Motores de combustão interna - Downsizing
O downsizing é definido pela redução de tamanho de um motor, sem que exista diminuição da sua potência ou binário máximo. Este termo está normalmente associado a motores de combustão interna Diesel e Gasolina. A tendência tem vindo a ser seguida por todos os grandes construtores automóveis, como uma forma de tornar os motores cada vez mais eficientes, sem que exista uma diminuição das suas prestações. Esta é uma necessidade para reduzir a poluição e cumprir as normas ambientais cada vez mais exigentes do sector automóvel.
O filtro de partículas trabalha como um filtro mecânico
e é normalmente constituído por um compósito cerâmico
com uma geometria tipo colmeia, com canais fechados e
abertos de forma alternada, conforme é possível
visualizar na Figura 1. As partículas são
retidas/filtradas pelas paredes dos canais quando os
gases de escape as atravessam.
Neste artigo será abordada de forma sucinta um dos principais parâmetros pelo qual pode ser comparada a eficiência de dois motores idênticos, bem como a principal tecnologia aliada ao 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.
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:
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:
Onde cada elemento da equação significa e deve de ser utilizado nas unidades de medida da Tabela 1.
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.
Tabela 2 - Motores exemplo
Aplicando a fórmula da BMEP, chegamos aos resultados da Tabela 3.
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.
Imagem 2 - Sistema de sobrealimentação TSI 1.4
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.
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.
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.
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.
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