Revoluções por minuto: inovações no mundo dos motores – Parte 3

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Dando continuidade a nossa séria de postagens (leia aqui a parte 1 e a parte 2), vamos conhecer hoje um motor desenvolvido pela Infiniti (divisão de carros de luxo da Nissan). Anunciado oficialmente em 14/08, o chamado Infiniti VC-T promete ser o primeiro motor de produção seriada a contar com a tecnologia de taxa de compressão variável. Abaixo vamos conhecer esse motor e quais vantagens essa tecnologia pode trazer.

Infiniti VC-T engine. Fonte: Divulgação [1].

Motor Infiniti VC-T. Fonte: Divulgação [1].

O que é taxa de compressão?

A taxa de compressão é definida como o resultado da divisão do volume máximo (V máx) do cilindro pelo volume mínimo (V mín), e geralmente é expressa como proporção (por exemplo 12:1, ou seja, o volume máximo é 12 vezes maior que o volume mínimo). Pensando num motor em linha na vertical, esses volumes ocorrem, respectivamente, quando o pistão está no ponto mais baixo de seu ciclo (PMI – Ponto Morto Inferior) e quando  o pistão se encontra no ponto mais elevado de seu ciclo (PMS – Ponto Morto Superior).

Taxa de compressão

Em motores de ignição por centelha, a taxa de compressão é limitada por fatores como detonação e auto-ignição. Para cada combustível existe uma faixa de taxa de compressão ideal (aproximadamente 9:1 para gasolina e 12:1 para o etanol), que podem ser alterados com mudança de parâmetros e a adoção de tecnologias como injeção direta. Como regra geral, a eficiência termodinâmica do motor aumenta junto com a taxa de compressão em situações de carga parcial, enquanto em carga plena a eficiência termodinâmica tender a ser reduzida com o aumento da taxa.

Estratégia básica do sistema VC-T. Fonte: Divulgação [1].

Estratégia básica do sistema VC-T. Fonte: Divulgação [1].

Esses fatores são importantes para que possamos entender os benefícios dessa tecnologia: a estratégia básica da Nissan para o motor VC-T será adotar valores mais altos de taxa de compressão em situações de carga parcial, para melhorar a eficiência geral do motor, e em situações de carga plena reduzir a taxa de compressão para diminuir o risco de detonação por compressão. Os ganhos que podem ser obtidos por esse tipo de sistema são consideráveis, e junto à sistemas de admissão que não dependam de perfis de eixo comando são o santo graal dos motores a combustão interna, o tipo de tecnologia capaz de revolucionar o setor. Aqui no Brasil esse tipo de tecnologia seria ainda mais proveitosa, pois além dos fatores já citados, permitiria ao motor trabalhar na faixa ótima tanto para etanol quanto para gasolina, que é um dos calcanhares de Aquiles dos nossos motores flex atuais.

Entendendo o sistema

Apesar de na teoria ser a solução ideal, construir um sistema que permita variar a taxa de compressão é algo muito complexo. Isso porque a taxa de compressão é definida fisicamente pelos pontos mortos superior e inferior, o que por sua vez é definido pelo curso do virabrequim, e promover mudanças nessa medida requerem um sistema complexo. Mais do que isso, o torque para promover essa alteração é considerável, e a confiabilidade deve ser máxima, já que uma falha nesses componentes geralmente resulta em dano considerável do motor.

Componentes do sistema VC-T comparado a um motor convencional.

Componentes do sistema VC-T comparado a um motor convencional. Fontes: Patente US 6.505.582 B2 [2].

No sistema VC-T, ao invés de ligar o pistão diretamente ao moente do virabrequim através de uma biela como no sistema convencional (imagem da direita), o pistão (9) é ligado por uma haste (3) a uma das extremidades de um balancim (4). Esse balancim, por sua vez é quem está ligado ao moente do virabrequim (5), transformando o movimento linear do pistão em movimento rotacional. Ao mesmo tempo, a outra extremidade do balancim (4), está ligada por uma biela (7) a um eixo excêntrico (8). A variação no ângulo desse eixo excêntrico promove uma rotação do balancim, e essa rotação faz com que os pontos de PMI e PMS mudem, aumentando ou reduzindo a taxa de compressão.

Detalhe do sistema de eixo excêntrico do sistema VC-T. Fonte: Patente US

Detalhe do sistema de eixo excêntrico do sistema VC-T. Fonte: Patente US 2013/0327302 A1 [3].

Conforme a imagem acima, podemos ver que essa rotação do eixo excêntrico é promovida por um atuador elétrico (19) que movimenta uma haste (24) que é presa ao excêntrico através de um pino. O motor elétrico (19), não aciona diretamente a haste, e essa atuação se dá através do que é chamado pela Nissan de Harmonic Drive, que iremos ver logo abaixo:

Componentes do sistema Harmonic Drive. Fonte: Patente EP 2884077 A1 [4].

Componentes do sistema Harmonic Drive. Fonte: Patente EP 2884077 A1 [4].

O Harmonic Drive consiste de uma arranjo com uma engrenagem anular interna (51), uma engrenagem externa flexível (52) e um gerador de ondas (53). A engrenagem flexível é composta por um corpo (55) com dentes externos (59), diafragma (56). O corpo tem formato de cilindro, porém quando o gerador de ondas (53) é inserido o corpo é deformado e adquire um formato elíptico, de forma que os dentes tem contato com a engrenagem externa em apenas dois pontos. As funções principais desse sistema são permitir uma resposta mais rápida por agir como redutor de velocidade quando o motor aciona o mecanismo de variação de taxa de compressão. De acordo com os desenhos, o Harmonic Drive fica montado em uma carcaça presa a lateral do bloco e do cárter, que é preenchida com óleo até um determinado nível e conta com um sensor de nível de óleo. Uma das dificuldades no sistema é garantir a lubrificação em situações onde a taxa de compressão permanece constante. Isso porque nessas situações parte do trem de engrenagens fica por um período sem contato com óleo. Nessa situação, a central eletrônica envia um sinal para o motor elétrico para gerar um rápido movimento de swing, de forma a não alterar sensivelmente a taxa de compressão e promover a agitação do óleo para garantir um filme de lubrificante para o sistema.

O motor será apresentado oficialmente para o público durante o Salão do Automóvel de Paris, no dia 29 de setembro de 2016, e especula-se que o motor terá sua primeira aplicação já em 2018.

Fontes:

Infiniti VC-T: The world’s first production-ready variable compression ratio engine. Disponível em: https://newsroom.nissan-global.com/releases/infiniti-vc-t-the-worlds-first-production-ready-variable-compression-ratio-engine. Data de acesso: 17/08/2016.

SAE Internal Combustion Engines Handbook: Chapter 3.2: Compression Ratio.

Moteki, Katsuya, et al. Variable Compression Ratio Mechanism of Reciprocating Internal Combustion Engine. US 6.505.582 B2. Publicado em: 14/01/2003. Disponível em: https://www.google.ch/patents/US6505582. Data de acesso: 18/08/2016.

Hiyoshi, Ryosuke. Variable Compression Ration Engine. US 2013/0327302 A1. Publicado em 12/12/2013. Disponível em: https://www.google.com/patents/US20130327302. Data de acesso: 18/08/2016.

Hiyoshi, Ryosuke et al. Control device and control method for variable compression ratio internal combustion engines. EP 2884077 A1. Publicado em: 17/06/2015. Disponível em: https://google.com/patents/EP2884077A1?cl=nl. Data de acesso: 18/08/2016.

Imagens:

[1]: Retirado de: Infiniti VC-T: The world’s first production-ready variable compression ratio engine. Disponível em: https://newsroom.nissan-global.com/releases/infiniti-vc-t-the-worlds-first-production-ready-variable-compression-ratio-engine. Data de acesso: 17/08/2016.

[2]: Retirado de: Moteki, Katsuya, et al. Variable Compression Ratio Mechanism of Reciprocating Internal Combustion Engine. US 6.505.582 B2. Publicado em: 14/01/2003. Disponível em: https://www.google.ch/patents/US6505582. Data de acesso: 18/08/2016.

[3]: Retirado de: Hiyoshi, Ryosuke. Variable Compression Ration Engine. US 2013/0327302 A1. Publicado em 12/12/2013. Disponível em: https://www.google.com/patents/US20130327302. Data de acesso: 18/08/2016.

 

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