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segunda-feira, 17 de setembro de 2012

MOTOR SKYACTIV-D (DIESEL)

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Mazda, para o ano de 2012 inovou tanto nos motores a gasolina quanto para motores diesel. Nos motores a gasolina trouxe um pacote de tecnologias que vem sendo adotados por todos, como por exemplo, redução de atrito, comando de válvula variável, injeção direta, etc. Mas inovou mesmo quanto a taxa de compressão: 14:1 para o Japão e 13:1 no EUA, fugindo assim das tendências de downsize e turbocharge.

Para os de ciclo Diesel a inovação também veio com a taxa de compressão, mas agora em vez de aumentar, abaixou, trazendo com ela um novo pensamento dos motores Diesel.

A taxa de compressão deste motor (SKYACTIV-D) é de 14:1 . !! Isso mesmo, a mesma taxa do motor a gasolina (SKYACTIV-G), isso pode parecer estranho, pois a principal virtude dos motores Diesel é a alta taxa de compressão, que é por volta de 18:1 até 23:1, elevando o rendimento térmico do motor para valores acima de 40%.
Mas então por que a Mazda fez isto ?

Um dos motivos principais são as emissões de poluentes. Nos motores Diesel o NOx e a fumaça preta (PM) são os principais vilões, e são formados exatamente pela alta taxa de compressão.

Com compressões acima de 16:1 as temperaturas de combustão são altíssimas, propiciando a produção do NOx, e nestas condições dificulta-se a injeção de combustível, formando pontos onde a mistura fica rica, propiciando a formação de fuligem.

Pensando nisto os engenheiros da Mazda propuseram um ambiente mais favorável para a combustão. E com a taxa de compressão de 14:1, é facilitada a mistura ar-combustível e a temperatura é diminuída, reduzindo as emissões a tal nível que o motor esta dentro dos limites de emissões Euro 6, sem a necessidade dos caros e espaçosos sistemas de pós tratamento.

E os beneficios não param aí, com a redução da taxa, não é necessário manter a robustez e a estrutura reforçada dos motores convencionais Diesel, pode-se diminuir a massa girante e a massa estática do motor, com essa redução vem também a queda no atrito entre as peças, melhorando no contexto global o consumo de combustível, entre 4 à 5%.

Além da combustão se tornar mais rápida, pois como foi comentado a mistura ar combustível ocorre mais facilmente, diminuindo o tempo químico e físico normalmente alto nos motores diesel, aliado a um injetor piezo elétrico com 12 furos no nariz, podendo injetar na câmara de 2 a 8 injeções por ciclo, com pressão de até 200 bar, sem contar o sistema twin-turbo (2 turbo compressor em série) que supera a performance do VGT, tudo isso para melhorar ainda mais a atomização do óleo Diesel. Com isso é possível aumentar a rotação do motor, onde no SKY-D chega a 4500 rpm em potência máxima e 5200 rpm no limite máximo.

Com tudo, o grande problema que ocorreu durante o desenvolvimento do motor era durante a fase de aquecimento, onde com a baixa taxa de compressão a temperatura tinha dificuldade de aumentar, provocando até falhas de ignição. A solução disso foi o sistema de comando de válvula de escape variável, que durante o aquecimento do motor aumentava o overlap das válvulas, possibilitando a entrada do gás de escape no próximo cilindro aumentando assim a temperatura do ar e do motor. O sistema trabalha nesta condição até o motor atingir a temperatura ideal, voltando ao ângulo de abertura e fechamento das válvulas originais. 

Mas é preciso analisar quanto a perca de torque e potência do motor, com esta redução de taxa de compressão é evidente que o motor perde muito estas propriedades, mas em contra partida a redução de peso, atrito e o aumento da rotação do motor compensa o fato da redução do torque e potência. Tanto é que o SKYACTIV-G de 2.2 litros apresenta torque de 43 kgf.m @ 2000 rpm e potência de 173 hp @ 4500 rpm. O consumo gira em torno de 14 km/l na cidade e 18 km/l na estrada. Números que agradam qualquer consumidor na hora da compra do carro zero, pena que no Brasil veículos a Diesel só acima de 3000 kg, e este SKYACTIV-D equipar-rá o Mazda 3 compacto e sedã.

No video abaixo ilustra muito bem o novo motor da Mazda.





quinta-feira, 13 de setembro de 2012

MOTOR SKYACTV - G (Gasolina)

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O motor SKY-G da Mazda não é um motor mirabolante, revolucionario. Mas traz com ele grandes ideias que foge da linha de raciocínio que todas as empresas tendem a seguir.

Os engenheiros da Mazda construíram este motor sem seguir a tendência do "downsize" e turbocompressor. Este motor 4 cilindros de aspiração natural, 2.0 litros, é capaz de fazer 17 km/l de gasolina, produzindo 158 hp @ 6000 rpm e 20,8 kgf.m @ 4000 rpm. Um consumo nada mal para um motor considerado grande para os padrões de hoje em dia, sendo que atinge com facilidade as normas de emissões vigentes e segundo a Mazda as futuras também.

O pensamento destes japoneses esta no futuro próximo, dentro de alguns anos será possível produzir motores HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition) - que são motores com alto rendimento térmico (~55%), produção baixíssima de poluentes (produção 100 vezes menor de NOx e particulado) e propicia alta potência e torque - mas que esperam uma evolução maior da tecnologia, pois necessitam de um controle afinado da combustão, sistema de injeção flexível (multi-fuel), taxa de compressão variável, válvula de escape com abertura variável e turbo com alimentação variável. Isso é o futuro para eles dos motores de combustão interna.

Por conta disto a tendência downsize não se torna aplicável, pois os motores HCCI que necessitam de alto fluxo de ar (trabalham com misturas pobres), coisa que em um motor pequeno, ex 1,4 litros, não se conseguiria justamente pelo tamanho, então se a Mazda aplicasse o downsize agora em 2012 na família de motores SKY, após algum tempo eles teriam que sofrer upsizing novamente. Esse é o pensamento deles, eles vão usar o motor HCCI em breve. 

Espremendo o consumo


Mas voltando ao SKY-G, o que chama a atenção é o baixo consumo de combustível com um motor 2.0, isso se deve a um conjunto de melhorias, mas a que mais saltam os olhos é a taxa de compressão: 14:1 para os motores no Japão, e 13:1 no EUA.
Isso pode causar certa estranheza, com certeza este motor vai apresentar distúrbios na combustão, o famoso Knock (detonação), principalmente para a gasolina americana que tem a octanagem de 87 à 91.

Os engenheiro da Mazda fizeram um estudo aprofundado sobre as causas e circunstâncias do aparecimento do Knock, e chegaram a conclusão que o principal motivo é a alta temperatura que a mistura atinge na câmara de combustão instantes antes da faisca da vela, então para resolver este problema foram adotadas algumas medidas que vem das pistas de corrida. 
Mas uma coisa é certa, o motor apresenta alta potência e torque e aproveita mais a energia vinda da gasolina, pois aumenta também o rendimento térmico. Mas como isso é possível ?

O funcionamento


Primeiramente, o motor trabalha no ciclo atkinson quando em regime de baixa e constante carga. Isso é possível com o eixo comando variável, que tem um range de operação de 70º nas válvulas de admissão.
As válvulas de admissão permanecem abertas mesmo após o pistão ter atingido o PMI, com isso parte da carga de ar que entrou no cilindro é jogada de volta no coletor de admissão, diminuindo a taxa de compressão efetiva, a temperatura na câmara e a potência, já que não são requeridos em regime de baixa carga. Mas resolvendo o problema do Knock e da produção de poluentes. E no ciclo de expansão a eficiência é devolvida com todo o curso do pistão.

Já quando é requerido potência do motor, o eixo comando retorna à posição original de abertura e fechamento das válvulas de admissão, voltando ao ciclo Otto de funcionamento. A prevenção contra o aparecimento do Knock esta por conta do coletor de escape tipo 4-2-1, muito usado por motores de corrida, onde o gás quente de escape não tem a possibilidade de entrar novamente em outros cilindros, que elevaria a temperatura da mistura deste outro cilindro, levando o aparecimento do knock. Com este coletor a temperatura não é elevada, deixando as novas cargas de ar nos cilindros mais frescas e densas, aumentando a quantidade de ar dentro dos cilindros.

Mas não é somente o coletor que ajuda na batalha contra o Knock:
  • Injeção direta: Além de reduzir o consumo, a gasolina pode ser injetada tanto no ciclo de admissão quanto na compressão, diminuindo a temperatura do ar pelo perca de calor latente que o combustível liquido perde para se transformar em vapor, prevenindo ainda mais o Knock.
  • Câmara de combustão: O pistão tem uma cavidade no centro da cabeça, isso centraliza e direciona a ignição do combustível, deflagrando corretamente desde o centro a propagação da chama e da onda de choque, evitando que a ignição se inicie em outra parte do cilindro, prevenindo o Knock.


As outras melhorias vem com bomba de óleo e de água com deslocamento variável, evitando o desperdício de potência que estes equipamentos gastam em baixas rotações, ajudando no consumo de combustível.
Redução na perca de calor, fazendo o motor trabalhar mais tempo na temperatura ideal. Isso foi possível com:
  • Um diâmetro menor do pistão (menor se comparado com a versão 2.5 l anterior),
  • A cavidade na cabeça do pistão ajuda também. 
  • O atrito foi reduzido nos anéis do pistão, biela e virabrequim (este agora é forjado em aço e não mais ferro fundido).
  • Roletes nos tuchos de válvula.
No video abaixo ajuda a entender mais sobre estas inovações.