Qual motor utiliza melhor a sua cilindrada: um Aston Martin Valkyrie ou um Uno com a escada no teto? Uma superbike girando a 15.000 rpm ou um TSI 250 a 1.500 rpm?
O mundo dos motores é repleto de siglas, abreviações, termos técnicos e um sem-número de unidades distintas para expressar características construtivas e de desempenho. Contudo,, a forma de atribuirmos tais atributos nem sempre é fácil de calcular e interpretar.
Uma forma que podemos calcular de maneira simples, e que nos traz grandezas de rápida interpretação e comparação, é a Pressão Média Efetiva (PME). Ótimo,, mas como se calcula e como se interpreta a PME?
Chegaremos lá em breve e o exemplo que usaremos é um “racha” entre quatro Dodge V-8 no dinamômetro de rolos! Desses quatro carros, três eram 440 pol³ (7,2 L) e um 318 pol³ (5,2 L) bom de briga. Cada carro com uma receita de motor, cada carro com uma característica. Você pode imaginar que, em números absolutos, o “pequeno” 318 não teve chance perante os monstruosos big-block Mopar. Porém, em números específicos, como a PME, o resultado foi surpreendente!
Mas antes de nos deleitarmos com os “Dojões”, tomemos por base a figura emaranhada abaixo, obtida de um artigo publicado pela Ford. Ela explica as principais demandas, interrelações e números obtidos de um motor EcoBoost.
Você deve estar se indagando: o que uma figura cheia de siglas, cores, amarrações e flechas de diferentes espessuras tem a ver com o projeto de um motor? O que a Ford tencionou ao fazê-la e publicá-la?
Sim, esta é uma figura explicando a complexidade dos requisitos que o motor EcoBoost precisava atender quando do seu projeto. Ela explica a “missão” do motor, ou seja, qual carro e qual nível de desempenho esse motor precisa entregar. Some-se a isso consumo de combustível e baixa emissão de poluentes, sem esquecer durabilidade, facilidade de manutenção, potencial intrínseco de receber melhorias e atualizações ao longo do tempo, e por aí segue.
Em resumo, olhe para as duas caixas amarelas. A tradução é a seguinte:
Este motor deverá entregar uma potência efetiva (BMPE) de valor “Z” associada a um consumo específico de combustível (BSFC) “R”. (Podia ter usado X e Y, porém… por que não sair um pouco do “mesmismo”, não é mesmo?)
Se você chegou até aqui, ficou curioso, mas não “aguenta” esperar o comparativo dos quatro Dodge V-8, clique no link abaixo. Está em inglês e brilhantemente explicado por Jason Fenske.
Gostou do vídeo? Entendeu tudo? Muito bom, parabéns. Mas caso ainda precise de um reforço no inglês, aprenda conosco! Vamos destrinchar este tema aqui no AUTOentusiastas e na LEV7 Engenharia com um grande artigo em português.
Ao olhar para o catálogo de veículos novos à venda e seus mais distintos tipos de carroceria, massa, nível de desempenho, classes de emissões, ciclos termodinâmicos como ignição por centelha (Otto) ou por compressão (Diesel), veremos uma miscelânea de soluções técnicas aplicadas aos motores. Nessas soluções há grande diversidade na divulgação de números: potência máxima, rotação de corte, torque máximo e demais indicadores que procuram exprimir algo a respeito do motor.
Contudo, os indicadores que realmente extraem algo notório dos motores a combustão interna são os quantificadores específicos. Esses valores geralmente são oriundos de uma divisão, como kW/L, N·m/L, %, g/kW·h ou bar.
Bar? Como assim? Anote este parágrafo, pois vamos retomá-lo adiante.
Sim, a unidade bar, de pressão no Sistema Internacional de Medidas, é usada para quantificar a qualidade do uso da cilindrada. Dá uma noção de densidade de energia ou, então, da capacidade de um motor a combustão interna gerar trabalho, torque. A pressão em bar bar é o resultado extraído do cálculo da PME.
Com posse desses indicadores específicos, podemos fazer algumas perguntas:
– Tem como compararmos diferentes motores, mesmo que projetados através de diferentes tecnologias em diferentes épocas? Resposta: Sim. Por isso temos o exemplo dos quatro Dodges no dinamômetro de rolo.
– Tem como quantificarmos o quanto uma preparação realmente otimizou a densidade de energia dentro dos cilindros?
– Motores aspirados versus motores supercaregados: seria justo colocá-los em uma mesma escala e compará-los diretamente?
– O motor supercarregado aproveita melhor a sua cilindrada quando comparado com um aspirado?
– As afinadíssimas concordâncias acústicas dos motores aspirados como o F136F do Ferrari 458 Italia, produzem mais trabalho efetivo que um motor downsized turbocarregado?
– Aspirados vs. supercarregados, como compará-lps de forma justa?
Você sabia que podemos colocá-los em alguns grupos e avaliar, com boa dose de assertividade, a qualidade do uso da cilindrada?
Definição teórica da PME (em inglês BMEP – Brake Mean Effective Pressure)
Em inglês técnico:
The definition of BMEP is: the average (mean) pressure which, IF imposed on the pistons uniformly from the top to the bottom of each power stroke, would produce the measured (brake) power output. Please note that BMEP is purely theoretical and has NOTHING to do with ACTUAL CYLINDER PRESSURES. It is simply a tool to evaluate the efficiency of a given engine at producing torque from a given displacement.
Fonte: EPI Inc.
Traduzindo para o português: a PME é uma pressão média idealizada (fictícia) que, se aplicada uniformemente durante o curso (stroke) de potência, produziria o mesmo torque que o motor realmente produz, considerando as perdas por atrito — por isso o termo “efetiva”.
A pressão média efetiva ao freio (BMEP – Brake Mean Effective Pressure, é a pressão média que atua no pistão durante o curso de potência, refletindo o torque efetivamente entregue ná saída do câmbio para daí chegar às rodas motrizes. É uma métrica importante para avaliar o desempenho do motor, independentemente do seu tamanho ou cilindrada.
Em termos mais detalhados: pressão média: a PME representa a pressão média fictícia exercida sobre o pistão durante a combustão, excluindo as perdas por atrito.
Efetiva: refere-se à pressão que realmente contribui para gerar torque na saída do câmbio, descontando as perdas internas do motor (potência medida em dinamômetro de bancada).
Ao freio: indica que essa pressão é medida sob carga (condição “de freio”), quando o torque é efetivamente medido.
Portanto, a PME é uma medida de desempenho que permite comparar motores de diferentes tamanhos e configurações de forma justa, pois isola o efeito da pressão média na geração de torque. Ela traz uma noção de densidade de energia, ou até mesmo, da qualidade do uso da cilindrada.
Uma boa maneira de entendermos e compararmos motores é por meio de valores “específicos”: cv/L ou N·m/L um motor produz por litro de cilindrada. O consumo de combustível também pode ser medido assim; a unidade mais usada é g/kW·h (quantos gramas de combustível cada quilowatt do motor requer para trabalhar por 1 hora).
De posse dessa definição, dá para ir além e entender como o motor está aproveitando sua cilindrada numa dada condição de funcionamento, por exemplo, a “x” ou “y” rpm. Traçando a curva de PME ao longo do regime de rotação, entende-se onde o motor é mais eficiente.
Outra curva que dialoga com a PME é a eficiência volumétrica (em porcentagem). Em regra, onde a essa eficiência é máxima, o torque efetivo também é — a rotação em que o motor melhor aproveita sua cilindrada. Em motores de ignição por centelha o formato da curva de eficiência volumétrica é muito semelhante à curva de torque. Conclusão: o valor máximo de PME de um motor a combustão interna se situa na região de torque máximo.
Calcular a eficiêwncia volumétrica é possível, mas exige um conjunto maior de informações, como a massa de ar aspirada na condição. Motores usam MAF (Manifold Air Flow – fluxo de ar no coletor) para isso, mas também podem estimar via MAP (Manifold Air Pressure – pressão de ar no coletor) pela equação de Clapeyron (gases ideais) — lembrando que, na prática do motor, os gases estão um “tanto” fora do ideal.
Por que tanta complicação para comparar motores?
A resposta reside na noção de trabalho realizado pelo motor, representado pela PME. Conhecendo a curva de torque ou de potência efetivos podemos, com um cálculo simples, obter o trabalho que o motor está realizando numa dada condição (qualquer faixa de rpm e qualquer carga). A carga, ou posição da borboleta de aceleação, vai de quase 0% (marcha-lenta) a 100% (TPS 100, throttle position sensor 100%, borboleta totalmene aberta), o famoso “pé no porão”, ou “pé na soca” no sul catarinense).
Um motor a combustão interna é um sistema termodinâmico aberto (sente mudanças atmosféricas) e realiza trabalho no virabrequim. Esse trabalho pode ser calculado via superfície/integral — aquela da engenharia. Como?
Seguem alguns slides do curso de pós-graduação em Engenharia Automotiva da UTFPR do Prof. Eng. Julio Lodetti:
Essas duas superfícies podem ser expressas por outra equivalente (em vermelho, acima), bem mais fácil de calcular, associando rotação, potência (kW) e cilindrada.
A expressão final da PRESSÃO MÉDIA EFETIVA (PME) fica:
Atenção para as unidades:
Potência: em kW (1 kW = 0,746 hp).
Cilindrada: em dm³ = litros. Assim, um 318 V-8 do Dodge Dart tem 5,2 dm³ (5,2 L). Um AP é 2,0 L.
Rotação: em rpm.
PME: em bar (mesma unidade de pressão usada para turbcarregamento).
Algumas leituras da figura:
A PME dos motores turbo é praticamente o dobro da dos aspirados.
A rotação de torque máximo é onde se produz maior PME (melhor eficiência volumétrica nessa faixa).
Motores turbocarregados com injeção direta e ciclo Otto estão atingindo 18 a 22 bar.
Aspiração natural 4 válvulas/cilindro atuais: ~12 bar na região de torque máximo. 2 válvulas/cilindro: ~10 bar (atuais) e ~7 bar (anos 1970).
Diesel atuais: ~25 bar (típico).
Certo, mas e na prática, como comparar?
A forma mais rápida e relativamente simples é levar o carro a um dinamômetro de rolo. Se o o equipamento mede a potência efetiva na roda e também estima as perdas até as rodas, podemos fazer alguns cálculos e comparar motores.
Aqui na LEV7 Engenharia, o Prof. Julio Lodetti tem um Dodge Gran Coupé 1973. “o Garboso”, com preparação leve, mas com excelente matching para uso urbano. Do outro lado, os amigos do Dodge Clube de Curitiba são peso-pesados: só querem saber de big-block 440 pol³ (7,2 L)! São “meros” 5,2 litros (318 pol³) no Gran Coupé contra 7,2 litros (440 pol³) de cilindrada.
Como se desenrolou a batalha? Ah, isso fica para a Parte 2 do artigo.
Até breve!
LEV7
