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quinta-feira, 18 de outubro de 2012

MOTOR DIESEL MOVIDO A ETANOL



Você já imaginou um caminhão pesado parado no posto ao lado de uma bomba de etanol, enchendo o tanque?

Pois é, isto já existe, a Scania apresentou na FENATRAN 2011 o primeiro caminhão movido a etanol. O objetivo desta iniciativa é a preocupação de atender as novas leis de emissões e aprimorar o estudo de combustíveis alternativos para motores a Diesel, assim como existe estudos avançados com Gás Natural, a Scania vem pelo lado mais ambiental, com etanol.
Por mais que isso pareça estranho, o motor funciona, e apenas com algumas modificações são necessárias, mas vamos comentar mais para frente.

Este estudo com motores movidos a etanol não é uma coisa nova para a Scania. Na Suécia, mais precisamente em Estocolmo, na década de 80 em parceria com a prefeitura da cidade iniciou-se um projeto chamado BEST (Bioethanol sustentable transport) que visa implantar ônibus urbano movido a etanol para reduzir a poluição na cidade. Com resultados satisfatórios o projeto vem-se ampliando e já atinge quase toda a Europa, Ásia e agora o Brasil, chegando a 600 ônibus sendo avaliados e comparados desde o desempenho até a durabilidade com ônibus que utilizam o Diesel como combustível. No Brasil o projeto BEST foi implementado pela prefeitura de São Paulo, que hoje esta monitorando um ônibus que faz a linha Jabaquara – São Mateus pelo sistema EMTU/SP.

Modificações no motor.

Primeiramente deve-se esclarecer que o etanol usado nos motores Diesel não é o mesmo usado nos automóveis convencionais, o etanol que esta nas bombas de todos os postos do Brasil é o E100, que significa 100% de etanol hidratado. Para o projeto BEST é utilizado o E95 (Etmax D), que reflete 95% de etanol hidratado e 5% de aditivos para prover lubricidade e aumento do número de cetano no etanol. Este combustível é fornecido somente pela empresa SEKAB que é sueca. 
O etanol E100 não tem a característica de lubrificante, por conta disto são adicionados ésteres de cadeias longas para aumentar a lubrificação, e em relação ao número de cetano, que no E100 gira em torno de 5 à 15, são adicionados compostos nitrogenados, mas que não são suficientes para alcançar níveis de cetano encontrado no Diesel (45 à 55), por isso foi necessário fazer modificações no motor.

Características gerais do motor diesel movido a etanol aditivado.

Motor Scania DC9 E02   
Combustível Etanol
Volume 8,9 litros
Sequência de ignição  1-2-4-5-3
Cilindros 5 em linha
Cabeçotes de cilindro 5
Válvulas por cilindro 4
Diâmetro x curso  127x140 mm
Taxa de compressão 28:1
Controle de injeção de combustível Scania PDE
Controle de emissões Proconve P7 Scania SCR/ EGR para ônibus
Potência máx. (270 hp) 228 kW a rpm 1900
Torque máx. 1.200 Nm a rpm 1100-1400
Frenagem máx. do motor 170 kW a rpm 2400

A principal modificação esta na taxa de compressão, que primeiramente era de 22:1, mas com a chegada da nova lei de emissão Euro 5 ela passou a ser de 28:1, altíssima se compararmos com motores Diesel convencionais (18:1). Isso se deve ao baixo número de cetano do etanol, dificultando assim a auto ignição do combustível. Outras modificações são injetores e bomba de combustível com maior capacidade volumétrica, pois o etanol tem um menor poder calorifico se comparado com o Diesel, necessitando assim mais combustível para o motor produzir a mesma potência, esse aumento de volume é por volta de 60%, o que significa que para o ônibus percorrer uma distância utilizando 1 litro de Diesel é necessário de 1,6 a 1,7 litros de etanol para percorrer a mesma distância.

Outras modificações são um eixo balanceador, pois como são 5 cilindros é natural produzir muita vibração, e este eixo ajuda a destruir ondas de segunda ordem que provocam tais vibrações. E materiais resistentes à corrosão provocada pelo etanol.

Emissões

A razão para fabricar um motor Diesel movido a etanol são as emissões. 

Estima-se que com o uso do etanol nos motores de ignição por compressão, há uma redução de 80% de CO2, pois não se trata de um combustível fóssil que contém grandes quantidades de carbono na sua composição química. Uma grande redução de CO e HC, pela mesma razão da redução de CO2. 90% a menos de material particulado (MP) pois além do atraso na ignição provocado pelo baixo número de cetano, a baixa temperatura e rápida combustão, há um injeção de hidrogênio na mistura, tudo isso diminui as emissões de fumaça preta e MP. E 62% de redução de NOx, pois como comentado, a baixa temperatura de combustão gerada pela vaporização do etanol, o atraso que ocorre na ignição, acontecendo mais próximo do PMS e a rápida combustão não disponibiliza tempo e temperatura suficiente para a formação do NOx. E ainda há um pequeno aumento no rendimento térmico do motor, por volta de 3%, pois com a rápida combustão (rápida se comparada com o Diesel) não há tempo do calor migrar para o liquido refrigerante.

Na tabela abaixo, pode-se observar os valores dos testes obtidos com motores PROCONVE 5, 6 e o motor DC9 E02 a etanol.

Emissões do motor ciclo diesel movido a etanol aditivado

                               VALORES DE EMISSÃO

                                  CO (g/kWh)   HC(g/kWh)   NOx (g/kWh)   MP (g/kWh)
Ensaio no motor (1)           0, 00                  0,05                       1,7                       0,01
PROCONVE P-5(2)           2,1                      0,66                       5,0                      0,10
PROCONVE P-6(3)           1,5                      0,46                       3,5                      0,02

(1) Ensaio realizado em 13/09/2007, no laboratório RDW, na Holanda
(2) Estabelecidos na Resolução Conama n.o 315/02, em vigor desde 01/01/2006.
(3) Resolução Conama n.º 315/02, Art.15, Tabela 1, linha 2, em vigor até 01/01/2009.

Pode-se observar que os valores obtidos com o motor movido a etanol, atinge-se além dos limites para EURO 5 mas também Euro 6 (PROCONVE 8), que estará em vigor na Europa a partir de 2014.

Consumo de combustível

O consumo de combustível do etanol, como todos sabemos, é mais elevado. No uso em motores ciclo Otto gira em torno de 30%, mas em motores por compressão esse aumento esta por volta de 60%. Mas o uso do etanol nos automóveis esta condicionada ao preço da gasolina e do etanol, por exemplo, se na bomba o preço do álcool estiver mais de 30% mais barato que a gasolina, a opção de uso é o álcool, se não é a gasolina.

Mas no caso deste motor da Scania, não há opção de uso de Diesel ou álcool, é somente o etanol. E tomando por base os preços dos dois combustível nos últimos anos, eles são parecidos, giram em torno de R$ 1,60 a 2,00, dependendo da região do país. O que leva a entender que o consumo operacional do veículo será por volta de 60% superior aos veículos exclusivos a Diesel. Isso sem levar em consideração o custo de manutenção.

Olhando somente para a manutenção, é preciso analisar que o etanol tem um poder corrosivo elevado, portanto o sistema de injeção de combustível terá uma atenção maior, além do óleo lubrificante, que tem uma contaminação maior se comparado com o uso do Diesel, os filtros terão uma frequência maior de trocas. Tudo isso eleva os custos de manutenção também. Podendo chegar ao dobro de um veículo a Diesel segundo a Scania.

Então olhando para este cenário, é difícil de acreditar que este projeto (BEST) esteja operando a mais de 20 anos e ampliando-se em todo o mundo. Mas a razão disto é simples, as prefeituras que adotam este projeto nos transportes públicos tem um acréscimo nos gastos neste setor, mas em contra partida, a redução dos gastos na saúde pública é significante, podendo até amortizar e superar os aumentos no transporte. Pois especialistas estimam que em uma frota de 15.000 ônibus (frota da cidade de São Paulo) rodando com o etanol E95, equivaleria ambientalmente, a uma frota de 3.000 ônibus a Diesel. E lembrando que por volta de 3 milhões de pessoas são internadas anualmente em hospitais decorrente de problemas relacionados a poluição dos centros metropolitanos, o que acarreta milhares de cifras gastas com este problema, então vale a pena investir em debates e discussões para melhorar ainda mais este tipo de iniciativa nos transportes públicos.

Mas pensar nesta alternativa para o transporte rodoviário, acredito que ainda é cedo achar que as grandes transportadoras e até mesmo os autônomos motoristas de caminhão irão absorver este aumento de gastos operacionais.



quarta-feira, 3 de outubro de 2012

SISTEMA DE PARTIDA A FRIO

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O sistema de partida a frio foi desenvolvido para auxiliar a partida do motor em dias frios. Mas o sistema só entra em operação quando o tanque de combustível estiver com mais de 90% de etanol e a temperatura do motor abaixo de 16ºC, se uma destas condições não existir, o sistema não opera.
 
Este sistema não é uma inovação, desde a década de 80 alguns carros a álcool já tinham este mecanismo para ajudar na partida, mas não eram todos, a grande maioria era necessário puxar o afogador, ou insistir bastante para o motor pegar. Com isso, as montadoras, com a chegada dos motores Flex, recolocaram este sistema nos carros, pois se trata da solução mais viável que o afogador.
 
Tudo isso por conta do combustível etanol, que tem uma dificuldade de queimar à temperaturas baixas (< 16ºC), seu ponto de fulgor é de 16ºC, portando não é a temperatura ambiente que determina se o motor funcionará ou não, e sim a temperatura do combustível.
 
Funcionamento do Sistema
Os componentes do sistema são:
 
· Tanque de 1 litro para a gasolina.
Este tanquinho por medidas de segurança e colocado fora do cofre do motor, acima da caixa de rodas e dentro do para-lamas, assim em caso de colisão, a gasolina não é espirrada em cima do motor quente, evitando incêndio.
 
· Bomba elétrica.
A bombinha é instalada no tanquinho pelo lado de fora, para facilitar a manutenção.
 
· Mangueiras flexíveis.
O sistema é composto completamente por mangueiras flexíveis, e são fixadas na carroceria do automóvel.
 
· Filtro de combustível.
· Eletro válvula (solenoide).
Esta válvula tem a função de dosar a quantidade de gasolina que irá para os coletores de admissão. Logo após o motorista girar a chave e as condições de temperatura e a quantidade de etanol no tanque se satisfazer, esta válvula irá atuar com pulsos de injeções. Primeiro, a cada volta do virabrequim um pulso, depois que o motor estiver funcionando, para garantir um funcionamento adequado, a válvula continuará pulsando, mas agora um pulso a cada dois giros do motor, e assim sucessivamente até um pulso a cada 8 giros do motor.
 
Após a eletro válvula, as mangueiras se conectam no coletor de admissão próximo dos injetores de combustível.
 
E como mencionado, a eletro válvula só atua se a temperatura do motor estiver abaixo de 16ºC e o tanque estiver com mais de 90% de etanol. Mas como o modulo sabe que o tanque esta com esta quantidade de etanol?
 
Na partida, o modulo recebe sinal de todos os sensores do motor, inclusive o sensor de temperatura da água. Com relação ao combustível, o modulo tem a informação do último funcionamento do motor, a sonda lambda enviou informação para o modulo até o motor ser desligado, a partir daí o modulo entende qual a quantidade de etanol que estava e esta no tanque. Portanto os fabricantes recomendam, se o usuário esvaziou um tanque de gasolina e abasteceu somente com etanol, é necessário rodar com o veículo pelo menos 12 km para que o sistema de injeção do motor entenda qual é a nova condição de funcionamento (saindo da relação ar/combustível 13,6:1 para 9:1) e assim na próxima partida fria do motor o sistema de partida a frio atuará.
 
Problemas inerentes
Mas o sistema não é infalível, muito pelo contrário, existem vários problemas que acontecem.
 
O mais comum é o motorista esquecer-se de abastecer o tanquinho, e quando for necessário não tem a gasolina para ajudar na partida. O esquecimento não acarreta somente este problema, com o longo período que o tanque fica vazio, o anel de borracha que faz a vedação da conexão bomba elétrica e tanque, resseca, e fica quebradiço, e quando o motorista lembra de abastecer, a gasolina vaza por este anel, ocasionando o mal cheiro.
 
Outro problema é contrário a este, o motorista lembra de abastecer sempre o tanquinho, mas se a temperatura se manter alta por um longo período ou o preço do álcool estiver alto e o motorista utilizar gasolina por um longo período também, aquela gasolina que fica no tanquinho perde a validade, perdendo assim as suas propriedades, e quando for necessário o uso, a gasolina não tem o mesmo efeito.
 
Os outros problemas envolvem falhas nos componentes do sistema, falha na bomba, entupimento do filtro, falha na eletro válvula, etc.
 
Por tudo isso existe inúmeras reclamações dos consumidores a respeito deste sistema. E com isto inúmeros conselhos dos ditos técnicos para o uso deste sistema, por exemplo, não misturar etanol e gasolina no tanque, pois assim (eles dizem) o sistema de injeção fica louco e acarreta falha. Não usar o etanol. Etc. Tudo bobagem. Na verdade é que o projeto mesmo é propicio a falha, pensando nisto e também no custo deste sistema tradicional a Bosch, Magnetti Marelli e Delphi já desenvolveram soluções para o problema.
 
Inovações na partida dos motores Flex
As três empresas estudam este problema a algum tempo, e após o período de pesquisa chegaram a conclusão de que a melhor maneira de dar a partida com etanol é esquentando o mesmo. Então a Bosch desenvolveu o Flex-Start em parceria com a VW, que consiste em uma espécie de resistência elétrica em cada injetor para aquecer o etanol e injeta-los na câmara a uma temperatura ideal de trabalhos, elevando a temperatura do combustível desde -5ºC, a valores de 20º à 30ºC, isso em no máximo 12 segundos. A Magnetti Marelli também desenvolveu um sistema parecido, mas a resistência esta na flauta dos injetores, que segundo eles é mais eficiente, podendo elevar a temperatura do combustível até a 40ºC. A Delphi diz ter um sistema que apenas um injetor fica encarregado de aquecer o combustível.
Mas tudo isso além de ajudar na partida fria do motor, também melhora o consumo de combustível e reduz as emissões de gases, por conta que na partida de qualquer motor, o regime de aquecimento demanda uma pequena aceleração, justamente para aquecê-lo mais rápido, isso eleva o consumo e as emissões por conta de que a câmara de combustão não esta na temperatura ideal de funcionamento dificultando a queima do combustível e aumentando o nível de HC nos gases de escape. Pensando nisto as montadoras estão estudando se seria interessante o uso deste sistema também quando o tanque esta com gasolina, pois as novas leis de emissões que entraram em vigor em 2014 serão mais apertadas e vão fiscalizar também a partida a frio do motor.
O problema de tudo isto é que necessitará de uma bateria maior do motor, fiação com diâmetros maiores e um modulo extra para gerenciar as temperaturas do combustível e das resistências, mas este modulo não pode ser interno no ECM do motor, pois trabalha com uma intensidade de corrente muito elevada justamente por conta das resistências. E o pacote Flex-Start inclui o aumento considerável na pressão do combustível (de 4 para 6 bar) e bicos injetores com 12 furos, em vez de quatro. As duas mudanças servem para diminuir as gotículas de combustível (de 100 para 60 microns) e, assim, melhorar a mistura na câmara de combustão. E mesmo com tudo isto, o Flex-Start é mais barato do que o sistema com tanquinho. Vale a pena o investimento.

sexta-feira, 21 de setembro de 2012

NOVO MOTOR DA RENAULT - HI-POWER 1.6L 8V

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A Renault anunciou recentemente para o mercado brasileiro atualizações em sua gama de produtos. Dessa vez a marca apresenta as novidades na linha 2013 do Sandero, Sandero Stepway e do Logan. Os três modelos agora apresenta uma nova motorização 1.6 litro com 8 válvulas, totalmente desenvolvida no Brasil e chamada de Hi-Power, que vem para substituir o anterior Hi-Torque.

Este novo motor oferece mais desempenho e ao mesmo tempo economia no consumo de combustível. Em comparação com o antigo Hi-Torque 1.6l 8V, este novo disponibiliza mais potência em baixas rotações, que consequentemente entrega ao eixo de saída 85% do torque a partir das 1.500 rpm, o que permite ao veículo ser mais ágil na saída, como também nas retomadas, este ganho de potência esta na faixa de 10% quando abastecido com etanol.

Potência e Torque
Etanol: 106 cv @5500 rpm / 15,5 m.kgf @2850 rpm
Gasolina: 98 cv @ 5500 rpm / 14,5 m.kgf @ 2850 rpm

Estes números foram atingidos por conta de um intenso trabalho que levaram ao todo 36 meses, 7 mil horas de engenharia e 40 protótipos para ensaios e testes, tudo isso para realizar mudanças em diversas partes do motor, sendo o projeto realizado totalmente no Renault Tecnologia Américas (RTA) em Curitiba.

As mudanças
Foram modificados desde o design de algumas peças o até material, peso e processos de produção que no contexto geral formaram um motor mais eficiente e mais próximo a realidade que estamos vivenciando hoje em dia, de motores mais ecológicos que aproveitam mais e energia disponível nos combustíveis.
· A principal mudança veio na taxa de compressão, que no motor Hi-Torque era de 9,5:1 e passou a ser 12:1.
Isso traz um ganho enorme para o motor, principalmente para o objetivo que a Renault estava buscando, mais potência disponível em baixas rotações.
Existem algumas estratégias para se conseguir o mesmo resultado, como por exemplo, coletor de admissão de geometria variável, comando de válvula variável, supercharger, aumento da taxa de compressão, etc.
Como se pode observar no gráfico abaixo, com o aumento da taxa de compressão permite-se um aumento no rendimento volumétrico do motor (ηv), isso para motores de aspiração natural, garantindo uma maior carga de ar para os cilindros principalmente em baixas rotações, onde a pressão de escape é maior que a pressão de admissão.

 
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E assim o motor produz mais potência em baixas rotações (~27 cv @ 1500 rpm) disponibilizando mais energia e torque nas rodas em arrancadas.
 
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  • Nova calibração no modulo eletrônico do motor, possibilitando maior input de dados e um maior ajuste nos parâmetros da ignição, pois com a maior taxa de compressão existe a maior probabilidade de detonação (Knock) fazendo-se necessário com maior rapidez o atraso da ignição.
  • Mudanças nos materiais das bronzinas de mancais das bielas e virabrequim, para maior resistência ao desgaste e fadiga.
  • Uma junta de cabeçote com três camadas, sendo a camada do meio metálico, isso para aumentar a resistência e vedação dos cilindros, pois com a maior taxa de compressão a imposição sobre esta junta se intensifica.
  • Novo eixo comando.
    Bielas sendo forjadas em aço, permitindo redução de peso (reduzindo de 532 g para 501 g, cada) além da adoção do processo de fratura da capa da biela, que melhora a junção das duas peças.
  • Pistões com novo Design, reduzindo a massa e com o desenho de saias assimétricas, para melhorar o equilíbrio devido ao aumento da taxa de compressão, além da aplicação de grafite nas saias diminuindo o atrito com a camisa.

  • Adoção do 5º bico injetor no corpo de borboleta, para a partida a frio.

Comentários finais


O motor não sofreu grandes transformações em nível de inovação tecnológica, mas mostra a preocupação da marca em seguir inovando, pois estamos num período onde a pesquisa de motores mais eficientes está a todo vapor, mas algumas modificações neste motor (Hi-Power 1.6l 8V) deixaram algumas dúvidas no ar.

Como por exemplo, o 5º injetor no corpo de borboleta e o trem de válvulas permanecer com 8 válvulas.

No caso do 5º injetor no corpo de borboleta, ao meu entender, vem adicionar mais custo ao motor do que benefícios, pois se tem a adição de mais um bico injetor, mais um conector ao chicote do motor, mais alguns inputs ao modulo eletrônico do motor, além de que manteve o tanquinho de gasolina para a partida a frio, sendo que já existem sistemas que não necessitam mais deste tanquinho, e com o bico injetor tão distante da câmara de combustão (lembrando os motores monoponto) aumenta-se o consumo de gasolina deste tanquinho, pois a gasolina que não vaporiza se deposita dentro do coletor de admissão, não sendo aproveitado pelo motor, é claro que esta perda não é tão grande, pois o sistema só funciona na partida a frio, mas é um consumo desnecessário.

Enquanto que no caso do trem de válvulas, já que a Renault fez diversas modificações no motor, não seria interessante fazer também a modificação do sistema para 16V ?
Assim se conseguiria um aumento ainda maior no rendimento volumétrico e na potência em baixas rotações. É claro que mais uma modificação demanda tempo e dinheiro, ainda mais neste mundo corrido que é na indústria automotiva, mas os benefícios poderiam ser maiores, talvez uma potência de 125 cv e um torque próximo de 16 m.kgf.



    

 



quarta-feira, 19 de setembro de 2012

MOTOR MULTIAIR DA FIAT

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                                              Imagem do site: http://www.allpar.com/

A Fiat Powertrain Technologies (FPT) deu um grande passo no desenvolvimento dos motores ciclo Otto ou Spark ignition (SI) com a criação do sistema de variação de abertura da válvula de admissão. Foram dez anos de desenvolvimento e testes para o sistema estar apto a ser produzido, e no ano de 2010 ser considerado o motor do ano com a versão 1.4 litros turbo alimentado e em 2011 ganhar com a versão 2 cilindros de 0,875 litros, esta ultima que equipa o Fiat 500. Aqui no Brasil o Multiair vem com 4 cilindros de 1.4 litros, aspiração natural, 105 cv @ 6200 rpm e 13,6 kgf.m @ 3800 rpm, também equipa o Fiat 500.

Mas esta inovação é um grande avanço para os motores SI, que durante longos anos não mostrou avanços tão expressivos quanto os motores Diesel, que vem tomando espaço no mercado europeu e agora no EUA, justamente com a criação do sistema de injeção Common Rail, que trouxe aos motores Diesel baixo nível de ruido, diminuição nas emissões de poluentes e consumo de combustível, fazendo o mercado aceitar mais este tipo de motorização.

Com as novas leis de emissões ficando cada vez mais rigorosas, o desenvolvimento dos motores SI tem tomado o caminho do downsize aliado ao turbocompressor. Mas um sistema que controla a entrada de ar no motor para cada regime de rotação seria uma solução quase que ideal para a diminuição dos níveis de emissões dos motores, contudo, trata-se de um sistema de custo elevado e complexo, exemplo, sistemas eletro-magnéticos, eletro-mecânicos e eletro-hidráulicos, que necessitam de bombas, reservatórios, bobinas, pistões, etc. Mas durante estes dez anos de desenvolvimento a Fiat provou que é possível construir este sistema a um custo não tão elevado, possibilitando a produção deste motor e equipando além do Fiat 500, o Alfa Romeo MiTo, Alfa Romeo Giulietta e no Lancia Ypsilon

Detalhes do sistema Multiair

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                                         Imagem do site: http://www.automovelblog.com/

O motor Multiair 1.4 litros tem 16V, mas foi retirado o eixo comando das válvulas de admissão e substituído por um sistema eletro-hidráulico comandado pro um modulo adaptável eletrônico para a abertura e fechamento das válvulas, como pode ser visto na figura acima no eixo comando das válvula de escape foram adicionados 4 cames que acionam 4 alavancas roletadas que empurram pistões para pressurizar o óleo hidráulico que vai diretamente a um solenóide, onde é direcionado na quantidade certa controlada pelo modulo eletrônico para a aste das válvulas. Esta quantidade de óleo deve ser controlada pois as válvulas podem tanto abrir completamente com somente uma breve abertura, variando deste modo a quantidade de ar que entra nos cilindros.

Este sistema traz diversas vantagens ao motor, pois nos motores convencionais a abertura total da válvula de adm em todos os regimes de funcionamento traz alguns desperdícios para o motor, como por exemplo:
  • Em regime de marcha lente e baixa carga a abertura total da válvula de adm permite a entrada "exagerada" de ar nos cilindros, e como a queima deve ser sempre próxima da estequiometria (14:1 de ar e gasolina) o sistema precisa injetar uma quantidade de combustível "exagerada" para manter o motor rodando e dentro dos níveis de emissões. Com isso o consumo é "exagerado". OBS: nesta situação é onde se tem o maior consumo em função da potência do motor.
  • Em regimes de baixa e médias cargas o motor perde com o trabalho de bombagem do ar de admissão, pois o pistão precisa fazer a sucção do ar durante todo o ciclo de admissão, porque a válvula permanece aberta durante todo este ciclo, onde neste regime de funcionamento não é necessário.
  •  Em regimes de baixa e médias cargas o overlap das válvulas não é desejável, pois parte do gás de escape entra no coletor de admissão, tomando lugar da carga de ar fresca que deveria entrar no cilindro, diminuindo a potência e aumentando o consumo do motor.
Tudo isso é solucionado com o sistema eletro-hidráulico do Multiair. Isso porque ele apresenta 5 fases de funcionamento: imagem retirada do site: http://www.automotto.com/

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Seguindo os gráficos de cima para baixo da imagem, tem-se:
  1. Full Lift: Esta é a fase onde a válvula tem total abertura como nos motores convencionais, mas só é requerida quando em potência total.
  2. LIVO - Late Intake Valve Opening: Esta é a fase de start do motor, rodando em marcha lenta a válvula tem um atraso na abertura, provocando quando aberta uma pressão maior de entrada, melhorando a homogenização da mistura e evita o overlap das válvulas.
  3. EIVC - Early Intake Valve Closing: Esta fase entra em baixas e médias cargas, o fechamento da válvula de admissão é adiantado, prevenindo o refluxo da mistura para o coletor de admissão e diminuindo o trabalho de bombagem do pistão, pois a válvula não fica aberta durante todo o ciclo de admissão.
  4. Parcial Load: Esta fase entra em cargas média para altas, tem a mesma função da fase 3, mas com acelerações mais agudas.
  5. Multi Lift: Esta fase entra quando se esta em trânsito pesado onde se tem muitas paradas e as acelerações são de baixa intensidade. A válvula tem duas aberturas e fechamentos durante o ciclo de admissão, com isso aumenta-se a turbulência na câmara e a queima é beneficiada, além do fato de pouca quantidade de ar entrar no cilindro levando a uma injeção com pouca quantidade de gasolina para tornar a mistura estequiometrica.
Como pode se observar a válvula tem a abertura e fechamento muito variável, dependendo da rotação e carga que o motor esta sofrendo. Na imagem abaixo retirada do site: http://www.autofocusasia.com/ pode-se observar que esta variação das válvulas é devido ao sinal que o solenóide recebe do modulo.

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Por fim, com apenas esta tecnologia, sem turbocompressor, sem injeção direta, sem downsize, sem pós tratamento, o motor Multiair apresenta consumo de 13 km/l na cidade e 15 km/l na estrada e esta dentro dos limites de emissões EURO 6. Um belo salto na tecnologia.









segunda-feira, 17 de setembro de 2012

MOTOR SKYACTIV-D (DIESEL)

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Mazda, para o ano de 2012 inovou tanto nos motores a gasolina quanto para motores diesel. Nos motores a gasolina trouxe um pacote de tecnologias que vem sendo adotados por todos, como por exemplo, redução de atrito, comando de válvula variável, injeção direta, etc. Mas inovou mesmo quanto a taxa de compressão: 14:1 para o Japão e 13:1 no EUA, fugindo assim das tendências de downsize e turbocharge.

Para os de ciclo Diesel a inovação também veio com a taxa de compressão, mas agora em vez de aumentar, abaixou, trazendo com ela um novo pensamento dos motores Diesel.

A taxa de compressão deste motor (SKYACTIV-D) é de 14:1 . !! Isso mesmo, a mesma taxa do motor a gasolina (SKYACTIV-G), isso pode parecer estranho, pois a principal virtude dos motores Diesel é a alta taxa de compressão, que é por volta de 18:1 até 23:1, elevando o rendimento térmico do motor para valores acima de 40%.
Mas então por que a Mazda fez isto ?

Um dos motivos principais são as emissões de poluentes. Nos motores Diesel o NOx e a fumaça preta (PM) são os principais vilões, e são formados exatamente pela alta taxa de compressão.

Com compressões acima de 16:1 as temperaturas de combustão são altíssimas, propiciando a produção do NOx, e nestas condições dificulta-se a injeção de combustível, formando pontos onde a mistura fica rica, propiciando a formação de fuligem.

Pensando nisto os engenheiros da Mazda propuseram um ambiente mais favorável para a combustão. E com a taxa de compressão de 14:1, é facilitada a mistura ar-combustível e a temperatura é diminuída, reduzindo as emissões a tal nível que o motor esta dentro dos limites de emissões Euro 6, sem a necessidade dos caros e espaçosos sistemas de pós tratamento.

E os beneficios não param aí, com a redução da taxa, não é necessário manter a robustez e a estrutura reforçada dos motores convencionais Diesel, pode-se diminuir a massa girante e a massa estática do motor, com essa redução vem também a queda no atrito entre as peças, melhorando no contexto global o consumo de combustível, entre 4 à 5%.

Além da combustão se tornar mais rápida, pois como foi comentado a mistura ar combustível ocorre mais facilmente, diminuindo o tempo químico e físico normalmente alto nos motores diesel, aliado a um injetor piezo elétrico com 12 furos no nariz, podendo injetar na câmara de 2 a 8 injeções por ciclo, com pressão de até 200 bar, sem contar o sistema twin-turbo (2 turbo compressor em série) que supera a performance do VGT, tudo isso para melhorar ainda mais a atomização do óleo Diesel. Com isso é possível aumentar a rotação do motor, onde no SKY-D chega a 4500 rpm em potência máxima e 5200 rpm no limite máximo.

Com tudo, o grande problema que ocorreu durante o desenvolvimento do motor era durante a fase de aquecimento, onde com a baixa taxa de compressão a temperatura tinha dificuldade de aumentar, provocando até falhas de ignição. A solução disso foi o sistema de comando de válvula de escape variável, que durante o aquecimento do motor aumentava o overlap das válvulas, possibilitando a entrada do gás de escape no próximo cilindro aumentando assim a temperatura do ar e do motor. O sistema trabalha nesta condição até o motor atingir a temperatura ideal, voltando ao ângulo de abertura e fechamento das válvulas originais. 

Mas é preciso analisar quanto a perca de torque e potência do motor, com esta redução de taxa de compressão é evidente que o motor perde muito estas propriedades, mas em contra partida a redução de peso, atrito e o aumento da rotação do motor compensa o fato da redução do torque e potência. Tanto é que o SKYACTIV-G de 2.2 litros apresenta torque de 43 kgf.m @ 2000 rpm e potência de 173 hp @ 4500 rpm. O consumo gira em torno de 14 km/l na cidade e 18 km/l na estrada. Números que agradam qualquer consumidor na hora da compra do carro zero, pena que no Brasil veículos a Diesel só acima de 3000 kg, e este SKYACTIV-D equipar-rá o Mazda 3 compacto e sedã.

No video abaixo ilustra muito bem o novo motor da Mazda.





quinta-feira, 13 de setembro de 2012

MOTOR SKYACTV - G (Gasolina)

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O motor SKY-G da Mazda não é um motor mirabolante, revolucionario. Mas traz com ele grandes ideias que foge da linha de raciocínio que todas as empresas tendem a seguir.

Os engenheiros da Mazda construíram este motor sem seguir a tendência do "downsize" e turbocompressor. Este motor 4 cilindros de aspiração natural, 2.0 litros, é capaz de fazer 17 km/l de gasolina, produzindo 158 hp @ 6000 rpm e 20,8 kgf.m @ 4000 rpm. Um consumo nada mal para um motor considerado grande para os padrões de hoje em dia, sendo que atinge com facilidade as normas de emissões vigentes e segundo a Mazda as futuras também.

O pensamento destes japoneses esta no futuro próximo, dentro de alguns anos será possível produzir motores HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition) - que são motores com alto rendimento térmico (~55%), produção baixíssima de poluentes (produção 100 vezes menor de NOx e particulado) e propicia alta potência e torque - mas que esperam uma evolução maior da tecnologia, pois necessitam de um controle afinado da combustão, sistema de injeção flexível (multi-fuel), taxa de compressão variável, válvula de escape com abertura variável e turbo com alimentação variável. Isso é o futuro para eles dos motores de combustão interna.

Por conta disto a tendência downsize não se torna aplicável, pois os motores HCCI que necessitam de alto fluxo de ar (trabalham com misturas pobres), coisa que em um motor pequeno, ex 1,4 litros, não se conseguiria justamente pelo tamanho, então se a Mazda aplicasse o downsize agora em 2012 na família de motores SKY, após algum tempo eles teriam que sofrer upsizing novamente. Esse é o pensamento deles, eles vão usar o motor HCCI em breve. 

Espremendo o consumo


Mas voltando ao SKY-G, o que chama a atenção é o baixo consumo de combustível com um motor 2.0, isso se deve a um conjunto de melhorias, mas a que mais saltam os olhos é a taxa de compressão: 14:1 para os motores no Japão, e 13:1 no EUA.
Isso pode causar certa estranheza, com certeza este motor vai apresentar distúrbios na combustão, o famoso Knock (detonação), principalmente para a gasolina americana que tem a octanagem de 87 à 91.

Os engenheiro da Mazda fizeram um estudo aprofundado sobre as causas e circunstâncias do aparecimento do Knock, e chegaram a conclusão que o principal motivo é a alta temperatura que a mistura atinge na câmara de combustão instantes antes da faisca da vela, então para resolver este problema foram adotadas algumas medidas que vem das pistas de corrida. 
Mas uma coisa é certa, o motor apresenta alta potência e torque e aproveita mais a energia vinda da gasolina, pois aumenta também o rendimento térmico. Mas como isso é possível ?

O funcionamento


Primeiramente, o motor trabalha no ciclo atkinson quando em regime de baixa e constante carga. Isso é possível com o eixo comando variável, que tem um range de operação de 70º nas válvulas de admissão.
As válvulas de admissão permanecem abertas mesmo após o pistão ter atingido o PMI, com isso parte da carga de ar que entrou no cilindro é jogada de volta no coletor de admissão, diminuindo a taxa de compressão efetiva, a temperatura na câmara e a potência, já que não são requeridos em regime de baixa carga. Mas resolvendo o problema do Knock e da produção de poluentes. E no ciclo de expansão a eficiência é devolvida com todo o curso do pistão.

Já quando é requerido potência do motor, o eixo comando retorna à posição original de abertura e fechamento das válvulas de admissão, voltando ao ciclo Otto de funcionamento. A prevenção contra o aparecimento do Knock esta por conta do coletor de escape tipo 4-2-1, muito usado por motores de corrida, onde o gás quente de escape não tem a possibilidade de entrar novamente em outros cilindros, que elevaria a temperatura da mistura deste outro cilindro, levando o aparecimento do knock. Com este coletor a temperatura não é elevada, deixando as novas cargas de ar nos cilindros mais frescas e densas, aumentando a quantidade de ar dentro dos cilindros.

Mas não é somente o coletor que ajuda na batalha contra o Knock:
  • Injeção direta: Além de reduzir o consumo, a gasolina pode ser injetada tanto no ciclo de admissão quanto na compressão, diminuindo a temperatura do ar pelo perca de calor latente que o combustível liquido perde para se transformar em vapor, prevenindo ainda mais o Knock.
  • Câmara de combustão: O pistão tem uma cavidade no centro da cabeça, isso centraliza e direciona a ignição do combustível, deflagrando corretamente desde o centro a propagação da chama e da onda de choque, evitando que a ignição se inicie em outra parte do cilindro, prevenindo o Knock.


As outras melhorias vem com bomba de óleo e de água com deslocamento variável, evitando o desperdício de potência que estes equipamentos gastam em baixas rotações, ajudando no consumo de combustível.
Redução na perca de calor, fazendo o motor trabalhar mais tempo na temperatura ideal. Isso foi possível com:
  • Um diâmetro menor do pistão (menor se comparado com a versão 2.5 l anterior),
  • A cavidade na cabeça do pistão ajuda também. 
  • O atrito foi reduzido nos anéis do pistão, biela e virabrequim (este agora é forjado em aço e não mais ferro fundido).
  • Roletes nos tuchos de válvula.
No video abaixo ajuda a entender mais sobre estas inovações.




 


quarta-feira, 12 de setembro de 2012

NOVOS MOTORES DIESEL


Os motores Diesel no ano de 2012 sofreram algumas mudanças para atender as novas leis de emissões Euro 5 ou PROCONVE p7.

Em 01/jan/2012 o Brasil implantou uma nova lei de emissões mais restritas para motores de combustões interna, que afetaram diretamente os motores de ciclo Diesel. Essa nova atualização foi um pouco agressiva no Brasil por alguns fatores que podem ser observados com mais detalhes no blog: auto entusiastas - http://autoentusiastas.blogspot.com.br/2009/11/nova-lei-de-emissoes-diesel-2012-o_04.html de Carlos Zilvete.

Mas resumidamente trata-se do seguinte.

Em 2009, um acordo fechado entre governo federal, montadoras e órgãos reguladores decidiram que o Brasil não sofreria as atualizações de emissões passando de Euro 3 para Euro 4 no ano de 2009, por razões econômicas e técnicas, mas estas razões técnicas não eram das tecnologias dos motores, mas sim da Petrobras, que não teria disponível o óleo Diesel S50 (50 ppm de enxofre) necessário para que os motores atingissem os limites de emissões. Portanto foi firmado a prorrogação destas atualizações para o ano de 2012, mas com um detalhe a mais, as leis passariam de Euro 3 para Euro 5, pulando a fase Euro 4, fazendo com que os fabricantes implantasse mais algumas mudanças nos motores.

Com tudo, em 2011 o mercado de caminhões previu uma redução nas vendas no período de transição que era o primeiro semestre de 2012, e assim aumentaram a produção de veículos euro 3 a patamares nunca antes vistos para poder vender estes caminhões, que são mais baratos, e acabar com os estoques até o fim do 3º mês de 2012.

Mas quais foram estas mudanças ?

Até a fase Euro 3, mudanças na calibração dos motores eram suficientes para que estivessem dentro dos limites, mas com a chegada da Euro 5 foi necessário acoplar um sistema de pós tratamento dos gases de escape para que as emissões estejam dentro dos limites.

Existem 3 sistemas inovadores existentes nos mercados internacionais:
  1. EGR ( Exhaust Gas Recirculation)
  2. LNT (lean NOx trap)
  3. SCR (Selective Catalytic Reduction)
Os fabricantes devem escolher entre estes 3 para implantar em seus veículos e motores conforme suas análises e preferências.

Mas fora esses sistemas de pós-tratamentos o motor em si sofreu algumas mudanças também.

Inovações no hardware do motor

Estes 3 sistemas de pós tratamento tem como foco a redução das emissões de NOx. Mas o motor não produz somente NOx, mas HC, CO, PM, Aldeídos, Compostos de enxofre, entre outros, e todos são monitorados pelos órgãos reguladores. E em todos motores de combustão interna, quando se regula para reduzir HC, CO e PM aumenta-se a produção de NOx, e quando se regula para o NOx aumenta-se HC, CO e PM, como pode ser observado no gráfico abaixo.



Então os fabricantes atualizaram as calibrações e aumentaram a pressão de injeção do combustível, necessitando assim mudanças na bomba de alta pressão e nos injetores, que passaram a ter de 6 a 7 furos no bico injetor. Foi necessário também instalar o turbocompressor VGT (Variable Geometry Turbocharger) que melhora o fluxo de ar na admissão em baixa rotação e limita o giro do rotor da turbina quando em alta rotação, provendo turbulência, atomização e uma combustão mais completa, diminuindo a formação de HC e PM. Quanto ao CO, os motores Diesel não emitem em quantidades significativas, pois a mistura em todos os regimes do motor é pobre.

                                                       Bico injetor de motores Diesel

Detalhes dos sistemas de pós tratamento

  1. LNT (Lean NOx Trap)
Esta é uma tecnologia que não esta aperfeiçoada ainda, mas teoricamente tem baixo custo de manutenção e é viável. Mas a tendência de uso será em motores de baixa litragem onde a redução do NOx não é muito requerida. No Japão esta tecnologia tem a tendência de ser usada, mais do que no US e Europa.

Vantagens e desvantagens
  • Não requer tanque extra de uréia
  • Baixa durabilidade
  • Consumo de combustível um pouco elevado
  • Não aceita Flex Fuel
  • alta taxa de diluição do óleo lubrificante

     2. EGR (Exhaust Gas Recirculation)

Este é um sistema amplamente usado no US, na Europa não é o preferido mas também é bastante empregado. É uma tecnologia confiável e robusta, mas no Brasil torna-se mais sensível do que o sistema SCR, isso por conta da qualidade do óleo Diesel encontrado no país.

O sistema funciona com parte do gás de escape sendo injetado novamente no coletor de admissão. Para a nova lei de emissão Euro 5 esses gases necessitam passar por um cooler resfriando-os antes de ser injetado no motor novamente. Veja o esquema abaixo.

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Com a injeção de gases queimados na câmara de combustão, diminui-se assim a temperatura da combustão, pois esses gases que não queimarão novamente toma espaço do ar fresco que entraria na câmara, assim diminui o rendimento da chama e a produção de NOx, deixando este poluente dentro dos parâmetros da lei, mas com um penalti no consumo de combustível. A injeção do gás queimado é controlado pela válvula EGR, que dependendo do regime do motor ela abre ou fecha, sendo comandada pelo modulo eletrônico do motor.

O sistema EGR torna-se mais sensível que o SCR no Brasil por conta do óleo Diesel encontrado em todo território nacional, é sabido que a qualidade de todos combustíveis não é tão confiável quanto a espectativa do consumidor, ainda mais por esta mudança de combustível que é requerida para essa nova lei, saindo do S 500 para o S 50. Esta desconfiança é ainda maior no interior do Brasil, onde se encontra, e muito, o combustível S 1800 (1800 ppm de enxofre).

Quando o motorista não encontrar o S 50 ele é obrigado a encher o tanque com o óleo de baixa quantidade, e como na queima do combustível formam-se compostos de enxofre (SO2 e H2S) e esse gases são reinjetados no motor, a corrosão torna-se mais acentuada, e como estes compostos ligam-se com o carbono e hidrogênio do combustível, a formação de HC aumenta, e com o constante uso do combustível de alta concentração de enxofre a formação de carbonetos (borras) também acentua-se, prejudicando o motor no médio e longo prazo.

Como a formação de HC aumenta com os óleos S 500 e S 1800, o sistema OBD (On-Board Diagnostic) é acionado. Este sistema além de controlar todos os sensores e atuadores do motor, acusando alguma falha, controla os níveis de emissões também.

Então, da mesma maneira que o motorista procura uma assistência técnica quando o sistema OBD acusa alguma falha no motor, ao aparecer algum problema de níveis de emissões, o motorista sera forçado a procurar assistência. O OBD aplicará algumas restrições ao motor:
  • O torque do motor cai 20%
  • A velocidade máxima do veículo é limitada
  • A rotação do motor é limitada
Todos esse "Derate" são aplicados após um ou dois dias de funcionamento inadequado. Deixando o veículo apenas apto a chegar à assistência técnica mais próxima.

Vantagens e desvantagens
  • Não requer tanque extra de uréia
  • Sistema compacto e barato
  • Custo de operação equivalente ao sistema SCR (Apesar de não precisar comprar a uréia, o consumo de combustível é superior ao SCR, deixando os custos operacionais parecidos)
  • Sistema mais sensível que o SCR
  • Motor sofre redução no torque e potência


     3. SCR (Selective Catalytic Reduction)

O SCR é o sistema mais usado na Europa, e esta sendo o preferido agora no Brasil, pela razão de que o EGR tem maior sensibilidade ao óleo Diesel de alta concentração de enxofre. Para se ter uma idéia, quase todas as montadoras de caminhões pesados adotaram este sistema, com exceção da Volkswagen & MAN, que foram de EGR. 
O SCR realmente só se torna desvantajoso em veículo leves a Diesel, por conta dos catalisadores que ocupam espaço no chassis do veículo, espaço este que não é disponível em veículos leves.

O funcionamento do motor com o SCR é o mesmo dos motores Euro 3, Euro 2, etc. Com a diferença que, os gases serão tratados todos nos catalisadores, principalmente o NOx. Veja na figura abaixo. 

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Mas além das modificações no motor mencionadas no começo desta postagem, como maior pressão de injeção, atualização de calibração e VGT, os fabricantes que optaram pelo SCR aplicaram mais algumas melhorias no motor, como, aumentar a temperatura de combustão, com aumento na taxa de compressão ou aumento no curso do pistão, além da otimização da câmara de combustão para melhorar o nível do Swirl.
Com isso o motor ganha potência e torque sem mexer no consumo, reduzindo ainda mais a formação de HC e PM, tendo como consequência aumento do NOx, mas lembrando que ele será tratado posteriormente no catalisador SCR.

Na figura temos um detalhamento do que acontece com os gases de escape a partir da saída do turbo VGT.

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Legenda:
DOC - Diesel Oxidation Catalyst
DPF -  Diesel Particulate Filter
ASC - Ammonia Slip Catalyst

Como se pode ver o particulado (C ou PM) e os hidrocarbonetos (HC) são tratados nos primeiros catalisadores (DOC e DPF) com a ajuda do oxigênio (O2) presente em abundância no escape dos motores Diesel (mistura pobre). Eles são transformado em água (H2O) e gás carbônico (CO2) e seguem pela tubulação.

O ARLA 32 (32% de uréia e 67,5% de água) é injetado após o catalisador DFP, no tubo de decomposição, lá a temperatura precisa estar por volta de 300º C para que a molécula de uréia se quebre em amônia e ácido isocianidrico, esses dois gases serão usados no catalisador SCR para reduzir o NO e NO2 vindos do motor. A amônia se liga ao NO e NO2 formando água e gás nitrogênio (N2), e o ácido isocianidrico ajuda a formar mais amônia dentro do catalisador com auxilio da água. Tudo isso deve acontecer se a temperatura se manter por volta de 250º a 300º C.

A injeção do ARLA 32 é em função da temperatura e massa do gás de escape, portanto é necessário 6 pontos de medições de temperatura e pressão do gás de escape, onde o modulo do dosador em conjunto com o ECM (Engine control module) decidirão abrir ou fechar o injetor do ARLA 32.

O último catalisador (ASC) tem a função de reduzir a amônia que escapa do SCR, ligando-se ao oxigênio para formar água e gás nitrogênio. 

Alguns Diagnósticos:
  • A temperatura no catalisador SCR deve ficar entre 100º e 400ºC
  • Em média o fluxo de gás de escape deve se manter acima de 100 g/seg
  • Se a temperatura atingir 700ºC no SCR e permanecer por alguns segundos o motor entra em Derate.
Derates:
  • Torque cai 20%.
  • Velocidade é limitada.
  • Rotação do motor é limitada.
E como acontece com os motores com EGR, estes Derates são controlados pelo OBD, que mantem além dos sensores de temperatura e pressão, sensores de NOx no inicio e fim de toda esta operação.

Comentários finais

A tecnologia para atender a lei Euro 5 já esta madura e é suficiente para manter os motores dentro dos limites de emissões. Mas existe a possibilidade de que em 2014 ou 2016 a Euro 6 chegue no Brasil, e esta hoje é o grande desafio dos fabricantes, como será os motores para esta nova lei, ouve-se falar que um fumante dentro de uma sala fechada poluirá mais o ar que 2 caminhões nesta mesma sala. será que chegaremos a este nível ?