12 de agosto de 2011

PRESSÃO MÉDIA EFETIVA: ECONOMIA, POTÊNCIA E ALGUMAS COISINHAS A MAIS


Muito já se escreveu sobre potência e economia de combustível nos automóveis, mas como ela realmente é avaliada é um daqueles conhecimentos mágicos, herméticos, escritos naqueles livros sagrados que só os iniciados na magia da engenharia conhecem, e para os incultos está sempre oculto pela névoa do mistério.

A verdade, no entanto, é que potência e economia de combustível são assuntos bem detalhados, mas não tão difíceis assim de se entender.

Porém, antes de entendermos como avaliar a potência e principalmente o consumo dos motores, vou apresentar um conceito muito importante sobre o comportamento dos motores: a pressão média efetiva.

Num motor de ciclo Otto, a mistura é inicialmente comprimida e rapidamente queimada, gerando um pico de pressão. Conforme o pistão desce e absorve energia térmica da queima, os gases no interior da câmara se expandem e perdem pressão e temperatura. Ao longo deste curso-motor, uma certa quantidade de energia é transformada de térmica para mecânica. Repetido ciclicamente o curso do pistão, a quantidade de energia mecânica aproveitada por unidade de tempo é a potência produzida pelo motor.

Entretanto, num motor Otto de 4 tempos, há um curso-motor de descida para outro de descida e dois de subida que não recebem qualquer impulsão.

Engenheiros não gostam muito de condições pontuais, muito variáveis, difíceis de calcular e de analisar. Ao invés disso, eles imaginam que uma pressão média constante impulsiona alternadamente o pistão subindo e descendo no cilindro. Para os cálculos de trabalho mecânico e de potência, estes números são equivalentes em todos os seus efeitos à pressão altamente variável a que o pistão é realmente submetido dentro do motor.

O cálculo feito pelos engenheiros diz que um determinado trabalho mecânico é realizado quando uma força atua sobre um corpo e o desloca a uma certa distância. Esta força é calculada como o produto da pressão média pela área da cabeça do pistão.

Sendo um produto de três termos, podemos reagrupá-los, e fazer o produto da área do pistão por seu deslocamento, e então multiplicar pela pressão média. E o produto da área da cabeça do pistão pelo deslocamento (curso) dele equivale ao deslocamento volumétrico, ou cilindrada, daquele cilindro.

Como um trabalho mecânico é uma medida de energia mecânica, então, para um motor a energia média liberada num curso do pistão é proporcional à pressão média e à cilindrada.

Se avaliarmos a frequência com que os cursos se repetem, teremos a potência do motor.

Assim, a potência do motor é diretamente proporcional á pressão média, à cilindrada e à rotação do motor.

Como potência é o produto entre torque e rotação, podemos dizer que o torque do motor é proporcional à pressão média multiplicada pela cilindrada do motor.

Quando colocamos um motor no dinamômetro, avaliamos torque e potência úteis gerados por ele na ponta do virabrequim. A pressão média que calculamos a partir destes dados é chamada de Pressão Média Efetiva ao Freio (em inglês Brake Mean Effective Pressure, BMEP), ou simplesmente Pressão Média Efetiva (PME).



Para o conjunto de unidades que costumeiramente usamos em motores, podemos usar a seguinte fórmula para calcular a PME:

PME [bar] = (Potência [kW] x 1200) / ( Deslocamento Volumétrico [litros] x Rotação [rpm])

Obs: nesta equação, as unidades utilizadas estão entre colchetes.

Nesta fórmula também fica evidente uma relação direta entre a potência específica do motor (potência máxima por unidade de deslocamento volumétrico) e a PME e a rotação onde elas ocorrem.

A PME permite um conjunto riquíssimo de avaliações sobre o desempenho dos motores. Ela permite, por exemplo, realizar uma comparação direta entre motores muito diferentes entre si.

O motor Ford Cosworth DFV de F-1 de 1967 gerava uma PME de 14 bar a 8.500 rpm. Um motor atual da F-! gera em torno de 300 cv/litro, mas numa rotação de 18.000 rpm, produzindo uma PME por volta de 14,7 bar.

Não se percebe um ganho razoável no valor absoluto da PME, passados 44 anos.

Em certos aspectos, isto é razoável porque a PME de motores aspirados dependem essencialmente de quanto ar entra no cilindro impulsionado apenas pela pressão atmosférica.

Entretanto, o valor atual ocorre numa rotação que é mais do dobro da antiga, mostrando o quanto estes motores evoluíram em potência, preservando o torque em rotações cada vez mais elevadas pela melhor eficiência na passagem de fluxo.

Já os motores turbo de classificação na F-1 de 1988 chegavam, segundo se especula, a 1.200 cv a 11.000 rpm, com uma PME em torno de 64 bar.

Isto é cerca de quatro vezes a PME das versões aspiradas devido à indução de alimentação. Não é para menos que eram motores de tão curta duração.



Uma das ferramentas que melhor qualificam as várias propriedades de um motor de combustão interna é o que relaciona a PME com a rotação em forma gráfica. A cilindrada é importante, mas por ser constante, é apenas relacionada e em nada influencia no formato deste gráfico.

O gráfico possui esta conformação:



Há muitos elementos neste gráfico aparentemente complexo e saturado de informação, mas vamos examinar cada um deles passo a passo.

Para esta explicação, usarei como base o gráfico original oferecido pela Wikipaedia.

O primeiro elemento que vamos analisar é a curva de PME de carga total. Esta curva está diretamente ligada às curvas de torque e potência a que estamos acostumados. Podemos obter aquelas duas curvas a partir desta.


Esta curva possui, numa análise bem genérica e superficial, três sessões.

Inicialmente a PME cresce nas rotações mais baixas. Nestas rotações, os dutos e válvulas representam obstáculos pouco significativos à passagem de ar. Com o aumento da rotação, a velocidade dos fluxos de gases no motor aumenta, aumentando sua energia cinética. Quanto maior a energia cinética, mais facilmente os gases queimados são descarregados, a mistura fresca é admitida, a turbulência também é maior para uma queima mais homogênea e assim por diante. É um efeito dinâmico que permite que o cilindro receba mais mistura com o aumento da rotação.

Em motores com dutos estreitos e longos os efeitos inerciais dos gases são maiores porque imprimem maiores velocidades a estes gases. Como resultado, a PME cresce mais rapidamente nestas rotações mais baixas, junto com a curva de torque.

Este efeito é de grande interesse em carros urbanos, onde o motor está constantemente sendo exigido a acelerar o carro da imobilidade usando baixas rotações. É por esta razão que motores como o Fiat E.TorQ possuem longos dutos no coletor de admissão.

 
Em altas rotações temos a última sessão da curva de carga total. Nela vemos o decaimento da PME máxima. Este decaimento ocorre pela resistência à passagem dos fluxos gasosos oferecida pelos dutos e válvulas. Com o aumento da rotação, a resistência à passagem desses fluxos aumenta mais significativamente do que o possível ganho com os efeitos inerciais, entrando uma menor quantidade de mistura no cilindro.

Tecnicamente diz-se que há uma diminuição do rendimento volumétrico do motor nestas condições.
Assim, a curva de carga total da PME torna-se decrescente neste trecho final, fazendo o motor perder torque e, a partir de determinado ponto, potência também.

Em carros de corrida este efeito é indesejável, e, ao contrário do carro urbano, usam-se coletores de dutos curtos e largos para gerar o mínimo de restrição à passagem dos gases pelo motor.

A sessão intermediária desta curva, um tanto quanto plana, ocorre onde os efeitos inerciais e de restrição se anulam, não havendo ganhos significativos no preenchimento do cilindro com mistura, e por isso não há ganho de PME nem de torque.

Esta faixa intermediária varia de motor para motor, dependendo de toda cadeia de condução e controle de fluxo da parte superior dele. Alguns motores mais potentes sequer a possuem.

O segundo elemento deste gráfico é o conjunto de curvas de consumo. Estes conjuntos de curvas, muito parecidos com curvas de nível, mostram como o motor consome em todos os regimes de funcionamento, desde o motor sem carga até a carga total.

 
Elas não representam o consumo absoluto do motor, mas o consumo relativo de combustível por unidade de energia mecânica gerada.

Em algumas versões, os números podem representar valores diretos (para nós, geralmente expresso em g/kW.h).

Em outras versões, os valores representados são relativos ao consumo ótimo deste motor (representado como 100%).

 
Elas representam indiretamente o rendimento deste motor em todas as possíveis combinações de PME e rotação. Quanto maior o consumo de combustível, pior o rendimento.

Estas curvas de consumo extrapolam o uso que geralmente fazemos das curvas de torque e potência a que estamos acostumados, pois faz um diagnóstico do comportamento do motor em cargas intermediárias, onde o motor é mais utilizado.

Estas curvas evidenciam duas propriedades importantes:
- O consumo cresce rapidamente com a diminuição da PME, especialmente nos valores mais baixos.
- O ponto de melhor rendimento do motor ocorre numa rotação mais baixa e em carga elevada, porém abaixo da carga máxima.

Um gráfico com a curva de carga máxima e com as curvas de consumo específico é chamado de Gráfico de Consumo Específico (em inglês, Brake Specific Fuel Comsumption, BSFC).


O terceiro elemento neste gráfico está nas curvas de potência.


O produto entre a PME e a rotação é proporcional à potência. Por esta propriedade, é possível traçar uma família de curvas de potência constante, no formato de hipérboles.

O quarto elemento é a família de curvas de carga resistente.

 
Cada tipo de carga resistente possui um formato de curva característico. Assim, um mesmo motor pode ser usado em um automóvel, num barco ou num grupo gerador de eletricidade, mas as curvas de carga resistentes acompanharão o comportamento destas diferentes cargas.

No caso específico de automóveis, a carga resistente varia com a resistência aerodinâmica, a resistência à rolagem dos pneus etc.. Entretanto, a aplicação desta carga no motor depende da relação final de transmissão.

O resultado é que a família de curvas é proporcional à uma única curva, multiplicada pelas relações de transmissão.

Entendidos os elementos deste gráfico, vamos descobrir como usá-lo.

Primeiro, vamos considerar que o carro está se movendo numa determinada condição de carga. Isto significa que ele consome uma determinada potência nesta condição. Então, plota-se no gráfico a curva de potência para aquela condição.


Esta potência irá equiparar-se com a resistência que o carro sofre para se mover naquela condição. Esta resistência aumenta com o aumento da velocidade.

Entretanto, o motor lida com esta resistência de formas diversas conforme a relação de transmissão.

Neste exemplo, vamos imaginar que estejam disponíveis duas marchas para a escolha do motorista, uma 50% mais longa que a segunda.

Plota-se no gráfico então as duas curvas de resistência, uma para cada marcha.

O motor irá operar em cada marcha no ponto onde a curva de potência gerada encontra a curva de resistência oferecida pelo automóvel em cada marcha.

 

Em seguida, vamos colocar as curvas de consumo para avaliá-lo. No exemplo, vemos que a marcha mais longa oferece a potência consumida sobre um consumo específico de 240 g/kW.h a 2.000 rpm, enquanto a marcha mais curta sofre um consumo específico de 280 g/kW.h a 3.000 rpm. Proporcionalmente, usar a marcha mais curta representa um aumento de consumo de 16,7% nestas condições.

 
É por esta razão que normalmente o motor torna-se mais econômico quando dirigido em uma marcha mais longa e com carga mais elevada, esta última sentida pelo motorista por exigir maior acionamento do acelerador.

Este é o “método de carga” que o BS já falou aqui no blog, e aí está porque funciona.

Por outro lado, devemos avaliar também a diferença de PME entre estes pontos até a curva de PME máxima na mesma rotação. Esta diferença mostra quanto temos de reserva de aceleração.

No exemplo, vemos que a marcha mais curta possui uma reserva de aceleração maior do que a marcha mais longa nestas condições.


Além do fato da marcha mais curta multiplicar mais o torque do motor, a maior reserva de aceleração do motor nesta marcha é a outra razão pela qual devemos reduzir a marcha para realizar uma ultrapassagem.

O gráfico completo fica desta forma:

 
Por estes gráficos vemos claramente o quanto um automóvel é menos eficiente em uso urbano que em uso em estrada.

Andando a maior parte do tempo em baixa velocidade e com baixa carga, o motor é usado com baixa PME, onde o consumo é mais elevado.

Esta limitação do uso do motor não é só prejudicial ao bolso do motorista. Com menor eficiência, o motor lança mais poluentes no ar, bem como há uma queima mais incompleta do combustível na câmara, emitindo poluentes mais agressivos.

Hoje, o problema de emissões de poluentes por automóveis é mundial, especialmente em perímetro urbano, e esta limitação dos motores explica muitas das soluções técnicas que vem surgindo nos últimos anos.

Nas últimas três décadas as legislações européias de emissões vêm se tornando progressivamente mais severas. Durante a maior parte deste período, os fabricantes atenderam estas normas evoluindo a tecnologia de injeção de combustível. Entretanto, em determinado instante todos os fabricantes atingiram um limite economicamente viável de melhorias dessas injeções.

A saída encontrada foi a adoção do “downsizing”.

Downsizing significa que carros originalmente equipados com grandes motores aspirados passaram a ter motores menores turbocomprimidos com a mesma potência máxima.

Carros com motores de 2 litros aspirados passaram a usar motores turbo de 1,4 litro, por exemplo.

Com esta estratégia, em cargas intermediárias, o motor menor ainda não recebe auxílio significativo do turbo, operando como um motor aspirado. Sendo um motor menor, precisa trabalhar sob uma PME mais alta para gerar a mesma potência que o motor maior. Como esta é a condição que impera durante seu uso urbano, a melhoria de rendimento do motor reduz a quantidade e melhora a qualidade dos gases descarregados.

Para o motorista não ter a sensação que está conduzindo um carro pesado com motor menor, o uso de acelerador “drive-by-wire”, elétrico comandado eletronicamente, é obrigatório.

O downsizing, porém, não é a resposta definitiva ao problema. Há um limite para ele, bem aquém do que se prevê para as futuras leis e normas ambientais.

É em função desta previsão de futuro que os fabricantes vem investindo no desenvolvimento de carros híbridos.

Carros híbridos utilizam o motor a combustão de formas bem diferentes dos carros convencionais, e por isso podem extrair maior rendimento deles.

Há dois tipos básicos de carros híbridos, dos quais derivam diversas variantes: o híbrido série e o híbrido paralelo.

No híbrido série a tração do veículo é totalmente elétrica. O motor a combustão é ligado apenas a um gerador elétrico, responsável por recarregar as baterias e auxiliar a alimentar o motor elétrico. É um esquema parecido com o das locomotivas diesel-elétricas.



Neste tipo de híbrido, o motor de combustão pode operar o máximo de tempo no seu ponto de rendimento máximo.


No híbrido paralelo, o motor a combustão traciona as rodas como num carro convencional, mas tem em paralelo com ele um motor/gerador elétrico.




Enquanto o motor a combustão funciona, a velocidade das rodas é função da rotação do motor a combustão, da mesma forma que num carro normal. Enquanto isso, o motor elétrico é convertido em gerador para a recarga das baterias, e a carga mecânica é adicionada ao motor de combustão.

Balanceando a carga de tração do carro e a carga do gerador elétrico, o motor a combustão pode operar na maior parte do tempo sobre uma curva bem específica de PME onde o rendimento é maximizado.

 
Quando as baterias estiverem carregadas, o motor a combustão é desligado, e o motor elétrico assume a tração do carro.

Outro detalhe interessante sobre os híbridos é que, como o motor a combustão pode receber auxílio elétrico para tracionar, ele pode ser bem menor do que o respectivo motor da versão convencional do mesmo carro. Isso compensa em parte o peso extra das baterias e dos motores elétricos.

E por operar a maior parte do tempo em condições bem restritas de carga, seu desenho pode ser otimizado para rendimento máximo nestas condições e não para um rendimento razoável em todas as possibilidades de carga e rotação como nos carros atuais.

Sendo motores menores, podem operar em potências adequadas dentro da melhor condição de consumo. O veículo fica econômico no limite do possível e menos poluente.

A PME e suas aplicações é um campo muito vasto para ser coberto com apenas um artigo. Exemplo disso está nos mapas que estudamos aqui estão por trás da escolha adequada de mistura que os pilotos de F1 fazem nos seletores presentes em seus volantes.

O assunto ainda não está encerrado. Voltaremos oportunamente a ele.

AAD




53 comentários:

  1. Preciso desligar o automático e ligar o atenção para acompanhar o raciocínio apresentado. Hoje os neurônios disponíveis (uns 3 ou 4) estão voltados para outro assunto nada mecânico. Pra ler com calma no sábado a noite ou domingo de tarde na hora do futebol. Aqueles 90 minutos inúteis, serão beeeeem melhor aproveitados. Pelo introito, acho que vou gostar do conteúdo. :)

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  2. marcelo vieira (jmvieira)12/08/11 09:17

    excelente ! precisamos de professores que disseminem essas informações na internet, isso da esclarecimento aos entusiastas e eleva o nivel dos debates. excelente!

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  3. Como estudante de física só posso dizer parabéns pelo post.


    Obrigado.

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  4. Interessante, agora eu entendo porque os híbridos são muito mais econômicos na cidade que um motor normal e tão semelhantes na estrada.

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  5. Muito bacana o post!. No início parece complicado, mas no deocrrer do texto, é bastante esclarecedor.

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  6. Excelente post, Parabéns.
    Me diz uma coisa, onde entram os motores TwinAir da FIAT, eles se encaixam no mesmo esquema de downsizing ou realmente tem alguma tecnologia revolucionária, por terem comando hidráulico? abs...

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  7. Extremamente esclarecedor este post. Tirou algumas dúvidas que vinham me remoendo há alguns meses (sobre dimensões de coletores e consumo específico dos motores sob cargas específicas) Parabéns, pela excelente matéria. Vou copiar o texto para salvar no meu arquivo.

    Muito bom. Ótimo. Excelente.

    Fiquei sem palavras.

    GiovanniF.

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  8. Parabéns pelo excelente post, AAD.

    Olhando o tracejado verde do último gráfico, não pude deixar de notar que a faixa ótima de consumo de um motor se encontra sempre próxima a 80% da carga.

    Portanto, isto me leva a concluir que o ideal para economia é acelerar o carro sempre procurando manter a carga em torno de 80%, usando a marcha mais longa possível, cuidando para que a rotação nunca caia abaixo de aproximadamente 2000 rpm e, ao chegar à velocidade desejada, manter-se na marcha mais alta possível que permita que a rotação mantenha-se acima de 2000 rpm.

    Uma boa notícia é que meu "brinquedinho" (o scanner sobre o qual falei no post de ontem) tem um mostrador de carga instantânea do motor. Farei alguns testes a respeito.

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  9. AAD
    Excelente post, como sempre, leitura obrigatória para qualquer entusiasta. Esclarecedor de muitas dúvidas que, volta e meia, nos acometem quando fazemos algumas comparações, sejam quais forem.
    CMF
    Faça os testes e depois escreva um post, por favor.

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  10. Aléssio Marinho12/08/11 12:08

    AD,

    Agora entendi a forma de cálculo da faixa verde dos motores diesel e do Del Rey.
    Sempre achei que fosse apenas pelo torque disponível, mas a eficiência e o consumo específico também entram na conta.
    (é o que entendi na primeira leitura)..rsrsrs

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  11. Adriano, os motores com tecnologia Multiair já foram discutidos aqui no AE (se buscar por esse termo no site você encontra) mas eles se valem tanto da baixa cilindrada quanto do mecanismo de abertura das válvulas melhorar o rendimento do motor em quase todas as faixas. Como ele tem um maior rendimento ele tem potência específica e comportamento melhor podendo ser usado em cilindradas pequenas em veículos pesados.

    HF

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  12. Paulo Ferreira12/08/11 12:38

    Excelente post! Muito obrigado!

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  13. Aléssio Marinho:
    Motor diesel é diferente. Essas informações se aplicam somente aos motores de ciclo Otto.

    Muito bom o post, fantástico. Como eu gostaria que os manuais dos meus carros tivessem vindocom informações completas, e não só um monte de besteiras. Raramente se vê um gráfico de torque x potência, imagina um assim.

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  14. FIco feliz que tenha gente que consiga entender e aplicar este conhecimento para eu poder usar o carro!
    Parabéns pelo texto, é nessas horas que lembro pq não cursei engenharia! rs
    Abraços!

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  15. AAD,

    Pelo que entendi, então se usarmos um coletor variável, podemos prolongar a faixa plana do PME e consequentemente aumentar a potência, certo?

    Se sim, acredito que isso explica um carro 2.0 fazer perto dos 10km/l, ou estou enganado?

    Abraços e parabéns pela aula!

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  16. Como sempre o AD arrebentou num excelente artigo técnico!

    O mais legal desses gráficos é que ao contrário de uma curva de torque x potência no dinamômetro - obtida sempre com 100% de carga, e de pouco valor prático - podemos ter respostas efetivas sobre como um veiculo se comporta no uso REAL.

    Essa é a explicação que já deveria ter sido colocada no BCWS pro tão polêmico "método de carga" que o Bob Sharp sempre defendeu, mas que a maioria levou ao pé da letra e acabou confundindo tudo.

    Além da óbvia orientação quanto ao melhor aproveitamento de combustível possível (importante em tempos de gasolina acima de 3 reais), o gráfico de BSFC fornece pistas aos "mexânicos" sobre onde podemos modificar nossos veículos para que se tornem efetivamente mais fortes ou econômicos, dependendo da necessidade.


    Um gráfico desses sobre o seu motor é um tesouro que deve ser analisado sempre que pensarmos em modificações na admissão e exaustão, aumento da taxa de compressão estática ou dinâmica (via compressor) e até regulagens de ponto de ignição e estequiometria.

    Tais modificações não interferem apenas na potência final do motor, mas em todo o seu comportamento - e com o gráfico específico do seu motor, seu resultado prático pode ser estimado com muito mais clareza e precisão ANTES que sejam realizadas.

    Assim, vemos que não é apenas "sorte" quando obtemos maior potência aliada à maior economia de combustível: é questão de estudarmos o projeto original da fábrica e usarmos uma abordagem de acordo.

    AD, como entusiasta do Hipmermyling (obtenção do menor consumo de combustível possível) sugiro que numa futura ocasião você nos presenteie com um artigo que una as teorias de aerodinâmica, PME e escalonamento de marchas em busca da melhor economia possível.

    Um abraço e mais uma ves, parabéns!

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  17. Nossa, "mais uma vez" com S doeu, peço perdão mas tô vendo que trabalhar lendo as besteiras que escrevem em redes sociais tá afetando meu raciocínio.

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  18. Achei o texto muito técnico tive um pouco de dificuldades para entender algumas informações, seria bom se conseguisse misturar a parte técnica com a prática, citando mais exemplos.

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  19. André, tenho algumas dúvidas.

    O método carga como você disse só funciona até certo ponto antes de WOT, pois em WOT a injeção passaria a tentar queimar o máximo de ar possível mesmo que sobrasse combustível ao contrario de cargas parciais que ela tenta queimar todo combustível injetado mesmo que para isso sobre ar, pois as misturas nunca são 100% homogêneas. Até aí tudo bem. Mas tenho uma dúvida: Trabalhar em cargas altas, mesmo antes de WOT, poderia causar algum dano ao motor por tem grande pressão no pistão e correr o risco de romper o filme de óleo nos mancais do virabrequim?

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  20. Chevette 76, quais conceitos você teve dificuldade de entender?

    Fábio, altas cargas podem causar danos ao motor sim, principalmente em baixas rotações onde é provável que ocorra pre-ignição da mistura antes mesmo do centelhamento.

    Tal fenômeno quando prolongado pode chegar a derreter a cabeça do pistão, empenar o cabeçote (por superaquecimento), provocar a ruptura de juntas do cabeçote e anéis de vedação.

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  21. Uso bastante o método carga, o esquema 1-3-5, e obtinha sim alguma vantagem em consumo médio do carro, realmente o deixava ligeiramente mais econômico cerca de 5 a 10%, já ajuda na hora de encher o tanque não é? =]

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  22. Eu estava pensando aqui com os meus botões em como montar um C.A.I. aqui no meu Uninho Fiasa... então quer dizer que quanto mais longa tubulação de admissão ira privilegiar o torque em baixas rotações e quanto mais curta irá privilegiar a potência em altas rpm... interessante... =]

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  23. Transeunte,

    Não entendi os gráficos.

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  24. Transeunte,

    Não entendi os gráficos.

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  25. Bom... eu tbm não entendi os gráficos...

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  26. Alexei Silveira12/08/11 21:23

    AAD,

    Em 1988 os motores turbo da F1 tinham menos de 700 cv.

    Mil e Duzentos possível só até 1985, quando a pressão era livre e o Keke Rosberg cravou a volta mais veloz em circuitos de F1,record que permaneceu por muitos anos.

    Na virada desse século, a Mercedes finalmente conseguiu aumentar a PME de seus motores de F1 usando berílio, que possibilitava novos desenhos agressivos e não frágeis de sede de válvulas. A FIA baniu.

    Vale sugerir uma matéria dessa sobre o turbocompressor.

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  27. Bruno,

    A função do CAI é outra, o comprimento a que o AD se refere é do coletor de admissão saindo do cabeçote até a borboleta de admissão.

    E, sim, há ganho em torque em baixas RPM's com o espaçamento da borboleta de admissão, é um efeito que tem a ver com a frequência com que as válvulas de admissão abrem e fecham, e o pulso de ar que é gerado com esse "anda-e-para" das moléculas de ar dentro do coletor.

    Chevette 76,

    Todos os Gráficos de Consumo Específico são baseados na pressão interna nos cilindros (na vertical) e rotação do motor (na horizontal).

    Essa pressão interna nos cilindros é obtida pela compressão natural do motor (entre 10:1 e 12:1 na maioria dos carros atuais), adicionada à carga resistente, que é aquilo que o motor precisa "empurrar".

    Exemplificando:

    É possível a um carro qualquer descer uma ladeira a 50km/h de 5a marcha, mas é bem mais difícil (talvez impossível) pra esse carro subir essa mesma ladeira mantendo a mesma velocidade, confirma?

    Pois então, em ambas as ocasiões o motor de um carro comum estará girando a ~1500rpm. Qual a diferença?

    Numa subida o motor terá que vencer a força da gravidade, enquanto na descida ele é ajudado por ela.

    Em termos de PME, numa descida o motor está fazendo MENOS "esforço", apresentando uma PME menor. E numa subida, estará fazendo MAIS "esforço", apresentando uma PME maior.

    O que esse gráfico indica é que um determinado motor tem melhor rendimento em termos de consumo quando está em rotação baixa (entre ~1600 e ~2500 rpm) e carga alta (acima de ~12 bar) que é aproximadamente ~70% de sua carga máxima.

    Em resumo, isso significa que motores a combustão possuem faixas de rotação e de carga na qual trabalha, melhor, e que, se estivermos buscando uma melhor eficiência (consumo), devemos nos manter nela.

    É basicamente isso.

    Esse gráfico explica, por exemplo, porque modelos com cilindrada consumem tanto na estrada quanto modelos de maior cilindrada: Por não possuírem torque elevadi, motores pequenos precisam girar mais pra gerar uma mesma potência. Mas ao girar mais, ainda que gerem mais potência, estão operando fora das zonas de RPM / PME para a qual foram otimizados.

    É por isso que viajando a 120km/h meu antigo 1.0 (55cv) gastava mais gasolina que outro 1.6 16v (110cv) que tínhamos em casa: O motor maior tinha mais torque, e nessa velocidade estava trabalhando com mais eficiência que o menor. ;)

    OBS: Lembrando que os graficos de BSFC mostrados são um bom exemplo, mas podem variar de acordo com o projeto de cada motor.

    Espero ter ajudado a entender, []'s!

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  28. Este foi o melhor artigo que ja li nessa blog. Muito bom !!!!

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  29. Dúvida: existe alguma situação onde é mais econômico reduzir do que afundar o pé no acelerador?

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  30. Alexei, que eu saiba através de informações oficiais o mais forte motor turbo de F1 usado em corridas foi o da Ferrari de 87 de 880 cv @ 11.500 rpm que usava taxa de compressão de 8,0:1 e turbo de 4 bar (limite máximo permitido). Ele tinha uma velocidade linear média de 18,55 m/s e uma pressão efetiva média de 46,02 kg/cm². O diâmetro e curso era 81 mm x 48,40 mm. Em 88 a pressão máxima permitida do turbo passou de 4 bar para 2,5 bar e o motor de 88 desenvolvia 620 cv @ 12.000 rpm com VML de 19,36 m/s e PME de 31,07 kg/cm². Como viram de 87 para 88 a PME baixou e a VML subiu novamente. De 88 para 89, quando os aspirados voltaram, aconteceu a mesma coisa. A PME baixou, a VML subiu (o curso usado era maior em 89 e a rpm também). Agora em 85 e 86 não havia limite de pressão, logo os motores eram mais fortes na versão de classificação, mas os motores de corrida eram mais fracos, pois apesar de pressão livre, ainda eram mais frágeis.
    Consta que em 86 o BMW de Piquet chegava a 1.300 hp nas versões de classificação com 5,6 bar, se bem que Piquet sempre dizia que eram mais de 1.300 hp, pois o dinamômetro que usavam só marcava até 1.300 hp. O Honda de Rosberg chegava bem próximo disso, também em classificações, assim como o Renault de Senna em 86. Em 85/86 a diferença entre os motores usados nas corridas e os usados nas classificações era enorme, por causa da pressão livre e que não podia ser usada nas corridas porque senão o motor não ia durar nada, fora o consumo. Como exemplo, o BMW de Piquet que usava 5,6 bar e tinha 1.300 hp nas qualificações usava só 3,6 bar e tinha só 850 hp durante as provas. Para se ter uma ideia os motores de corrida de 86 eram mais fracos do que os de 87 quando já havia o limite de 4 bar de pressão. Mesmo sem limites usavam menos do que 4 bar para não quebrar. Como exemplo, em 85 o V6 da Ferrari tinha 780 cv a 11.000 rpm com taxa de compressão de 7:1 e pressão do turbo de 3,6 bar, em 86 tinha 850 cv a 11.500 rpm com taxa de compressão de 7,5:1 e pressão do turbo nos mesmos 3,6 bar, em 87 com limite de 4 bar tinha 880 cv a 11.500 rpm com taxa de compressão de 8:1 e pressão do turbo de 4 bar e no último ano dos turbos na F1, em 88 com limite de 2,5 bar, tinha 620 cv a 11.500 rpm com taxa de compressão de 10:1 e pressão do turbo de 2,5 bar Mas já em 88 o limite de pressão foi reduzido para 2,5 bar. Em versão de corrida o considerado mais potente foi o Honda de Senna de 87 que tinha uns 950/1050 cv, se bem que em classificações tinha uns 1.050/1.100 cv. Pouca diferença, pois era uma época com limite de pressão e já haviam “aprendido” muito sobre as quebras. Os Honda e Renault eram V6 de 1.500 cm³ e os BMW um 4 em linha de 1.500 cm³, pois mais cilindros iam aumentar ainda mais o lag do turbo, embora nessa fase tenha existido um motor V8 turbo de pouco sucesso.

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  31. Caio, a situação é em desacelerações com câmbio engatado, quando a injeção entra em cut-off, nesses casos alguns carros com computador de bordo chegam a marcar 999,99 km/l ou ---- km/l.

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  32. Complementando a BMW F1 de classificação tinha 89,20 mm x 60,0 mm de diâmetro e curso, 1300 hp a 11.500 e PME de 67,84 kg/cm². Um dragster Top Fuel de 8000 hp a 8.200 rpm com diâmetro de 106,35 mm e curso de 114,30 mm tem 108,10 kg;cm² de PME. Émo mais forte que conheço.
    Lembrando que todas essas PME são na rpm de potência máxima. Se for medido na rpm de torque máximo, ela é maior ainda.
    De motores de rua os maiores que conheço são:

    Audi S3 2.0 Turbo de 265 hp a 6.000 rpm com PME de 20,03 kg/cm² e com 22,92 na condição de torque máximo.

    Bugatti EB 110 SS de 650 hp a 8.000 rpm com PME de 20,89 kg/cm² e com 23,54 na condição de torque máximo.

    Ferrari F40 de 478 hp a 7.000 rpm com PME de 20,93 kg/cm² e com 25 na condição de torque máximo.


    Jaguar XJ220 de 542 hp a 7.000 rpm com PME de 19,92 kg/cm² e com 23,46 na condição de torque máximo.


    Porsche RUF CTR3 de 700 hp a 7.000 rpm com PME de 24,03 kg/cm² e com 30,88 na condição de torque máximo.


    Toyota Supra Veilside de 1039,90 hp a 7.950 rpm com PME de 39,14 kg/cm² e com 44,48 na condição de torque máximo, mas esse nem conta, pois é preparado e não deve ser muito durável, pois além dessa PME toda ainda tem VML de 22,82 ao mesmo tempo.

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  33. Fábio Alexandre,

    É sempre um prazer leus seus comentários. Li tudo e reli, pura satisfação. Obrigado.

    E vamos lá.

    Como você bem esclareceu, os motores F1 1988 eram os mais fracos.

    Em 1986 Piquet foi vice campeão com Willians-Honda. Ele não andou de BMW em 1986.

    Piquet fez muita Pole de BMW de 1200 HP. Dizem que o bloco 4 cilindros da BMW F1 é o mesmo da M3 que veio concorrer com a 190E 2.3 16.

    Os motores mais possantes em corrida foram em 1985. Nesse ano, Keke Rosberg cravou inclusive o que foi a volta mais rápida da F1 em corrida durante muitos e muitos anos, com 258,9 km/h de media , GP da Inglaterra.

    Os carros tinham booster de bordo, ao Bel prazer do piloto, e acho que assim o tiveram até 1988, quando não mais eram necessários( pressão máxima o tempo todo).

    Você tem absoluta razão quando indica o ano dos motores mais fortes em toda a corrida, foi sim em 1987 e a ordem de potência em PROVA foi assim

    1- Honda
    2- Porsche TAG ( muito,muito perto)
    3- Ferrari e BMW ( mais atrás que o 1 e 2 )

    A partir de 1986, vieram restrições, nos aditivos da gasolina, de consumo por prova e pressão máxima. Ex: Teve ano de 220 litros por prova , depois 190 ou 195 litros, etc.

    A Era Turbo foi fantástica, mas a " capada " de 1988 foi tão ruim como a de 2005, que retirou 20 % da cubicagem do motor.

    Piloto F1 teria que acelerar mil cavalos no mínimo , para separar direito os hombres dos ninos.......

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  34. Como dizia o Piquet: Piloto quer mais é 5000 cv para acelerar.

    E não lembro quem disse. Queria motores com mais de 1000 cv para acelerar e com pneus de 18" para parar mais rápido em caso de rodada.

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  35. Obrigado a todos pelos elogios.

    Preparação acima de tudo é trabalhar um motor para que opere com PMEs cada vez mais elevadas a rotações cada vez mais altas.

    Coisas como motores multiválvulas, comandos de válvulas variáveis ou com controle de vanaço, injeção de combustível para uma queima mais perfeita, sobrealimentação, coletores de geometria variável e muitas outras coisas servem exatamente para isso.
    Há muito tempo venho pensando em escrever sobre elas, mas explicá-las exigia primeiro no entendimento da PME de de várias de suas implicações.

    Agora tenho a oportunidade de explorar esse assunto com maior liberdade.

    Adriano Agrizzi, vou me informar mais sobre os motores TwinAir e fazer uma explanação mais completa.


    FGV, estou combinando com o CMF para fazermos alguns testes diferentes misturando o brinquedinho dele e com GPS. O BS também está na parada.

    Freddy, motores diesel possuem seus próprios gráficos BSFC, mas a funcionalidade é semelhane.

    Vitor, ainda explicarei os coletores variáveis. Há muitas versões diferentes, e todas elas tem a ver com o assunto deste artigo.
    Vou escrever a respeito.

    Chevette 76, estou aqui para explicar, não para complicar. Dependendo da sua dificuldade, posso oferecer novos posts com explicações alternativas e mais práticas.

    Fábio Alexandre, em WOT, tanto a carburação como a injeção são ajustadas para fornecerem uma mistura de combustível mais rica para geração de potÊncia máxima. É por isso que a melhor eficiência destes motores fica ligeiramente mais baixa que a linha de PME máxima.
    Trabalhar com altas cargas acelera sim o desgaste do motor, mas desde que ocorra dentro de parâmetros de projeto do motor, a vida dele ocorrerá dentro de uma margem ecnomômica para o proprietário.
    Veja o caso dos motores Otto com turbo adaptado. Estes motores tem durabilidade progressivamente menor quanto maior a pressurização máxima e o quanto ela é exigida. Por outro lado, motores diesel turbo originais de fábrica duram muito.

    Caio Ferrari, o próprio gráfico é auto-explicativo. Há um ponto ideal de carga e rotação para economia máxima.
    Andar com marcha curta e acelerando "na casquinha" não é econômico.

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  36. Marcelo Junji13/08/11 17:10

    Tava quase desistindo do Autoentusiastas. Os últimos posts, estão muito mais legais que ultimamente.
    Na prática eu não consigo ver vantagem com o método de carga. A diferença de consumo é mínima, e ainda dá a impressão que irei danificar o motor usando esse método.

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  37. Marcelo Junji13/08/11 17:30

    Quando estou em uma subida na marcha mais alta possível com o acelerador todo aberto,e sem ganho de velocidade, percebo que quando diminuo um pouco o curso do acelerador ganho um pouco de torque. Seria essa a condição de melhor eficiência do motor?

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  38. "Coisas como motores multiválvulas, comandos de válvulas variáveis ou com controle de vanaço, injeção de combustível para uma queima mais perfeita, sobrealimentação, coletores de geometria variável e muitas outras coisas servem exatamente para isso.
    Há muito tempo venho pensando em escrever sobre elas, mas explicá-las exigia primeiro no entendimento da PME de de várias de suas implicações.

    Agora tenho a oportunidade de explorar esse assunto com maior liberdade.
    "

    Mal posso esperar, André!!!

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  39. Augusto Filho13/08/11 21:09

    Caríssimo André Dantas,

    Já cursei a disciplina de Motores a combustão interna na faculdade de enhenharia e devo confessar que seu post é bem mais completo que a bibliografia usada nos curso. Você mostrou que realmente entende do assunto, e fez um material perfeito.

    Muito esclarecedor, e aviso a quem não entender o conteúdo em uma primeira lida, que é assim mesmo. É um assunto complexo, digno de umas lidas a mais. Até engenheiros mecânicos passam um aperto na hora de assimilar um texto como esse. É normal, até por que saimos da graduação entendendo de tudo um pouco e sem ser especialista em nada.

    André, meus sinceros parabéns. Deus abençoe seu trabalho e suas loucuras!

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  40. Espero que me perdoem pelos erros no comentario acima: "nos curso" e por que" ficaram de matar.

    Abçs

    Augusto Filho

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  41. André, você tem razão. O gráfico é auto explicativo.

    Gostaria de obter um desses para o meu motor.

    PS: Artigo compilado em .pdf e devidamente guardado. Continue assim. É muito difícil achar bons textos em língua portuguesa.

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  42. Tinha que ser o AAD mesmo. :-)

    Finalmente alguém conseguiu explicar de forma simples, lógica e objetiva porque o máximo rendimento (leia-se mínimo consumo de combustível) não tem absolutamente nada a ver com torque máximo.

    Parabéns AAD, isso vai me resolver um problema, que são conhecidos meus que ainda acreditam que o rendimento máximo ocorre no torque máximo.

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  43. Bussoranga, é verdade. Já li N vezes que a faixa de torque máximo é a mais econômica.
    Imagina se um dono de um GM 1.0 pensar assim. hehehe

    André, percebi que tentar obter potência em rotações muito baixas, i.e, abaixo de 1500RPM leva a um consumo grande. É claro num pequeno 1.0 o quanto ele "pipoca" nesta situação, mas um 2.0 por exemplo, funciona bem (economicamente) com tais rotações?

    Percebi também que o motor em baixa potência é pouco eficiente, quase sempre cruzando uma curva de muitos g/kWh. Porque?

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  44. André,

    Os comentários de "Transeunte" foram muito esclarecedores passando alguns exemplos. Desculpe a minha ignorância.

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  45. Mrcelo Junji, o efeito a que vc se refere eu também sinto no meu carro. É uma das coisas que me faz gostar de conhecer os detalhes mais íntimos do funcionamento de motores.

    A explicaçõa é que a borboleta não é uma restrição linear. Próximo da abertura máxima, uma variação de abertura representa um aumento mínimo da restrição à passagem de fluxo. Mas esta pequena alteração de abertura afeta a velocidade do fluxo, melhorando o enchimento dos cilindros.

    Eu aprendi a acelerar de forma progressiva no meu carro, ao invés de pisar fundo de uma vez. O motor responde muito mais firme e forte.

    Augusto Filho, eu costumo pesquisar várias fontes antes de escrever meus artigos. Em cada lugar encontro detalhes e experiências diferentes, e junto tudo para escrever.
    Também evito as complicações. Busco sempre as explicações mais simples, próximas às experiências das pessoas.
    Daí essa minha técnica de escrever.

    É bom saber que um colega engenheiro aprecia meu jeito de escrever.

    Caio Ferrari, infelizmente esse é um daqueles gráficos que dificilmente o fabricante oferece para nós, reles consumidores.
    Esse gráfico permite comparações diretas entre motores de concorrentes, e isso é coisa que fabricantes não apreciam muito.

    Sobre o consumo maior nos motores de 1 litro se explica porque são motores de baixa potência, e geralmente usamos a aceleração plena (WOT) para fazero carro se mover. Nesta condiçãoo a injeção enriquece a mistura para gerar o máximo de potência. E como esta potência é menor do que num motor maior, o carro demora mais para acelerar, aumentando o consumo.

    Bussoranga, menor consumo e torque máximo são próximos e até coincidentes em alguns motores, mas não há essa obrigação.

    Chevette 76, ninguém nasce sabendo. Não tem que se desculpar pela ignorância. Estou aqui justamente pra ajudar a entender.

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  46. André sobre o fato de em baixas rpm acelerar menos com borboleta 100% aberta é que, por exemplo, a Suzuki colocou em 97 na GSX-R 750 uma espécie de borboleta auxiliar que se mantinha parcialmente fechada em baixas rpm, a Honda também fez isso na mesma época na VFR750 V4 que tinha motor de origem RC45 de pista, porém sem o recurso.
    Minha dúvida: Hoje em dia com acelerador eletrônico, quando se pisa 100% em baixas rpm, a borboleta acionada pelo motor elétrico abre 100% ou nessas condições ela abre só até a melhor condição de enchimento que não é 100% aberta?
    Aliás, dizem que o fly-by-wire criado pela McLaren em 92 se não me engano, veio das observações que como o Senna acelerava o Honda.

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  47. Então pelo que entendi, se tiver sobra de potência, viajar por uma estrada que tenha subidas e descidas (onde faz força na subida mas desce em cut-off) acaba sendo mais econômico do que em uma estrada plana em que o motor fique mantendo a velocidade sempre "na casquinha" (ou seja, com pouca carga)?

    Isso também explicaria porque em algumas situações percebo que o A/C não influencia quase nada no consumo... pois o A/C estaria contribuindo para aumentar a PME...

    Para o "hipermiling", seria bacana que os carros tivessem não apenas o conta-giros, mas também a informação da carga instantânea no painel.

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  48. Este comentário foi removido pelo autor.

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  49. Alexandre, é bem por aí.

    Numa aplicação prática, o pessoal hypermiler desenvolveu uma técnica chamada "pulse and glide", ou "pulse e plane" que objetiva justamente aproveitar melhor essa característica:

    O motorista aproveita a melhor faixa possível de BSFC para o seu motor ao manter uma leve aceleração entre, digamos, ~1600 e 2500 rpm (de acordo com o gráfico acima) o que significaria na prática acelerar em 5a marcha em velocidades entre, digamos, 55 e 85 km/h.

    Ao atingir os tais 85km/h, desliga-se o motor (ou apenas os bicos injetores, através de relês) e desengata-se o câmbio, deixando-o em ponto morto.

    O carro vai "planando", perdendo embalo até o momento em que atinge a velocidade mínima correspondente à área ideal de BSFC, quando o motor é novamente ligado e o motorista torna a acelerar - com o cuidado de manter o motor dentro da PME ideal.

    OBS: VALE LEMBRAR QUE NÃO É UMA BOA IDÉIA ANDAR COM O VEÍCULO DESLIGADO OU EM PONTO-MORTO, POIS NESSA CONFIGURAÇÃO O VOLANTE PODE TRAVAR E CAUSAR UM ACIDENTE, O PEDAL DE FREIO FICA DURO COMO ROCHA POIS O HIDROVÁCUO DEIXA DE FUNCIONAR, E O CONTORNO DE CURVAS TORNA-SE MAIS PERIGOSO DEVIDO À AUSÊNCIA DE TRAÇÃO NAS RODAS MOTRIZES.

    É bom postar isso, senão a molecada sai descendo ladeira com carro desligado pra economizar 2 reais de gasolina, mata um e depois bota a culpa em mim.

    Estou apenas descrevendo um método que o pessoal tarado realiza pra obter o melhor consumo possível.

    Infelizmente não há instrumento pra medir diretamente a PME, mas um vacuômetro chega bem perto.

    []'s

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  50. Esse sim é um post digno de autoentusiasta, ao invés dos choros do saraiva e de testes "imparciais".

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  51. Só hoje tive oportunidade de ler esse post e não posso deixar de parabenizar. Sensacional, digno de autoentusiasta.

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  52. Se houvesse prémio Nobel para artigo na internet este merecia ganhar.

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O Ae mudou de casa! Todos os posts do blog foram migrados para o site. Por favor busque por este post no site e deixe o seu comentário lá.
Um abraço!
www.autoentusiastas.com.br

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