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Técnica

Diesel, Atkinson e Miller: conheça os ciclos mais econômicos de motor

Depois do surgimento dos modelos híbridos, ficou mais frequente ouvir que tal motor é Atkinson, o outro é Miller e por aí afora. E isso faria esses motores a gasolina não terem mais o conhecido ciclo Otto. De olho nisso, fomos atrás dos ciclos mais eficientes de um motor a combustão e da explicação de por que eles aproveitam melhor a energia concentrada nos combustíveis.

Quem nos ajudou na empreitada foi Henrique Pereira, membro da Comissão Técnica de Motores Ciclo Otto da SAE Brasil, e Edson Orikassa, gerente de homologação da Toyota e presidente da AEA. Mas não se engane: eles falaram conosco de todos os ciclos mais eficientes disponíveis hoje. E o mais econômico de todos talvez passe despercebido.

 

Diesel

Entre todos os ciclos de motor já desenvolvidos, o mais econômico é o Diesel, que usamos em maiúscula por se tratar do ciclo, não do combustível. “Este alto rendimento é devido principalmente às altas taxas de compressão utilizadas nesses motores combinadas à utilização de turbocompressores”, diz Pereira. Orikassa confirma: “A eficiência dos motores a combustão interna tem aproximadamente as seguintes eficiências: Diesel (30%) e gasolina (20%). Altas taxas de compressão permitem uma maior energia acumulada e, consequentemente, mais força”, diz Orikassa.

A alta taxa de compressão citada pelos engenheiros já teve explicação detalhada aqui no FlatOut, mas não custa repassar. Quanto mais alta ela é, maior será sua temperatura final de combustão. Se falássemos apenas de gases atmosféricos comprimidos, eles já sofreriam expansão apenas pelo calor a que são submetidos.

Esse é o princípio usado no motor a ar comprimido de Guy Nègre, criador da MDI, por exemplo. E só não o incluímos aqui porque ele não é a combustão (pelo menos não interna – quem quiser mais explicações pode pedir para fazermos uma matéria sobre o sistema nos comentários). A expansão ocorre para que o gás possa dissipar a energia, ou o calor, que recebe.

Em um motor térmico, a compressão inclui a queima de um combustível. Essa queima gera ainda mais calor, decompõe o combustível e forma uma quantidade adicional de gases para ajudar a empurrar os pistões para baixo. É isso que produz o movimento necessário para deslocar o automóvel.

Quanto mais alta é a taxa de compressão, maior é a garantia de que a queima será completa. O problema é que, se ela for alta demais, poderá provocar a ignição da mistura precoce sem a faísca da vela, um fenômeno conhecido como pré-detonação ou, popularmente, como batida de pino.

Ela é ruim porque a expansão dos gases começa enquanto o pistão ainda está subindo. Em vez de ajudar no movimento, ela atrapalha, servindo como uma trava ou, mais do que isso, como uma força contrária. E, como a mistura também terá a faísca da vela, o encontro dessas duas ondas de choque é o que produz o barulho. Em casos mais extremos e prolongados, o stress fura a cabeça do pistão e pode até entortar a biela. Veja a pré-detonação em ação.

Outro risco é derreter os pistões, por conta da alta temperatura, nos casos de injeção indireta de combustível – nestes, a mistura ar-combustível já se faz presente nos cilindros no início do ciclo da compressão.

Ou o combustível é injetado ao mesmo tempo em que o ar é admitido no motor, o que se pode ver a partir de 1:50 no vídeo abaixo.

Nos motores Diesel, a coisa é um bocado diferente. Primeiro, porque eles não usam velas. A combustão se inicia pelo calor gerado pelo ar comprimido no cilindro, a taxas muito mais altas do que as usadas em motores a gasolina (normalmente, o dobro). Segundo, porque o combustível só é injetado no cilindro depois que o ar é totalmente comprimido, ou seja, só depois que o pistão atinge o chamado ponto morto superior (PMS).

Com o uso de injetores de altíssima pressão, o chamado common rail, e uso de turbocompressores, os motores Diesel ganharam ainda mais eficiência. “. A indústria tem trabalhado em várias tecnologias visando atingir 52% para o Diesel e 50% para os que usam gasolina”, diz Orikassa.

Existe no Brasil um movimento, chamado de Aliança Pró-Veículos Diesel, mais conhecido como Aprove Diesel, que vem tentando sensibilizar o governo para que volte a permitir a fabricação e o uso de automóveis de passeio Diesel no Brasil.

Como o combustível é subsidiado, a chance de haver liberação de seu uso em carros de passeio é remota, mas aí que se nota mais uma distorção. Motores Diesel são os que usam este ciclo, nomeado em reverência a Rudolf Diesel, engenheiro alemão nascido na França que criou o sistema. O combustível, chamado no Brasil de óleo diesel, é chamado em Portugal de gasóleo, um termo mais correto. Inclusive porque mostra que motores de ciclo Diesel não necessariamente precisam usar óleo diesel para funcionar.

A Scania, por exemplo, usa etanol com um aditivo que ajuda na lubrificação do motor e facilita a queima do combustível no motor Diesel. Uma empresa brasileira, a Oxíteno, produz um aditivo semelhante. Isso porque o gasóleo tem octanagem baixa (entre 15 e 25 octanas, enquanto a gasolina tem 95 ou 98 octanas) e o etanol é conhecido por suas propriedades antidetonantes, ou seja, por ter “octanagem” alta.

Em suma, os carros brasileiros Diesel poderiam usar o combustível renovável facilmente. Orikassa ressalta: “A alta taxa de compressão é o motivo de os motores a puro etanol terem mais potência do que os equivalentes a gasolina”. Por que não usá-lo, então, no motor que tem mais alta taxa de compressão no mercado? Faz sentido, não faz?

Mas aí surgem as questões que entravam o processo. Quem garante que, uma vez colocados à venda, os motores Diesel a etanol realmente usariam o combustível vegetal aditivado e não o diesel? Se o etanol aditivado fosse mais barato, quem garante que caminhões e ônibus a diesel não passariam a utilizá-lo para economizar? Com um aumento tão grande na demanda pelo produto da cana, quem garantiria o abastecimento do mercado, mesmo nos períodos de entressafra?

É esse imbróglio que a Aprove Diesel vem tentando resolver com o governo. Enquanto isso, quem perde é o consumidor e a engenharia nacional.

 

Ciclo Atkinson

Conhecido principalmente entre os veículos híbridos, o ciclo Atkinson, em teoria, deveria criar um motor inteiramente novo, diferente dos de ciclo Otto. Isso porque o princípio do ciclo Atkinson é que o curso de expansão da combustão seja maior do que o da compressão, aproveitando melhor a queima. Veja como ele deveria ser, em sua concepção clássica.

O que se faz atualmente é pegar um motor de ciclo Otto comum e mudar o tempo de abertura das válvulas de admissão. Com isso, o ciclo Atkinson é parcialmente reproduzido. “O que diferencia um motor do outro é que, no tempo de compressão, para o motor Otto, assim que o pistão começa a ir do Ponto Morto Inferior para o Ponto Morto Superior, a válvula de admissão está fechada (por isso existe um aumento de pressão). No ciclo Atkinson, a válvula de admissão continua aberta durante mais tempo, ou seja,  em parte do tempo que o pistão leva do PMI para o PMS”, diz Pereira. Com isso, parte da mistura é devolvida ao coletor de admissão e há menos perdas por bombeamento, ou seja, o motor tem de fazer menos força na compressão.

O ciclo de expansão, por outro lado, é completo, assim como o de exaustão. Com isso, se diz que o curso de expansão do pistão é maior do que o de compressão. “Alguns motores do ciclo Otto estão trabalhando com tempo de abertura de válvula diferenciado, reduzindo a compressão”, diz Orikassa. O vídeo abaixo mostra isso com precisão.

Todos os veículos que recorrem a este expediente são híbridos. “Eles utilizam o ciclo Atkinson porque são mais eficientes e o regime de trabalho praticamente não utiliza a marcha lenta, concentrando, assim, o uso nos regimes de melhor eficiência termodinâmica dos motores”, completa o presidente da AEA. Em outras palavras, nos momento de maior consumo, como acelerações, partidas e frenagens, é o elétrico que atua. Nos de manutenção de velocidade, especialmente na estrada, o motor a combustão entra em cena e ajuda até a carregar a bateria. Não há marcha-lenta porque o motor a combustão não funciona à toa e só entra quando pode manter o giro em sua faixa ótima de funcionamento.

Mas nem tudo são flores. “O  motor de ciclo Atkinson provê uma economia considerável de combustível. Em contrapartida, ocorre uma significante perda de potência específica ao compará-lo com um motor similar do ciclo Otto”, diz o engenheiro da SAE.

De fato. No Ford Fusion anterior, tanto o modelo de entrada quanto o híbrido usavam motor 2.5. O comum rendia 173 cv a 6.000 rpm e 22,9 mkgf a 4.000 rpm; o Atkinson, bem menos: 158 cv a 6.000 rpm e torque de 18,8 mkgf a 2.250 rpm. Sem o motor elétrico, de 107 cv, o Hybrid não teria chegado à potência combinada de 193 cv e ao torque total de 41,7 mkgf. “Veículos híbridos utilizam um motor elétrico onde o motor Atkinson tem suas restrições”, diz Pereira.

Como isso não é possível sem enormes custos de desenvolvimento e eventuais problemas de durabilidade, com mais partes móveis no motor, o que se fez foi adaptar o ciclo Otto para o Atkinson. A jogada foi deixar as válvulas de admissão abertas por mais tempo, fazendo a compressão só ocorrer efetivamente algum tempo depois de o pistão sair do ponto morto inferior (PMI). No motor Otto comum, isso acontece imediatamente.

Com isso, o motor tem menos perdas por bombeamento, mas também perde potência, já que o volume de mistura ar-combustível comprimido é menor. Por isso o motor é quase sempre usado em veículos híbridos, já que o elétrico supre a falta de potência do a combustão.

 

Ciclo Miller

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Imagine um motor de ciclo Atkinson que não dependa de um motor elétrico para oferecer boa potência. Como isso seria possível? Com turbocompressor ou compressor mecânico. O ciclo Miller, chamado também de motor de cinco tempos, é exatamente isso.

“O que ocorre neste ciclo é que  as válvulas de admissão ficam abertas por mais tempo, evitando que o motor faça tanta força para comprimir a mistura, ou seja, a fase de expansão é mais prolongada que a fase de compressão. Nos motores de ciclo de Otto, após a expansão, quando se abre a válvula de escape, os gases existentes no interior do cilindro ainda estão com elevada temperatura e pressão. O princípio do ciclo Miller tem como objetivo aproveitar essa energia térmica ainda existente, aumentado o rendimento, em vez de ser perdida pelo escape. Este aumento de rendimento consegue-se por meio da sobrealimentação”, diz Pereira.

É a sobrealimentação que gera o chamado quinto tempo. Isso porque, como a válvula de admissão continua aberta enquanto o pistão sobe, ele encontra menos resistência no processo. Mas há mais mistura ar-combustível no interior da câmara de combustão devido ao uso do turbo ou do compressor, possivelmente a mesma quantidade que haveria se a válvula de admissão estivesse fechada. Com isso, o ciclo Miller rende mais potência e torque.

“Devido a esse curto tempo de compressão com a válvula aberta, diz se que são cinco tempos. É um ciclo que está sendo considerado para melhorar a eficiência energética, visando reduzir o consumo”, diz Orikassa. “Pode-se dizer, com restrições, que quando dotado de um sistema forçado de admissão, com compressor, o Atkinson passa a ser chamado de ciclo Miller”, diz Pereira.

mazda-millenia

A aplicação do ciclo Miller é antiga. O primeiro modelo moderno a usá-lo foi o Mazda Millenia, de 1995, mas a Audi está trazendo a estratégia de volta. E com ímpeto: seu novo motor 2.0 usa o sistema, ainda que a marca diga que o aperfeiçoou. Tanto que a Audi o rebatizou de “ciclo B”. E ele está sob o capô de um dos modelos mais importantes da empresa: o A4 de nova geração, chamado internamente de B9.

Audi-TFSI-20-Miller

Entre os aperfeiçoamentos, a marca cita um tempo de admissão reduzido (ângulo virabrequim, ou de manivela, de 140º, contra 190º a 200º dos motores comuns), pressão mais alta do turbo (que garante carga ótima de cilindro, apesar do menor tempo de abertura), fechamento mais rápido das válvulas de admissão (que diminui a pressão média) e a injeção adicional de combustível em cargas parciais. Com isso, o motor 2.0 TFSI pode ter 190 cv ou 252 cv, ambos com o tal ciclo B. No A4, ele apresenta consumo de 20,8 km/l em ciclo misto.

Neste campo, a Toyota também conseguiu um avanço substancial. Seu sistema de variação de abertura de válvulas permite que seu novo motor 1.2 turbo, disponível na Europa, trabalhe com ciclo Otto ou Atkinson. Na verdade, por ser turbinado, o ciclo é Miller. Veja abaixo o belíssimo vídeo da marca para apresentar sua pequena joia.

Pode até ser que o motor a combustão esteja com seus dias contados, mas a variedade de novas tecnologias para torná-lo mais eficiente mostra que ele ainda tem muita lenha para queimar. Em especial com ciclos ainda não aplicados, como o seis-tempos e o HCCI, dos quais vamos falar em um post mais adiante.

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