Motores de combustão interna - Downsizing

Motores de combustão interna - Downsizing

 

A necessidade de reduzir as emissões de CO2 e consumo de combustível, são os principais objetivos do desenvolvimento dos motores de combustão interna. Atualmente, o método mais eficaz para reduzir emissões é através do downsizing, conjugando-o com a sobrealimentação. A sobrealimentação é o principal pilar desta metodologia, sem ela seria impossível reduzir substancialmente a cilindrada de um motor sem lhe diminuir também a potência. É conseguida uma redução do consumo de combustível através da redução da fricção dos componentes mecânicos, redução da transferência de calor pelas paredes do cilindro e através da diminuição das perdas de carga e bombagem que estes motores possuem.

 

downsizing
Imagem 1 - Downsizing

 

 

O downsizing leva há produção de motores energeticamente mais eficientes, porque funcionam com valores de BMEP (pressão média efetiva) muito superiores a motores de maiores dimensões naturalmente aspirados. Será explicado este parâmetro (BMEP) mais à frente neste artigo.

 

Um dos principais parâmetros a serem analisados quando queremos comparar dois motores com princípios de funcionamento idênticos, é a pressão média efetiva, deste ponto adiante denominada de “BMEP”. 

 

Como o nome indica, “Pressão média efetiva” é um valor de pressão médio dentro do cilindro ao longo de todas as fases de um motor. Num motor de combustão interna a 4 tempos, apenas um dos tempos gera trabalho, a explosão, pelo que o valor de “BMEP” não representa a pressão máxima que o motor realiza internamente, esta é muito superior, mas sim a pressão média a que o pistão está sujeito ao longo dos quatro ciclos do motor, admissão, compressão, explosão e escape.

 

De uma forma resumida, este parâmetro reflete a capacidade que um motor tem de gerar trabalho e pode ser calculado através da seguinte equação:

equacao

 

Para que a equação funcione, o binário terá que ser inserido em [Nm] e a cilindrada em [L].

 

É ainda possivel calcular a potência teórica de um motor utilizando este parâmetro, através da seguinte equação: 

equacao2

onde cada elemento da equação significa e deve de ser utilizado nas unidades de medida da Tabela 1.

 

 

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Tabela 1 - Cálculo de potência, tabela auxiliar

 

 

As principais limitações do aumento da BMEP, é a aceitação por parte do cliente do aumento dos custos, aumento da temperatura interna que potencia a detonação, exigentes condições de funcionamento dos componentes devido ao trabalho com cargas superiores, e tempo de resposta dos motores sobrealimentados devido ao “lag” causado pela sobrealimentação com turbocompressor.

 

De seguida, na Tabela 2 são apresentados parâmetros de três motores a gasolina distintos.

 

 

tabela2
Tabela 2 - Motores exemplo

 

Aplicando a fórmula da BMEP, chegamos aos resultados da Tabela 3.

 

tabela3
Tabela 3 - BMEP

 

Através da análise destes resultados verificam-se os conceitos teóricos explicados anteriormente. Os dois motores naturalmente aspirados, apresentam níveis de potência quase diretamente proporcionais à sua cilindrada (o motor 2.0 FSI para além de maior cilindrada, está mais explorado pelo que tem um valor de BMEP superior). No entanto, o motor mais recente e com cilindrada inferior, apresenta valores de potência que anteriormente só seriam conseguidos com cilindradas muito maiores. Este incremento de potência e binário deve-se principalmente à utilização de sobrealimentação que resulta em valores de BMEP muito superiores.

 

Como já foi referido, o principal pilar do downsizing é a sobrealimentação, existem várias tecnologias e métodos para o conseguir. Mas não basta conseguir alimentar o motor com uma grande pressão de ar admitido a determinada rotação, é importante conseguir fazê-lo de forma controlada e consistente em todos os regimes de funcionamento do motor. Para o conseguir, por vezes é necessário combinar várias tecnologias. 

 

Existem várias tecnologias de sobrealimentação, como turbos de geometria variável, turbocompressores twinscroll, compressores volumétricos, sistemas compostos em paralelo, série e até sistemas eletrificados. 

 

Dada a grande diversidade, será apenas analisado o sistema de sobrealimentação utilizado no motor 1.4 TFSI considerado na Tabela 3. Este é um sistema composto por um compressor volumétrico com embraiagem magnética e um turbocompressor, apresentado na Imagem 2.

 

motor
Imagem 2 - Sistema de sobrealimentação TSI 1.4

 

O funcionamento do sistema da Imagem 2 não é constante, varia consoante o regime e carga do motor. A unidade de comando do motor calcula em cada instante a quantidade de ar que deve ser admitida pelo motor, e determina se o turbocompressor é capaz de fornecer a pressão necessária sozinho ou se o compressor volumétrico necessita de ser ativado.

 

Condições de funcionamento

 

Naturalmente aspirado – Baixa carga e rotação

Em situações de baixa carga e rotação, o motor comporta-se como um motor naturalmente aspirado. A válvula reguladora encontra-se totalmente aberta, pelo que o ar admitido não passa pelo compressor volumétrico. Apesar do turbocompressor ser constantemente acionado pelos gases de escape, nestas condições os mesmos possuem pouca energia e a de pressão de sobrealimentação é muito reduzida.

 

Compressor volumétrico e turbocompressor – Elevada carga e rotação até 2400 rpm

Nestas circunstâncias a válvula reguladora fecha ou fica parcialmente aberta de forma a regular a pressão de sobrealimentação. O compressor volumétrico é ativado pela embraiagem magnética. O ar é comprimido pelo compressor volumétrico e enviado para o turbocompressor, onde volta a ser comprimido e é admitido pelo motor.

 

Turbocompressor e compressor volumétrico – Elevada carga e rotação entre as 2400 rpm e 3500 rpm

A pressão de sobrealimentação é produzida apenas pelo turbocompressor. Em regimes transientes de rápida aceleração, o turbocompressor não seria capaz de responder suficientemente rápido – “lag” do turbo. Nestas situações, o compressor volumétrico é acionado temporariamente e é ajustada a válvula reguladora, desta forma auxilia o turbocompressor a gerar a pressão de sobrealimentação necessária.

 

Turbocompressor – Rotação superior a 3500 rpm

Acima das 3500 rpm o turbocompressor consegue produzir a pressão de sobrealimentação necessária sozinho. A válvula reguladora permanece totalmente aberta, pelo que todo o ar de admissão passa diretamente no compressor do turbocompressor e é admitido pelo motor.

 

Apesar do downsizing ter sido o tema central deste artigo e ser de extrema importância a sobrealimentação, o downsizing é muito mais complexo, envolve toda a geometria interna do motor e cada sistema que lhe está anexo. Aliado à sobrealimentação, são cada vez mais frequentes sistemas de injeção direta, recirculação de gases de escape, controlo de válvulas variável, entre outros. É importante perceber, que os sistemas são cada vez mais complexos e esta complexidade é uma necessidade para reduzir consumos e preservar o meio ambiente.