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Como funciona o cabeçote Freevalve, do Koenigsegg Gemera

Em setembro de 2020, a fabricante de superesportivos Koeniggsegg surpreendeu os autoentusiastas com uma tecnologia aplicada há mais de duas décadas em monopostos de Fórmula 1 e outros modelos de competição: o cabeçote sem comando ou FreeValve.

Mesmo com vasta aplicação nas pistas, o propulsor do Gemera, um 2.0 de apenas três cilindros entrega 600 cv e 61,2 kgf.m, perfazendo uma potência específica astronômica de 300 cv/l. Ele atua em conjunto com Outra grande vantagem consiste no baixo peso, de apenas 85 quilos, próximo ao de muitos motores de motocicleta.

A partir daí, começam os questionamentos: “ah, mas o Koenigsegg é um superesportivo, isso não vai chegar nos carros que a gente pode comprar”, “a manutenção vai ser muito cara” e por aí vai. É necessário ressaltar que a maioria dos grandes grupos automotivos já trabalham na pesquisa e desenvolvimento da tecnologia FreeValve há pelo menos dez anos, e a perspectiva de se tornar o padrão da indústria é promissora.

Este artigo explica de maneira resumida o funcionamento de um cabeçote com atuadores pneumáticos ou hidráulicos, também conhecido como FreeValve.

POR QUE O FREEVALVE É PROMISSOR?

O cabeçote do motor a combustão interna possui muitas partes móveis: comandos, cames, tuchos, molas, válvulas e correia do comando ou corrente, dentre outros componentes. Todos esses componentes possuem massa de inércia e a ligação do comando de válvulas com o virabrequim por meio da correia do comando aumenta o momento de inércia e consome a potência do motor.

Em comparação com um motor convencional, pode haver uma redução de até 50% no tamanho do conjunto, incluindo uma redução de até 50 milímetros na altura, facilitando o rebaixamento do centro de gravidade do veículo e permitindo a instalação em modelos com pouco espaço no compartimento do motor ou até em motocicletas. Um alívio de até 30% no peso do propulsor também permite projetar veículos mais compactos e com melhor distribuição de peso.

Christian von Koenigsegg, proprietário da fabricante de mesmo nome, estima que, em comparação com um motor convencional, pode haver uma redução de até 50% no tamanho do conjunto, incluindo uma redução de até 50 milímetros na altura, facilitando o rebaixamento do centro de gravidade do veículo e permitindo a instalação em modelos com pouco espaço no compartimento do motor ou até em motocicletas. Um alívio de até 30% no peso do propulsor também permite projetar veículos mais compactos e com melhor distribuição de peso.

COMO FUNCIONA

O cabeçote com válvulas pneumáticas funciona da mesma maneira das demais máquinas pneumáticas, eletromagnéticas ou hidráulicas utilizadas em automação industrial. Ao invés da abertura e fechamento das válvulas ocorrer por meios mecânicos, sincronizados com o virabrequim por meio de correia dentada ou corrente, um atuador eletropneumático ou eletro-hidráulico gerencia eletronicamente a abertura e fechamento das válvulas, incluindo seu tempo e altura.

Em situações da baixa carga, um propulsor com quatro válvulas por cilindro – duas de admissão e duas de escape – pode desativar uma de cada com vistas a economizar combustível, ou desativar todo o cilindro. Em regimes de baixa rotação, a abertura das válvulas é pequena e a unidade central de gerenciamento eletrônico (ECU) aumenta a velocidade e abertura gradativamente, conforme a rotação do motor se eleva.

Em um cabeçote convencional, a abertura e fechamento das válvulas depende da rotação do motor, posto que os comandos de válvulas são acionados pela correia dentada, ligada ao virabrequim. No sistema eletropneumático, as válvulas podem ser acionadas de maneira independente, segundo os parâmetros estipulados no software de gerenciamento do sistema de alimentação.

Isto é, se os os sensores do sistema de alimentação detectarem que um cilindro sofre detonação (“batida de pino”), combustão incompleta ou trabalhe em temperatura abaixo ou acima da ideal pode ser corrigido independente dos demais, por meio do aumento ou redução ou desativação da abertura e fechamento da válvula.

As fases de admissão e escape são gerenciadas de maneira independente. No ciclo de admissão, é possível trabalhar com mistura mais pobre sem sofrer com superaquecimento de um dos cilindros, corrigindo a relação estequiométrica de modo individual, por meio da variação no tempo e altura da abertura de válvulas.

Na fase de escape, permite atingir em menor tempo a temperatura de trabalho dos gases de escape por meio da variação na abertura e fechamento de válvulas. Chegar antes à fase quente do funcionamento do motor, ativando a conversão catalítica rapidamente, resultando em consumo de combustível e emissão de poluentes até 50% menores.

O vídeo abaixo, da própria Koenigsegg, descreve o funcionamento do Freevalve:

DESENVOLVIMENTO DA TECNOLOGIA

A tecnologia de cabeçote sem comando tem recebido investimentos de pesquisa e desenvolvimento por várias empresas, incluindo RenaultBMWFiatValeoGeneral MotorsRicardoLotusFord, e a empresa pareceira da Koenigsegg’s, a FreeValve, a qual batiza o nome mais popular do sistema. Algumas soluções já se encontram disponíveis comercialmente, apesar de ainda não estar em modelos mais acessíveis.

Desde a década de 80, monopostos de competição já utilizam comandos de válvula pneumáticos ou hidráulicos, com e sem gerenciamento eletrônico. A partir dos anos 90, categorias como Fórmula 1, Indy, DTM e WEC utilizam este sistema com tecnologia e refinamento cada vez maiores. Quem não se lembra do ronco dos V10 que dominaram a categoria de 1995 a 2005?

No primeiro semestre de 2015, Christian von Koenigsegg já havia dito à imprensa especializada que a tecnologia desenvolvida pela FreeValve estaria “pronta para ser desfrutada”, mas não havia fixado um prazo para lançamento, o qual ocorreu somente cinco anos depois.

Em novembro de 2016, a marca premium chinesa Qoros expôs o Qoros 3 hatchback no Salão do Automóvel de Guangzhou, apresentando o motor Qoros “Qamfree”. A preparadora de motores sueca FreeValve afirma que sua unidade motriz 1.6 turbinada entrega 170 kW (233 cv) de potência e 320 N.m (32,6 kgf.m) de torque.

Christian von Koenigsegg diz que o motor “Qamfree”, com a tecnologia de cabeçote eletropneumático se baseia em outra unidade já existente na Qoros e foi “desenvolvida na Alemanha e Áustria cerca de dez anos atrás”.

Christian von Koenigsegg também afirma que o cabeçote com atuadores eletropneumáticos permite a elminação do pré-catalisador, pois o catalisador convencional pode atingir sua temperatura de trabalho mais rapidamente com a melhoria da fase de escape dos ciclos Otto, Diesel, Atkinson e similares.

VANTAGENS

Como os motores com comando de válvulas eletropneumático possuem menos partes móveis, como os comandos de válvulas, cames, tuchos e correia dentada ou corrente são substituídos pelos atuadores eletro-hidráulicos. Como os sistemas de gerenciamento da alimentação e demais componentes do sistema não recebem grandes modificações, a manutenção tende a ser simplificada devido à menor quantidade de partes móveis no motor.

Como a sincronização das válvulas deixa de ser mecânica e passa a ser feita eletronicamente, o tempo de abertura e fechamento das válvulas pode ser feito de maneira independente, facilitando a desativação de válvulas de admissão, escape ou de um cilindro inteiro, de modo individual ou agrupado.

Somado a isso, como não existe conexão entre o cabeçote e o virabrequim por meio da correia dentada ou corrente, muitos componentes com grande peso e momento de inércia são dispensados, reduzindo o risco de “atropelar válvulas”, falha causada pela perda de sincronia entre a subida e descida dos pistões e a abertura e fechamento das válvulas. Em uma situação de falha mecânica, a central eletrônica mantém as válvulas fechadas ou reduz a sua abertura de modo que não colidam com a cabeça dos pistões, evitando danos ao cabeçote.

A ausência dos comandos de válvulas também reduzem a perda de potência da correia dentada, gerando aumento da potência disponível, redução do consumo e redução da emissão de poluentes. Isso significa que o sistema FreeValve melhora o rendimento do motor, entregando até 30% mais potência e torque, economia de combustível estimada em 30% e redução nas emissões de até 50%, segundo a própria Koenigsegg.

REDUÇÃO NA EMISSÃO DE POLUENTES

Cabeçote FreeValve, com atuadores pneumáticos e gerenciado eletronicamente

Motores a combustão equipados com cabeçotes eletropneumáticos geram menores emissões de poluentes devido ao controle mais preciso na abertura e fechamento das válvulas, permitindo queima de combustível mais eficiente. A central eletrônica detecta a queima incompleta de combustível e atua imediatamente na variação do tempo de abertura e fechamento da válvula, reduzindo a injeção de combustível naquele cilindro. A ECU (unidade eletrônica central, em inglês) ajusta constantemente o tempo de abertura das válvulas, altura das válvulas e a mistura ar/combustível para otimizar a eficiência em dado regime de funcionamento.

A central eletrônica detecta quando há alta emissão de NOx (óxidos nitrosos) e SOx (óxidos sulfurosos) e altera os regimes de funcionamento para aquecer ou resfriar os gases de escape, reduzindo as emissões. Dado que o gerenciamento do motor passa a ser eletrônico e não mecânico, como nos cabeçotes convencionais, os motores com cabeçote eletropneumático poderão atender as novas normas de emissão de poluentes sem grandes alterações mecânicas.

Leia este artigo sobre os gases poluentes que os veículos equipados com motores a combustão emitem

POR QUE AINDA NÃO CHEGOU AOS MODELOS CONVENCIONAIS?

Como os cabeçotes eletropneumáticos têm a abertura de válvulas controlada eletronicamente e dispensa a correia sincronizadora, o sistema dispensa a famigerada troca de correia dentada. Quem, em sã consciência, não gostaria de dispensar esta manutenção cara e complicada, e ainda ter aumento de potência e redução de consumo de combustível de até 30%? Sem falar na redução das emissões pela metade?

Para uma nova tecnologia ser implementada em modelos de série, produzidos aos milhões, ela precisa se submeter a extensos testes em laboratório e de campo, com centenas de protótipos de motores e veículos passando por dezenas de milhares de horas de teste, assim como por milhões de quilômetros rodados em testes.

Os fabricantes garantem que o propulsor deve durar pelo menos 240 mil quilômetros sem falhas, e os departamentos de qualidade são muito rigorosos em relação à taxa de falhas. Um sistema aplicado em larga escala pode dar prejuízos enormes em caso de grande número de falhas, em conjunto com os danos à reputação da marca.

Os motores com cabeçotes com atuadores eletropneumáticos se encontram em fase avançada de testes, mas nenhum recebeu validação para ir às ruas por um grande fabricante, devido à não conclusão dos testes de durabilidade. O Koenigsegg Gemera e os preparadores independentes já oferecem o produto e colaboram com outras empresas.

PREPARAÇÃO

Mesmo com a espera em aplicar a nova tecnologia em modelos de série devido aos requisitos de durabilidade ainda não se enquadrarem no padrão da indústria, algumas preparadoras estrangeiras já oferecem a troca do cabeçote convencional para um eletropneumático ou eletro-hidráulico como upgrade de preparação, com resultados notáveis no aumento de performance.

Os sistemas convencionais de acionamento de válvulas precisam respeitar o limite de giros do motor, sob o risco de “flutuar válvulas” e perder a sincronia, causando grande perda de rendimento em altos giros. Como os cabeçotes sem comando são gerenciados peça ECU, é possível aumentar ainda mais a rotação máxima do motor acima de 10 mil ou até 15 mil rotações por minuto, permitindo enormes aumentos de potência.

A época dos motores V10 na Fórmula 1, de 1995 a 2005, foi o ápice do desenvolvimento dos cabeçotes eletropneumáticos e eletro-hidráulicos, atingindo rotações de até 22 mil rpm. Confira o vídeo:

Este tipo de preparação estará disponível em breve para os motores convencionais, para funcionar em conjunto com remapeamentos, turbocompressores, downpipes, pistões, bielas e virabrequins forjados e demais preparações.

Confira aqui o vídeo promocional do Koenigsegg Gemera:

O TRUNFO PARA OS MOTORES À COMBUSTÃO

Da mesma maneira que os carros movidos a diesel eram considerados mais ecologicamente corretos há vinte anos, o hype ambiental do momento são os automóveis híbridos e elétricos, tidos como mais “verdes” na atualidade. O escândalo do dieselgate jogou por terra o primeiro e a página Educação Automotiva já explicou porquê acredita que os carros movidos a bateria não salvarão o meio ambiente.

Se Christian von Koenigsegg estiver correto, os veículos movidos a gasolina, diesel e etanol se tornarão mais ambientalmente corretos que os elétricos e suas baterias de lítio. Uma combinação de todas as fontes de propulsão e a possibilidade de produzir veículos acessíveis que percorram até 30 quilômetros com um litro de gasolina serão uma realidade.

Aqueles consumidores que gostam e acreditam nos tradicionais motores a combustão interna poderão seguir abastecendo seus veículos na bomba, com grande economia financeira e bom desempenho, com prazer ao dirigir. Deixe nos comentários se você acredita que os motores com comandos eletropneumáticos serão o padrão no futuro.

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