O novo século chegou, e a preocupação com o ambiente e os preços dos combustíveis fósseis fez-nos reagir. Por um lado, surgiu a obsessão elétrica e, por outro, a evolução dos motores de combustão e da hibridação.
O "bom" dos motores elétricos é que é relativamente fácil e barato fabricar um motor capaz de trabalhar com uma eficiência próxima de 90 ou até 95%. Ou seja, nós aproveitamos 95% da energia que temos disponível. Mas a vantagem disto torna-se uma desvantagem noutra frente: É difícil armazenar energia eléctrica e, em vez disso, é muito fácil armazenar energia sob a forma de combustível. As baterias são caras e ocupam muito espaço, e o combustível é barato e ocupa pouco em proporção.
Enquanto trabalhamos como humanidade para resolver o problema básico de armazenar energia em baterias de forma mais eficaz, consumindo menos e a menor custo, não temos outra escolha senão continuar a melhorar os motores de combustão, especialmente se quisermos cumprir as nossas metas de emissões futuras, e queremos tirar mais proveito de cada gota de combustível.
Para isso, durante a última década vimos uma torrente de inovações atingir os concessionários. Turbocompressores, injeção direta, hibridação... Às vezes, os fabricantes têm sido obcecados com critérios legais e de homologação, projetando soluções que brilham nos laboratórios, mas que deixam muito a desejar em termos de sensação de dirigibilidade, ao mesmo tempo em que tornam os motores mais caros e super-complicados.
E depois há o Mazda. Para qualquer nerd de engenharia, a marca japonesa de Hiroshima continua a ser um santuário onde todos os preceitos são questionados, desde os mais básicos. O programa SkyActiv nasceu sob esta abordagem de questionar tudo o que estava estabelecido, e dele nasceram os motores a gasolina convencionais na sua definição (atmosféricos até à data), que conseguiram ser muito mais eficientes do que os das marcas rivais, mas também tinham vantagens óbvias: não só conseguem ser eficientes em laboratório, mas em utilização real, na estrada, cumprem as suas promessas com uma resposta que, em regra, é mais agradável do que as hélices com mil acréscimos tecnológicos a bordo.
Como é que eles conseguem isto? Bem, olhando para as coisas logicamente: De que depende a eficiência de um motor a gasolina? No papel, em teoria, depende exclusivamente da taxa de compressão do motor. Quanto maior a taxa de compressão, maior é a eficiência.
Eu poderia passar horas e horas aqui dando uma breve palestra sobre o ciclo Otto e o ciclo teórico de Carnot, mas não vou te deixar atolado em números e fórmulas. Basicamente posso dizer-vos que a ciência, a matemática, diz-nos que um motor a gasolina ciclo Otto (um ciclo de quatro tempos de toda a vida), tem uma eficiência teórica máxima de cerca de 75% (o valor aproximado vai para a gama de temperaturas que podemos usar, mas é um número bastante próximo da realidade). Em outras palavras, podemos usar um máximo de três quartos da energia do combustível.
Quanto maior for a taxa de compressão, mais perto estamos de alcançar os 75% de eficiência máxima teórica de um ciclo Otto. E o que acontece com o resto da energia do combustível? Bem, está dissipado como calor. Calor nos gases de escape, e calor no atrito (atrito entre as paredes do pistão e do cilindro, calor no líquido de arrefecimento do motor, calor nos rolamentos do motor, eixos de cames, etc.). Mesmo sugando o ar para dentro do motor e queimando-o, ele gera calor, pois o ar de admissão aquece e esse calor é energia desperdiçada.
Mazda continua a sua cruzada para prolongar a vida útil dos motores de combustão, melhorando-os a partir do seu preceito mais básico: o design da câmara de combustão.
Para atingir esse máximo teórico de 75% de utilização de energia de combustível, seria necessário trabalhar com uma taxa de compressão próxima de 22:1. Você pode se perguntar por que os fabricantes de motores não o usam então. A chave é a detonação descontrolada.
Para que um motor funcione como queremos, a mistura de combustível/ar no interior tem de queimar quando queremos, não quando queremos. Precisamos de tudo para explodir e aplicar trabalho quando podemos usá-lo para mover as rodas, quando o pistão está pronto para começar a descer. Se a explosão acontecer antes disto, podemos perfurar o pistão, e não vamos aproveitar a energia do combustível. Se a explosão acontecer demasiado tarde, a taxa de compressão efectiva (a real) será inferior.
Até alguns anos atrás, o estado da arte que tínhamos no planeta Terra era tal que não podíamos usar rácios de compressão superiores a 8:1. Bem, porque assim que comprimíssemos mais a mistura ar/gásolina, ela explodiria incontrolavelmente.
Graças à evolução da electrónica, conseguimos ter sensores mais precisos e, sobretudo, simulações por computador que nos permitiram compreender mais e melhor como se processava a combustão na câmara de combustão. Entender o que acontece dentro da câmara de combustão em um motor pode parecer "fácil", mas a realidade é que ainda hoje não temos um controle perfeito do que acontece lá, nem entendemos como a mistura se acende, como a frente da chama se espalha e como tudo isso empurra o pistão. Pense que isso acontece em milissegundos quando o motor gira em altas rotações.
Devido a esta falta de controle e conhecimento, o que tem sido feito é utilizar combustíveis de alta octanagem, que utilizam aditivos que limitam a possibilidade da mistura explodir antes da faísca e, ao mesmo tempo, são utilizados rácios de compressão conservadores. Então, como não sabemos como projetar bem as câmaras de combustão, usamos rácios de compressão conservadores.
Mazda questionou tudo isso, e passou inúmeras horas estudando câmaras de combustão reais e simuladas por computador. Avaliou como a frente de chama se propagava, que pontos quentes o motor tinha dentro dele, e trabalhou com injeção direta e desenho cuidadoso da cabeça do pistão para poder aumentar a taxa de compressão do motor a gasolina para 14:1.
Como resultado, os motores SkyActiv naturalmente aspirados da Mazda alcançaram, nas suas duas primeiras gerações, economia de combustível, emissões e eficiência ao nível dos seus rivais turboalimentados, mas com uma resposta de aceleração muito mais linear, progressiva e dosadora. E com a vantagem adicional de serem motores com uma janela de funcionamento muito mais ampla: consomem pouco numa grande variedade de cargas de aceleração e não foram concebidos para brilhar nos testes e falhar na vida real.
Mas os esforços de Mazda não param por aí. A empresa deslizou novos detalhes sobre a terceira geração de seus trens de força, e o fez prometendo uma melhoria de eficiência para elevá-la a 60%. Se esta promessa fosse verdadeira, estaríamos perante o motor a gasolina mais eficiente do mercado.
Como pretendem alcançar essa eficiência? Elevando a taxa de compressão para 18:1, com gasolina convencional. Parece missão impossível, mas com injeção direta de gasolina e um projeto correto da câmara de combustão, a Mazda aposta que vai funcionar, com base no uso da tecnologia HCCI, ou o que é o mesmo, a combustão sem vela de ignição. Mazda pretende a autodetonação da mistura, atingindo a compressão de 18:1, como se o motor fosse um diesel, sem utilizar a vela de ignição, mas controlando a combustão de forma a que não haja problemas com ela.
Não só isso, também fala em "recuperar calor dos gases de escape para melhorar a eficiência". O que isso significa? Bem, ele está a falar sobre o uso de turbos de uma forma velada. O que um turboalimentador faz é pegar a energia dos gases de escape (sob a forma de calor e velocidade) e resfriá-los. A energia neles capturada é utilizada para dar energia ao ar de admissão, o que reduz as perdas totais do motor.
Obviamente, a redução para os 50 gramas de CO2 emitidos por quilómetro que a Mazda quer para os seus motores implicaria sobrealimentá-los com turbocompressores, embora talvez a empresa preferisse fazer algo ao estilo Porsche 919 Hybrid, para evitar perder a sensação do motor naturalmente aspirado.
O Híbrido 919, se bem se lembra, utiliza um gerador eléctrico composto por uma turbina instalada no tubo de escape que acciona uma espécie de alternador. Naturalmente, para aproveitar esta energia capturada é necessário ter um local para armazená-la (bateria ou supercapacitor), e depois o que utilizar (motor eléctrico associado à cambota ou às rodas).
Seja como for, atingir 60% de eficiência será um passo fundamental para alcançar automóveis com um consumo de combustível próximo de dois litros por 100 quilómetros sem sistemas híbridos, cumprindo os requisitos de emissões que estão prestes a vir da União Europeia.
A última lacuna para os amantes de carros com motores de combustão tradicionais? Provavelmente.
