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Técnica

Infiniti VC-T: o primeiro motor de compressão variável finalmente está pronto

Nos últimos 25 anos Saab, Volvo, Peugeot, Renault e Nissan vêm tentando desenvolver motores com taxa de compressão variável. A ideia é simples: otimizar o uso do combustível de acordo com sua resistência à detonação. A prática que é difícil: se a taxa de compressão depende de componentes mecânicos que também precisam resistir à expansão da combustão, como fazer um pistão, uma biela e um virabrequim mudarem o sobe e desce do motor?

A primeira marca a responder esta pergunta com um motor pronto para ser colocado em produção foi a Nissan, que irá apresentar no próximo mês o primeiro motor de compressão variável do mundo no Salão de Paris, um 2.0 turbo de quatro cilindros com 274 cv de potência e 39,82 mkgf de torque, que irá substituir o atual V6 3.5 da marca, que produz entre 215 e 300 cv.

Variavel

Para entender como o motor VC-T funciona, você precisa primeiro saber que a taxa de compressão é a quantidade de vezes que o volume dentro do cilindro foi comprimido. Por exemplo: um motor quatro-cilindros 1.0 com taxa 10:1 tem cilindros de 250 cm³ que, em seu ponto morto superior, comprimem a mistura a um volume de 25 cm³ — ou seja: um décimo do seu volume.

Nós explicamos detalhadamente neste post como uma taxa de compressão mais elevada resulta em maior eficiência, por isso vamos resumir com palavras fáceis: quanto maior a compressão, mais rápida será a expansão da combustão que irá empurrar o conjunto de pistão e biela para baixo, movendo o virabrequim e, no fim das contas, as rodas do carro. Em outras palavras, quanto mais alta a razão de compressão, mais torque e quanto mais torque, mais potência. É por isso que esportivos de alto desempenho têm taxas de compressão elevadas — o flat-6 3.8 do Porsche 991 tem taxa 12,5:1 e os 10 cilindros do Lamborghini Huracán comprimem 12,7 vezes seu volume.

O problema é que a compressão aumenta a temperatura da mistura ar-combustível e, dependendo da proporção dessa mistura e do combustível usado, ela pode se inflamar antes da ignição. O nome disso é detonação, e por causa dela os fabricantes precisam desenvolver os motores com taxas de compressão relativamente conservadoras e mapas de injeção/ignição desenvolvidos para proteger o motor, abrindo mão da máxima eficiência.

É esse problema que o motor de compressão variável da Infiniti/Nissan promete resolver. A variação da taxa de compressão é feita pela variação da altura máxima do pistão no ponto morto superior. Para isso, as bielas não são presas diretamente ao virabrequim pela cabeça, como em um motor convencional.

NissanVC-T

Em vez disso a cabeça da biela é reduzida e ligada a uma alavanca intermediária (em verde), pivotada no moente do virabrequim (em azul), e ligada a uma segunda alavanca atuadora (em vermelho) em sua outra ponta, oposta à biela. Quando a ECU do motor determina que é possível/necessário aumentar ou reduzir a taxa de compressão, a engrenagem harmônica do atuador altera o ângulo da alavanca intermediária, elevando ou abaixando o conjunto de biela e pistão e assim variando a compressão entre 8:1 e 14:1. Nas taxas mais baixas a intenção é otimizar a eficiência com o turbocompressor em pleno funcionamento. As taxas mais altas, usadas com injeção direta, visam otimizar a fase aspirada do motor turbo, quando a turbina ainda não está em sua pressão de trabalho, ou seja, durante o turbo lag.

Apesar de o desenvolvimento do VC-T ter iniciado apenas em 1998, a taxa de compressão variável é um conceito antigo, estudado pela primeira vez nos anos 1920 pelo engenheiro britânico Harry Ricardo. Ao assumir o cargo de diretor técnico do Departamento de Aeronáutica Militar do Reino Unido, um de seus primeiros projetos foi a busca por soluções para a detonação nos motores aeronáuticos. Para estudar as causas e soluções, Ricardo desenvolveu um motor experimental com compressão variável e descobriu que alguns combustíveis eram mais resistentes à detonação. Seu estudo levou ao desenvolvimento do sistema de classificação de octanagem para combustíveis.

Essa experiência de Ricardo levou também à noção de que as taxas de compressão estáticas mais elevadas são mais eficientes, exigindo menos combustível para produzir a mesma quantidade de energia mecânica (que é o que chamamos informalmente de “força”). Foi isso que possibilitou a primeira viagem de avião trans-oceânica e o aumento exponencial da eficiência volumétrica dos motores, ou seja: começamos a ter motores menores e mais potentes — e é por isso que os monstros mecânicos de 25 litros e todos aqueles carros com motores aeronáuticos saíram de cena nessa época.

O conceito de compressão variável, contudo, ficou limitado ao motor experimental de Ricardo. Sem tecnologias para variar continuamente a injeção de combustível, o ponto de ignição e a abertura das válvulas, um motor como este era inviável. O surgimento das tecnologias de gerenciamento dos motores já permitiu que, mesmo com taxa de compressão fixa, a eficiência energética dos motores fosse bastante avançada, e agora permite que um motor como o VC-T seja colocado em produção de forma viável e como um passo adiante na busca pela máxima eficiência — não apenas pela tecnologia inovadora, mas também pela combinação de outras tecnologias já popularizadas.

Os sensores de oxigênio e sensores elétricos nas linhas de combustível, por exemplo, são capazes de informar com precisão à ECU que tipo de combustível está sendo usado, permitindo que a taxa de compressão seja rapidamente (e continuamente) variada. O comando variável de válvulas também será usado para manter as válvulas de admissão abertas para simular o ciclo Atkinson (leia mais aqui), no qual as válvulas de admissão ficam um pouco mais tempo abertas para permitir que o ar escape por elas, também reduzindo a taxa de compressão para melhor eficiência. Além disso, o turbo usa wastegate eletrônica, o que também permite que a ECU varie a pressão máxima de trabalho.

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Protótipo de compressão variável da Saab: o cabeçote inclinava para aumentar ou diminuir a taxa de compressão, algo que explicamos em detalhes neste post

A produção em série do motor compressão variável tem potencial para ser o próximo grande passo evolutivo dos motores de combustão interna — resta saber como será sua confiabilidade em médio e longo prazo. Com a possibilidade de variar a compressão, cada elemento fundamental dos motores de combustão interna poderá ser controlado de forma variável de acordo com a necessidade da condução, tornando-os mais versáteis e, consequentemente, mais eficientes.

Por último, o motor de compressão variável poderia ser a solução para o velho problema dos carros flex, que usam uma taxa de compressão intermediária para funcionar com dois combustíveis com propriedades diferentes (a taxa de compressão ideal para a gasolina é baixa para o etanol, e a taxa ideal para o etanol é alta demais para a gasolina). Mas não aposte nisso para os carros brasileiros: os motores de compressão variável serão uma solução custosa, mais que um turbo de injeção direta convencional que já é capaz de amenizar o problema dos flex de forma mais simples e barata. É mais provável que ele permita o uso de E15 ou E25 em carros de alto desempenho.

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