As 10 tecnologias que mostram o futuro dos motores de combustão e caixas manuais

Os automóveis que montam motores de combustão interna possuem um considerável potencial de melhoria dos seus consumos e emissões. Por um lado, através da otimização tecnológica do próprio propulsor, aumentando a sua eficiência e minimizando as perdas de energia. Por outro, fazendo parte de um sistema de propulsão híbrido.

E, por último, mediante o uso de combustíveis alternativos, como o gás natural ou os combustíveis sintéticos. O volume mundial de automóveis com caixas manuais continuará a aumentar e, com a E-Clutch, poderão tirar benefícios das novas tecnologias na redução do consumo de combustível e das emissões de CO2.
Os motores a gasolina registaram enormes progressos nos últimos 15 anos, em termos da redução dos seus consumos e emissões. Incitados por uma legislação ambiental cada vez mais severa, os fabricantes têm vindo a aplicar nestes propulsores as tecnologias que já empregaram nos Diesel, como, por exemplo, a injeção direta e a sobrealimentação por turbocompressor. Isto permitiu conceber motores mais pequenos (downsizing), com uma menor cilindrada e menor número de cilindros. Além do mais, o aumento e a melhoria da entrega de binário permitiu alargar os desenvolvimentos das caixas de velocidades, o que, em conjunto com o aumento do número de relações, também contribuiu para reduzir consumos e emissões.

10 tecnologias que continuarão a otimizar os motores de combustão
Estas são as tendências e as tecnologias que permitirão aos motores de combustão continuar a evoluir em termos de eficiência e da redução das emissões de CO2, adaptando-se às novas normas e contribuindo para mitigar as alterações climáticas.

1 – Hibridização

O conceito de reunir um motor de combustão com um elétrico e um sistema de recuperação e armazenamento de energia mostrou-se muito válido para reduzir os consumos e as emissões; e continuará a vigorar na próxima década. Os motores de combustão irão evoluindo para harmonizarem-se com o sistema híbrido, e para continuar a otimizar-se o seu funcionamento. A vantagem do conceito híbrido paralelo é o elevado grau de flexibilidade das famílias de motores que, apenas com pequenas modificações, podem ser empregues, tanto em sistemas de propulsão convencionais como nos híbridos; o que permite otimizar as capacidades de produção e o investimento em desenvolvimento tecnológico.

2 – Hibridização “mild hybrid” de 48 Volt

A hibridização de 48 Volt permitirá hibridizar todo o tipo de motores com uma relação custo-benefício altamente favorável. As simulações de consumo e emissões no ciclo WLTC realizadas pela Schaeffler mostram que um híbrido de nível 0 – o mais simples tecnicamente – alcança uma poupança de 3,8% em consumos e emissões (relativamente a um microhíbrido de 12 Volt, com alternador inteligente e função start&stop) com um motor elétrico de polos assíncronos ou de polos alternados; e de 6,6% com motor elétrico síncrono de ímanes permanentes.

3 – Distribuição totalmente variável UniAir

Os sistemas de distribuição variável vão desde um simples variador de fase na árvore de cames até ao sistema UniAir totalmente variável. Estes elementos otimizam o processo de combustão e reduzem o consumo de combustível e as emissões. Desde 2009, a Schaeffler produz em massa o sistema de distribuição variável UniAir, com mais de três milhões de unidades fabricadas e uma permanente otimização. Também foi desenvolvida uma variante do sistema que pode facilmente ser integrada em motores já existentes. É importante que o motor, em geral, e a sobrealimentação por turbocompressor estejam devidamente adaptados aos requisitos do comando de válvulas totalmente variável. Com estas premissas, o sistema UniAir reduz em 8,4% o consumo e as emissões no ciclo de testes WLTC.

4 – Gestão térmica

Para maximizar a eficiência dos futuros sistemas de propulsão, é necessário otimizar o equilíbrio térmico de todo o sistema e dos seus componentes individuais; e controlar os fluxos de calor. A Schaeffler lançou o primeiro módulo de gestão térmica para motores a gasolina em 2011, e desde então que este sistema não parou de ser desenvolvido. A segunda geração é um módulo mecatrónico, e, no futuro, este é um sistema que se irá tornar mais complexo, ao mesmo tempo que se descentralizará. Todo os ensinamentos recolhidos sobre os fluxos de calor dos veículos híbridos serão empregues na conceção de sistemas preditivos, que consigam que todos os elementos do veículo funcionem à temperatura adequada, e recebam calor ou frio segundo as necessidades de cada momento. Graças a isso, aumentar-se-á a eficiência de todo o sistema e reduzir-se-ão os consumos e emissões.

5 – Redução da fricção

Os rolamentos já reduziram consideravelmente os níveis de fricção em unidades acessórias, como árvores de cames, veios de equilíbrio, turbocompresores e touches. No turbo, os rolamentos podem reduzir em até 80% a fricção a frio e melhorar a resposta, o que aumenta em 2,5% a eficiência, acelera a entrega de binário e reduz a riqueza da mistura, o que minimiza os NOx.
O passo seguinte é substituir as chumaceiras da cambota por rolamentos, algo em que está já a trabalhar-se com a Ford. Com o simples facto de instalar-se um rolamento no primeiro apoio da cambota, o mais distante do volante do motor, conseguiu-se uma redução de 1% do consumo de combustível.

6 – Distribuição variável elétrica

Estes sistemas permitem sincronizar as válvulas para adaptarem-se a todas as condições de utilização do motor. Ao contrário das hidráulicas, as árvores de cames com acionamento elétrico permitem ajustar o tempo de abertura das válvulas quando o motor está imobilizado. Durante uma sequência de arranque/paragem, ou quando o veículo circula por inércia (“à vela”), este sistema pode preparar o motor de combustão por antecipação para o seu posterior reinício. Graças a isso, são exigidos menos binário, fricção e desgaste. Outros benefícios do atuador elétrico da árvore de cames são: uma gama de temperaturas de utilização mais elevada, atuações mais rápidas e precisas, e diminuição da carga de trabalho da bomba de óleo. Graças a tudo isto, consegue-se uma redução dos consumos e emissões de 2%.

7 – Compressão variável

Está-se a trabalhar em sistemas de compressão variável eletromecânicos, em que pode aplicar toda a sua experiência na distribuição variável. Variar a taxa de compressão tem impacto direto na combustão e, por consequência, no consumo e nas emissões; e é uma das poucas funções do motor que ainda não se tornou variável. A relação de compressão clássica conduz a um conflito de interesses, para obter um compromisso de eficiência em carga parcial e total. E esse compromisso pode, em muitos casos, não ser suficiente para superar as novas normas de emissões.

8 – Desconexão de cilindros

Os motores de três e quatro cilindros também podem beneficiar desta funcionalidade, que ajuda a reduzir as emissões de CO2. O eRocker é um sistema eletromecânico de integração simples, que permite a desconexão seletiva de cilindros para reduzir os consumos e as emissões. Também foram desenvolvidos volantes bimassa e embraiagens com pêndulos centrífugos para mitigar as vibrações torsionais produzidas pela desconexão de cilindros.

9 – E-Clutch ou embraiagem eletrónica

43% dos automóveis vendidos no mundo dispõem de uma caixa manual, e ainda que a sua quota de mercado esteja a diminuir, o seu número absoluto continuará a crescer (em 2016 foram produzidas 40 milhões de caixas manuais). Têm a seu favor o seu baixo custo, mas, em eficiência, já foram superadas pelas modernas caixas automáticas ou pilotadas. Para aproveitar as oportunidades que oferecem as novas tecnologias na redução de consumo de combustível e CO2, é necessário automatizar a embraiagem das transmissões manuais. Graças a isso, poderão ser adotadas estratégias de poupança como o “coasting” (circular por inércia, com o motor desligado), ou recuperar energia em desaceleração e travagem, graças a um sistema de hibridização de nível 0 ou 1. Entre ambos, poderá obter-se uma redução de 8%.

10 – Combustíveis alternativos

Os combustíveis alternativos oferecem um abordagem adicional, que vai mais além do que a conceção do motor para reduzir as emissões. O gás natural já está disponível, e garante cerca de 25% menos de CO2 que a gasolina convencional. E, a médio e longo prazo, será possível sintetizar gás metano num processo PtG. Os motores Diesel não ficarão atrás, e também se investiga no domínio dos combustíveis sintéticos baseados num processo PtL (power to liquid). Se a energia primária requerida durante a respetiva geração também provier de fontes renováveis, como a energia eólica ou fotovoltaica, os combustíveis podem considerar-se como de emissões neutras em termos de CO2.

Fonte: Schaeffler