segunda-feira, 3 de agosto de 2015

Coluna "Mecânica Online" Entenda o processo construtivo da nova motorização 1.0l TSI bicombustível





Tarcisio Dias* 

Seguido do anúncio de mais de R$ 460 milhões de investimentos em sua fábrica de motores, em São Carlos (SP), até 2018, a Volkswagen do Brasil realiza o lançamento do novo motor 1.0 TSI Total Flex, mais avançado da fabricante no País e o primeiro motor com injeção direta, turbocompressor e tecnologia flexível.

Surge uma nova percepção sobre motorização 1.0 litro, onde desempenho (0 a 100 km/h em 9,1 segundos, com velocidade máxima de 184 km/h (etanol) combina com economia (up! TSI obteve a excelente marca de consumo energético de 1,44 MJ/km [ conforme a Portaria INMETRO nº 10/2012], com classificação “A” no Programa Brasileiro de Etiquetagem Veicular do INMETRO).

Mas, o que muda no processo construtivo dessa nova motorização oferecida pela Volkswagen no Brasil? Qual a razão de obter esses números e o que o consumidor pode realmente ganhar com tantas tecnologias e recursos? As respostas você encontra logo abaixo.

Downsizing. Com três cilindros e 999 cm³ de cilindrada, o motor TSI é Total Flex, capaz de rodar com gasolina, etanol ou a mistura dos dois combustíveis em qualquer proporção. Sua potência máxima é de 101 cv (74 kW) a 5.000 rpm, quando abastecido com gasolina, e de 105 cv (77 kW) à mesma rotação, com etanol. 

O excelente torque máximo é de 16,8 m.kgf, com gasolina ou etanol, disponível já a partir de apenas 1.500 rpm. A entrega de torque alto em rotação baixa faz com que o up! TSI se destaque pelas ótimas retomadas de velocidade, além das acelerações de tirar o fôlego.

Para aprimorar o desempenho do motor TSI Total Flex, assim como ocorreu no motor MPI, foi realizado intenso trabalho na redução de atrito dos componentes e na aplicação de recursos tecnológicos inéditos no mercado brasileiro.

Foram desenvolvidos materiais e processos para aumentar a resistência estrutural e térmica de todos os seus componentes, tornando a robustez uma das suas principais características. O projeto implementado pela Volkswagen, que prioriza a eficiência e a durabilidade, é meticuloso até os mínimos detalhes.

Injeção direta: fundamento do novo motor TSI. A tecnologia TSI está baseada na injeção direta de combustível. Por meio desse sistema, o combustível é injetado sob alta pressão diretamente na câmara de combustão – no novo motor 1.0 TSI Total Flex, a pressão é bastante elevada: 250 bar. 

Em comparação com o sistema de injeção convencional, realizado no coletor de admissão, a injeção direta possui as vantagens de ser mais precisa e de não depender dos tempos de abertura das válvulas, injetando a quantidade adequada de combustível em todas as condições de uso.

A geometria dos dutos de admissão e da câmara de combustão auxilia a ótima formação da mistura do combustível ao ar (admitido pelo coletor de admissão), que entra no cilindro rapidamente e formando o chamado movimento de “tumble” (cambalhota), e auxilia na rápida combustão, que por sua vez aumenta a eficiência térmica do motor. 

Os altamente avançados injetores de 5 orifícios, que recebem o combustível por meio de uma galeria feita de aço inoxidável, realizam múltiplas injeções em cada cilindro a cada ciclo.

O cabeçote é usinado de forma a garantir que a vela de ignição, que é colocada em posição central (entre as válvulas de admissão e escape), tenha seu eletrodo sempre direcionado para o injetor, o que facilita a formação da frente de chama e dá maior velocidade e eficiência à queima da mistura ar-combustível, com consequente maior eficiência térmica. 

Além disso, o sistema de injeção direta é composto pela bomba de combustível, pelo sensor de etanol, bomba de alta pressão e pela galeria de injeção.

A bomba elétrica de combustível possui módulo de controle eletrônico, comandado pela central de gerenciamento do motor (ECU), sempre regulando a pressão para todas as condições de uso do motor.

O sistema de injeção conta com um sensor de etanol (exclusividade nesse segmento), posicionado antes da bomba de alta pressão, que identifica o combustível que vai ser queimado. 

Esse sensor, que trabalha em conjunto com a sonda lambda (posicionada junto ao catalisador), aumenta a precisão na “leitura” da combustão da mistura ar-combustível e a robustez de todo o conjunto, prevenindo a ocorrência de picos de pressão e auxiliando na partida a frio.

A bomba de alta pressão é acionada pelo comando de válvulas de admissão e é controlada pela ECU. Essa bomba eleva a pressão do combustível para até 250 bar e o envia à galeria de injeção, que faz a distribuição pelos cilindros através dos injetores – que têm tratamento especial para lidar com o etanol, garantindo sua robustez e durabilidade.

O coletor de admissão é feito de material polimérico de alta resistência e baixa rugosidade, garantindo fluxo de ar com baixa restrição. Como em todos os modelos Volkswagen, o conjunto de corpo de borboleta e acelerador é eletrônico (E-GAS).

Coletor de escape integrado ao cabeçote. O gerenciamento térmico do motor foi calculado nos mínimos detalhes durante o desenvolvimento. O coletor de escapamento do 1.0 TSI Total Flex é integrado ao cabeçote, formando uma peça única, e tem seu próprio circuito de arrefecimento líquido.

Isso permite fazer o melhor uso possível de energia dos gases de escape durante a fase de aquecimento – o líquido de arrefecimento atinge a temperatura ideal de funcionamento mais rapidamnente durante a fase fria do motor, porque recebe o calor dos gases de escape. 

Por outro lado, em alto regime de utilização, ocorre um controle preciso da temperatura dos gases de escape na entrada do conversor catalítico (catalisador), permitindo que se opere mais tempo com a mistura ar-combustível estequiométrica (ideal, com lambda igual a 1). 

O conversor catalítico (catalisador), instalado logo na saída do coletor de escape, atinge rapidamente sua temperatura adequada de operação. A chamada fase fria do motor dura menos e são reduzidas as emissões nesse estágio de funcionamento.

Turbocompressor compacto, grandes resultados. O turbocompressor – também chamado de turbo – aumenta a massa de ar admitida pelo motor para seu funcionamento ao comprimir esse ar. Ao se utilizar turbocompressor, parâmetros como potência, torque e eficiência são aumentados significativamente em comparação a um motor de mesma cilindrada com aspiração natural. 

Além de aumentar a potência, o turbocompressor tem a função de poupar energia e gerar mais força – ele aproveita gases de escapamento que seriam descartados, reduzir emissões.

O turbocompressor é formado por duas câmaras metálicas com aspecto de caracol (volutas): uma ligada ao sistema de escape e a outra ao sistema de admissão do motor. Dentro das câmaras, unidas por um eixo, estão, de um lado, uma turbina e, do outro, o compressor. O rotor da turbina, que trabalha em condições de alta temperatura, é feita de material especial que combina níquel e cromo e oferece elevadas resistência e estabilidade dimensional em todas as condições de trabalho.

A turbina é movimentada em altíssima velocidade pelo fluxo de gases de escape e transfere esse movimento ao compressor, que comprime o fluxo de ar fresco. Esse ar é então resfriado pelo intercooler. O ar mais frio é mais denso, ocupa menos espaço e por isso pode ser enviado em maior massa para dentro dos cilindros, melhorando o rendimento volumétrico e reduzindo as condições em que ocorreria pré-detonação (“batidas de pino”) no motor.

O intercooler do motor TSI é do tipo ar-água e está integrado ao coletor de admissão. Essa proximidade aumenta a eficiência de todo o conjunto, reduzindo as perdas e eliminando o chamado “turbo lag”, pelo fato de reduzir o percurso do ar antes da admissão. Além disso, essa configuração também facilita o package, a acomodação do motor no cofre. 

A refrigeração do próprio intercooler é feita por um radiador auxiliar, que também faz o resfriamento da turbina por meio de uma bomba elétrica, comandada pela ECU, e que pode funcionar independente do motor, aumentando a robustez do conjunto turbocompressor.

O turbocompressor que equipa o novo motor 1.0 TSI Total Flex é leve e compacto – seu rotor tem menos de 40 mm de diâmetro –, de baixa inércia, e graças a essas características oferece respostas rápidas quando o motorista aciona o acelerador. 

As dimensões reduzidas favorecem o melhor aproveitamento do torque em todas as faixas de utilização e a eliminar o retardo de acionamento (também conhecido como “lag”).

O design inteligente do coletor de escape permitiu a utilização de um compressor de voluta única (single-scroll) compacto e leve com válvula wastegate com comando elétrico (uma inovação na categoria). Essa válvula é capaz de desempenhar sua função de abertura e fechamento rapidamente, quando necessário. 

A válvula wastegate (ou válvula de passagem) é o “acelerador” do turbo, controlando a passagem dos gases de escape pela turbina. No novo motor 1.0 TSI Total Flex, a válvula wastegate possui abertura variável, controlada eletronicamente, de forma a manter sempre o torque ideal.

Em baixos regimes de rotação, a válvula wastegate deve ser fechada de modo a permitir ao turbocompressor receber toda a corrente de gases de escapamento (que atingem altas temperaturas), o que assegura formação de torque consistente. 

Para reduzir as perdas no processo de mudança de carga, quando o motor estiver operando em carga parcial, a contrapressão de escapamento pode ser reduzida ao se abrir totalmente a válvula wastegate. 

A resposta do motor é melhorada sensivelmente, porque o atuador elétrico da válvula wastegate é capaz de regular a pressão na válvula muito rapidamente.

Leve e robusto. Graças à utilização de bloco ultra-rígido feito de alumínio leve fundido sob pressão (peso: 13,5 kg) e sua construção compacta com três cilindros em vez de quatro, o novo motor 1.0 TSI Total Flex é cerca de 10 kg mais leve do que os equivalentes de quatro cilindros. 

Os cilindros têm 74,5 mm de diâmetro, com 76,4 mm de curso, o que permite melhor enchimento da câmara de combustão.

O bloco possui canais adicionais (em relação ao MPI) para retorno de óleo do turbocompressor e o radiador de óleo – recurso adotado para garantir a robustez necessária pela maior potência específica do motor.

Conjunto de árvore de manivelas (virabrequim) nacional de baixa massa e pouco atrito. O conjunto do virabrequim – a própria árvore de manivelas, além dos pistões e das bielas – distingue-se pela baixa massa em movimento e pelo baixo atrito. O virabrequim é forjado, uma característica construtiva encontrada apenas em motores altamente sofisticados e que coloca o novo motor 1.0 TSI Total Flex entre os mais modernos e robustos do mundo.

O motor TSI segue também o mesmo princípio de redução de peso do motor MPI. Os pistões de alumínio e bielas forjadas têm peso reduzido. O peso total do conjunto do virabrequim também foi reduzido, com a diminuição do peso dos mancais de bielas. 

Quatro contrapesos, que foram desenhados para os trabalhos do motor TSI, reduzem as forças internas no virabrequim, o que por sua vez reduz a carga sobre os mancais principais. Dessa forma o 1.0 TSI pode operar com suavidade e perfeição. 

As bronzinas recebem tratamento superficial especial e os mancais principais são extremamente robustos, ainda que mantendo as dimensões reduzidas, o que contribui significativemente para reduzir o atrito interno e aumenta a eficiência do motor TSI.

Duplo comando de válvulas variável na admissão e no escape. Com quatro válvulas por cilindro, sendo duas para admissão e duas para escape, o motor TSI é equipado com duplo comando de válvulas com variação de fase para admissão e escape.

As válvulas são acionadas por balancins roletados (RSH, sigla para o termo alemão rollenschlepphebel), recurso que minimiza o atrito entre os componentes e aprimora sua eficiência.

A tampa do cabeçote possui projeto específico para a utilização de injeção direta e é construída de forma inovadora, a exemplo da que equipa o motor MPI – em um processo que integra os eixos de comando (admissão e escape) e os cames de acionamento das válvulas permanentemente sem a necessidade de solda. Esse design permite a redução do diâmetro dos mancais dos eixos e, consequentemente, de atrito. 

A taxa de compressão é de 10,5:1, possível graças à injeção direta, e proporciona ótimo desempenho com etanol, gasolina ou a mistura dos dois combustíveis em qualquer proporção.

A variação das válvulas é contínua; o comando de admissão permite variação máxima de até 50 graus em relação ao ângulo do virabrequim; o comando de escape permite até 40 graus de variação. Com esses recursos, o motor três-cilindros consegue alcançar seu pleno torque já a partir de baixas rotações, entregando alta potência em altas rotações (1.500 rpm).

A variação de fase na admissão e no escape permite a adoção de estratégias especiais de gerenciamento do motor. Sob baixa e média cargas (borboleta do acelerador com pouca ou média abertura) e em giros médios do motor, ocorre o “cruzamento de válvulas”, com o atrasamento do fechamento das válvulas de escape e o adiantamento da abertura das válvulas de admissão. Isso visa reduzir as chamadas “perdas por bombeamento”, com consequente melhor aproveitamento da energia produzida pelo motor. 

Sob alta carga (maior abertura da borboleta do acelerador) e em médio regime de rotações, o fluxo de admissão colabora para “expulsar” os gases de escape de dentro do cilindro e, assim, acelerar a turbina, eliminando o retardo de acionamento (“lag”). O resultado é rapidez de resposta ao acelerador com alto torque em baixa rotação.

Arrefecimento e aquecimento perfeitos. O novo motor 1.0 TSI Total Flex possui triplo circuito de arrefecimento, que permite temperaturas diferentes para o bloco e para o cabeçote – o sistema utiliza duas válvulas termostáticas. O motor “básico” é arrefecido por um circuito de alta temperatura por meio de uma bomba d’água acionada mecanicamente. Com esse recurso, é possível utilizar maior temperatura de funcionamento para o bloco, tornando o óleo mais fluido e garantindo menor atrito entre os componentes.

A temperatura de arrefecimento do cabeçote, por sua vez, é menor, o que minimiza a possibilidade de detonação, melhorando o desempenho do veículo e diminuindo o consumo de combustível.

Um circuito de baixa temperatura, alimentado por uma bomba elétrica, circula líquido de arrefecimento para o resfriador (intercooler) e a carcaça da turbina, conforme necessário. 

Caso o motorista selecione a opção de aquecimento do habitáculo do up! TSI, para dias mais frios, por exemplo, o sistema é aquecido pelo circuito de arrefecimento do cabeçote, que se aquece mais rapidamente, assim como o motor.

Correia dentada para o acionamento das válvulas e polias triovais. Graças ao seu desenho, o atrito interno no novo motor 1.0 TSI Total Flex é bastante baixo. Esse motor também se beneficia dessa característica da família EA211 e as medidas implementadas para reduzir o atrito interno. Isso se refere não só para o conjunto do virabrequim, mas também para o controle das válvulas e unidades auxiliares. 

As polias de acionamento dos eixos de comando de válvulas de admissão e de escape têm desenho trioval, o que permite estabilização da força na correia dentada e de sua flutuação angular. Esse recurso, além de minimizar atrito e vibração, aumenta a durabilidade do sistema.

As duas árvores de comando de válvulas são acionadas pelo virabrequim por meio de uma correia dentada. Graças à sua especificação de material de alta qualidade, a durabilidade da correia dentada atende aos mais rigorosos padrões de qualidade do Grupo Volkswagen. Com tudo isso, as forças engenhosamente harmonizadas da correia dentada diminuem o atrito, reduzindo também a economia de combustível e aumentando a durabilidade do motor.

Partida a frio em alta pressão. Além da alta eficiência energética e do grande prazer ao dirigir proporcionados pela tecnologia TSI, outro benefício é a dispensa de utilização de sistema de partida a frio. A combinação das características da tecnologia faz com que o motor parta com robustez e eficiência, mesmo em condições de baixa temperatura.

A segunda etapa é realizada na partida do motor. Para aumentar a pressão na bomba de alta pressão, o motor é “girado” algumas vezes. Quando é comprimido, o ar aumenta de temperatura, o que também favorece a evaporação do combustível e a combustão.

Na primeira etapa, o próprio sistema de injeção em alta pressão faz uma parte do trabalho, ao pulverizar o combustível em gotículas, em um jato ultraveloz, gerando uma nuvem de vapor de combustível dentro da câmara. Quanto menores as gotículas de combustível, mais fácil é a queima e a partida do motor.

Compacto e eficiente. A soma de muitas pequenas melhorias tornaram o 1.0 TSI Total Flex um dos motores de ciclo Otto mais compactos e eficientes atualmente em produção no mundo. Aqui estão dois exemplos: para garantir que o motor ocupe tão pouco espaço de montagem, os componentes auxiliares, tais como a bomba d’água, o compressor de ar-condicionado e o alternador estão diretamente ligados ao motor e ao cárter sem suportes adicionais, e são acionados por uma correia dentada que funciona sobre um tensionador. 

Em resumo, o novo motor 1.0 TSI representa um marco no campo de motores de ciclo Otto com sua construção compacta, excelentes números de potência e torque para essa classe de cilindrada, e as suas emissões excepcionalmente baixas.

*Tarcisio Dias – Profissional e Técnico em Mecânica, além de Engenheiro Mecânica com habilitação em Mecatrônica e Radialista, é gerente de conteúdo do Portal Mecânica Online® (www.mecanicaonline.com.br) e desenvolve a Coleção AutoMecânica. E-mail: redacao@mecanicaonline.com.br.

Nenhum comentário:

Postar um comentário

Postagens da semana

Coisa Velha

Jornal BLEH!