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 que significam os cavalos do motor de um automóvel?

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

Por muitas vezes você já deve ter ouvido algo do tipo: Novo carro possui o motor mais potente da categoria, afirmação sempre acompanhada por um número X de cavalos. Mas afinal, o que são esses cavalos e como eles impactam o desempenho dos nossos carros? Continuar lendo

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