Como funciona um volante de inércia para recuperar energia cinética?

O Nissan GT-R LM Nismo é o mais recente exemplo de como um sistema puramente mecânico pode ser desenvolvido para realizar a tarefa de hibridizar um automóvel sem envolver electricidade. Mas antes de entrarmos nos prós e contras de um sistema puramente mecânico, como funciona um sistema de volante de inércia nestes casos? Hoje é a nossa vez de vos dizer.

E para fazer a explicação eficientemente, vamos usar um pouco de matemática, muito simples em qualquer caso (não se assuste), onde vamos trabalhar com energias.


Vamos levar o Nissan GT-R LM Nismo de Lucas Ordoñez rolando pelo Le Mans em linha reta antes de chegar à chicane "Forza Motorsport", exatamente onde está a armadilha de velocidade. Aqui o GT-R LM Nismo atinge 335 km/h.

Nesse ponto sua energia cinética (medida como metade da massa multiplicada pela velocidade ao quadrado) é (metade de 880 quilogramas multiplicada por 93 metros por segundo ao quadrado) 3.805 MJ. Para atravessar a chicane, o carro tem de reduzir a sua velocidade para 105 km/h. Assim, o carro tem que ter uma energia cinética de (uma média de 880 quilos multiplicada por 29 metros por segundo ao quadrado) 0,37 MJ.

Você não precisa de um mestrado em física para perceber que o carro tem que reduzir sua energia de 3,805 MJ para 0,37 MJ. Em outras palavras, 3.435 MJ têm que ser dissipados. Além disso, tem de ser feito em muito pouco tempo e distância (na distância de travagem mais baixa possível). Mas no momento vamos esquecer o tempo que o carro leva para reduzir a sua energia e quantos metros leva para fazê-lo, porque esses fatores têm a ver com a potência de frenagem, e não com o aspecto que nos preocupa neste momento.


Para reduzir a energia cinética do GT-R LM Nismo, vários fatos físicos têm que ser utilizados ao mesmo tempo:

  • Fricção aerodinâmica: cada carro, pelo simples ato de esfregar contra o ar, abranda. Perde energia cinética. Se tirar o pé do acelerador, o carro perde velocidade, certo? Quando um carro rola a uma velocidade tão alta e com tantos spoilers como os carros de Le Mans, perde-se muita energia desta forma, por isso, quando Lucas levanta o pé direito, perde-se alguma da energia do carro ao mover o ar.

  • A fricção contra o solo: O atrito das rodas contra o asfalto é também uma perda de energia. Esta energia é convertida em calor no pneu e na estrada. É uma quantidade relativamente pequena que se perde desta forma, mas também pode ser experimentada em qualquer dispositivo com rodas.

  • Os travões: O que o sistema de travagem faz é provocar a desaceleração das rodas, que tentam rodar mais devagar do que as que estão a rodar. Desta forma, a energia cinética do carro, que é convertida em energia cinética rotacional nas rodas, é por sua vez transformada em fricção entre o disco de freio e as pastilhas de freio, que por sua vez é transformada em calor. Num calor muito intenso, na verdade. Este é, juntamente com o atrito aerodinâmico, o maior contribuinte para a frenagem do carro e onde a maior parte da energia é dissipada.


  • O sistema de volante: Mas a diferença com um carro convencional está na aparência do volante. Como no caso dos travões, o princípio utilizado para subtrair a energia cinética com o volante de inércia é tentar reduzir a velocidade de rotação das rodas através da resistência ao volante de inércia. A beleza do sistema do volante é que, em vez de converter a energia rotacional das rodas (e, portanto, a energia cinética do veículo) em calor, como fazem os discos e almofadas, ele armazena a energia que captou em uma carroceria rotativa.

O regulamento de Le Mans, tal como descrito pelo ACO, permite recuperar até 8 MJ de energia em cada volta e armazená-la para utilização posterior em aceleração. Como pode ver, só na primeira travagem, entram em jogo 3.435 MJ, por isso, como pode imaginar, num circuito com tanta travagem de alta velocidade como Le Mans, é "fácil" chegar a esse número de 8 MJ.

O problema é que, não importa o quanto você queira, nem toda a energia de cada frenagem pode ser "armazenada" no sistema de volante de inércia. Como eu disse acima, além do sistema de volante, há três outras coisas que entram em jogo. Dois são fixos (fricção com o ar e fricção contra o solo) e não podemos modificá-los em grande medida para reutilizar a energia perdida neles.

Os travões continuam a ficar vermelhos, apesar de serem apoiados pela KERS.

Por outro lado, os travões - casal flywheel podem ser combinados. A ideia é tentar usar o volante para reduzir ao máximo a velocidade do veículo e usar os travões apenas como suporte extra, uma vez que a energia que subtraímos do veículo ao travar por meio dos travões não pode ser usada mais tarde.


Como é que o volante de inércia armazena energia?

Mas como é que o volante capta energia? Quanta energia é que podemos captar com ele? Estes são dois aspectos chave em toda esta confusão.

Como funciona o volante é bastante simples. É basicamente um volante feito de fibra de carbono e algum metal, pesando cerca de 8,5 quilos, e gira em torno do seu eixo.

Torotrak Flybrid Volante de fibra de carbono

Aqui entra em jogo outro aspecto da física. Da mesma forma que um corpo em movimento a uma velocidade tem uma energia, quando um corpo gira sobre um eixo, também tem uma energia, que é conhecida como energia cinética rotacional.

Esta é a energia que quando um corpo começa a girar sobre si mesmo, ele quer permanecer em rotação permanente, a menos que essa energia seja removida.

Imagine a roda de uma motocicleta ou de uma bicicleta girando livremente. Imagina que o queres parar agarrando-o com as tuas mãos. Se você aplicar suas mãos no pneu para pará-lo, você vai se queimar. Esse calor que chega às suas mãos é energia cinética rotacional da roda, que se transformou em fricção nas suas mãos e, por sua vez, transformou-se em calor. Entendeu?

Bem, isso é basicamente o princípio da energia cinética rotacional. Dentro do corpo do sistema do volante temos este cilindro de fibra de carbono a rodar. Quanta energia pode armazenar? Bem, isto depende da velocidade a que podemos fazer girar, e do momento polar de inércia do volante de inércia.

Falei-vos do momento polar de inércia por outra coisa, mas basicamente é o número que nos diz a tendência de um corpo continuar a girar em torno de um eixo. Quanto mais longe a massa estiver do eixo, mais "momento polar de inércia" o volante tem, e portanto, mais energia armazena na sua rotação. Por este motivo, os volantes são concebidos com quase todo o seu peso concentrado no exterior do cilindro.

Basicamente, a quantidade de energia que pode ser armazenada é o resultado da multiplicação do momento polar de inércia pela velocidade máxima de rotação que podemos dar ao volante sem que ele se quebre, dividida por dois.

Sistema de volante duplo paralelo Torotrak Flybrid para o GT-R LM Nismo da Nissan

No caso do Nissan GT-R LM Nismo, são utilizados dois volantes Torotrak paralelos. Cada um tem uma massa de 8,5 kg, capaz de rodar a 65.000 rotações por minuto. Dadas as características do sistema, o Torotrak diz que o sistema é capaz de armazenar até 400 kJ de energia por volante de inércia. Se você multiplicar por dois (já que tem dois volantes em funcionamento) você tem um total de 800 kJ de capacidade de armazenamento. Tanto quanto sabemos, a Nissan tentou levar este sistema mais longe, e tem até 1.200 kJ (1,2 MJ) neste par de volantes, mas foi aí que houve problemas de fiabilidade.

Como é que o volante de inércia capta energia durante a travagem?

Bem, você sabe pelo que eu expliquei acima como o volante armazena energia. Mas como é que se capta a energia das rodas? Bem, é bastante simples.

Quando Lucas pressiona o freio, o volante naquele momento ainda está no volante. Está ligado por uma série de engrenagens e embraiagens às rodas dianteiras. As rodas dianteiras tentam girar o volante e aceleram-no gradualmente. Quanto mais o volante é acelerado, mais velocidade de rotação é removida das rodas e, portanto, mais lento o carro vai. Em outras palavras, o carro é desacelerado ao acelerar o volante.

Desta forma, o carro pode eliminar até 1,2 MJ da sua energia durante a travagem, tudo isto se transforma em energia cinética armazenada nos volantes, que nesse momento giram a 65.000 rotações por minuto.

Como lhe dissemos acima, para obter o Nismo GT-R LM de 335 mph para 105 mph, 3.435 MJ deve ser removido, assim como apenas 1.2 são armazenados no volante, o resto (2.235 MJ) deve ser dissipado pelos freios e fricção do ar e do solo. É aqui que os travões entram em jogo.

Um dos grandes problemas desses carros é combinar com maestria, através de controles eletrônicos, qual parte do trabalho de frenagem é feita pelos discos de freio, e qual parte é transferida para o volante, e ao mesmo tempo fazer tudo para que o carro freie de forma previsível para o motorista, ou seja, que trave sempre o mesmo e com o mesmo curso de pedal, que não há diferenças perceptíveis e toques estranhos que complicam a vida de motoristas como Lucas. Esta é realmente uma das partes mais complicadas do sistema.

Mas quanto tempo pode o volante de inércia armazenar energia?

Mas agora já deves estar a pensar... quanto tempo dura o volante? Se você já deu força a uma roda de bicicleta para fazê-la girar livremente, você terá notado que mais cedo em vez de mais tarde ela acaba parando, certo? Ela pára principalmente por causa de dois fatores. Um é o atrito com o ar, e o outro é o atrito dos seus rolamentos (o atrito que tem quando gira sobre ele, vamos lá).

O atrito dos rolamentos é algo que nunca pode ser completamente eliminado, mas sistemas de volante como o Torotrak's Flybrid utilizado pela Nissan empregam um sistema de rolamentos especial, bem lubrificado, que reduz muito o atrito a valores insignificantes.

Mas o grande desafio é o atrito com o ar, especialmente em velocidades de rotação de 65.000 rotações por minuto (mais de mil rotações em um segundo!). A essas velocidades, a parte mais externa do cilindro viaja a uma velocidade linear equivalente à velocidade do som no ar convencional. Se o atrito com o ar fosse permitido a essas velocidades, a fibra de carbono derreteria a partir do simples atrito com o ar.

O que o Torotrack faz é armazenar o volante em um cilindro selado que teve o ar removido. Estando em um vácuo próximo, o volante não sofre a desaceleração do ar, portanto a energia pode ser armazenada por minutos sem que o volante desacelere praticamente, embora eventualmente acabe parando pelo atrito dos rolamentos.

E quando se trata de acelerar?

Uma vez fora da chicane, quando Lucas empurra o pedal do acelerador para o chão, o que o carro vai tentar fazer é recuperar a energia cinética até chegar a mais de 300 por hora novamente. Parte dessa energia cinética será obtida a partir do motor de combustão, que ao queimar gasolina produz energia que é transferida para as rodas, o que por sua vez acelera gradualmente o carro e o faz ganhar energia.

Mas, por outro lado, quando Lucas pressiona o pedal, a eletrônica de controle do volante desengata as engrenagens internas e embreagens do sistema do volante, para associá-lo às rodas dianteiras. O que ele faz agora é transferir os 1,2 MJ armazenados no par de volantes e redirecioná-los para as rodas para fazê-los ganhar velocidade de rotação e, portanto, fazer com que o carro ganhe energia.

Esta energia de aceleração extra "vem de graça", na medida em que foi ganha na travagem, e de outra forma teria sido libertada sob a forma de calor nos travões, e o consumo de combustível pode ser poupado. Na verdade, estamos reutilizando até 30% da energia de frenagem, o que significa uma redução imediata no consumo de combustível.

Dependendo da velocidade a que o sistema de volante é capaz de transferir a energia armazenada para as rodas, a quantidade de energia que é capaz de fornecer é derivada. A ideia original da Nissan era ter um sistema de volante múltiplo capaz de despejar a energia armazenada de uma só vez até quase 2.000 cavalos de potência, mas a realidade das limitações físicas do sistema actual significou que, por enquanto, o sistema está a 600 cavalos de potência e 1,2 MJ de potência, como vos dissemos anteriormente.

Problemas?

Você pode pensar que, dado o que você viu, o sistema de volante parece muito mais simples e mais lógico do que uma bateria ou um sistema elétrico de condensador, e de certa forma é.

É um sistema mais eficiente em termos energéticos (você economiza convertendo energia cinética em eletricidade, e depois eletricidade em energia cinética novamente), o que faz melhor uso da energia capturada. Pesa e ocupa menos volume que um sistema de armazenamento de energia para baterias ou condensadores de capacidade equivalente, e quando manuseado não tem riscos, como descargas de alta tensão.

Outra vantagem é que é um sistema que não se deteriora com o tempo à velocidade que as baterias ou capacitores fazem.

Muitos dos problemas no desenvolvimento do GT-R LM Nismo têm origem na afinação fina do sistema do volante de inércia.

Mas os inconvenientes vêm de outras frentes. Como dissemos anteriormente, quando o carro começar a travar, o volante estará praticamente parado e acelerará. Ao acelerar, o volante terá uma velocidade de rotação elevada e terá de desacelerar para transferir a velocidade para as rodas.

Esta inclinação, esta diferença de velocidade de rotação entre as rodas e o volante, é possível graças a uma caixa de velocidades composta por um variador. Este variador tem que ser permanentemente ajustado para permitir que o processo de aceleração ou desaceleração seja consistente, e para piorar a situação, ele tem que trabalhar em paralelo a um segundo variador com um segundo volante de inércia. Em outras palavras, há uma orgia de engrenagens girando dentro do dispositivo, e todas elas têm que concordar, como um relógio suíço, com extrema precisão, governado por eletrônica que, além disso, deve ser capaz de determinar quanto torque as rodas dianteiras podem suportar sem perder a tração ou travamento, e quais são as exigências do ciclista em aceleração ou frenagem.

É este último aspecto, o de colocar todos os mecanismos para trabalhar em coordenação, ao mesmo tempo e de forma organizada, que realmente gera os problemas. Na verdade, é este aspecto que a Nissan ainda não poliu com o Torotrak. É a partir dos problemas de ajuste destas engrenagens e sistemas que surgem os problemas da Nissan em ser capaz de pegar e usar 8 MJ por volta em Le Mans, e são a razão pela qual, por enquanto, dispensou o uso do eixo traseiro como motor, e decidiu seguir uma estratégia mais conservadora de energia.

No entanto, quando Torotrak e Nissan conseguirem fazer o dispositivo funcionar como diz a teoria, ajustando os seus parâmetros, estaremos perante o sistema mais eficiente dado o actual regulamento ACO para Le Mans. E depois podemos ficar surpreendidos com os resultados.

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