Técnica: Ignição por compressão enxuta (HCCI)

Após a injeção direta, turbocompressores e intercoolers, o próximo passo será usar a compressão da gasolina, e não a centelha fornecida por uma vela de ignição, para inflamar a gasolina na câmara de combustão. Este é um tópico que já visitámos algumas vezes no passado, mas hoje vamos analisá-lo em pormenor. É um dos últimos movimentos do motor de combustão interna antes de passar o bastão definitivamente para outras tecnologias.

Para explicar como funciona a ignição sem vela, vamos primeiro dar uma olhada rápida na fase de combustão no ciclo Otto, onde a mistura é inflamada pelas velas:


Dos quatro estágios em que o ciclo Otto está dividido: admissão, compressão, explosão e escape, apenas o estágio de explosão aplica força (energia cinética) à rotação do virabrequim. Esta força, por sua vez, é "armazenada" no volante, ao qual a caixa de velocidades está ligada através da embraiagem.

Num motor a gasolina convencional, a fase de explosão ocorre após a compressão, quando o pistão sobe do ponto morto inferior (BDC) para o ponto morto superior (TDC), comprimindo a mistura ar/gasolina à medida que esta passa. Uma vez atingido o PMS, o distribuidor (tubo delco), fornece 5.000 V para o cilindro em questão, de modo que a vela produz uma faísca que acende a mistura, produzindo uma frente de chama que consome o mesmo, empurrando o pistão para o PMI. A mistura nem sempre entra em ignição no PMI, depende do avanço da ignição: um retardado aquece o motor, um avançado gera mais potência.

Ao longo dos anos, esta premissa básica tem sido complicada pelos avanços técnicos. Do ponto de vista dos olhos das aves, pode parecer que as únicas mudanças foram da carburação à injeção indireta, e da injeção indireta à direta. Mas na realidade, tem havido muitos, muitos avanços menores de que não se fala muito, como melhorias no design da câmara de combustão, melhorias nos materiais utilizados que facilitam a dissipação de calor, ou melhorias na forma como o jato de gasolina é injetado no cilindro (uma mistura mais homogênea facilita um avanço consistente da frente da chama), entre muitos outros.


Quais são os limites que estamos a enfrentar?

A maioria dos fabricantes, seguindo a tendência de downsizing, tem defendido o abandono de motores naturalmente aspirados e a opção por turbocompressores, que aumentam a eficiência do motor ao introduzir ar comprimido na câmara de combustão: mais ar significa que mais gasolina pode ser queimada e mais potência pode ser obtida na fase de explosão. Mas à medida que a mistura de ar e gasolina toma mais pressão dentro da câmara de combustão, a temperatura a que a mistura é submetida dentro da câmara aumenta, aumentando as hipóteses da mistura se auto-detonar por si só, antes que a frente de chama produzida pela ignição da vela de ignição a consuma; é por isso que a taxa de compressão nos motores turbo é relativamente baixa, para nos proteger da auto-detonação.

Lembre-se que a auto-detonação, ou crank pitting, não é uma detonação prematura da mistura de gasolina antes do pistão atingir o ponto médio superior, mas uma segunda ou terceira detonação, após a ignição da mistura pela vela de ignição. À medida que a frente de chama avança consumindo a mistura, a pressão e a temperatura na mistura gasolina-ar não consumida sobe, e se a frente de chama não chega a tempo, pode se auto-detonar, fazendo com que a nova frente de chama alcance as paredes do cilindro (o que não acontece em uma ignição controlada), e também pode quebrar a camada de proteção térmica que impede que a mistura queimada derreta o metal do pistão e a junta do cabeçote do cilindro. Por outro lado, quando a mistura queima prematuramente, antes do final do curso de compressão e a vela de ignição descarrega, falamos de pré-ignição, não de auto-ignição.


A maior octanagem da gasolina impede a auto-ignição, pois oferece maior resistência à queima descontrolada. Com baixas taxas de octanas, devem ser utilizadas taxas de compressão baixas, razão pela qual os motores mais antigos deram potências específicas tão baixas.

Quando a ignição é iniciada por uma vela de ignição, a combustão é centrada na área da câmara ao redor da centelha, de modo que a frente da chama não avance uniformemente, deixando resíduos não consumidos, mesmo que a mistura ar-gasolina seja estequiométrica. As altas temperaturas em que a deflagração ocorre dentro do cilindro favorecem não só o aparecimento de óxidos de nitrogênio (NOx), que contribuem para a poluição do nosso ar e aumentam as chances de chuva ácida, mas também as (espero) já famosas micropartículas de fuligem, tão pequenas que podemos respirá-las e que, após serem depositadas em nossos pulmões, podem causar câncer.

Combustão por combustão enxuta entra em cena

Você pode estar mais familiarizado com HCCI, ou Ignição por Compressão Homogénea. A idéia básica é alcançar uma maior taxa de compressão através da auto-detonação controlada da mistura ar-gasolina na câmara de combustão, sem o uso de uma vela de ignição.

Como é que funciona?

O primeiro problema enfrentado pelos fabricantes é a palavra "homogêneo" no alfabeto sopa que é a sigla HCCI, porque o coquetel ar-gasolina deve ser bem misturado para que a combustão seja eficaz e não deixe resíduos. No caso da ignição por vela, uma boa mistura também é importante, mas como a ignição está concentrada na área mais próxima da vela, ela é menos importante.


Se tivermos conseguido uma mistura perfeitamente homogênea de ar e gasolina, quando o curso de compressão terminar, a pressão e temperatura dentro da câmara de combustão provocará a ignição em vários pontos da mistura, consumindo-a completa e uniformemente, não deixando resíduos. Como a combustão ocorreu de forma homogênea e simultânea, não há frente de chama a uma temperatura muito alta, como acontece no caso da combustão por vela de ignição.

O que é que isto significa? Bem, a combustão por ignição por combustão pobre é, em alguns casos, até 500 ºC mais fria que a combustão por ignição por faísca, não excedendo mesmo 1500 ºC. E como resultado desta deflagração menos calórica, não são produzidos óxidos de azoto durante a fase de explosão. Além disso, não são produzidas micropartículas cancerígenas de fuligem e as emissões de óxido de carbono também são significativamente reduzidas. Além disso, há menos perdas de energia devido à menor transferência de calor (há menos calor a transferir), portanto há um ganho em eficiência energética.

De quanta compressão estamos a falar?

Na ordem de 18:1, muito alta para um motor a gasolina, os Mazda SKYACTIV-G trabalham a 14:1, a maior taxa de compressão da indústria. E como estamos adicionando mais ar do que o necessário para consumir uma parte da gasolina (lembre-se que uma mistura estequiométrica ideal corresponde a uma razão de 14,7:1), dizemos que a mistura é magra, porque há mais ar do que o que pode ser queimado por gota de gasolina. Numa mistura rica acontece o contrário: há mais gasolina do que a que pode ser queimada com o ar no cilindro, de modo que no final da combustão, sobrará gasolina não queimada ou sairá através das válvulas de escape.

Porque não ocorre uma auto-detonação descontrolada neste caso?

Como a mistura é homogênea e a combustão por compressão ocorre em várias partes da câmara simultaneamente, não há regiões dentro da câmara de combustão com diferentes níveis de pressão, portanto não há perigo de auto-detonação, exceto quando o motor está funcionando a plena carga. Portanto, a estratégia de ignição por compressão da mistura magra destina-se a ser aplicada quando o motor está com carga baixa ou parcial, exigindo a combustão da vela de ignição em momentos específicos. Isto significa que os fabricantes de velas de ignição ainda poderão ganhar a vida, mas os utilizadores com motores deste tipo não necessitarão de tantas substituições como os utilizarão muito menos.

Quão nova é esta ideia?

A história automotiva é vasta, rica e muito longa, e embora não existam muitos precedentes para a ignição por compressão com queima reduzida, existem muitos exemplos passados em que engenheiros se inspiraram em motores a diesel para tentar reduzir as emissões de seus motores a gasolina.

Nos anos 70, a Honda introduziu o conceito CVCC (Compound Vortex Controlled Combustion), cuja premissa copiou o então conceito de combustão diesel em uma antecâmara. Esta técnica permitiu à Honda cumprir os regulamentos de emissões tanto no Japão como nos Estados Unidos durante os anos 70, sem a necessidade de um conversor catalítico ou válvula EGR (Exhaust Gas Recirculation). Além disso, esta invenção permitiu à Honda continuar a utilizar carburadores, ao contrário de outros sistemas de mistura conhecidos na altura, que exigiam sistemas de injecção dispendiosos.

Como é que eles conseguiram isto?

Como na combustão por compressão, a mistura ar-gasolina no cilindro era magra, mas a mistura na antecâmara era rica. Na ignição, a frente de chama nasce na antecâmara, propaga-se através de pequenos orifícios na placa metálica que separa a antecâmara do cilindro, permitindo que a frente de chama alcance a mistura magra no cilindro e a consuma completamente, com conseqüentes reduções nas emissões de monóxido de carbono.

A General Motors duvidou da eficácia deste sistema e zombou da Honda, dizendo que só era adequado para carros pequenos. A empresa japonesa voltou a comprar um grande carro americano, um Chevrolet Impala 5.7 V8 de 1973, enviando-o para o Japão, adaptando o sistema CVCC e enviando-o de volta para os Estados Unidos para homologação. A EPA certificou que o sistema do Civic também era válido para um V8 americano sedento.

A Toyota obteve a licença de utilização deste sistema em 1975, sob o nome comercial TTC-V (Toyota Total Clean system-Vortex), e após ter feito as suas próprias modificações e lançado comercialmente em 1976, suspendeu a sua utilização em 1977, para depois voltar a utilizá-lo em determinados veículos da marca Daihatsu. A Honda utilizaria esta tecnologia durante aproximadamente dez anos, de 1975 a 1986, até ser abandonada para dar lugar à utilização de sistemas de injecção de combustível.

E... alguma coisa mais recente que esteja em uso hoje?

Tendo visto os benefícios de eficiência energética da tecnologia HCCI, e o quanto a Mercedes estava à frente em todas as áreas ao entrar na era V6 Turbo na Fórmula 1, houve especulações de que Brixworth (não confundir com Brackley, que é onde o chassi é feito), estava usando esta técnica em seus motores. Com a adição da MAHLE como patrocinadora da Ferrari no Grand Prix canadense de 2015, e o uso de fichas de modificação de motores pelos italianos durante esse mesmo evento, acreditava-se que o equipamento Maranello também havia adotado a ignição por compressão lean-mix.

No entanto, estes rumores foram negados porque a HCCI exigiria o uso de sistemas de temporização variável a fim de retornar à combustão convencional a plena carga, e a temporização variável é proibida pelos regulamentos atuais. Finalmente, foi descoberto que Brixworth e Maranello estão usando ignição turbulenta a jato, mais conhecida como TJI ou Turbulent Jet Ignition.

Outra grande razão pela qual se acreditava que a Mercedes poderia estar usando HCCI na Fórmula 1 é porque eles vêm promovendo há anos como uma característica do seu conceito de motor DiesOtto, que, mais uma vez, tenta aplicar os melhores conceitos dos motores diesel e trazê-los para os motores a gasolina. Foi introduzido em 2007 sob a forma de um cilindro de 4 cilindros de 1,8 litros, com 235 hp (130 hp/litro) e 400 Nm de torque, com injeção direta de gasolina, dois turbos de geometria variável, razão de compressão variável, temporização variável e, claro, ignição por compressão de mistura enxuta ou HCCI. Segundo a Mercedes, a taxa de compressão variável é um requisito para colher todos os benefícios da injeção direta e dos turbos duplos com alta carga do motor quando o HCCI não está sendo empregado.

Não temos notícias deles desde 2014.

Mas não são os únicos ansiosos por introduzir a tecnologia HCCI nos nossos motores. A General Motors anunciou em 2009 o desenvolvimento de motores de quatro cilindros com ignição por compressão lean-mix, mas ainda não foram capazes de aplicá-lo em motores comerciais. O que eles fizeram foi utilizar os conhecimentos derivados do seu desenvolvimento e pesquisa na família de motores modulares ECOTEC actualizada, que podemos ver na gama Opel deste lado da lagoa. E na Coreia do Sul a Hyundai está a desenvolver o seu próprio motor com HCCI, chamado GDCI ou Gasoline Direct Compression Ignition, com a diferença de que pretendem não utilizar velas de ignição em qualquer caso, nem mesmo quando o motor está em plena carga. Para evitar a auto-detonação, uma mistura de ar frio é comprimida com ar quente do colector de escape (até 40%), e a injecção de combustível é atrasada até o pistão atingir a TPM no curso de compressão, maximizando assim o curso de explosão.

Mas quem realmente confiamos para trazer esta tecnologia ao mercado não é outro senão a Mazda, porque com a sua tecnologia SKYACTIV, a Mazda apostou o seu futuro em fazer algo diferente (algo muito Mazda, claro), e que é opor-se ao downsizing e concentrar-se na busca da maior eficiência possível nos seus motores naturalmente aspirados que, tendo deslocamentos maiores que a concorrência, têm um consumo real muito mais próximo daqueles declarados do que os seus rivais sobrealimentados, o rightsizing.

Ironias da vida, agora Mazda defende o ditado: "Não há substituto para o deslocamento".

Já conhecemos a atual geração SKYACTIV, então o que está reservado para a próxima? Como Guille já nos disse, a Mazda espera ser capaz de aumentar muito mais sua taxa de compressão, usando HCCI, melhorando drasticamente os níveis de eficiência de seus motores.

Mas não é tudo, porque a ignição por compressão lean-mix também pode chegar aos motores do tipo Wankel, e não só ao motor SKYACTIV-R do futuro RX-9 (que esperamos em 2020), mas também a outros motores rotativos mais pequenos que a Mazda pretende utilizar como extensores de alcance para carregar as baterias dos seus veículos eléctricos. Para além do seu peso e dimensões reduzidas, se compararmos o ruído produzido a 3.000 RPM, o extensor do pistão produz 92 dB, enquanto o motor rotativo da Mazda produz 87 dB: quase quatro vezes menos ruído (lembre-se que os decibéis são medidos numa escala logarítmica).

Então, o que significa isto? Significa que o utilizador cujo veículo tem um extensor de alcance rotativo não vai ouvir nada quando arrancar.

É certo que este não é o nosso cenário idílico para um motor rotativo, mas qualquer coisa que o torne mais útil e aumente a probabilidade do seu uso se tornar mais generalizado é, na minha opinião, uma vantagem.

Conclusões

Pode parecer-nos novo - roubar ideias a motores diesel para melhorar os nossos motores a gasolina - mas a realidade é que os fabricantes têm tentado trazer técnicas de motores a gasolina para os nossos automóveis a gasolina há anos. Por exemplo, o downsizing também não é novidade; se você olhar para esta página da edição de dezembro de 1979 da revista Popular Mechanics, você pode ler como a GM e a Chrysler estavam optando por instalar mais motores de quatro e seis cilindros no lugar de seus V8s devido aos requisitos de economia de combustível do governo dos EUA, e como a Ford, com seu conceito de motor PROCO (PROgrammed COmbustion), planejou manter seus V8s no mercado e resistir à moda do momento. Se a história é cíclica...

Steve costumava dizer que "um bom artista copia, [mas] grandes artistas roubam". Vamos ver se os motores a gasolina conseguem roubar a ignição por compressão dos motores a gasolina.



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