Motores de combustão interna – parte 3

Share on FacebookShare on Google+Tweet about this on TwitterShare on LinkedIn

Na última postagem (leia aqui), exploramos as principais configurações de acionamento do trem de válvulas e de lay-out de cilindros nos blocos. Hoje, iremos ver algumas formas de comparar dois ou mais motores, a partir de suas características físicas e de operação, e como a comparação entre motores é um tema complexo, e que necessita de diversos parâmetros para que possa ser bem sucedida.

Cilindrada

A cilindrada é a característica física mais conhecida dos motores, e é importante principalmente no Brasil, pois é com base nela que são definidas as faixas de IPI a serem aplicadas nos automóveis de passeio:

A cilindrada de um motor de pistões é dada por:
onde:
Cc = cilindrada (cm³);
d = diâmetro do cilindro (mm);
c = curso do virabrequim (mm);
n = número de cilindros.

Potência específica

Talvez a forma mais comum de comparação, a potência específica nada mais é do que  o resultado da divisão da potência máxima pela cilindrada em litros. Apesar disso, ela é pouco relevante em casos onde os motores tem concepções muito diferentes, como ao comparar motores Wankel ou Dois Tempos a motores Quatro Tempos convencionais.

Na tabela abaixo temos algumas referências de potência específica para diversos tipos de motores:

Relação peso/potência

Um fator importante, principalmente em motores de competição, é a relação peso/potência. Nesse campo, motores Wankel e Dois Tempos são particularmente competitivos, já que possuem um ciclo de potência para cada rotação completa, ao mesmo tempo que tem design simplificado por não possuírem sistemas de sincronismo e comando de válvulas.

A relação peso/potência é dada por:

Pressão Média Efetiva

A Pressão Média Efetiva (MEP – Mean Effective Pressure), é definida como a pressão constante que, se aplicada aos pistões de um motor, resultaria no torque que ele é capaz de exercer. É muito útil para comparar motores de cilindradas diferentes, servindo como uma medida da capacidade de trabalho que um motor consegue realizar independentemente de sua cilindrada ou ciclo de funcionamento. É dada por:


MEP = Pressão média efetiva (bar)
T = Torque (N.m)
Cc = Cilindrada (cm³)
nc = Número de rotações por ciclo de potência (0,5 para motores 4 tempos, 1 para motores Wankel e 2 tempos)

Alternativamente, a MEP pode ser obtida através de:

Onde;

nf = Eficiência da combustão
nv = Eficiência volumétrica
pai = massa específica do ar na admissão
Qrf = poder calorífico do combustível
A/F = razão ar/combustível

Podemos ver assim que a MEP pode ser vista como um resumo da eficiência do design de um motor, pois maiores valores estão diretamente relacionados a maiores eficiências, tanto volumétricas quanto de combustão.

O maior valor da MEP ocorre no pico de torque do motor, e valores maiores indicam uma maior capacidade de realizar trabalho. Abaixo temos alguns valores típicos de MEP:

Coeficiente de Performance do Motor (EPC)

Se a Pressão Média Efetiva nos dá uma medida da capacidade de realizar trabalho para um motor, o Coeficiente de Performance do Motor (EPC – Engine Performance Coefficient) nos dá uma medida da capacidade de um motor converter combustível em potência, levando em conta as diferentes características construtivas de um motor.

Para isso, primeiro temos que definir um fator chamado Potential Air Flow (PAN), ou Fluxo Potencial de Ar, que representa a quantidade de ar que um motor é capaz de admitir a uma determinada rotação, caso considere-se sua eficiência volumétrica como 100%. Dessa forma:

Onde;

RPM = Rotação de potência máxima (rpm)

Assim, o Coeficiente de Performance pode ser definido como:

Quanto maior o EPC, mais eficiente é a construção do motor na conversão de combustível em potência útil.

Velocidade média do pistão

Outro indicador de desempenho é a velocidade média do pistão, que serve como indicador das cargas nos elementos deslizantes e da densidade de potência de um motor. Muitas vezes tendemos a acreditar que motores com maior limite de giros tendem a sofrer maiores cargas, porém dependendo do curso definido no projeto, podemos ter motores com menor limite de giros que são expostos a maiores cargas. É dada por:

Onde,

VMP = Velocidade média do pistão (m/s)
c = curso do virabrequim (mm)
RPM = Limite de giros do motor (rpm)

Estudo de caso 1 – Comparando motores 2 tempos e 4 tempos

Recentemente a fabricante suíça Suter apresentou a MMX500, uma motocicleta equipada com um motor dois tempos de 587 cm³, com potência declarada de 195 cv a 13.000 rpm. Isso dá a incrível potência específica de 332,4 cv/litro. Se comparada as motocicletas convencionais com motores de 4 tempos, a impressão que temos é que o motor dois tempos é muito mais eficiente que as de motores quatro tempos.

Porém, ao compararmos os dados do motor da MMX com os da Honda CBR 1000 RR, uma motocicleta de proposta similar equipada com motor quatro tempos, podemos ver que este último apresenta parâmetros consideravelmente mais altos de EPC e MEP, o que é um indicativo de que o motor japonês deve apresentar uma maior eficiência global e menor consumo de combustível para cada cavalo de potência gerado. Ainda assim, o motor de dois tempos se destaca pelo baixo peso, que pode ser visto comparando-se o peso das duas motocicletas. Essas características podem ser relacionadas diretamente a arquitetura de cada motor: enquanto o motor Dois Tempos tem um ciclo de potência para cada rotação, resultando numa maior densidade de potência, o melhor controle da troca de gases no motor Quatro Tempos resulta numa combustão mais eficiente, ao custo de um motor maior e mais pesado devido a suas dimensões e a presença de sistemas de comando de válvulas e sincronismo.

Mesmo analisando esses fatores, a verdade é que uma comparação completa entre dois ou mais motores precisa levar em conta diversos outros fatores, tais como: curvas de torque e potência, consumo específico de combustível, custo de produção, durabilidade, custo de manutenção, nível de ruído e vibrações, dimensões, entre outros. Cada aplicação tem suas prioridades, e são elas que definem qual o melhor motor para cada necessidade. As informações e metodologias aqui apresentadas podem ser utilizadas como indicadores numa comparação, mas principalmente podem ser utilizados para verificar se os números de performance divulgados por montadoras e preparadores são coerentes com aquilo que é possível, ou apenas jogadas de marketing para chamar a atenção da mídia. No próximo estudo de caso iremos ver como fazer isso para um caso recente que chamou bastante atenção na mídia:

Estudo de caso 2 – Verificando a performance declarada

Não é incomum vermos empresas novas apresentando supercarros com dados de performance que, a primeira vista, parecem muito improváveis. Um caso recente que ganhou muita atenção foi o Devel Sixteen, que segundo seus criadores será equipado com um motor de 5.000 HP. No final de 2015, a preparadora americana Steve Morris Engines divulgou um vídeo no YouTube apresentando esse motor, e diversos dados de desempenho, com os quais podemos verificar se o desempenho alegado é factível, ou se os números não passam de uma jogada de marketing para conseguir um minuto de fama.

Abaixo podemos ver os dados do motor Devel comparado aos de alguns outros motores turbocomprimidos:

Na tabela acima fica claro que, do ponto de vista de potência específica o motor Devel V16 está muito acima do que existe em carros de produção em série (35% acima do Koenigsegg V8 e 100% maior que os motores Bugatti e Henessey). Porém olhando mais abaixo vemos que a pressão da turbina para esse motor é de 2,5 bar, contra pressões na casa de 1,8 bar nos outros motores. De maneira simplificada, isso ajuda a entender como os número divulgados podem ser possíveis: maiores pressões de alimentação implicam em uma maior quantidade de ar sendo admitida, e assim mais combustível, resultando em uma maior potência para uma mesma cilindrada. Para tentar nivelar um pouco os parâmetros de comparação, podemos, introduzimos o conceito de Cilindrada Corrigida, que nada mais é do que ajustar um motor sobrealimentado de acordo com o nível de pressão fornecido. Isso é feito imaginando que em lugar de um motor sobrealimentado, teríamos um motor de aspiração natural, com 100% de eficiência volumétrica e capaz de admitir a mesma quantidade de ar. Assim, podemos escrever a seguinte equação:

Onde,

Patm = Pressão atmosférica
Pturbo = Pressão de sobrealimentação

Com esse ajuste, vemos que a potência específica para esse motor cai para 106,8 cv/litro, o que está no nível dos melhores motores aspirados em produção. Comparando também com os números do motor BMW utilizado na temporada de F1 de 1986, vemos que os valores de MEP necessários para atingir o nível de performance declarados são atingíveis, e levando em conta que esse motor trabalha com gasolina de competição de elevada octanagem, podemos imaginar que trabalhe com parâmetros de ignição e taxa de compressão mais agressivos, o que torna ao menos factível, apesar de desafiador, imaginar que esse nível de desempenho possa sim ser atingido. Esse mesmo raciocínio pode ser aplicado para qualquer tipo de motor, quando se tiver dúvidas se os dados divulgados pelo fabricante são realmente factíveis.

Fontes:

SAE Internal Combustion Engine Handbook. Chapter 3: Characteristics.

Kane, Jack. NASCAR Cup and FIA Formula One engines: How do they compare? Race Engine Technology Magazine, nº 29.

 

 

 

 

Save

Save

Save

Save

Save

Save

Share on FacebookShare on Google+Tweet about this on TwitterShare on LinkedIn

O segredo dos pit stops da F1: como trocar 4 pneus em apenas 2 segundos!

Share on FacebookShare on Google+Tweet about this on TwitterShare on LinkedIn

Um dos maiores espetáculos das corridas de Fórmula 1 são os pit stops. Mesmo quem não é apaixonado pela competição fica abismado com a velocidade com que um carro tem um set de pneus trocados. Para ter uma ideia do quão rápido ocorre a troca de pneus, vamos ver o vídeo abaixo:

Se na década de 1950 eram gastos 67 segundos para trocar apenas os dois pneus dianteiros, nos dias de hoje as equipes gastam cerca de 2 segundos para trocar os quatro pneus dos bólidos. Essa grande evolução só foi possível graças a três grandes pilares, que analisaremos abaixo:

1. Mecânicos

Nos primórdios, poucos mecânicos estavam envolvidos no pit stop, como no exemplo do vídeo onde apenas quatro membros da equipe podiam trabalhar no carro, incluindo o piloto. Desses, um era responsável pelo macaco mecânico que erguia a frente do carro, outro pelo reabastecimento e apenas um pela troca dos pneus.

Vista superior de um pit stop da F1. Adaptado de sportskeed [1].

Vista superior de um pit stop da F1. Adaptado de sportskeed [1].

Já hoje em dia, um total de 16 pessoas estão envolvidas em um pit stop: (1) geralmente o chefe dos mecânicos, que até pouco tempo atrás era responsável por dar o ok para a partida do piloto e que até pouco tempo era feita através do famoso pirulito, que hoje foi substituído por luzes indicadoras.

Além dele, dois outros mecânicos ficam responsáveis pelos macacos mecânicos da dianteira (2) e traseira (3), mais um é responsável pelo controle de eventuais incêndios (que não aparece na imagem acima) e outros 12 têm a tarefa de trocar os pneus. Esses últimos se dividem em três por roda: um é responsável por retirar o pneu velho (4), outro por colocar o pneu novo (5) e o terceiro operando a parafusadeira pneumática (6). Além disso outros mecânicos podem estar envolvidos para realizar ajustes na asa dianteira ou outras necessidades que surjam durante a prova. Porém, mais do que a quantidade, o profissionalismo se tornou padrão para os envolvidos em uma parada: hoje as trocas de pneu são treinadas a exaustão pelos mecânicos envolvidos, para que durante as paradas o sincronismo seja perfeito e preciosos décimos de segundo sejam ganhos.

2. Ferramentas

Mercedes W196 de Juan Manuel Fangio e detalhe do tipo de equipamento utilizado na época. Fonte: Technical F1 Dictionary [2].

Mercedes W196 de Juan Manuel Fangio e detalhe do tipo de equipamento utilizado na época. Fonte: Technical F1 Dictionary [2].

Se 60 anos atrás a ferramenta para a troca de pneus era um tanto quanto rudimentar, consistindo de uma simples marreta, atualmente a história é bem diferente. Hoje todas as equipes utilizam parafusadeiras pneumáticas, fornecidas pela empresa italiana Dino Paoli Srl. Essas parafusadeiras apesar de parecerem similares aquelas que vemos em oficinas convencionais, são máquinas de alto desempenho, capazes de atingir 15.500 rpm e exercer um torque máximo de 3.800 N.m (equivalente a 3x o torque de uma Dodge Ram 2500!).

Parafusadeira moderna utilizada em diversos campeonatos de automobilismo. Fonte: Paoli [3].

Parafusadeira moderna utilizada em diversos campeonatos de automobilismo. Fonte: Paoli [3].

3. Porcas e eixos

Para quem já passou pela experiência de trocar um pneu, fica claro que mesmo o tempo de troca dos anos 50 é algo absolutamente incrível. Isso porque mesmo naquela época o sistema de trocas já era bem diferente do de automóveis convencionais: enquanto na maioria dos carros temos 4 ou mais parafusos que devem ser trocados com o auxílio de uma chave de boca, nos antigos carros de corrida era utilizada uma porca de troca rápida, como podemos ver na imagem abaixo:

alfetta_wheel_nut

Alfetta que competiu na primeira temporada da F1 em 1950. Fonte: nwarc-alfachatter [4].

Essas porcas eram retiradas com o auxílio de uma marreta, e permitiam uma troca bem mais rápida em relação ao que encontramos em veículos convencionais. Como tudo na F1, contudo, também as porcas evoluíram, e hoje seu design é parte do know-how de cada equipe, com diversas horas de teste e engenharia envolvidos no projeto desse componente. Hoje tanto porcas quanto pontas de eixo tem seu design projetado para garantir que a montagem durante a correria de um pit stop seja perfeita, com pontas de eixo e porcas guiadas facilitando a vida do mecânico na hora do encaixe, além de uma reduzida quantidade de fios de rosca de forma a reduzir ao máximo o tempo necessário para prender ou soltar uma roda.

Algumas equipes chegaram a extremos nos projetos de seus eixos visando ganhar cada milésimo nos pit stops, como o caso da Ferrari onde apenas três fios de rosca existem para manter a porca em seu lugar. Fonte: Matt Somers F1 [5].

Algumas equipes chegaram a extremos nos projetos de seus eixos visando ganhar cada milésimo nos pit stops, como o caso da Ferrari onde apenas três fios de rosca existem para manter a porca em seu lugar. Fonte: Matt Somers F1 [5].

Além disso, todas as porcas tem um formato diferente, com diversas ranhuras que se encaixam em ponteiras específicas, de forma que o acoplamento entre a parafusadeira e a porca seja o mais rápido possível.

Detalhe de uma porca (esquerda) e socket (direita) do tipo que pode ser encontrado em carros de corrida modernos. Fonte: Modern Applications News [6].

Detalhe de uma porca (esquerda) e socket (direita) do tipo que pode ser encontrado em carros de corrida modernos. Fonte: Modern Applications News [6].

Toda esse investimento tem permitido paradas cada vez mais rápidas como a abaixo, realizada pela equipe Williams no carro de Felipe Massa no GP do Azerbaijão desse ano, e que detém o recorde de mais veloz da história da F1:

 

Imagens:

[1]: Adaptado de: Abishai, John: Pit Stop: How does an F1 pit crew work. Disponível em: http://www.sportskeeda.com/f1/what-happens-during-f1-pit-stop. Data de acesso: 17/10/2016.

[2]: Retirado de: Wheel Gun & Wheel Nut. Disponível em: http://www.formula1-dictionary.net/wheel_gun_wheel_nut.html. Data de acesso: 17/10/2016.

[3]: Retirado de: Paoli Pit Stop Series Catalog 2016. Disponível em: http://www.dinopaoli.com/wp-content/uploads/Dino-Paoli-Pit-Stop-Series-2016-Motorsport-F1-Wheel-Guns-Catalogue1.pdf. Data de acesso: 17/10/2016.

[4]: The Power and Passion of Red. Disponível em: https://nwarc-alfachatter.com/2014/09/. Data de acesso: 18/10/2016.

[5]: Wheels / Wheel Nuts & Pit Stops. Disponível em: http://www.somersf1.co.uk/2012/04/wheels-wheel-nuts-pit-stops.html. Data de acesso: 17/10/2016.

[6]: CAM Software Enables Californi Shop to Produce Racecar-Parts that are Precise, Versatile, and High Performance. Disponível em: http://modernapplicationsnews.com/cms/man/opens/article-view-man.php?nid=2&bid=90&et=featurearticle&pn=02]]. Data de acesso: 17/10/2016.

Save

Share on FacebookShare on Google+Tweet about this on TwitterShare on LinkedIn