Como funcionam os motores de ignição por compressão a gás

O motor SKYACTIV-X da Mazda é o primeiro motor comercial a gasolina do mundo a usar ignição por compressão. Mazda

No verão de 2017, a Mazda fez um anúncio: a montadora encontrou uma maneira de fazer motores a gasolina de ignição por compressão para carros de passageiros. A Mazda afirmou que seu novo motor poderia melhorar a economia de combustível em 20 a 30 por cento, o que é uma conquista considerável para um motor a gasolina.

Antes de mergulhar nessa tecnologia, é importante notar que o motor de ignição por compressão não é um conceito novo. Os carros de Fórmula 1 usam motores de ignição por compressão, e várias outras montadoras tentaram desenvolver uma versão comercialmente viável para carros de passeio. Mas o motor da Mazda, apelidado de Skyactiv-X, será o primeiro motor deste tipo produzido em massa e disponível comercialmente. Graças a Jay Chen, um engenheiro de transmissão da Mazda, foi possível aprender como essa inovação foi alcançada. Primeiro, porém, temos que dar uma olhada nas funções básicas de um motor.

Um motor funciona acendendo o combustível de duas maneiras: calor e compressão. Os motores de ignição por centelha são encontrados na maioria dos carros a gasolina. Nesses tipos de motores, as velas de ignição disparam para inflamar o combustível na câmara de combustão, enquanto a mistura de combustível e ar também está sendo comprimida. Esta é uma versão muito simplificada do processo, é claro, apenas para ilustrar a principal diferença entre os dois tipos de motor. Os motores de ignição por centelha seguem um ciclo e requerem um tempo preciso para funcionar, mas geralmente são confiáveis ​​sob uma variedade de condições [fonte: Knight].

Os motores de ignição por compressão funcionam mais como motores a diesel. Os motores diesel são projetados para uma compressão muito maior (o que requer componentes mais pesados ​​e uma construção mais resistente) e usam velas de incandescência como fonte de calor em vez de velas de ignição. As velas incandescentes aquecem a câmara de compressão, o que por sua vez aumenta a compressão dentro da câmara. Quando o combustível é adicionado à câmara, ele é borrifado na ponta da vela de incandescência, mas o processo depende mais da compressão do que do contato do combustível e da vela. A falta de "faísca" ajuda os motores a diesel a atingirem classificações EPA mais altas do que os motores a gasolina com especificações semelhantes [fonte: Stewart].

Se estamos nos concentrando na gasolina, você deve estar se perguntando: qual é o sentido de explicar como funciona um motor a diesel? Simplesmente, para ilustrar a importância da compressão. A melhor maneira de melhorar o motor a gás é descobrir como aumentar a compressão, o que permite que o motor use seu suprimento de combustível de forma mais eficiente.

Um motor a gasolina com ignição por compressão combina as melhores partes desses processos. O motor é programado para reter o ar (normalmente, exaustão do motor) no cilindro do motor, ajustando a sincronização das válvulas de exaustão e admissão. Os injetores de combustível adicionam combustível a esta exaustão presa e, uma vez que a mistura presa está sob compressão muito alta, a quantidade relativamente pequena de combustível é capaz de inflamar.

Os motores de ignição por compressão podem ser divididos em dois tipos diferentes [fonte: Lindberg].

• Ignição por compressão de carga homogênea (HCCI): Este motor mistura ar e combustível e, em seguida, comprime essa mistura até entrar em ignição. O motor da Mazda será o primeiro motor do tipo HCCI a ser produzido em massa.
• Ignição por compressão direta a gasolina (GDCI): Este motor esguicha a gasolina em uma mistura de ar e escapamento que já foi comprimido.

A principal diferença entre esses dois motores é o ponto do processo em que o combustível é adicionado, obtido por meio de ajustes nos ciclos e na sincronização dos motores. Caso contrário, os motores funcionam de forma semelhante; a compressão é o fator mais importante.

O SKYACTIV-G 2.0 litros tem a potência de um motor de 2,5 litros e a eficiência de um motor diesel de 1,5 litros. Mazda

Os motores de ignição por compressão têm algumas vantagens e, pelo menos, tantas desvantagens. Entre seus benefícios estão:

• Ele usa menos combustível do que um motor de ignição por centelha
• Ele usa o combustível de forma mais eficiente (em outras palavras, menos energia é perdida para a ignição real e para o excesso de calor)
• Como menos combustível é usado, o carro polui menos

"Como uma analogia grosseira, a ignição por faísca é semelhante a iniciar um fogo acendendo apenas uma das pontas do jornal e deixando a chama subir gradualmente pelo papel", explica o engenheiro de transmissão da Mazda Jay Chen, por e-mail. "[A ignição por compressão] é mais parecida com a combustão espontânea em que o combustível e o ar atingiram a pressão e a temperatura críticas, e toda a carga muda de fase ao mesmo tempo, liberando assim toda a energia de uma vez. Liberando toda a energia quase de uma vez, [ ignição por compressão] pode extrair mais energia (uma vez que isso acontece bem antes que a taxa de expansão se esgote) da mesma quantidade de ar enquanto usa duas a três vezes menos combustível e em temperaturas de combustão muito mais baixas, o que reduz ainda mais a energia térmica desperdiçada e a formação de emissões . "

Parece ótimo, certo? O problema é que esses motores são realmente exigentes - se eles fossem fáceis de projetar e usar, já estaríamos usando-os. Mesmo que você não esteja familiarizado com os motores a diesel, pode ter ouvido que eles podem ser inconvenientes em condições abaixo do ideal. Parte disso se deve ao próprio óleo diesel, que tende a "gelificar" em temperaturas muito baixas. Não temos esse problema com a gasolina, que permanece líquida mesmo em condições de congelamento. Mas a ignição por compressão ainda pode ser afetada pelo clima e outras condições ambientais, bem como outros fatores como a qualidade do combustível.

"Até agora, os motores de combustão interna de ignição por compressão existiam apenas em condições de laboratório estáveis ​​ou protótipos de veículos brutos muito ásperos para serem aplicados na produção", diz Chen.

Em outras palavras, se a pressão e a temperatura nos cilindros não forem mantidas com cuidado, o processo não funcionará. As temperaturas muito baixas podem danificar os componentes sensíveis do motor. Se o motor ficar muito quente, ele pode começar a bater - uma condição que ocorre quando a mistura ar-combustível fica muito quente e detona na hora errada, o que desperdiça combustível e resulta em um motor com funcionamento ruim. Um motor de ignição por centelha também pode ficar muito frio ou muito quente, mas tem uma margem de erro muito maior.

Fazer um motor de ignição por compressão funcionar de forma confiável depende de uma combinação precisa de ar, combustível e gases de escapamento misturados na proporção perfeita, na compressão perfeita, com a quantidade certa de calor aplicada no tempo correto. Como sabemos, ninguém foi capaz de construir um carro com um motor a gás de ignição por compressão ainda, então esse processo precisava ser mais refinado.

Um carro movido por um motor de ignição por compressão a gás pode ser pelo menos tão eficiente quanto um carro elétrico, e possivelmente até mais. Reimar Gaertner / UIG

Pouco depois do anúncio da Mazda, especialistas da indústria automobilística começaram a especular se um motor de ignição por compressão para o mercado de massa poderia "salvar" os motores a gás. Ou seja, à medida que a indústria se move mais em direção à tecnologia híbrida e elétrica, este motor a gás poderia ser eficiente o suficiente para ser um candidato viável?

Chen diz que a Mazda é motivada pela crença de que, "extraindo cada bit de eficiência do motor de combustão interna (em conjunto com a eletrificação, uma vez que o motor de combustão interna esteja aperfeiçoado), podemos fornecer um método de alimentar o automóvel ainda neste século que tem o potencial de gerar as mesmas ou menos emissões de CO2 'bem para rodar' que os veículos elétricos a bateria movidos a usinas de combustível fóssil de várias formas. "

Em outras palavras, a Mazda pensa que com a inovação contínua, um carro movido a um motor a gasolina pode ser pelo menos tão eficiente quanto um carro elétrico, e possivelmente ainda mais. Vamos dar uma olhada em como esse avanço na tecnologia de ignição por compressão é diferente daqueles que vieram antes dele.

Em 2007, a Motor Trend dirigiu um Saturn Aura movido por um motor de ignição por compressão, que alcançou uma redução de 15% no consumo de combustível em relação a um Aura normal [fonte: Markus]. Na época, a GM esperava lançar um veículo com motor de ignição por compressão em 2015, mas a marca Saturn foi fechada apenas alguns anos depois, e a GM gradualmente mudou seu foco para veículos híbridos elétricos e plug-in, como o Chevrolet Volt.

Na mesma época, a Mercedes-Benz estava trabalhando em um sistema de ignição por compressão chamado DiesOtto, e a Ford também tinha um projeto em desenvolvimento [fonte: Estrada]. No entanto, nenhum desses motores obteve luz verde para produção, e a experiência da Hyundai pode ajudar a explicar o porquê [fonte: Markus].

Além da Mazda, a Hyundai provavelmente fez mais progressos, com esforços que surgiram pela primeira vez por volta de 2013 [fonte: Markus]. A empresa projetou sua versão de um motor de ignição por compressão sem velas de ignição ou de incandescência, com data de lançamento prevista para 2023.

Apesar do progresso promissor, a Hyundai revelou em 2016 que os componentes do motor simplesmente não eram fortes o suficiente para lidar com a compressão necessária para o processo funcionar. Componentes de motor mais fortes, nomeadamente o bloco, manivela e rolamentos, podem ser projetados, é claro; é assim que funcionam os motores a diesel. É muito caro e esses componentes mais fortes adicionam peso ao carro e reduzem sua eficiência geral. A Hyundai havia planejado o tempo todo usar um turbocompressor para aumentar a potência e manter a compressão necessária, mas descobriram que também precisariam de um turbocompressor, o que estourou ainda mais o orçamento. E, finalmente, a Hyundai não estava satisfeita com a quantidade de poluição produzida por esses motores. No final, o projeto ficou muito mais caro e não tão limpo e eficiente quanto planejado [fonte: Markus].

Os esforços de desenvolvimento da Mazda duram quase tanto tempo quanto seus concorrentes.

"O Skyactiv-X sempre esteve nos planos, mesmo antes do lançamento da primeira geração do Skyactiv", explica o engenheiro da Mazda Chen. "O primeiro passo neste roteiro foi a tecnologia Skyactiv da Mazda [que foi] introduzida em 2009. A principal melhoria na época foi a aplicação de uma taxa de compressão do motor não convencionalmente alta para aumentar a eficiência geral do motor, bem como o desempenho do trem de força. Isso foi alcançado por meio de um combinação sinérgica de técnicas existentes aplicadas em conjunto para alcançar o que era (até então) considerado impossível para motores de produção. "

Em termos leigos: "Skyactiv" é o termo para a estratégia da Mazda de aumentar a compressão para aumentar a eficiência, e a Mazda teve que mexer um pouco para fazer o próximo Skyactiv-X funcionar. Como resultado desses ajustes, a Mazda adicionou uma vela de ignição à mistura, de modo que o motor pode alternar entre compressão e ignição, dependendo do que for mais eficiente no momento. Isso pode parecer que vai contra os fundamentos da tecnologia de mecanismo de alta compressão, mas Chen diz que funciona.

"Este avanço, que chamamos de ignição por compressão controlada por faísca (SPCCI), expandiu muito a gama utilizável de operação e controle de ignição por compressão, além de fornecer a solução para uma transição perfeita entre CI [ignição por compressão] e SI [ignição por centelha] modos de combustão usados ​​em altas velocidades do motor (no caso do Skyactiv-X) ", diz Chen.

Simplificando, a vela de ignição é o ingrediente mágico que permite que o motor funcione suavemente e se ajuste a diferentes condições, e só será usada quando for absolutamente necessário. O motor da Mazda é projetado para monitorar a si mesmo e ajustar seu funcionamento com base em fatores como as condições ambientais atuais, a forma como o carro está sendo dirigido e as preferências e configurações do motorista [fonte: Estrada].

Depois que a Mazda teve essa ideia, levou mais dois anos para desenvolver o motor, durante os quais outra decisão importante foi tomada. Os veículos equipados com motores Skyactiv-X terão supercompressores para aumentar as especificações de potência, o que melhorará a dinâmica de direção e ajudará a convencer os compradores em potencial a apostar nessa nova tecnologia [fonte: Estrada].

A última grande questão - quando os motoristas podem esperar vê-lo? Um porta-voz da Mazda disse que a empresa ainda não pode divulgar quais veículos serão os primeiros equipados com o motor Skyactiv-X ou quando estarão disponíveis. Também não sabemos se os veículos movidos a motores de ignição por compressão custarão mais do que veículos comparáveis ​​com motores de ignição por centelha. É seguro especular, porém, que embora a Mazda seja a primeira a comercializar com esta tecnologia, outros fabricantes quase certamente seguirão.

Nota do autor: Como funcionam os motores de ignição por compressão a gás

Ao contrário de muitos dos meus colegas, não estou especialmente preocupado em "economizar motores a gás", embora isso provavelmente ajudasse na segurança do emprego. Talvez eu deva ser um pouco mais egoísta sobre isso, mas decidi escrever sobre o motor de ignição por compressão simplesmente porque estou intrigado com qualquer inovação que possa ajudar a tornar um carro mais eficiente.

Por essa razão - sustentabilidade em geral - estou ansioso para testar um veículo com motor de ignição por compressão assim que estiverem disponíveis. Como os híbridos e elétricos, acho que haverá muita conversa sobre se esses veículos são potentes o suficiente ou não. Honestamente, suspeito que a pessoa comum não será capaz de dizer a diferença. Existem várias maneiras de tornar um carro interessante de dirigir além de simplesmente torná-lo o mais potente possível, e essa é uma área em que a Mazda se destaca.

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Fontes

• Brown, Jacob. Especialista em Comunicações de Produto, Mazda. Correspondência pessoal. 1 de setembro de 2017.
• Chen, Jay. Engenheiro de Powertrain, Mazda. Correspondência pessoal via Jacob Brown. 1 de setembro de 2017.
• Estrada, Zac. "A Mazda poderia ter a tecnologia para salvar o motor de combustão interna." The Verge. 8 de agosto de 2017. (30 de agosto de 2017) https://www.theverge.com/2017/8/8/16099536/mazda-compression-ignition-engine-technology
• Cavaleiro, Cheryl. "Como funciona um sistema de ignição de carro." YourMechanic. 19 de novembro de 2015. (29 de agosto de 2017) https://www.yourmechanic.com/article/how-a-car-ignition-system-works
• Lindberg, Austin. "Hyundai desenvolve motor de ignição por compressão com queima de gasolina." Carro e motorista. 18 de novembro de 2013. (30 de agosto de 2017) http://blog.caranddriver.com/hyundai-developing-gasoline-burning-compression-ignition-engine/
• Markus, Frank. "Technologue: Love Child - Driving the Ultimate Bastard Engine." Tendência do motor. 19 de novembro de 2007. (30 de agosto de 2017) http://www.motortrend.com/news/technologue-41/
• Markus, Frank. "O que aconteceu com o motor HCCI da Hyundai?" Tendência do motor. 14 de dezembro de 2016. (30 de agosto de 2017) http://www.motortrend.com/news/whatever-happened-hyundais-hcci-engine/
• Mazda. "Mazda anuncia visão de longo prazo para desenvolvimento de tecnologia, 'Sustainable Zoom-Zoom 2030'", 8 de agosto de 2017. (20 de agosto de 2017) http://www2.mazda.com/en/publicity/release/2017 /201708/170808a.html
• Stewart, Jack. "Novo motor habilidoso da Mazda faz mais milhas com menos combustível." Com fio. 9 de agosto de 2017. (30 de agosto de 2017) https://www.wired.com/story/mazda-injection-compression-skyactivx-engine/
• Szymkowski, Sean. "Como o motor SkyActiv-X da Mazda, baseado no HCCI, realmente funciona (vídeo)." Relatórios de carros verdes. 21 de agosto de 2017. (30 de agosto de 2017) http://www.greencarreports.com/news/1112222_how-mazdas-skyactiv-x-engine-based-on-hcci-actually-works-video