Redução das emissões e diminuição do consumo de combustível

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.

Nesta matéria serão abordados 3 sistemas relacionados com o projeto do motor: 1) recuperação do calor dos gases de escape, 2) desativação de cilindros e 3) sistema de partida-parada.

Recuperação do calor dos gases de escape

O objetivo deste sistema, identificado com a sigla EHRS (Exhaust Heat Recirculation System ou Sistema de Recirculação do Calor de Exaustão), é transferir o calor dos gases de escape para o líquido de arrefecimento durante a fase de aquecimento do motor, aumentando a eficiência de combustão e contribuindo para a diminuição das emissões. Esta solução tem um impacto maior em veículos híbridos, nos quais o motor de combustão é desligado com maior frequência e por períodos que propiciam a diminuição acentuada da temperatura.

A figura [1] corresponde à configuração utilizada nos híbridos Prius e Highlander da Toyota. O sistema é basicamente um trocador de calor no qual, com o líquido de arrefecimento a menos de 70°C, a válvula permanece fechada, forçando os gases de escape a passar pelo trocador, onde o líquido absorve calor (fig.[1])

Quando atingida a temperatura de 80°C, a ação do atuador abre válvula e bloqueia a circulação do líquido arrefecedor (fig.[2]).

Como resultado, se restabelece o fluxo normal dos gases através do escapamento e simultaneamente cessa a circulação do líquido pelo trocador. Com isto, evita-se o superaquecimento do motor. 

Outras características relevantes deste sistema são:

• O sistema possui um sensor (dedicado) de temperatura do líquido arrefecedor com o objetivo de detectar a situação de válvula travada na condição fechada.
• Com válvula fechada o mecanismo de acionamento permite que esta seja aberta pelos gases na condição de pressão elevada dos mesmos, resultante de alta carga.
• Uma evolução deste sistema utiliza um atuador eletromagnético (solenoide) no lugar daquele mecânico (cera expansiva) mostrado nas figuras.
• Cancelamento (desativação) de cilindros. Principalmente aplicado em motores de 8 e 6 cilindros, este sistema tem por objetivo cancelar (desativar) cilindros mantendo as válvulas fechadas. Na maioria dos casos, são desativados um terço ou a metade dos cilindros. Desta forma, a desativação equivale a operar o veículo com um motor de menor cilindrada o que resulta em menor consumo e, consequentemente, na diminuição das emissões, principalmente, de CO2.

Durante a partida e alta carga, o motor opera com a totalidade dos cilindros. O cancelamento de cilindros nas condições de 1) carga parcial com velocidade estabilizada, 2) aceleração moderada ou 3) pendentes suaves, contribui para a economia de combustível.

O cancelamento consiste em manter as válvulas de admissão e escape fechadas e, ao mesmo tempo, desativar a alimentação de combustível do cilindro cancelado. 

A título de exemplo, será analisado o sistema aplicado em motores Honda 3.0/3.5 V6.

O mecanismo de desativação (fig.[3a]) consta do balancim de acionamento da válvula e do balancim de comando, este, por sua vez, acionado pelo ressalto do eixo comando.

Um pino de engate, acionado hidraulicamente, produz o acoplamento do balancim da válvula com o de comando. A posição do pino, para ativar/desativar o cilindro, é controlada pela UC, através de uma válvula solenoide.

 As figuras [3a] e [3c] mostram o caso de cilindro desativado no qual só o balancim de comando é movimentado pelo ressalto.

As figuras [3b] e [3d] mostram o caso do sistema na posição de funcionamento normal, ou seja, com o balancim acoplado (cilindro ativado). 

A diminuição no consumo resulta da eliminação das perdas de bombeamento correspondentes aos cilindros desativados, como resultado de que estes não admitem ar. Ainda que a compressão de ar no cilindro fechado consuma potência, esta é, em grande parte, recuperada durante a expansão.

Por outro lado, as perdas de bombeamento nos cilindros ativos também diminuem em função de que, para manter a potência requerida pelas condições de funcionamento, a borboleta deve abrir um ângulo maior, isto, com relação à posição que teria no caso do motor operar com todos os cilindros.

Sistema de Partida-Parada (Start-Stop)

A função deste sistema é a de desligar o motor com veículo parado. Esta opção pode ser aplicada também nas desacelerações. Recurso utilizado para diminuir o consumo de combustível. Ao pisar novamente no acelerador, o motor é religado em menos de 1 seg.

Em sistemas mais modernos, como o implementado em motores de injeção direta, a partida acontece em menos de 0,5 seg. Para obter esta rápida resposta, o procedimento exige que os pistões fiquem, com precisão, na posição correta após o desligamento do motor. Com os pistões posicionados corretamente, a UC identifica o cilindro em compressão, o qual recebe a primeira injeção de combustível ao ser acionado o acelerador. Este processo, por sua vez, é auxiliado pelo motor de partida.

Do o ponto de vista do acionamento do motor, as possíveis configurações a serem utilizadas, são:

1. Motor de partida convencional. Um motor de contínua reforçado, controlado por um sistema de gerenciamento da bateria, necessário em função do número de ciclos de partida a que esta é submetida. Em veículos micro-híbridos o motor de partida pode ser acionado, diretamente, por um ultracapacitor.

2. Unidade integrada de alternador e motor de partida. A unidade, que funciona como motor e como alternador, pode ser acionada por correia serpentina ou estar integrada ao volante do motor. Utiliza um inversor/retificador DC/AC para acionar a unidade, quando funciona como motor de partida (trifásico de indução) e, retificar a onda de tensão, quando opera como alternador. Este sistema foi aplicado, inicialmente, em veículos convencionais, sendo que atualmente, é utilizado também, em veículos híbridos.

3. Sistema com bateria dual. A configuração utilizada (fig.[4]) é constituída de 2 baterias e geralmente, complementa as configurações acima, principalmente, pela maior corrente de acionamento do motor de partida. 

• Quando o motor de combustão funciona, o controlador ativa o transistor Q1, fazendo com que a carga seja totalmente suprida pela bateria principal (Vbat), a auxiliar (Vaux) e pelo alternador.
• Quando o veículo para o motor de combustão é desligado e somente Vbat e Vaux alimentam a carga.
• Durante a partida Vbat deve alimentar o motor de arranque, o que pode requerer um transitório de corrente que pode chegar a 800A e que, por consequência, provocar uma queda de tensão de até 6V e desativar outros componentes do circuito elétrico do veículo, impedindo a sua partida.

Para prevenir esta situação, o controlador desativa Q1 desconectando assim, Vbat do circuito elétrico do veículo, que continua a ser alimentado por Vaux.

• Depois de uma partida bem sucedida, e com a unidade funcionando como alternador, o controlador ativa novamente Q1. O controlador dispõe de elementos de proteção em caso de conexão das baterias com polaridade invertida.