Consumo e Emissões – Explorando o Equilíbrio entre Consumo Eficiente e Emissões Reduzidas nos Carros

Isto, em conjunto com os sistemas de pós-tratamento, resulta na diminuição das emissões. O sistema analisado nesta matéria é o Controle Eletrônico da Temperatura do Motor.

Redução das emissões e diminuição do consumo de combustível

E isto, mantendo níveis de desempenho aceitáveis. Em grande parte, esses objetivos foram atingidos com a aplicação intensiva de tecnologias de controle eletrônico. O motor foi o primeiro sistema automotivo a receber tais avanços tecnológicos. Em particular, com relação às emissões, existem três fontes geradoras ligadas ao trem de força do veículo:

• - Os gases de escape;
• - A evaporação de combustível armazenado no tanque e na cuba do carburador (emissões evaporativas em ciclo Otto) e os vapores de combustível que escapam durante o reabastecimento;
• - Os vapores de combustível não queimado, acumulados no cárter, resultantes do vazamento de mistura através da folga existente entre os anéis e as paredes dos cilindros.

Cabe salientar que, em paralelo com as emissões, a redução do consumo é o outro fator determinante da evolução tecnológica no desenvolvimento do motor de combustão interna.

Controle das Emissões no Escape

Em função dos prejuízos causados pelas emissões, e na procura de uma maior eficiência nos motores produzidos nos últimos anos, fez-se necessário o desenvolvimento de sistemas de controle mais sofisticados e precisos. Os desenvolvimentos mais relevantes podem ser classificados em 4 grupos:

• 1. Os relacionados diretamente com o projeto do motor ;
• 2. Os relacionados com o sistema de admissão da carga ;
• 3. Os que fazem parte do sistema de pós-tratamento ;
• 4. Os relacionados ao uso de combustíveis alternativos ;

Um destes desenvolvimentos, relacionado com o projeto do motor, é o controle da temperatura do motor.

Controle Eletrônico da Temperatura do Motor

O controle eletrônico da temperatura evoluiu desde os sistemas mais simples, com válvula termostática elétrica, até os totalmente eletrônicos, no quais se controla a bomba, a ventoinha e o fluxo do líquido arrefecedor.

Válvula termostática elétrica

Nos motores com válvula mecânica, a temperatura é mantida em torno de 85-90OC. Isto assegura que o motor não superaqueça sob condições extremas de condução, como alta rotação, temperatura ambiente ou carga.

No entanto, em condições normais, o motor poderia funcionar, com segurança, a 110OC. Isto diminui as perdas por fricção e em consequência, melhora o consumo e as emissões.

O controle da temperatura da válvula termostática tem as seguintes consequências:

• - Quando controlada mais quente, melhoram o consumo e as emissões.
• - Quando controlada mais fria, maior potência em função do motor admitir ar mais denso.

Precisamente, o sistema com válvula termostática elétrica satisfaz estes requisitos em função de manter a temperatura dentro da faixa mais adequada às condições de funcionamento.

A principal diferença com relação à válvula mecânica é a inclusão de um resistor de aquecimento integrado ao elemento de expansão.

A válvula é controlada pela UC, através de um mapa de características, armazenado na memória, que leva em consideração as seguintes variáveis: carga do motor, rotação, velocidade do veículo, temperatura do ar admitido e temperatura do líquido arrefecedor.

Com o motor em carga parcial, a temperatura é mantida em torno de 110OC. Na condição de alta carga, rotação ou temperatura ambiente, a UC comanda a válvula no sentido de aumentar o fluxo do líquido para o radiador e com isto, diminuir a temperatura e manter uma margem segura com relação à temperatura de superaquecimento, principalmente, se mantidas as condições severas de funcionamento.

Uma alternativa mais eficiente é a utilização de bomba e ventoinha elétricas, de velocidade variável, o que possibilita a eliminação da válvula termostática reduzindo a cavitação (evaporação) e a energia desperdiçada quando a bomba é acionada pelo motor, com velocidade excessiva.

Controle eletrônico total

O objetivo deste sistema é a diminuição da fase de aquecimento do motor, período no qual se verifica, talvez, o maior nível de emissões do veículo. O controle eletrônico permite eliminar as limitações características dos sistemas mecânicos tradicionais de controle de temperatura do motor: 1) bomba de água acionada pelo motor e 2) válvula termostática.

O sistema de controle eletrônico integra os componentes de arrefecimento a um módulo eletrônico que monitora e regula o fluxo do líquido através do motor, e do ar através do radiador. Para isto, o módulo controla a operação do ventilador e da bomba, ambos elétricos de velocidade variável, e da válvula rotativa de controle. A funcionalidade do módulo pode estar integrada ao programa da UC do motor.

Os fluxos de ar e de líquido arrefecedor são controlados independentemente da rotação do motor, o que permite manter um nível de temperatura mais consistente com as condições de funcionamento. Além da redução de emissões, pelo encurtamento da fase de aquecimento, se verifica também uma diminuição no consumo de combustível já que a bomba e a ventoinha são utilizadas mais eficientemente. A figura 1 apresenta uma configuração típica na qual a UC direciona o fluxo do líquido arrefecedor através da válvula rotativa, regula o fluxo de líquido controlando a velocidade da bomba e regula o fluxo de ar controlando a velocidade da ventoinha. O sistema opera em 3 modos:

• Aquecimento: Utilizado quando a temperatura do motor, do líquido de arrefecimento e do ambiente externo são aproximadamente iguais. O líquido é direcionado através do desvio com a bomba em rotação mínima. Quando atingido o nível de operação, o fluido é direcionado para o radiador a fim de manter a temperatura na faixa de funcionamento.
• Carga parcial: Ajusta o fluxo atuando sobre a velocidade da bomba e da ventoinha; isto, para manter a temperatura de operação. Ao aquecedor interno somente é enviado o fluxo necessário ao aquecimento solicitado.
• Aceleração/Plena potência: Nesta situação, o sistema trabalha de forma preditiva e se antecipa ao aumento de carga, resultado da maior demanda de potência, acionando a ventoinha e a bomba com velocidade máxima. Em contraposição, os sistemas convencionais trabalham por reação, ou seja, a ventoinha entra em funcionamento só ao ser atingida a temperatura máxima. Por sua vez, a bomba, de acionamento mecânico, depende da rotação do motor.

Sistema de Arrefecimento – Toyota

Outro exemplo interessante de ser analisado é o aplicado nas primeiras gerações do híbrido Toyota Prius. É um sistema controlado eletronicamente que tem como primeiro objetivo a diminuição das emissões na fase de aquecimento. Já que com este recurso consegue-se que a temperatura do motor, ao ser ligado, seja praticamente, a de operação. Como resultado, verifica-se uma acentuada redução das emissões na situação de partida com motor frio. São seus componentes:

• - Reservatório de armazenamento. Pode manter 3 litros de líquido arrefecedor entre 60OC e 80OC por 3 dias. É similar a uma garrafa térmica, constituído de um recipiente de aço instalado dentro de outro do mesmo material. O recipiente interno é recoberto de uma camada refletiva e isolado do externo por vácuo. Entre eles há um único ponto de contato. Esta configuração construtiva permite reduzir as perdas de calor por convecção (vácuo), radiação (camada refletiva) e condução (único ponto de contato).
• - Ventilador do radiador de velocidade variável. Isto permite reduzir a carga elétrica já que a velocidade se corresponde com as condições de funcionamento do motor.
• - Bomba de água de pré-aquecimento. De acionamento elétrico, é utilizada para circular o líquido do reservatório de pré-aquecimento através do motor durante as partidas com motor frio.
• - Bomba de água do motor. Dependendo do ano modelo pode ser de acionamento mecânico ou elétrico.
• - Válvula rotativa de 3 posições. Sua função é controlar o fluxo de líquido para/do reservatório de pré-aquecimento.

Operação

As figuras ilustram as 4 fases de operação do sistema.

A figura 2 corresponde à condição de armazenamento com motor desligado.

A figura 3 corresponde à condição de pré-aquecimento com o veículo na condição de “pronto” (sistema de tração elétrica ligado), mas, com motor de combustão ainda desligado. O líquido é direcionado para o cabeçote impulsionado pela bomba de pré-aquecimento acionada eletricamente. A fase de pré-aquecimento dura, aproximadamente, de 12 a 15 segundos.

A figura 4 corresponde à fase normal de aquecimento com o motor já em funcionamento. O líquido é impulsionado pela bomba do motor, sem passar pelo radiador. A bomba de pré-aquecimento está desligada. Nesta condição não há armazenamento de líquido no reservatório. A figura ilustra o caso em que a bomba de aquecimento está ligada e o líquido circula também pelo aquecedor interno.

A figura 5 corresponde à fase de operação normal com motor já aquecido. O líquido, à temperatura normal de operação, é impulsionado pela bomba do motor passando pelo radiador e pelo reservatório. Nesta fase o ventilador é acionado com a velocidade necessária à manutenção da temperatura de operação. A figura ilustra o caso em que a bomba de aquecimento está ligada e o líquido circula, também, pelo aquecedor interno. Ao desligar o motor, a bomba de pré-aquecimento continua a funcionar por alguns segundos