Desenho em corte do acionamento da válvula FlexWork. Crédito:Empa
O trem de válvulas é o "órgão respiratório" dos motores de combustão:ele gerencia a aspiração de ar fresco e a descarga dos gases de escapamento, que é referido como "troca gasosa". Hoje, apenas árvores de cames acionadas mecanicamente são usadas na produção em série para esta finalidade, frequentemente equipado com um mecanismo adicional, alguns dos quais são bastante complexos. Isso permite modificar um padrão de movimento da válvula dado pelo eixo de comando, o que não é possível sem um aumento na fricção. Ao mesmo tempo, flexibilidade não é dada na extensão desejada. O que está em demanda - entre outras coisas para adaptação às mudanças nas propriedades do combustível - são movimentos rápidos da válvula, mesmo em baixas velocidades, adaptações de curso e sincronismo de válvula amplamente variável com seleção de cilindro.
Troca de gás otimizada e menos atrito economizam combustível
Patrik Soltic e sua equipe do laboratório Automotive Powertrain Technologies da Empa, junto com o especialista em hidráulica Wolfgang Schneider, inventou e desenvolveu um trem de válvula eletro-hidráulica que é significativamente mais flexível do que a tecnologia de produção em série de hoje. As válvulas são acionadas hidraulicamente e controladas eletricamente por meio de uma bobina solenóide. Assim que uma corrente de controle flui, uma válvula hidráulica especialmente projetada se abre, permitir que o fluido hidráulico abra a válvula de troca de gás na extensão desejada em milissegundos contra uma mola. Quando a corrente é desligada, a válvula de troca de gás é fechada novamente pela força da mola e alimenta uma grande parte da energia hidráulica necessária para a abertura de volta para o sistema hidráulico. O sistema atinge uma necessidade de energia significativamente menor em uma ampla faixa de operação em comparação com os sistemas acionados por eixo de comando. Junto com uma troca de gás otimizada, o consumo de combustível do motor de ignição por centelha de teste é cerca de 20 por cento menor do que com o controle de válvula convencional usando um acelerador em combinação com árvores de cames na faixa de baixa carga típica para carros de passageiros.
Adaptável a combustíveis renováveis
Ao selecionar os parâmetros operacionais, os tempos de abertura e fechamento, bem como a elevação da válvula para cada cilindro, podem ser escolhidos de forma totalmente irrestrita. Isso significa que cada condição de operação do motor pode variar de ciclo para ciclo, por exemplo, por controle de carga inteligente, selecionando a quantidade de gás residual restante no cilindro (recirculação dos gases de escape), ou desativando cilindros desnecessários sem que o motorista perceba. Isso torna o motor altamente adaptável a novos combustíveis renováveis:combustíveis que contêm oxigênio, como metanol ou etanol, por exemplo, permitir que mais gás residual permaneça no cilindro. Gás natural, o biogás e o gás de síntese gerados a partir da energia eólica e solar oferecem maiores propriedades anti-detonação, e o trem de válvula também pode reagir com flexibilidade a isso. Além disso, conceitos de combustão alternativos também podem ser implementados comparativamente facilmente, por exemplo, autoignição homogênea:uma mistura ar-combustível é inflamada no momento certo sem faíscas de ignição, estabelecendo-se as condições corretas no final da compressão. A mistura é queimada quase sem poluição.
Modelo do acionamento da válvula FlexWork, montado em um motor de produção em série. Crédito:Empa
Cabeça do cilindro sem óleo
Outra especialidade do sistema montado na Empa é a escolha do fluido hidráulico:em vez de usar o óleo como de costume, uma mistura de água-glicol, ou seja, água de resfriamento do motor, pode ser usado. Devido às suas propriedades físicas, este meio é muito adequado para sistemas hidráulicos de comutação rápida, pois é muito rígido e, portanto, cria menos perdas hidráulicas. Isso torna a cabeça do cilindro completamente livre de óleo, o que pode permitir que um óleo de motor mais barato com intervalos de troca estendidos seja usado para o resto do motor.
Vários meses de operação de teste
Como parte do projeto "FlexWork" financiado pelo SFOE, o novo trem de válvulas foi colocado em operação em um motor de carro de passageiros movido a gás natural e derivado de um motor VW 1.4l TSI. Os componentes necessários foram fabricados na própria oficina da Empa. O sistema de controle do motor de teste foi desenvolvido pelos próprios pesquisadores da Empa. O trem de válvula está funcionando em uma bancada de teste de motor Empa desde outubro de 2018 e já sobreviveu a muitos milhões de ciclos em operação de motor acionado perfeitamente.
O controle de válvula FlexWork precisa apenas de componentes de baixo custo. Não é caro, válvulas de comutação muito rápidas e sem sensores complexos são necessários. O sistema de trem de válvula foi apresentado a especialistas técnicos na revista MTZ Worldwide no dia 16 de agosto. A Empa está em negociações com fabricantes de motores para a transferência dessa tecnologia, que é adequado não apenas para motores de combustão, mas também para compressores.
