Tendências na tecnologia de acionamento

Os carros elétricos ainda não evoluíram o suficiente para substituir os veículos com motores a combustão, de modo que estes últimos ainda devem se manter no mercado por alguns anos. No entanto, é provável que questões políticas acelerem esta evolução nos próximos anos.

Com vistas a isso, o governo federal alemão instituiu grupos de trabalho para a realização de pesquisas no âmbito da Conferência de Mobilidade Elétrica, que foi realizada em maio de 2010.

No entanto, até então não existem quaisquer incentivos para a compra de carros elétricos na Alemanha. “Mesmo que outros países façam isso, nós não estimularemos a demanda por carros elétricos artificialmente”, ressaltou Rainer Brüderle, ministro federal de economia.

A meta é que a Alemanha se torne a principal fornecedora de carros elétricos, mas não o principal mercado consumidor. “Seria mais importante que dez milhões de veículos elétricos estivessem nas ruas no mundo inteiro, do que um milhão de veículos elétricos na Alemanha”, comenta Henning Kagermann, presidente da Plataforma Nacional de Mobilidade Elétrica. Uma das prioridades destas pesquisas é a redução distinta dos custos das baterias que equipam estes veículos.

Segundo Carsten Reimann, aquele que oferecer as melhores baterias assumirá a liderança da mobilidade elétrica. A Renault-Nissan, por exemplo, está planejando produzir mais de 500 mil baterias de íons de lítio por ano, assim como fabricar em grande escala carros elétricos acessíveis. Outros fabricantes de equipamentos originais, como a Toyota e a Daimler, que também fabricam veículos híbridos em série, estão se manifestando de modo mais cuidadoso.

Franz Fehrenbach, da Bosch, também considera o veículo elétrico uma solução a médio prazo: “O caminho mais rápido para se reduzir as emissões de dióxido de carbono (CO₂) é a otimização do motor a combustão, mas não o veículo elétrico”. A curto prazo, é possível reduzir a emissão de CO₂ em até 30% nos motores a combustão, por meio de aperfeiçoamentos internos.

Fig. 1 - Blocos de motores compactos. Em segundo plano, um smart diesel e, em primeiro, um motor V8 que equipa os modelos Panamera e Cayenne, da Porsche.

Apesar dos avanços obtidos, ainda existem problemas nos acionamentos elétricos, os quais foram apenas parcialmente resolvidos. Os custos ainda são muito altos, as autonomias de operação muito pequenas, os tempos de carregamento das baterias muito demorados e a segurança duvidosa, pelo menos nas baterias de íons de lítio.

Para a fabricação de baterias deste tipo, é necessário utilizar ainda metais das terras raras. Neste caso, a China ocupa uma posição de monopólio do mercado mundial, que já apresenta um grande obstáculo para a fabricação de veículos híbridos.

A geração de energia elétrica regenerativa, necessária em grande escala por meio do vento, sol, água ou outras fontes de energia, também constituem um desafio considerável, enquanto a utilização da célula combustível para a propulsão de veículos ainda parece ser uma possibilidade distante.

De acordo com a avaliação da KS Aluminium-Technologie GmbH, da Alemanha, fabricante de blocos de motor em alumínio com três a 12 cilindros (figura 2), os motores a combustão clássicos (a gasolina e diesel) ainda serão dominantes nos próximos 15 a 20 anos, apesar do desenvolvimento de acionamentos alternativos. Neste caso, a eletrificação tem importância fundamental.

Fig. 2 – A KS Aluminium Technologie manufatura blocos de motor em alumínio com três a 12 cilindros e diferentes tipos de montagens.

Devido ao grande número de combustíveis alternativos, também existe uma variedade crescente de acionamentos. No caso de uma utilização predominantemente urbana, os acionamentos elétricos ganharão importância cada vez maior em poucos anos.

Os diferentes acionamentos híbridos (por exemplo, em paralelo, meio híbridos e divisão de potência) podem ser utilizados em campos de aplicação mistos, enquanto os motores a combustão não serão uma alternativa econômica a longo prazo, no caso do percurso de longas distâncias, pelo menos com o assim chamado range-extender.

Partindo-se do princípio de que a maior crise econômica mundial pós-guerra aparentemente foi superada, torna-se novamente possível contar com um mercado global crescente para carros de passeio e caminhões nos próximos anos, o que impulsionará a demanda por blocos de motor. Entretanto, este crescimento deve ser concentrado basicamente nos países do BRIC (Brasil, Rússia, Índia e China). Para isso, serão desenvolvidas soluções globais uniformes, com variantes adaptadas às condições específicas destes países.

As metas ambientais cada vez mais exigentes dificilmente podem ser alcançadas sem a construção leve em grande escala, o motor compacto (downsizing) e uma determinada eletrificação do acionamento. Além da abordagem global que abrange a redução do peso dos veículos e das resistências aerodinâmicas, das resistências à rodagem sem prejudicar o equipamento de segurança e do conforto durante a marcha do veículo, deve-se focar particularmente no desenvolvimento de grupos propulsores modernos.

 

Requisitos dos blocos de motor

O conceito de motor compacto diz respeito às cilindradas decrescentes e ao número reduzido de cilindros, assim como às potências específicas e às pressões de combustão crescentes, para compensar a potência. Isso resulta na necessidade de se aperfeiçoar os projetos dos blocos de motor, assim como de aumentar a solicitação termomecânica do componente, que afeta particularmente o bloco de motor, como componente central, mas também os pistões, as bielas e o cabeçote de cilindro.

Outras consequências do projeto downsizing e da redução resultante do consumo de combustível e das emissões dos gases de escapamento, que influenciam as superfícies de deslizamento do cilindro, são:

• A injeção direta de gasolina com o umedecimento parcial da superfície do cilindro em que o pistão desliza.
• Os conceitos de alta rotação com elevadas velocidades do pistão e novos tipos de combustível, como o SunFuel, o GTL (de gas to liquid ou gás para líquido), o BTL (de biomass to liquid ou biomassa para líquido) e o etanol.
• Novos processos de combustão, tais como o HCCI (de homogeneous charge compression ignition ou ignição por compressão de carga homogênea), CAI (de controlled auto-ignition ou autoignição controlada) e diesotto.
• Redução do consumo de óleo, por meio de um efeito raspador aprimorado dos anéis de pistão e óleos para motor, com melhores propriedades de deslizamento.

As atividades de desenvolvimento estão concentradas em motores de combustão leves, eficientes e com cilindradas reduzidas, injeção direta e motores superalimentados. Neste último caso, a potência é aumentada com a alimentação de ar com pressão elevada.

Outro fator importante é o desenvolvimento de veículos com preços acessíveis. Motores superalimentados com três e quatro cilindros e até mesmo dois cilindros já estão sendo desenvolvidos.

 

Escolha do material para blocos de motor

A necessidade de construções leves em larga escala confere novos impulsos à escolha dos materiais a serem utilizados na produção de blocos de motor, em que as soluções especialmente leves e econômicas ocupam o primeiro plano. Futuramente, os blocos de motor também enfrentarão o dilema que envolve os materiais, o processo de fundição e a superfície do cilindro em que o pistão desliza.

As soluções de ferro fundido são adotadas especialmente quando a questão custo é prioritária. As solicitações atuais podem ser atendidas por toda a gama de ferros fundidos disponíveis, o que abrange desde ferros fundidos cinzentos até vermiculares.

O bloco de motor em alumínio é preferido especialmente quando a exigência de uma construção leve está em primeiro plano. Neste caso, é possível obter uma vantagem em peso de 30% a 50% em relação ao ferro fundido, mesmo em motores pequenos (figura 3). Adicionalmente, existem as reduções de peso secundárias, com uma ordem de grandeza similar. É o caso das suspensões do motor, componentes do trem de rodagem e freios mais leves. Isso resulta em uma dinâmica de marcha aprimorada, em virtude da distribuição mais uniforme da carga nos eixos, além da redução do consumo de combustível e das emissões de dióxido de carbono.

Fig. 3 – Peso dos blocos de motor em alumínio e ferro fundido, os quais são montados em série.

O magnésio provavelmente não será mais considerado no futuro, em razão de suas propriedades inadequadas de resistência térmica e baixo módulo de elasticidade. Outros materiais discutidos neste meio tempo, como os cerâmicos e os plásticos resistentes a altas temperaturas, não são considerados aqui.

As fatias de mercado que se renderam ao projeto de alumínio apresentam diferenças distintas de um país para outro. Desta forma, ainda existe um número relativamente grande de blocos de motor de ferro fundido cinzento nos Estados Unidos e uma pequena quantidade de motores diesel em alumínio. No entanto, é provável que isso mude a favor do alumínio nos próximos anos.

O mesmo pode ser esperado na China e na Índia. No Japão, a adoção dos blocos de motor em alumínio já é alta, enquanto na Europa foi possível observar uma consolidação deste conceito nos últimos anos.

Devido à exigência de construções leves em larga escala, novamente o alumínio está em alta como material para a produção de blocos de motor, após um período de preferência pelo ferro fundido cinzento.

 

Processos de fundição para blocos de motor em Al

Para a fabricação de blocos de motor em alumínio, é possível utilizar todos os processos de fundição usuais. Eles são moldados em areia ou moldes permanentes (coquilha) de aço, com diferentes proporções de machos de areia.

No enchimento do molde, existem diferenças entre os processos de fundição por gravidade, a baixa pressão e sob pressão. Cada uma destas técnicas podem ser viáveis dentro de determinadas condições periféricas, com as suas respectivas vantagens e desvantagens características.

Um processo de fundição relevante para a fabricação de blocos de motor em alumínio é o lost foam (ou espuma perdida), o qual é utilizado principalmente nos Estados Unidos. Ele tem a vantagem de proporcionar uma liberdade de configuração quase ilimitada para reproduzir geometrias complexas. Deste modo, esta técnica é utilizada na produção de blocos de motores de popa resfriados a água, com coletor dos gases de descarga integrado, por exemplo. No entanto, como a qualidade deste bloco de motor fundido é caracterizada tanto por um teor de gás quanto por um grau de porosidade bastante alto, este processo não será mais utilizado neste caso, com exceção de algumas aplicações específicas.

A fundição em areia compreende dois tipos de processos: os que utilizam areia aglomerada com bentonita (areia verde) e aqueles que utilizam areia aglomerada com resina, destacando-se por uma grande liberdade de configuração.

Até o momento, a fundição em areia aglomerada com bentonita não obteve sucesso na fabricação de blocos de motor em alumínio, em razão da baixa qualidade do fundido resultante, em função do alto teor de água do material de moldagem. A inversão desta tendência nos próximos anos não está prevista.

As técnicas de fundição que utilizam areias aglomeradas com resina sintética também são conhecidas como pacote de machos, tendo obtido um aperfeiçoamento enorme nos últimos anos. Os métodos de enchimento do molde empregados são os processos de fundição por gravidade e a baixa pressão.

Além da grande liberdade de configuração, este processo ainda aumenta as resistências locais, pelo menos na proximidade da superfície. Com isso, é possível obter resistências semelhantes àquelas da fundição em moldes permanentes, o que é feito com o uso de resfriadores de ferro (coquilhas localizadas) nas áreas do assento do mancal.

A utilização destes resfriadores de ferro na superfície do cilindro em que o pistão desliza ainda possibilita a fabricação de blocos de motor para a aplicação de revestimentos.

O processo de pacote de machos é especialmente necessário na fabricação de grandes quantidades de peças. Na Europa, ele é utilizado crescentemente na produção de blocos de motores diesel.

Na fundição em moldes permanentes, o vazamento pode ocorrer por gravidade (fundição por gravidade), baixa pressão (fundição a baixa pressão) e sob pressão (fundição sob pressão).

A fundição em moldes permanentes por gravidade quase não é mais utilizada na fabricação de blocos de motor. No entanto, em virtude dos requisitos cada vez maiores no que diz respeito à resistência termodinâmica, este processo é bastante interessante, pois os assentos de mancal podem ser resfriados com água durante a solidificação. Com o uso de vários machos de areia (molde semipermanente), é plenamente possível empregar a fundição em moldes permanentes por gravidade para novos desenvolvimentos de motores.

A fundição em moldes permanentes a baixa pressão é atualmente uma solução bastante divulgada na Europa para a produção de grandes volumes de blocos de motor com muitos cilindros, particularmente no caso da utilização de ligas de alumínio-silício (Al-Si) hipereutéticas.

Blocos de motor fundidos em ligas hipereutéticas não requerem uma proteção adicional das superfícies do cilindro em que o pistão desliza, como um revestimento, ou camisas de cilindro incorporadas ao molde. Desta forma, eles apresentam um excelente comportamento tecnológico no que diz respeito ao transporte de calor e ao empenamento.

Na fundição em moldes permanentes a baixa pressão, também é possível efetuar a fundição de ligas hipoeutéticas, com a possibilidade de se revestir as superfícies do cilindro em que o pistão desliza. A representação de contrassaídas neste caso é realizada com machos de areia, de forma similar à fundição em coquilha por gravidade. A colocação do sistema de canais de alimentação na parte acima da cobertura dos cilindros torna possível utilizar o molde permanente resfriado a água na área do assento do mancal, o que resulta em uma elevada resistência nesta região.

Há até alguns anos, a fundição sob pressão era considerada um processo econômico, embora caracterizado por um fundido de qualidade inferior. Entretanto, isso mudou nos últimos anos.

A fundição sob pressão moderna é capaz de produzir fundidos com baixa porosidade, os quais podem ser submetidos ao recozimento de solubilização e ainda receber um revestimento na superfície do cilindro em que o pistão desliza. Para isso, é recomendado utilizar um tratamento do banho fundido, com o aprimoramento da sua alimentação, resfriamento ativo da matriz, sistema de vácuo efetivo e técnica de pulverização otimizada, com um agente de desmoldagem adaptado, além de empregar uma máquina de fundição sob pressão com regulagem em tempo real e grande força de fechamento.

Com um projeto apropriado do bloco de motor e uma produção anual correspondente, estas medidas podem ser realizadas de modo mais econômico do que em outros processos de fundição.

Sob determinadas condições periféricas, é possível adotar um projeto de bloco do tipo closed-deck (face superior do bloco fechada ao redor dos cilindros), caso haja a colaboração estreita entre os profissionais envolvidos no desenvolvimento do produto e do processo de fundição.

Em suma, a atual fundição sob pressão também é apropriada para a fabricação de blocos de motor altamente solicitados.

 

Qual o processo mais apropriado para cada bloco de motor em Al?

Para responder a essa pergunta, é necessário avaliar vários critérios (tabela 1).

Os critérios essenciais para o projeto do componente são o número de peças, as exigências do cliente (especialmente a qualidade do fundido e as resistências), a tecnologia da superfície do cilindro em que o pistão desliza e, naturalmente, os custos.

No caso dos motores em V, com uma produção anual elevada e um projeto do tipo open-deck (face superior do bloco aberta ao redor dos cilindros), com uma camisa d’água ao redor do cilindro, a preferência é pela fundição sob pressão.

Para motores em V com projeto closed-deck, por sua vez, também é possível utilizar o processo do pacote de machos.

No caso do uso de uma menor quantidade de peças e do projeto closed-deck, é utilizada a fundição em moldes permanentes a baixa pressão ou o processo do pacote de machos.

Nos motores em linha com custo reduzido, projeto open-deck e alta produção anual, a fundição sob pressão apresenta todas as suas vantagens.

Quando é necessário equipar uma família de motores com motorização superior a um projeto closed-deck, uma opção econômica é a utilização da fundição sob pressão, com a observação de determinadas condições periféricas.

Se o componente apresentar outras contrassaídas além do projeto closed-deck, as quais devem ser reproduzidas por machos de areia, a escolha ideal é a fundição em moldes permanentes (por gravidade ou a baixa pressão) ou o processo do pacote de machos.

Um bloco de motor em linha com alta potência, projeto closed-deck e altíssimas resistências nos assentos de mancal, além da possibilidade de revestimento na área do cilindro em que o pistão desliza, pode ser produzido pelo processo de pacote de machos ou pela fundição em moldes permanentes, dependendo do projeto.

Com um sistema apropriado de canais de alimentação na área acima da cobertura dos cilindros, é possível utilizar coquilhas resfriadas a água ou resfriadores de ferro no assento do mancal, com o objetivo de se obter altas resistências nesta região. A utilização de várias cavidades no molde de fundição possibilita uma economia considerável de custos.

 

Conclusões

O acionamento do motor a combustão continuará sendo o tipo dominante de nossa mobilidade individual nos próximos 15 a 20 anos. E os materiais preferidos ainda serão o ferro fundido e o alumínio, considerando-se os requisitos redução de peso e dos custos.

A fundição em areia é utilizada exclusivamente no ferro fundido, mas no caso da produção dos blocos de motor em alumínio, é possível utilizar vários processos. Os atualmente empregados são a fundição sob pressão, a fundição em moldes permanentes a baixa pressão e o processo do pacote de machos.

A fundição sob pressão tende a consolidar ainda mais a sua posição de liderança no mundo inteiro.

Um ponto interessante deve ser o desenvolvimento de fatias de mercado da fundição em areia e da fundição em moldes permanentes, pois ambas podem ser utilizadas na produção de blocos de motor com projeto do tipo closed-deck, os quais são altamente solicitados e competem entre si neste segmento.

A fabricação de blocos de motor pelo processo de fundição por espuma perdida provavelmente não será mais utilizada.