Em abril do ano passado o leitor Daniel Shimomoto de Araújo escreveu artigo sobre torque e potência, qual interessa mais, que achamos valioso e oportuno e o publicamos aqui no Ae. Mas além de ser um autoentusiasta ele tem paixão por aviões, caminhões, tratores e motores de pistão e a reação, paixão que, conta, começou aos sete anos (está com 36). Sobre aviões, diz que “não posso me dedicar tanto (e nem profissionalmente, por enquanto), mas um dia chego lá”. Pelo jeito, vai chegar mesmo!
Nesse artigo, o Daniel fala de vários motores aeronáuticos, passado e presente, dando-nos um belo panorama do que esteve e está nos céus propulsionando essas maravilhosas máquinas aladas.
Boa leitura!
Bob Sharp
Editor-chefe
AUTOentusiastas
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MOTORES A PISTÃO AERONÁUTICOS, UM PANORAMA
Por Daniel Shimomoto de Araújo
O início da aviação coincidiu com uma fase de enorme desenvolvimento (e demanda) de motores de combustão interna. A necessidade de se gerar maiores potências sem incremento de peso e uma conseqüente melhora na relação peso-potência desses motores foi uma das metas perseguidas por todos os engenheiros e projetistas, e a partir disso grandes desenvolvimentos foram sendo feitos até meados dos anos 1950 no sentido de extrair o máximo de potência dentro das limitações dos motores de combustão interna.
O período após a Primeira Guerra Mundial viu o grande crescimento do desenvolvimento aeronáutico e o conseqüente desenvolvimento de motores. É dessa época que começa a surgir muito daquilo que conhecemos e falamos hoje, como motores turboalimentados, intercooler e os fenômenos da detonação relativos à octanagem da gasolina, problema que surgiu de maneira crônica em 1917 com a entrada dos EUA na I Guerra Mundial, quando o país começou a fornecer combustível à Europa e o resultado imediato foram falhas mecânicas, superaquecimento e perda de potência dos motores dos aviões ingleses e franceses que utilizavam outro tipo de gasolina.
A Segunda Guerra Mundial, por sua vez, levou ao limite o desenvolvimento dos motores de combustão interna aeronáuticos e começou a expor suas limitações, especialmente em questão de peso e potência desenvolvidos, em comparação com os motores a reação (“jato”), que embora tenham sido uma invenção inglesa, foi a Alemanha nacional-socialista a pioneira no seu emprego amplo em aeronaves.
O pós-guerra assistiu ao desenvolvimento menor nos motores aeronáuticos. Os motores a reação e a sua popularização tanto em aviões quanto em helicópteros acabou por restringir o emprego de motores “a pistão” a aplicações leves, na chamada aviação geral (aviação civil de uso particular e táxi aéreo) e, com isso, muitos fabricantes ou deixaram de existir, ou foram para os motores a reação, remanescendo apenas os famosos Lycoming e Continental americanos como os motores para quase toda a aviação de pequeno porte mundial.
Contudo, a década de 1980 nos Estados Unidos assistiu ao surgimento e implantação da indústria milionária das indenizações e do direito do consumidor. Essa “indústria” (cujo grande ícone é o “ilustre” Ralph Nader), abraçada por alguns parlamentares americanos, acabou por destruir e inviabilizar a aviação geral nos Estados Unidos (e por conseqüência, no mundo), uma vez que os fabricantes pararam de produzir, os custos subiram absurdamente (os fabricantes têm de se resguardar do risco legal) e a inovação simplesmente deixou de existir. Nada de significativo surgiu nos últimos 30 anos, os motores (com pequenas variações) são os mesmos desde a década de 1960, os sistemas são os mesmos, enfim, estagnação geral.
Agora, de 2011 para cá, é que o mercado de motores aeronáuticos foi sacudido com a introdução dos novos motores SAFRAN SR-305-230 (SR = SNECMA e Renault!) e os novos Continental TD-220, TD300 e o futuro TD450, todos de ciclo Diesel arrefecidos a ar e a óleo, objetivando atender o novo mercado de motores aeronáuticos em um horizonte de elevados preços mundiais da Avgas (aviation gasoline) e de ecologistas (ecochatos?) que julgam que o ínfimo consumo deste combustível com uma pequena quantidade de chumbo tetraetila destruirá o mundo.
Essa nova safra de motores de ciclo Diesel queimando Jet-A1 (baseado em querosene) atualmente se apresenta como uma interessante alternativa à Avgas, que vem atingindo preços cada dia mais altos, onerando e inviabilizando a aviação geral a cada dia que passa. Hoje esses motores de ciclo Diesel, além da simplificação na operação (dispensa o uso de magnetos, velas) diminuem a carga do piloto, pois eliminam a manete de mistura e passo de hélice e apresentam números de consumo 30% inferiores em volume de combustível por hora de vôo (lembrando que, em dinheiro, essa economia é ainda maior, uma vez que o Jet-A1 custa menos da metade da Avgas). Mas este é assunto para outra matéria.
Características construtivas
Em relação a um motor de automóvel, o aeronáutico é normalmente de baixa rotação. Dessa maneira, são necessários grandes cilindradas para o motor atingir o valor de potência desejado, rendendo uma potência especifica baixa, entre 30 e 50 hp/l. O principal objetivo era poder ligar, sempre que possível, a hélice diretamente ao virabrequim, sem ter que utilizar caixas redutoras ou utilizando-as de maneira mais simplificada possível.
Nota: neste texto a potência será sempre expressa em hp por ser padrão aeronáutico. O leitor que quiser saber a potência em cv, basta multiplicar hp por 1,0139.
Isso se faz necessário para adequar rotação máxima do motor à rotação máxima da hélice. É preciso lembrar que existe uma limitação aerodinâmica para as hélices, que devem girar a uma determinada rotação para obter eficiência máxima. Acima disso, as pontas podem girar a velocidades próximas ou até mesmo superiores à velocidade do som, com a conseqüente perda de desempenho de tração.
Outro fator limitante ao giro de motores aeronáuticos reside justamente no longo curso dos pistões necessário para a obtenção de elevadas cilindradas. Motores de avião normalmente têm cursos de pistão superiores a 110 mm, implicando velocidade média de pistão mais elevada se compararmos aos motores automobilísticos. E como robustez e confiabilidade são requisitos necessários para qualquer motor aeronáutico, quanto menos desgaste e riscos de quebras, melhor.
Alguns modelos de aviões experimentais (e alguns engenheiros) questionam essa filosofia de motorização de baixa rotação e grande cilindrada) e fazem uso de motores automobilísticos modificados em protótipos. Entretanto, ainda não se chegou a uma equação comercial e técnica (robustez) viável para a aplicação de motores automobilísticos em aeronaves.
A disposição dos cilindros também sempre foi algo que variou muito ao longo dos anos — e dos projetistas. Os europeus, no período entre guerras mundiais (especialmente os ingleses) tinham preferência por motores em linha, devido à menor área frontal. Essa disposição, contudo, esbarrava na questão dos motores terem de ser montados de maneira invertida (para que a linha da hélice permanecesse mais alta, na altura do capô do motor e não na parte inferior — liberando até maior altura livre da hélice em relação ao solo), numa estrutura mais complexa e a existência e necessidade de seis ou mais cilindros requererem motores estruturalmente mais robustos visando suportar as vibrações de um virabrequim mais e de um bloco mais longos. Isso sem falar no complexo sistema de arrefecimento requerido em unidades arrefecidas a ar, em que o último cilindro tem que ser arrefecido igual ao primeiro.
Outra disposição empregada pelos europeus eram os motores em “V” (com 8, 10 ou 12 cilindros), mas arrefecidos a líquido. No contexto político dos anos 1930, a ascensão do nacional-socialismo levou os países europeus a se reequiparem militarmente e esses grandes motores fizeram parte deste processo, uma vez que foram sendo desenvolvidos para equiparem os caças e bombardeiros de projeto recente.
No novo mundo, os americanos foram mais pragmáticos e partiram logo para os motores de cilindros contrapostos nos modelos de potência mais baixa (iniciou com os Continental A-40) e, nos motores de maior cilindrada e número de cilindros, o emprego da configuração radial, que melhor acomoda cilindros grandes em um bloco compacto.
A grande sacada, contudo, veio da engenharia alemã: acostumada com a mecânica de precisão e com o ciclo Diesel, os alemães fizeram motores aeronáuticos e empregaram a injeção direta de gasolina em seus caças. Esse aprimoramento representou uma enorme vantagem em combate (por incrível que pareça), pois permitia aos caças alemães executar manobras com elevado número de “g”, enquanto os Hawkers Hurricane e Supermarine Spitfire sofriam com falhas de motor por falta de alimentação em situações semelhantes.
O arrefecimento a ar também sempre foi enfatizado nos motores aeronáuticos. Até o surgimento da era do jato no final dos anos 1940, os motores de combustão interna arrefecidos a líquido sempre conviveram com os motores “a ar”, contudo os motores a reação acabaram empurrando os motores aeronáuticos a pistão para um processo de simplificação e redução da complexidade. Assim, os motores arrefecidos a liquido foram sendo abandonados e as configurações mais exóticas (por exemplo, motor em “H”, com duas bancadas de 12 cilindros contrapostos, com dois virabrequins unidos a uma árvore, como o Napier Sabre) logo se tornaram peças de museu, caindo na obsolescência.
Outra característica construtiva que ganhou força nesse período da II Guerra Mundial e hoje é extremamente corriqueira para nós do mundo do automóvel, foi a superalimentação e aquilo que erroneamente (do ponto de vista conceitual) chamamos de intercooler. A superalimentação por turbocompressor não era apenas um artifício de ganho de potência para motores de aviões de combate, mas uma necessidade. Sabemos que motores de aspiração natural perdem potência conforme a altitude vai aumentando. Dessa maneira, para voar alto e passar incólume pelas baterias antiaéreas inimigas, a superalimentação era mais do que necessária, era questão de sobrevivência dos pilotos.
Alguns motores empregavam dois compressores: um turbocompressor acionado pelos gases de escapamento e um compressor mecânico imediatamente antes da admissão. Entre os dois compressores, um trocador de calor chamado de intercooler. Quando este trocador ficava entre o compressor mecânico e o motor, esse resfriador era batizado de aftercooler
Nos EUA, o fabricante de motores Wright, contudo, empregou um interessante sistema de recuperação dos gases de escapamento: com uma turbina colocada no escapamento coletando os gases quentes, sua árvore era ligada a um acoplamento viscoso e a uma caixa de redução, de maneira a fornecer potência extra diretamente ao virabrequim, sistema chamado turbocompound (turbocomposto). Os Wright R-3350 ficaram imortalizados não apenas pela sua fragilidade como também por terem equipado notáveis aeronaves como o bombardeiro Boeing B-29 e os aviões de passageiros Douglas DC-7 e Lockheed Super Constellation.
A aviação geral: do fim dos anos 1940 até hoje
Os motores a pistão ficaram restritos à aviação geral. No mundo ocidental existiam três grandes fabricantes de motores: Aircooled Motors, fabricante dos famosos motores Franklin, Continental Motors e Lycoming.
A Aircooled Motors acabou sendo adquirida por ninguém menos que Preston Tucker! Com dificuldade em arrumar um motor ideal para o seu Torpedo, Tucker adquiriu alguns motores Franklin O-335 5,5-L de 6 cilindros contrapostos arrefecidos a ar, converteu-os para arrefecimento a líquido e aplicou-os em seu carro. Gostou tanto do resultado que acabou adquirindo o controle acionário da Aircooled Motors (posteriormente vendida para a Polônia).
A Lycoming e a Continental desde então lutam pela preferência dos fabricantes de aviões para colocarem seus produtos. A partir dos anos 1970, entretanto, a Continental dedicou-se mais à produção de motores de potência superior a 200 hp, enquanto a Lycoming focou nos motores menores, entre 100 e 200 hp.
Enquanto a Lycoming veio aperfeiçoando seus produtos, corrigindo as deficiências e os crônicos boletins de aeronavegabilidade que atingem os componentes aeronáuticos, a Continental arriscou-se um pouco mais e esse risco quase custou a falência da empresa: trata-se da linha de motores Tiara.
Partindo do pressuposto que um motor “girador” pode render maior potência, a Continental propôs um motor boxer, de menor cilindrada e maior giro (4.000 rpm em regime máximo). Para dispensar o uso de caixa de redução na hélice, a proposta foi ligá-la diretamente ao comando de válvulas (que gira à metade da rotação do virabrequim). A baixa durabilidade desses motores, aliada ao elevado consumo de combustível, não justificava sua escolha, sendo dessa maneira preterido apenas a um lugar na historia.
Durante os anos 1960 e 1970, tanto a Lycoming quanto a Continental continuaram a se aventurar nos chamados geared engines (motores com engrenagem, numa tradução livre). São motores que empregam um par de engrenagens visando adequar a saída para a hélice à rotação do virabrequim por meio da redução. O objetivo era ganhar potência sem aumento de cilindrada. Assim surgiram, os IGSO-540 da Lycoming e os GTSIO-520 da Continental, motores que em regime de potência máxima giravam a 3.400 rpm na decolagem mas padeciam de baixa durabilidade, tendo vida útil estimada em apenas 1.400 horas de vôo. Seus irmãos não engrenados tem TBO (iniciais, em inglês, de tempo entre reforma total) de 1.800 a 2.000 horas.
Os anos 1980, por sua vez, presenciaram o desmantelamento da indústria aeronáutica de pequeno porte. A crise econômica e a lei de responsabilidade do fabricante (ilimitada) quanto a defeitos no produto destruiu a aviação geral. O avião, outrora relativamente acessível, passou a ser um artefato de luxo, com seus preços inflacionados pelo risco a que os fabricantes foram vinculados com a famosa lei de responsabilidade do fabricante. A situação ficou tão grave que existiu até um programa governamental chamado GARA — General Aviation Revitalization Act—em 1994 para revitalização da aviação de pequeno porte nos Estados Unidos. Contudo, sua pujança nunca mais foi vista novamente (e talvez nem venha a ser).
Naturalmente, isso afetou diretamente a indústria de motores aeronáuticos que continuou a produzir os mesmos produtos, da mesma maneira com a mesma configuração. O sistema de carburação para os motores menores, bem como a injeção mecânica indireta de fluxo continuo para os demais, permaneceu idêntico. O controle da mistura ar-combustível permanece controlado manualmente no painel; o sistema de ignição é idêntico ao de 50 anos atrás, por magneto. A indústria, por conta da lei de responsabilidades e dos altos custos envolvidos em pesquisa e desenvolvimento (quem quer colocar dinheiro em um mercado de altíssimo risco legal?) simplesmente estagnou, a tal ponto dela hoje sobreviver “revitalizando” (reciclando?) motores que ela mesma produziu no passado.
Os primeiros anos deste século, por sua vez, assistem ao combate intenso ao chumbo como aditivo ao combustíve de uso aeronáuticol. A Avgas, outrora farta, barata e com ampla gama de octanagens disponíveis (80/89 vermelha, 100 LL (Low lead, baixo chumbo) azul, 100/130 verde e 115/145 roxa — o primeiro número é a octanagem em mistura pobre e o segundo, mistura rica, em números MON) ficou restrito à 100 LL. Assim, a busca por combustíveis alternativos envolve uma complicada equação que envolve a indústria do petróleo, fabricantes de motores, engenheiros — e ambientalistas.
Enquanto não se chega a um consenso sobre esse assunto, a Lycoming vem apostando nos últimos 20 anos em “releituras” de seus já consagrados motores. Com o lançamento do IO-580 (faixa dos 300 hp) em 1996, veio em 2002 o IO-390 (200 hp). Ambos podem remotorizar aeronaves já existentes via Certificação Suplementar aprovada pela FAA (administração federal de aviação dos EUA).
No Brasil, a Lycoming conseguiu homologar o IO-540 para usar álcool automobilístico. O Ipanema, aeronave agrícola fabricada pela Embraer, hoje pode ser fabricada com motor a álcool ou a Avgas e hoje grande parte dessas aeronaves sai de fábrica aptas a utilizarem o combustível de origem vegetal. O ganho de potência, por sua vez foi de 20 hp em relação ao Ipanema a gasolina (320 hp contra 300 hp). Pode não parecer muito, mas acaba fazendo diferença.
A Continental, por sua vez, depois do fracasso dos motores Tiara, lançou a linha Voyager arrefecida a liquido (baseada no conceito boxer de alta cilindrada e baixa velocidade). Dessa fornada saíram basicamente os IOL-200 e o IOL-550, ambos arrefecidos a liquido. De relevante no período, a empresa lançou o robusto IO-550 de 9 L arrefecido a ar. Como “inovação”, este motor introduziu o conceito “lean of peak” (empobrecimento a partir do pico de temperatura). Normalmente, o piloto utiliza o “rich of peak”, regula manualmente a mistura ar-combustível do motor através da leitura do instrumento de temperatura dos gases de escapamento (EGT, exhaust gas temperature). Empobrece a mistura até o ponto de máxima temperatura lida no termômetro de EGT e, uma vez atingida, volta a enriquecê-la abaixando a temperatura em torno de 50 a 100 ºF (10 a 38 ºC). No “lean of peak”, ao invés de enriquecer, empobrece-se ainda mais a mistura visando economia de combustível.
Ciclo diesel
Embora fabricado em alguma escala pela Alemanha nos anos 1930, os motores aeronáuticos de ciclo Diesel foram esquecidos por quase 70 anos, até o final da década de 1990, com o surgimento de questões pertinentes ao futuro da Avgas.
A Continental nessa época partiu para estudos do ciclo Diesel, chegando a divulgar noticias de uma parceria com a Perkins inglesa no desenvolvimento de novos motores funcionando com o Jet-A1. Mas somente com a venda da empresa para a AVIC chinesa em 2011 é que os projetos “diesel” saíram do papel (ainda que um tanto tardiamente) e vêm ganhando corpo. Já se tornaram realidade os 4 cilindros TD-300 (4,9 L e 230 hp) e o TD-220 (3,6 L e 155 hp). E em breve deve sair do papel o TD-450 (7,38 L de potência estimada em 350 hp — sem o uso de engrenagens redutoras).
O que acabou chamando a atenção do mercado foi a quebra da hegemonia Lycoming/Continental por uma “terceira via” surgida na França numa parceria com a Morane/Renault. Atualmente denominada SAFRAN, essa empresa de propriedade da SNECMA homologou e distribui o novíssimo SR-305-227, um 4-cilindros na filosofia dos tradicionais motores boxer aeronáuticos, arrefecidos a ar e a óleo, que rende 227 hp deslocando apenas 5 litros. E com um consumo 30% inferior ao de um motor semelhante de ciclo Otto. Se levarmos em conta que o litro de Jet-A1 custa quase a metade do litro de Avgas, em termos financeiros essa economia é ainda maior.
Agora a empresa se prepara para lançar o SR-460 de 6 cilindros e 7,53 L, prometendo render os mesmos 350 hp do Continental Diesel.
Agora só resta torcer para que o mercado de aviões leves abrace essa nova leva de motores e comece também a remotorizar os modelos mais antigos e assim, quem sabe, reduzir o custo da hora de vôo (o alto preço da Avgas é um dos componentes preponderantes nesta precificação) para que, possivelmente, a aviação geral volte a decolar.
DSA
