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Miller, Atkinson e Budack. Conhece os ciclos da combustão?

Texto: Marco António
Data: 25 de Junho, 2024

A mobilidade sustentável passa pelo desenvolvimento e complementaridade das várias soluções energéticas, nomeadamente os motores de combustão que funcionam segundo o ciclo Miller, Atkinson e Budack. Conheça-os!

O caso Dieselgate tornou os Diesel inimigos do ambiente, porém eles têm melhor rendimento que os motores a gasolina e em certas situações custos de utilização inferiores às várias soluções híbridas ou até elétricas. 

Para minimizar essa diferença muitos híbridos (HEV e PHEV) utilizam técnicas de variação de abertura de válvulas e alguns (poucos) processos de variação da taxa de compressão de forma a aumentar o rendimento para patamares iguais ou superiores aos dos motores Diesel mais evoluídos. 

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Nesta transição incerta para a mobilidade 100% elétrica (estima-se que em 2025 os BEV não ultrapassem os 10% das vendas) as marcas têm investido no desenvolvimento dos motores a gasolina aplicando novos ciclos de funcionamento (Atkinson, Miller e B) que associados aos diferentes níveis de eletrificação garantem consumos e emissões mais baixas. 

Estes ciclos mais não são do que o aperfeiçoamento do conhecido ciclo Otto, também conhecido por motor de quatro tempos, pois é caraterizado principalmente pelas etapas de admissão, compressão, expansão e exaustão ou escape. 

No processo de admissão, os pistões, para aumentar o volume de suas câmaras e propiciar a mistura de ar com combustível, descem até ao ponto morto inferior. Após esse tempo a válvula de admissão fecha e o pistão sobe para fazer a compressão do fluído que acabara de entrar, de modo a aumentar a pressão. 

Funcionamento do motor de combustão no ciclo Otto
Funcionamento do motor de combustão no ciclo Otto

De seguida acontece o terceiro tempo que é quando o pistão chega ao seu ponto mais alto, conhecido por ponto morto superior. Nesse momento dá-se a inflamação da mistura provocada pelo sistema de ignição (vela) e o pistão é empurrado para baixo (fase de expansão) até atingir novamente o ponto morto inferior. É nessa altura que a válvula de escape abre para libertar os gases queimados. 

De todas estas fases a única que realiza trabalho útil é a fase da expansão. 

Ciclo Miller

Agora que já entendemos o funcionamento básico do ciclo Otto, vamos conhecer os ciclos mais utilizados nos motores atuais e que evoluíram a partir dele. Estamos a falar dos ciclos Miller, Atkinson e Budack ( ou ciclo “B”).

Tal como o ciclo Otto, o Miller também ganhou o nome do seu criador, o engenheiro americano Ralph Miller, que em 1957 desenvolveu o processo que tem sido adotado por várias marcas como a Mazda ou mais recentemente pela BYD

A diferença entre os ciclos Miller e Otto está no tempo de abertura das válvulas. Também conhecido como ciclo de “cinco tempos”, que além de apresentar os quatro tempos do ciclo Otto (admissão, compressão, expansão e exaustão ou escape) conta com um suposto “quinto tempo” em que ocorre a compressão com a válvula de admissão aberta. 

A motorização híbrida do BYD Seal U
A motorização híbrida do BYD Seal U

Esta mudança de funcionamento contribui para que o esforço dos pistões seja menor, bem como outros esforços como forças de segunda ordem normalmente associadas ao atrito gerado entre o pistão e as paredes dos cilindros.

Embora este ciclo contribua para um aumento do rendimento, também gera uma redução da potência específica. Para compensar essa perda o ciclo Miller conta sempre com um turbocompressor ou compressor mecânico. Assim, os gases de admissão possuem maior pressão, logo geram maior potência. 

Ciclo Atkinson 

O ciclo Atkinson, criado por James Atkinson é anterior ao ciclo Miller (1882) e tem como semelhança em relação ao Miller a abertura da válvula de admissão durante a fase de compressão, mas com uma diferença: nos motores que funcionam com este ciclo não existe nenhum tipo de sobrealimentação. 

Estes motores caraterizam-se por serem bastante económicos e duráveis, mas são menos potentes do que os tradicionais motores que funcionam com o ciclo Otto, pois privilegiam a eficiência em detrimento da potência. 

Mesmo com essa possível limitação esse modelo é muito utilizado, encaixando-se de forma quase perfeita nas várias soluções híbridas, sejam elas HEV ou PHEV, como os novos Toyota C-HR ou o Prius, assim como outras propostas híbridas da marca japonesa. 

O sistema de propulsão do Toyota Prius funciona segundo o ciclo Atkinson
O sistema de propulsão do Toyota Prius funciona segundo o ciclo Atkinson

Apesar da maior economia de combustível, a redução de potência nestes motores é grande. O motor a gasolina do Toyota C-HR HEV é um 1,8 litros que rende uns modestos 98 cv e 142 Nm de binário, números que seriam escassos até para um motor de 1,4 litros. 

Neste e noutros casos, a potência inferior do motor de combustão é equilibrada pela força de um ou dois motores elétricos, daí a potência combinada ser muito raramente a soma aritmética dos dois motores. 

Ciclo Budack

Criado em 2004 pelo engenheiro alemão Ralf Budack, o ciclo “B” tem também como objetivo aumentar a eficiência dos motores, por isso o princípio de funcionamento é uma evolução do ciclo Miller. 

Apesar de ser uma solução promissora, só começou a ser aplicada muito recentemente, nomeadamente em 2017. 

A principal caraterística desta solução tecnológica reside no facto de também serem feitas modificações na abertura das válvulas, porém esse controlo é variável. Quando o motor está sob uma exigência menor o tempo de admissão é mais curto. Ao invés, quando há necessidade de um maior desempenho, o tempo de admissão fica mais longo, para que se alcance mais potência.

A motorização híbrida plug-in do novo Volkswagen Tiguan
A motorização híbrida plug-in do novo Volkswagen Tiguan

Todo o controlo no ciclo Budack é feito eletronicamente com a ajuda de sistemas hidráulicos avançados, quatro válvulas em cada cilindro e dupla injeção (direta e indireta) e turbo. 

Uma aplicação deste ciclo é o novo motor 2.0 litros turbo do grupo VW estreado na nova geração do VW Tiguan.

Para compensar a fase de compressão mais curta a VW aumentou a taxa de compressão para uns expressivos 11,7:1, um valor elevado tendo em conta que se trata de um motor sobrealimentado.