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O funcionamento do motor em conjunto com os sistemas de pós-tratamento resulta na diminuição das emissões.
Sistemas que iremos analisar:
1) cancelamento (desativação) de cilindro;
2) start/stop; e
3) ciclo Atkinson.
Os principais fatores que nortearam o desenvolvimento de veículos desde os anos 80 foram:
Redução das emissões e diminuição do consumo de combustível
E isto, mantendo níveis de desempenho aceitáveis. Em grande parte, esses objetivos foram atingidos com a aplicação intensiva de tecnologias de controle eletrônico. O motor foi o primeiro sistema automotivo a receber tais avanços tecnológicos. Em particular, com relação às emissões, existem três fontes geradoras ligadas ao trem de força do veículo:
- Os gases de escape.
- A evaporação de combustível armazenado no tanque e na cuba do carburador (emissões evaporativas em ciclo Otto) e os vapores de combustível que escapam durante o reabastecimento.
- Os vapores de combustível não queimado, acumulados no cárter, resultantes do vazamento de mistura através da folga existente entre os anéis e as paredes dos cilindros.
Cabe salientar que, em paralelo com as emissões, a redução do consumo é o outro fator determinante da evolução tecnológica no desenvolvimento do motor de combustão interna.
Controle das Emissões no Escape
Em função dos prejuízos causados pelas emissões, e na procura de uma maior eficiência nos motores produzidos nos últimos anos, fez-se necessário o desenvolvimento de sistemas de controle mais sofisticados e precisos. Os desenvolvimentos mais relevantes podem ser classificados em 4 grupos:
1. Os relacionados diretamente com o projeto do motor;
2. Os relacionados com o sistema de admissão da carga;
3. Os que fazem parte do sistema de pós-tratamento;
4. Os relacionados ao uso de combustíveis alternativos.
O sistema de desativação de cilindro tem por objetivo cancelar a metade ou um terço dos cilindros durante o funcionamento em carga parcial estabilizada. Com isto, o motor passa a funcionar como se tivesse cilindrada menor com impacto positivo no consumo e nas emissões.
Principalmente aplicado em motores de 8 e 6 cilindros, este sistema tem por objetivo cancelar (desativar) cilindros mantendo as válvulas fechadas. Na maioria dos casos, são desativados um terço ou a metade dos cilindros. Desta forma, a desativação equivale a operar o veículo com um motor de menor cilindrada o que resulta em menor consumo e, conseqüentemente, na diminuição das emissões, principalmente, de CO2.
Durante a partida e alta carga, o motor opera com a totalidade dos cilindros. O cancelamento de cilindros é aplicado nas condições de 1) carga parcial com velocidade estabilizada, 2) aceleração moderada ou 3) pendentes suaves, o que contribui para a economia de combustível.
O cancelamento consiste em manter as válvulas de admissão e de escape fechadas e, ao mesmo tempo, desativar a alimentação de combustível do cilindro cancelado.
A título de exemplo, será analisado o sistema aplicado em motores Honda 3.0/3.5 V6. O mecanismo de desativação (figura 1) consta do balancim de acionamento da válvula e do balancim de comando, este, por sua vez, acionado pelo ressalto do eixo comando. Um pino de engate, acionado hidraulicamente, produz o acoplamento do balancim da válvula com o de comando. A posição do pino, para ativar/desativar o cilindro, é controlada pela UC, através de uma válvula solenoide.
As figuras acima mostram o caso de cilindro desativado, no qual só o balancim de comando é movimentado pelo ressalto.
As figuras mostram o caso do sistema na posição de funcionamento normal, ou seja, com os balancins acoplados (cilindro ativado).
A diminuição no consumo resulta da eliminação das perdas de bombeamento correspondentes aos cilindros desativados como resultado de que estes não admitem ar. Ainda que a compressão de ar no cilindro fechado consuma potência, esta é, em grande parte, recuperada durante a expansão.
Por outro lado, as perdas de bombeamento nos cilindros ativos também diminuem em função de que, para manter a potência requerida pelas condições de funcionamento, a borboleta deve abrir um ângulo maior; isto, com relação à posição que teria no caso do motor operar com todos os cilindros.
A função deste sistema é a de desligar o motor com veículo parado. Esta opção pode ser aplicada, também, nas desacelerações. Recurso utilizado para diminuir o consumo de combustível. Ao pisar novamente no acelerador, o motor é religado em menos de 1 seg.
Em sistemas mais modernos de injeção direta, a partida acontece em menos de 0,5 seg. Para obter esta rápida resposta, o procedimento exige que os pistões fiquem, com precisão, na posição correta após o desligamento do motor. Com os pistões posicionados corretamente, a UC identifica o cilindro em compressão o qual recebe a primeira injeção de combustível ao ser acionado o acelerador. Este processo por sua vez, é auxiliado pelo motor de partida.
Desde o ponto de vista do acionamento do motor, as possíveis configurações a serem utilizadas, são:
1. Motor de partida convencional. Um motor de contínua controlado por um sistema de gerenciamento da bateria necessário em função do número de ciclos de partida a que esta é submetida.
2. Unidade integrada de alternador e motor de partida. A unidade, que funciona como motor e como alternador, pode ser acionada por correia serpentina ou estar integrada ao volante do motor. Utiliza um inversor/retificador DC/AC para acionar a unidade, quando funciona como motor de partida (trifásico de indução) e retificar a onda de tensão, quando opera como alternador.
A figura acima mostra o sistema BAS da Valeo. Durante a partida, o alternador, funcionando como motor, gera o torque motor e o virabrequim, o torque resistente. Com o motor de combustão funcionando os torques se invertem.
3. Sistema com bateria dual. A configuração utilizada (fig.6] é constituída de 2 baterias e geralmente complementa as configurações acima, principalmente, pela maior corrente de acionamento do motor de partida.
- Quando o motor de combustão funciona, o controlador ativa o transistor Q1 fazendo com que a carga seja totalmente suprida pela bateria principal (Vbat), a auxiliar (Vaux) e pelo alternador.
- Quando o veículo para, o motor de combustão é desligado e somente Vbat e Vaux alimentam a carga.
- Durante a partida Vbat deve alimentar o motor de arranque, o que pode requerer um transitório de corrente que pode chegar a 800A e que, por consequência, provocar uma queda de tensão de até, 6V e desativar outros componentes do circuito elétrico do veículo impedindo a sua partida. Para prevenir esta situação, o controlador desativa o transistor Q1 desconectando assim Vbat do circuito elétrico do veículo, que continua a ser alimentado por Vaux.
- Depois de uma partida bem-sucedida, e com a unidade funcionando como alternador, o controlador ativa novamente Q1. O controlador dispõe de elementos de proteção em caso de conexão das baterias com polaridade invertida.
Num motor de ciclo Otto ou Diesel convencional a relação de compressão é igual à relação de expansão após a combustão.
Assim, se a mistura é comprimida com uma determinada taxa (por exemplo, 10:1), após a ignição os gases se expandem com a mesma taxa.
No entanto, a melhor taxa de expansão para máxima extração de energia permitida pelas características do combustível é maior que a taxa de compressão.
Reparar que ao abrir a válvula de exaustão, a pressão dos gases dentro do cilindro é superior à atmosférica. Nesse momento, esta energia disponível é perdida pelo escapamento. Portanto, uma expansão adicional dos gases poderia aumentar o trabalho realizado a cada ciclo.
Em teoria, para o aproveitamento total de energia, ao abrir a válvula de exaustão, a pressão dentro da câmara deveria ser igual à atmosférica.
Na prática, verifica-se que para um motor com taxa de compressão de 10:1, a taxa de expansão máxima, para um aproveitamento razoável, está em torno de 17:1.
Como será analisado a seguir, o efeito de taxas diferentes é conseguido diminuindo artificialmente a taxa de compressão (diminuição do curso de compressão), atrasando o fechamento da válvula de admissão.
Ainda tendo sido patenteado em final do século 19, o ciclo utilizado no motor de Atkinson atualmente encontra aplicação em carros híbridos como o Prius da Toyota. É caracterizado por manter a válvula de admissão aberta por um tempo maior que aquele correspondente a um motor ciclo Otto. Com isto a fase de compressão resulta reduzida, o mesmo acontecendo com a taxa de compressão. Como resultado:
- Como o ciclo de expansão permanece o mesmo, a taxa de compressão resulta menor que a taxa de expansão.
- A energia da combustão impulsiona o pistão, fazendo com que o volume de ar se expanda além do volume que tinha no começo da fase de compressão.
- Quando maior for a taxa de expansão (até certo limite) com relação à de compressão, maior será a energia convertida em trabalho mecânico útil (e menor a perda de energia calórica pelo escape), aumentando assim a eficiência do motor.
Um motor com ciclo Atkinson pode ser até 10% mais eficiente que um similar de ciclo Otto convencional, em plena carga. O ganho de rendimento resulta da redução do trabalho de compressão e do maior aproveitamento da energia dos gases durante o ciclo de expansão.
A desvantagem de um motor com ciclo Atkinsom, em comparação com o de ciclo Otto de igual cilindrada, é a diminuição de eficiência volumétrica. Como uma porção menor do curso do pistão é dedicada à compressão, um volume menor de ar é comprimido. Ou seja, não todo o volume da câmara é preenchido com mistura. Assim, a densidade de potência é sacrificada em função do aumento de eficiência.
Motor de Ciclo Atkinson - Histórico
O motor de ciclo Atkinsom é um motor de combustão interna patenteado por James Atkinson em 1882. A principal característica é que possui uma taxa de compressão menor que a taxa de expansão. Isto é conseguido mecanicamente, através do uso de um complicado sistema de bielas, diminuindo o curso real do ciclo de compressão com relação ao de expansão. Cabe ressaltar que a taxa de compressão não é ajustável.
Em função das perdas mecânicas por fricção impostas pelo complicado sistema de bielas, este motor não teve aplicação prática.
Operação
- A figura 7 mostra um exemplo de calagem convencional de um motor ciclo Otto como comparativo com a calagem do ciclo Atkinson. As figuras 2 e 3 apresentam a operação do comando variável (VVT-i) do motor a gasolina do veículo híbrido Prius da Toyota.
- A figura 8 representa a calagem com o máximo atraso de 105o DPMI das válvulas de admissão. Esta é a condição de menor taxa de compressão.
- A figura 9 representa a calagem para o caso de máximo avanço (72o DPMI). Nesta condição, a taxa de compressão é a máxima para este motor e, portanto, a de máxima potência.
- O uso do sistema VVT-i permite ajustar continuamente, a calagem das válvulas de admissão entre a correspondente ao ciclo Atkinson (figura 8) e aquela de um comando mais convencional (figura 9). No caso deste motor, a ação VVT-i é de 33o.
O importante a ser salientado é que desta forma, pode ser maximizada a eficiência sempre que for possível, produzindo máxima potência quando requerido.
