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Técnica

Como a Mazda reduziu o lag do turbo em seu motor Skyactiv

O motor a combustão está começando a ser marcado para morrer — a Inglaterra, a França, a Califórnia, a China e até a Índia já discutem a data da execução destes monstros fumegantes devoradores de dinossauros mortos. Mas antes que isso aconteça eles continuarão evoluindo, lutando contra a extinção até o último segundo — até porque ainda não temos substitutos melhores para eles.

Por isso, estima-se que os motores a combustão chegarão ao seu auge de eficiência por volta de 2050. Já adotamos o gerenciamento eletrônico, depois descobrimos a eficiência da injeção direta estratificada, novos ciclos baseados no ciclo de quatro tempos de Nikolaus Otto e finalmente as vantagens do turbo além da performance. Entre as várias frentes de combate, os engenheiros estão trabalhando para minimizar o turbo lag, que é o tempo que a turbina leva para ganhar velocidade e pressurizar o ar admitido.

As soluções são diversas: compressores elétricos para pressurizar o ar admitido enquanto o turbocompressor não atinge sua pressão de trabalho, turbos de dupla voluta/fluxo duplo, turbo de geometria variável, turbos sequenciais com diâmetro diferente e turbocompressor combinado a compressores de polia. Algumas são mais simples, outras mais complexas, mas uma das mais interessantes é a adotada pela Mazda no motor Skyactiv do SUV CX-9 e do sedã Mazda 6.

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O sistema usa a configuração mais simples possível, com apenas um turbo de geometria fixa. Mas em vez de se concentrar apenas no turbo, a Mazda voltou sua atenção aos detalhes, atuando no elemento fundamental para o funcionamento do turbo: o sistema de escape.

Como explica graficamente Jason Fenske do Engineering Explained neste vídeo, o sistema anti-lag do Mazda Skyactiv é baseado em três pontos fundamentais: o comprimento do coletor de escape, o fluxo dos gases em direção ao turbo, e o layout do coletor de escape. O sistema não traz nada muito inovador… a não ser a combinação destes conceitos conhecidos. Mas quem disse que você precisa complicar sempre para achar a melhor solução?

A otimização começa dentro do motor, que tem taxa de compressão estática de 10,5:1 — um número razoavelmente alto para um motor turbo que ajuda não apenas a produzir mais potência (são 254 cv a 5.000 rpm e 42,7 kgfm a 2.000 rpm), mas também na exaustão dos gases resultantes da queima.

Depois, ao chegar ao coletor, os gases terão um caminho significativamente mais curto até o turbo: a Mazda reduziu o comprimento do coletor para minimizar a perda de calor e energia dos gases de escape. Ele é integrado ao cabeçote e curto a ponto de o turbo ficar praticamente junto ao bloco (coletor, turbo e escape estão nesta parte em verde na imagem abaixo). Com a redução do coletor, o volume também será menor, e com isso os gases chegarão mais rapidamente ao turbocompressor.

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O formato do coletor também foi desenvolvido para otimizar o fluxo dos gases: ele foi dividido de acordo com a pulsação do motor (ordem de ignição 1-3-4-2) para que os gases expelidos pelo cilindro anterior sejam “sugados” pelo fluxo dos gases do cilindro na fase de escape. Quando o primeiro cilindro expele os gases, a pressão no duto correspondente a ele irá “sugar” os gases remanescentes no duto do cilindro 2, que estará com menor pressão. Em seguida, a pressão dos gases do cilindro 3 irão sugar os gases remanescentes no duto do cilindro 1, e assim sucessivamente até o início de outro ciclo.

Pressa

Essa otimização no fluxo dos gases no coletor é fundamental para o dispositivo seguinte cumprir sua função. Esse dispositivo é uma válvula que divide o fluxo na saída do coletor de escape. Ela direciona o fluxo dos gases para o turbo de acordo com a velocidade do motor.

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Se ele estiver trabalhando abaixo de 1.620 rpm, a válvula se fecha e os gases passam por dutos mais estreitos — o que acelera o fluxo dos gases, fazendo-os girar a turbina em uma velocidade mais alta que o normal e mais próxima da velocidade ideal, atingindo a pressão de trabalho mais rapidamente. Acima de 1.620 rpm, quando o fluxo de gases é maior devido à maior velocidade do motor a válvula se abre e os gases usam as duas passagens simultaneamente.

 

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