool tem o papel-chave para redução de emissões de CO2, com ampla infraestrutura de abastecimento já implementada e sem os inconvenientes de autonomia e tempo de recarga em um país continental como o nosso.

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