Tecnologias de motor aplicadas

Como já observado anteriormente, o atendimento dos níveis mais avançados das legislações de emissões requer a aplicação de novas tecnologias de motor e seus componentes que visam melhorar a eficiência do sistema de combustão, reduzindo assim o nível de poluentes emitidos. Da mesma forma, a maior eficiência traz consigo outros benefícios como redução de consumo e ruído, aumento de desempenho, redução do tamanho dos motores, etc. É descrito a seguir as principais tecnologias aplicadas nos quatro projetos em questão.

a) Alpha

O desenvolvimento dessa versão de motor tinha como objetivo principal a evolução do seu nível de emissões, originalmente Euro I HD, para Euro II HD. Para isso, um trabalho de investigação de engenharia,definiu ser necessária a aplicação de três tecnologias nesse motor:

Turbocompressor com pós-arrefecimento (aftercooler)

A passagem do ar a ser admitido pelo turbocompressor causa o aumento de sua temperatura. A redução de sua temperatura por meio de radiadores de ar instalados no veículo faz com que não somente sua densidade aumente (e conseqüentemente a vazão mássica), mas também a temperatura da combustão, ajudando na redução do nível de NOx emitido (BASSHUYSEN e SCHÂFER, 2004).

Duto de admissão com geometria otimizada

A combustão dos motores diesel, tal como uma combustão turbulenta por difusão, é bastante influenciada pelos níveis de turbulência na câmara. Para isso, se faz uso de geometrias dos dutos de admissão de forma tal que o ar

seja admitido com movimento rotativo (swirl) (BASSHUYSEN e SCHÂFER, 2004). O desenvolvimento do projeto Alpha considerou novo desenho de duto de forma o nível de swirl fosse adequado à nova condição de combustão desejada. Esse trabalho foi feito em sintonia com o desenvolvimento de um novo pacote de hardware de combustão, com alterações também da geometria da câmara de combustão e parâmetros geométricos do injetor, buscando melhor eficiência da combustão.

Junta de cabeçote metálica

O aparafusamento do cabeçote ao bloco, buscando a vedação da câmara de combustão, tem como conseqüência deformações irregulares do cilindro, trazendo como resultado má vedação e raspagem do óleo pelos anéis de pistão. Essa ineficiência gera a queima desse óleo, causando a emissão de poluentes como HC e material particulado. O uso de juntas metálicas, juntamente com um trabalho de readequação das forças dos parafusos pode levar à redução do nível de deformidade dos cilindros, como aplicado no projeto Alpha (TRITTHART e CARTELLIERI, 1996). Esse trabalho para redução intensiva do nível de emissão de material particulado englobou também ajuste do projeto dos anéis de pistão e a melhoria do retentor de haste de válvulas.

b) Beta

O projeto Beta previa a manutenção do nível de emissões de poluentes de seu antecessor, o projeto Alpha. Entretanto, pesquisas de mercado mostraram a necessidade de melhorias do produto com aumento de seu desempenho sobretudo nas baixas rotações, redução de consumo e redução dos níveis de ruído. O aumento do desempenho em baixas rotações estava diretamente ligado ao histórico de substituição de motores normalmente de maior deslocamento (acima de 4,0 litros, ante 2,5 litros do projeto Alpha). Para atender à esse requisito de torná-lo “fun-to- drive” (agradável de conduzir), foi determinado o aumento de seu volume de 2,5 litros para 2.8 litros, além da aplicação das tecnologias abaixo:

Turbocompressor de Geometria Variável

Turbocompressores convencionais trazem como dispositivo de regulagem uma válvula de alívio (waste-gate). Porém, para esse motor onde se buscava

ganho de desempenho nas baixas rotações, onde normalmente o torque é limitado justamente pela falta de capacidade do turbocompressor em suprimento de ar, foi aplicado um turbocompressor de geometria variável. Esse novo turbocompressor possui dispositivo de vanes que regula a entrada de gases na turbina, otimizando o funcionamento nas condições de baixa rotação (BASSHUYSEN e SCHÄFER, 2004).

Novo Bloco de Cilindros

A fim de prover o aumento do deslocamento do motor, assim como reduzir mais ainda distorção de cilindros pelos motivos já explicados, além de outras ações de melhoria de projeto (em especial para redução de ruído emitido) e redução de custos, um novo bloco de cilindros foi desenvolvido.

Novo Trem de Potência

Também devido ao aumento do deslocamento do motor, um novo trem de potência completo se fez necessário (pistão, anéis, biela e casquilhos), juntamente com ações de melhoria de consumo de óleo. A nova biela incorporou também tecnologia de processo de fratura da capa.

Aumento da PCP para 140 bar

A fim de aumentar a eficiência da combustão, buscando no caso redução do consumo de combustível, foi especificado um aumento na PCP máxima. Esse aumento de PCP (Pico de Pressão de Combustão – Peak Cylinder Pressure) precisou ser considerado no reprojeto do bloco, trem de potência e virabrequim, elementos estruturais mais afetados.

Novo Virabrequim

O aumento do deslocamento do motor afetou também o curso do pistão, demandando um novo virabrequim de aço forjado (substituindo ferro fundido). Novo Sistema de Separação de Óleo

Embora a legislação brasileira não exija o fechamento do circuito de gases de blow-by, permitindo sua expulsão para fora, convenciona-se para o tipo de motor em questão usar circuito fechado para a admissão (AUTOMOTIVE HANDBOOK BOSCH, 2004). Nesse caso, um novo sistema de separação de óleo desses gases foi desenvolvido, com uso de malha e chicanes, evitando o acúmulo de óleo na admissão.

c) Gamma

O projeto Gamma constitui-se, dos quatro, o projeto de maior reprojeto, prevendo não somente a sua adequação para o nível de emissões imediatamente requerido (Euro III HD), mas também preparando sua base para os níveis seguintes (inclusive Light Duty). Novo aumento de deslocamento e redução de consumo e ruído também foram objetivados. Abaixo estão descritas as principais tecnologias aplicadas.

Sistema de Injeção Eletrônica

Principal alteração do novo motor em relação à geração anterior, essa tecnologia é a principal ação para melhoria do nível de emissão de poluentes do motor, juntamente com redução de consumo e recursos para redução de ruído (pré-injeção), diagnose, sistemas de proteção, etc. Isso se deve principalmente à introdução de controles e atuações eletrônicas, mais precisas e com mais recursos de regulagem que os sistemas mecânicos de injeção de combustível convencionais, além do aumento da pressão de injeção que promove melhor atomização do combustível (em torno de 1600 bar para os sistemas de galeria pressurizada – common rail, ante 700 bar dos sistemas mecânicos) (BASSHUYSEN e SCHÄFER, 2004). Cabe lembrar também que tal tecnologia passa a exigir também o uso de sensores eletro- eletrônicos, chicotes elétricos e estratégia de software de gerenciamento. Novo Trem de Válvulas

A melhoria na eficiência da combustão requerida pelos restritos níveis de emissões de poluentes (não somente Euro III HD mas principalmente os níveis seguintes os quais se desejou preparar o motor) faz necessário o uso de cabeçotes multi-válvulas por cilindro, melhorando a troca gasosa. No caso o trem de válvulas original de duas válvulas por cilindro (1 de admissão e 1 de escape), com comando no bloco, foi substituído por sistema de 4 válvulas por cilindro (2 de admissão e 2 de escape), com comando no cabeçote. O novo trem de válvulas contempla também balanceiros roletados e tuchos hidráulicos, visando redução de atritos, ruído e manutenção.

Novo Bloco e Cabeçote de Cilindros

O aumento do deslocamento e novo trem de válvulas exigiram novo projeto de bloco e cabeçote de cilindros, juntamente com a junta de vedação.

Tampa de Válvulas Plástica

Visando redução de peso, custo e sobretudo aspecto visual e de modernidade, uma nova tampa de válvulas foi desenvolvida para esse motor, em plástico. Foi incorporado nessa nova tampa um novo sistema de separação de óleo com ciclones.

Aumento da PCP para 145 bar

Como já explicado anteriormente, o aumento da PCP auxilia na melhoria da eficiência da combustão, buscando redução de consumo de combustível. Os novos componentes já foram concebidos para esse novo nível de solicitação mecânica.

Sistema de Correntes

Visando redução da manutenção, o sistema de distribuição passou de correia dentada para correntes, que não requer manutenção.

d) Delta

O projeto Delta, bastante comparável ao projeto Alpha, pode ser considerado como um projeto de “manutenção” do produto, com a adequação do projeto Gamma, de emissões Euro III HD, para Euro 4 LD, fazendo assim o uso das tecnologias descritas a seguir.

Sistema EGR

Grandes reduções do nível de NOx emitido pelo motor são obtidas com a admissão de parte dos gases de escape na admissão, cuja recirculação é denominada EGR (Exhaust Gas Recirculation). Essa técnica é particularmente necessária para os motores Light Duty, onde busca-se redução do nível de poluentes em baixas cargas e rotações (vide Anexo). Maior eficiência é obtida desse sistema na redução de NOx fazendo-se o resfriamento dos gases de escape, como no caso. Esse sistema é então composto das tubulações, o resfriador dos gases, a válvula de controle de entrada dos gases na admissão e, para motores Light Duty (como no caso), uma válvula borboleta (throttle), que equaliza a pressão na admissão a fim de ajudar no controle de entrada dos gases de escape (BASSHUYSEN e SCHÄFER, 2004).

Pós-Tratamento (DOC)

Baixos níveis de emissões de poluentes podem ser obtidos através de tecnologias ativas na combustão para esses sejam gerados em baixos níveis, ou então, como já aplicado há bastante tempo nos motores Otto, pode-se fazer o pós-tratamento dos gases, catalisando-os. Nesse caso foi aplicado um DOC (Catalisador de Oxidação Diesel - Diesel Oxidation Catalist), que busca, essencialmente, a redução dos níveis de CO e HC gerados pelo motor (BASSHUYSEN e SCHÄFER, 2004).

Turbocompressor de Controle Eletrônico

O controle dinâmico do sistema EGR, especialmente importante nos motores Light Duty não somente para a dirigibilidade mas também porque são avaliados em ciclos transientes (vide Anexo I), faz importante o uso de controles apurados e dinâmicos do turbocompressor. No caso foi aplicado um turbocompressor com atuação pneumática, controlado eletronicamente. Aumento da PCP para 160 bar

Novamente ganhos de consumo de combustível se fazem necessários, requerendo assim o aumento da PCP.