Autoentusiastas Autoentusiastas Autoentusiastas Autoentusiastas Autoentusiastas Autoentusiastas Autoentusiastas Autoentusiastas EM BUSCA DA EFICIÊNCIA – Autoentusiastas

A energia é algo com que convivemos constantemente. Por exemplo, os alimentos nos mantém vivos través da transferência de sua energia para o nosso corpo, a energia das quedas d’água que giram as turbinas para a geração de energia elétrica e assim por diante. Energia é sempre de transformação, nunca de criação, ou seja, o que entra é igual ao que sai a menos das perdas por eficiência do sistema.

E neste sentido o automóvel com motor de combustão interna é uma máquina realmente ineficiente em termos energéticos. Veja o leitor que da energia liberada pelo combustível no motor, somente uma pequena parcela desta chega às rodas para movimentar o veículo; o restante é desperdiçado em forma de calor espúrio.

Estudo de distribuição de energia efetuado pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), demonstrou que em ciclo urbano, dos 100% de combustível que entra no motor, somente 13% chega realmente às rodas do veículo; para o ciclo de estrada o resultado foi um pouco melhor, com 20% da energia movendo as rodas. Mais de 60% da energia combustível é gasta somente para suprir as perdas inerentes ao funcionamento do motor. Haja ineficiência!

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Distribuição de energia, média nos ciclos urbano e estrada

Em motores de combustão interna de quatro tempos, em duas voltas do virabrequim, ou 720°, somente no tempo de combustão é que existe trabalho produtivo, os outros três tempos são de perdas, principalmente por bombeamento.

Eficiência de 100% seria transformar toda a energia potencial do combustível que entra no motor em trabalho, o que é um sonho. Eficiência 100% é totalmente utópica em termos de balanceamento energético e motor ideal não existe, infelizmente.

Vale a pena conceituar o que é trabalho. Por exemplo, trabalho para deslocar um objeto de um ponto a outro é o valor da força aplicada a ele multiplicada pela distância percorrida. E o que é a potência? Potência é trabalho desenvolvido por unidade de tempo. Para realizar o mesmo trabalho mais rapidamente é necessário maior potência. Em síntese, Trabalho é energia e Potência é energia por unidade de tempo.

Potencia e Trabalho 1

Trabalho e Potência

Para os veículos de maneira geral, existe um compromisso de três pilares: o melhor desempenho, o menor consumo de combustível e o menor nível de emissões de gases poluidores. Dentro deste escopo, a procura da melhor eficiência dos motores de combustão interna está sendo alvo de várias pesquisas, porém com grandes limitações. Por exemplo, ganhar eficiência volumétrica e térmica também gera mais calor, esquentando mais a câmara de combustão. O limite da ignição espontânea do combustível faz necessário o esfriamento da câmara do cabeçote, gastando mais energia para o processo. Nada vem de graça.

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O compromisso de três pilares

Falando de gasto de energia, recentemente foi aprovada uma lei que modificou o Art. 40 d0 Código de Trânsito Brasileiro, o qual obriga agora os faróis baixos ligados durante o dia nas estradas, que teoricamente é uma boa medida em termos de segurança, pois é mais fácil visualizar o tráfego, principalmente olhando-se nos retrovisores interno e externos e durante uma ultrapassagem em estradas de mão dupla (se bem que o farol baixo normal incomoda, há outras soluções, mas é assunto para outra matéria). Porém isso vai gastar mais combustível.

Vamos supor que os dois faróis baixos e as lanternas traseiras em conjunto tenham uma potência total de 120 watts aproximadamente. Se considerarmos esta carga durante uma hora, teremos um consumo energético de 432.000 joules. Sabendo-se que a energia potencial contida em um litro de gasolina é aproximadamente 35.000.000 joules e considerando-se eficiência 100%, as quatro lâmpadas acesas consumiriam 12 mililitros de gasolina por hora, ou seja, 1.000 veículos consumiriam 12 litros a mais por hora somente pelas lâmpadas acesas.

Parece pouco, mas não é. Imagine o leitor projetando-se este valor anualmente para toda a frota brasileira de veículos. É uma questão interessante, porque mostra como uma simples ideia do tipo “vamos todos acender os faróis” pode ter um custo real enorme, além de jogar mais carbono para a atmosfera, contribuindo para o efeito estufa.

Outro ponto interessante, as cores claras, principalmente a branca, ajudam reduzir o consumo de combustível e o nível de emissões de poluentes pelo escapamento. A cor branca reflete mais os raios solares incidentes na superfície do veículo, ajudando a manter a temperatura no interior da cabine mais baixa. Assim, o compressor do ar condicionado, que é acionado pelo motor, fica ligado menos tempo para manter o conforto, consumindo menos energia. Como referência, veja no AE Clássicos Automóveis brancos consomem menos combustível.

 

Ações

Várias ações estão sendo estudadas e adotadas pelos fabricantes de veículos para torná-los mais eficientes e econômicos, por exemplo, a diminuição da cilindrada do motor e a adoção de turbocompressor, injeção direta de combustível, comando de válvulas com variação automática de fase, dois levantamentos das válvulas de admissão e escapamento, coletor de admissão com variação de comprimento/volume, redução do atrito interno das partes móveis do motor, diminuição das massas de inércia rotativas e lineares, alternadores inteligentes de carga variável, carroceria com melhorias de aerodinâmica, redução de peso, pneus com menor atrito de rolamento, óleos lubrificantes menos viscosos acompanhado de ações de usinagens mais precisas dos componentes do motor e da transmissão, bomba de óleo de pressão variável etc.

Uma das ações relevantes tem sido a diminuição da cilindrada dos motores combinada  a adoção do turbocompressor com turbina de geometria variável (VGT). Na realidade estes aparatos se modernizaram e diminuíram de tamanho, se tornando muito mais eficientes e confiáveis devido aos materiais e aos processos de manufatura utilizados. Componentes fabricados por sinterização (pós compactados e submetidos a temperaturas elevadas), em alguns casos até com a adição de titânio, deram nova vida aos turbocompressores. O que antigamente era um problema em potencial tornou-se um item quase que fundamental e seguro para melhorar a eficiência volumétrica e térmica dos novos motores.

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Turbina de geometria variável mostrando as aletas direcionadoras de fluxo dos gases de escapamento localizadas na carcaça, maneira mais eficaz de regular a pressão de superalimentação por dispensar a válvula de alívio (wastegate)

O turbocompressor utiliza a energia dos gases de escapamento que seriam desperdiçados em forma de calor na atmosfera para girar uma turbina acoplada por meio de uma árvore a um compressor volumétrico que aumenta a pressão do ar admitido aos cilindros. No sistema de geometria variável o rendimento da turbina é melhorado tanto em baixas quanto em altas rotações do motor, com o desenvolvimento ótimo da posição das aletas direcionadoras de fluxo na carcaça por meio de atuadores eletro-hidráulicos.

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Comparação entre o turbocompressor de geometria fixa e variável

Como nada é de graça, o ganho de eficiência volumétrica e térmica aumenta o nível de temperatura da câmara de combustão do motor, sendo necessário atuar no sistema de arrefecimento para melhorar a circulação do líquido refrigerante no cabeçote.  Evitar as temperaturas críticas de ignição espontânea da mistura ar-combustível (detonação) é essencial para preservar o motor em toda a sua gama de utilização.

Lembro-me de que nos sistemas antigos era comum a prática de enriquecer a mistura ar-combustível para diminuir a temperatura da câmara de combustão. Imagine refrigerar a câmara com excesso de combustível, aumentando o consumo e poluindo o meio ambiente. Normalmente o sistema de turbocompressor inclui uma refrigeração adicional para diminuir a temperatura do ar comprimido — o interresfriador — e ganhar um adicional na eficiência volumétrica.

Outra prática que está cada vez mais na moda é a adoção de motores de três cilindros. E por que não dois, ou um, pode me perguntar o leitor. Os motores tricilíndricos reúnem excelente compromisso em termos de menor inércia das massas rotativas, menor peso e redução de atritos internos. Somando-se a redução da cilindrada aos turbocompressores de última geração, o conjunto torna-se imbatível e tem sido a bola da vez em termos mundiais. A sua qualidade sonora induz à percepção de maior potência e normalmente dá gosto acelerá-los.

Hoje há motores tricilíndricos de 0,66 l (Japão, nos kei jidosha) a 1,5 litro (BMW 116i, MINI Cooper), tanto de aspiração natural quanto forçada, e seu ponto forte é o menor consumo de combustível. Há também o bicilíndrico em linha TwinAir turbo de 0,9 litro de 85 cv usado nos Fiat Panda e 500.

Uma das dificuldades inerentes ao tricilíndrico é filtrar e amortecer  suas vibrações mais enérgicas através de massas sintonizadas e coxins maiores e mais eficientes; porém o compromisso continua muito favorável.

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Ford EcoBoost 1-litro, tricilíndrico (foto divulgação Ford)

Mas de nada adianta os fabricantes de automóveis queimarem as pestanas para projetar veículos mais econômicos se o motorista não colaborar neste aspecto. Veja o leitor alguns pontos importantes que podem contribuir com o aumento do consumo de combustível:

> Dirigir de maneira agressiva com acelerações bruscas e frenagens frequentes, incompatíveis com as condições do tráfego.
> Manter o carro parado em subidas segurando no acelerador e patinando a embreagem
> Manter marchas longas com o acelerador pressionado em vez de trocar para uma marcha mais curta, evitando assim a zona crítica de enriquecimento da mistura para proteger o motor
> Manter o ar-condicionado ligado com as janelas abertas; incrível, mas é uma prática muito comum
> Pneus com pressão inferior à recomendada
> Sistema de direção/suspensão desalinhado
> Trafegar nas estradas com janelas abertas, prejudicando a aerodinâmica do veículo
> Velas gastas
> Manter “tranqueiras” dentro do porta-malas e/ou nos bancos, aumentando o peso do veículo

Enfim, economia de combustível nunca é demais.

Fica a homenagem aos veículos híbridos, que associando motores elétricos aos de combustão interna é um bom caminho em termos de compromisso entre desempenho e economia de combustível. O custo dos híbridos ainda é muito alto, porém com o aumento de produção em níveis nacionais e mundiais a tendência do preço é cair para patamares mais aceitáveis.

Toyota Prius

Toyota Prius, pioneiro, 1997 (foto divulgação Toyota)

CM

Créditos: acervo do autor, google images


Sobre o Autor

Carlos Meccia

Engenheiro mecânico formado pela FEI (Faculdade de Engenharia Industrial) em 1970, trabalhou 40 anos na Ford brasileira até se aposentar. Trabalhou no campo de provas em Tatuí, SP e por último na fábrica em São Bernardo do Campo. Dono de amplo conhecimento de automóveis, se dispôs a se juntar ao time de editores do AUTOentusiastas após sugestão do editor Roberto Nasser.

  • Luís Galileu Tonelli

    Uma bela matéria Meccia. Tomarei-a emprestado para introduzir o conceito de trabalho/potência/energia em minhas aulas de Física. Nada melhor do que um belo exemplo de contextualização de conteúdos tão esperada pelo Enem e num debate de escopo amplo envolvendo mobilidade urbana e conservação do meio ambiente. Sem mencionar que quando somos indagados, como professores, “para que serve isso?” a melhor coisa é trazer um engenheiro que trabalha também como jornalista para a discussão.

  • Fat Jack

    CM, surgiu-me uma dúvida no terceiro item indicado da lista:
    “…Manter marchas longas com o acelerador pressionado…”
    Eu sempre ouvi dizer que do ponto de vista do método carga, que esta atitude contribuía para a redução do consumo, procede?

    • lightness RS

      Até certo ponto da rotação e do pé no pedal sim, mas amigo, boa parte dos carros com injeção eletrônica abaixo das 1.500 vão forçar o enriquecimento, e pé pisado acima de 70-75% também vai, nesse caso todo a vantagem vai pelo ralo.

      Ex: não ajuda nada pé ao 100%, 4ª marcha e 2 mil rpm, se você está tendo que pisar 100% o motor está deixando a mistura ‘gorda’ para gerar mais potência.

      • Fat Jack

        A questão é que boa parte dos especialistas no assunto sempre mencionou o “método carga” (quando aplicado em motores do ciclo Otto) como a forma de guiar mais economicamente possível e segundo o mesmo é preferível maior carga do acelerador e menor rotação que inverso.

        • lightness RS

          Mas eles esquecem da programação da injeção.

  • Rogério, lembre-se que há motores que desenvolvem torque máximo (o acelerador precisa estar todo aberto para isso) a 1.400 rpm. Portanto, o acelerador elétrico de comando eletrônico obedece ao motorista.

  • bow, veja exemplo de mapa de consumo especifico, versus carga do motor. O ideal é estar sempre na zona verde, o vermelho deve ser evitado e é zona crítica de enriquecimento e o amarelo é intermediário.

  • Eric-BA

    Carlos Meccia, eu tenho uma dúvida sobre a questão da eficiência versus número de cilindros:

    Eu li em alguma matéria aqui no AE, que o volume ideal do cilindro seria 0,5l. Inclusive, se não me engano, a BMW partiu desse princípio para projetar seus novos motores.

    Minha pergunta é a seguinte: tendo em vista que já há motores de 2 cilindros com relativo êxito, bem como o volume de 0,5 l que seria o ideal para cada cilindro, não seria melhor termos as seguintes configurações:

    Motores de 1.0 L: bicilíndrico – 0,5l X 2;
    Motores de 1,5 L: tricilíndrico – 0,5l X 3;
    Motores de 2,0 L: tetracilíndrico – 0,5 X 4;

    E assim por diante?

    • Luke

      A BMW já adota conceito semelhante. A cilindrada unitária 500 cm³ dos motores mais recentes da marca é a mesma, eles apenas vão adicionando mais cilindros, sempre em linha: com 3 fazem o 1,5-l, com 4, o 2-l e adicionado mais 2 cilindros idênticos, fazem o mítico 3 litros seis-em-linha. Muito inteligente, quase um motor Lego! Li em alguma matéria que a Mercedes estava considerando abandonar os V-6 e voltar aos 6-em-linha para poder adotar a mesma estratégia.

      • Lucas Vieira

        A MWM sempre fez isso nos motores Diesel, o saudoso 229, fabricado a mais de 30 anos, tem versões de 1 cilindro até 6. Cada cilindro com um cabeçote individual e cilindros de 1 litro cada. Muito engenhoso, bom e econômico esse motor. Equipa e equipou uma infinidade de veículos (F-1000 era uma delas), caminhões, tratores, geradores, barcos, etc.

  • Bruno Corrêa, de maneira geral marchas mais longas com o acelerador mais pressionado ajudam na economia de combustível, até que a situação pode se inverter a partir de uma determinada carga. Nos motores principalmente com injeção direta se faz a proteção contra detonação reduzindo-se o avanço de ignição e mantendo a mistura estequiométrica na zona crítica do motor ao invés de enriquecê-la, como era comum no passado recente.

  • Alex Ctba, já com seta mandando reduzir, mas só quando a rotação está baixa demais.

  • Lorenzo, do site m-power:
    The BMW M4 GTS is the first production road car to be fitted with an innovative and trailblazing water injection system. With this system, which further improves the full-throttle power and fuel consumption of the turbocharged straight-six engine, the BMW M engineers have utilised the principle that water absorbs energy from the surrounding air when it evaporates. Water is injected as a fine spray into the intake manifold plenum chamber where it evaporates, significantly lowering the temperature of the intake air. This reduces the final compression temperature in the combustion chamber, which also reduces the risk of knock, allowing the turbocharged engine to operate with higher boost pressure and earlier spark timing. The result is increased power and torque, and a substantial improvement in efficiency. Despite the extra power output, thermal stress on all performance-related components is reduced. All of these features ultimately help to diminish wear and prolong engine life.

    Mais em http://www.m-power.com/_open/s/editorial.jsp?id=3375&lang=en

    Mas não foi o primeiro, e sim o Corvair turbo a ter injeção de água.

  • O up! tem seta para baixo e para cima, e o número da marcha. Às vezes você está em terceira e ele mostra seta para cima e 5.

  • TDA

    Na cidade dirijo muito com a rotação entre 1.500 e 2.000 giros em marchas mais altas (4ª e 5ª) noto que quando está mais próximo dos 1.500 (ou até um pouco abaixo) e pressiono o acelerador ele tem uma pequena demora no tempo de resposta, tipo um “lag”, que com rotações maiores não ocorre. Isso pode ser o fato da compensação citado pelo Meccia?

    • TDA, o lag aí é falta de potência nessa rotação.

  • Rogério Ferreira, o dia em que eu precisar seguir o indicador de troca de marcha será o dia de eu deixar o volante.

  • Jonatas Junior, de modo algum é regra reduzir caso se queira aumentar a velocidade. Depende do quanto de aceleração se deseja. E não existe isso de “forçar o motor” em baixa rotação com alta carga (acelerador bem aberto). O esforço máximo é quando o motor desenvolve toda sua potência, acelerador todo aberto e funcionamento na rotação de potência máxima.

  • Leônidas Salazar

    Em um modelo que a BMW pretende utilizar, a água entra pelo duto de ar já em estado gasoso.

  • TDA

    No uso que citei é velocidade quase constante, entre 55 e 60 km/h, 5ª marcha e rotações entre 1.300 a 1.800 giros. Na maioria das vezes estou indo ou voltando do trabalho, sozinho no carro, e tiro o pé para não ultrapassar a velocidade da via (60 km/h) e ao voltar a acelerar noto o lag. O carro não chega a “reclamar” (tremer) e noto que o motor aguenta, também não aparece indicação para reduzir marcha no painel, mas me preocupo se pode prejudicar o motor a longo prazo.

    • TDA, quanto a prejudicar o motor, esqueça.

  • rvs, falta de potência nessa rotação baixa.

  • konnyaro

    Será um ótimo motor, mas para nossa realidade é apenas um sonho.
    Quanto ao ciclo Miller, os engenheiros doidos da Mazda fizeram um motor desses para o Mazda Millenia entre 1997 a 2002 com um compressor tipo Lysholm (que é bem mais eficiente que o tipo Roots), alegando que a perda acarretada pelo uso do compressor seria menor que a de comprimir a mistura apenas pelo pistão. Pena que este motor não deu certo pelo fato de usar o próprio óleo do motor para sua lubrificação: os motoristas que não fizessem a devida troca de óleo nos períodos recomendados ou utilizassem óleo não especificado, acabavam obstruindo as galerias internas do compressor por borras, aumentando a pressão interna e consequente vazamento pelos retentores do compressor, causando uma má fama do motor queimar óleo e que fez a Mazda descontinuar a produção destes.

  • Eduardo Mrack, tenho falado diariamente com o Meccia sobre isso. Ainda hoje ele mandou uma mensagem para o Lorenzo com o parecer de um especialista em calibração. Falta esclarecer uma dúvida, se o enriquecimento se dá em qualquer rotação ou somente a partir de uma determinada. No meu entender, e pela lógica, não haveria enriquecimento com acelerador todo aberto até, digamos, 3.000 rpm, por a potência gerada e tudo a ela associado, como temperatura de câmara ser baixa. Lembre-se, o modo carga é ir subindo marchas com acelerador todo aberto porém com rotação bem baixa.

  • André Luiz Paiva

    Alimentando o debate e revelando o quão interessante é o “Método Carga”, compartilho este teste do excelente jornalista Fabrício Samahá, do sítio bcws.com.br.
    Segue o link: http://bestcars.uol.com.br/servico/consumo-1.htm

    Vale destacar a conclusão do autor, ao relatar que o Método Carga obtém êxito na busca por economia, mesmo que seja necessário utilizar totalmente o curso do acelerador até que se chegue à velocidade desejada.
    Depreende-se do teste indicado que, usar o acelerador até o final do curso buscando manter as rotações do motor à baixos regimes de giro é vantajoso, uma vez que esta condição de uso ocorre por ínfimo período de tempo. Dificilmente se mantém o acelerador 100% pressionado por longo período, seja em uso urbano ou rodoviário, pois assim que o carro alcança a velocidade desejada, pode-se aliviar o pé afim de manter velocidade constante.