HTE Sobre Rodas #5 – Entenda os motores híbridos da F1

Texto: João Magalhães

A Fórmula 1 teve seu regulamento técnico radicalmente alterado para a temporada 2014. Na tentativa de buscar tecnologias mais eficientes e que proporcionassem um impacto ambiental menos severo, foram feitas mudanças enormes na forma de construção dos motores da maior categoria do automobilismo mundial. Após duas temporadas completas com o novo regulamento, o que se viu foi um caminhão de críticas.

O ruído dos motores mudou muito (e diminuiu muito), os tempos de volta aumentaram e o pior: o grande público passou a ter muita dificuldade em entender como funcionam os novos propulsores. As punições por troca de motor passaram a ser aplicadas de acordo com a necessidade de troca de cada peça. A tecnologia de recuperação de energia se mostrou algo bem complexo, causando várias quebras e elevando o custo das equipes às alturas.

Provavelmente pouca gente vai gostar desses novos motores, que nem motores se chamam mais. Agora são “Power Units“, ou Unidades de Potência. Mas que tal fazer um esforço para, pelo menos, entender como essas geringonças funcionam? Hoje vou tentar explicar para você, que é leigo e gosta de corridas, como funciona essa parafernália toda que empurra os F1 atuais.

Até 2013 as equipes da F1 utilizavam motores V8 de 2.4L naturalmente aspirados. Eles eram capazes de entregar aproximadamente 750cv de potência. À partir da temporada 2014, os carros passaram a ser equipados por motores de combustão interna V6 Turbo 1.6L com aproximadamente 600cv de potência, acompanhados de sistemas de recuperação de energia com propulsão elétrica, capazes de entregar 160cv adicionais. Se você não entendeu nada, vou tentar explicar. E bem do início, porquê você precisa entender como funciona um motor comum para entender os híbridos.

Como funcionam, afinal, os motores de combustão interna? São aqueles que temos nos nossos carros de rua e equipam os carros de corrida convencionais. Eles transformam energia química (dos combustíveis) através de processos térmicos (a queima, ou combustão) em energia mecânica (a energia entregue às rodas, produzindo movimento). Na figura abaixo está o desenho de um cilindro de um motor.

Cilindro
Fonte: Máquinas de Combustão Interna – Franco Brunetti

Como podem ver, existe um pistão dentro do cilindro. Ele funciona de forma parecida à de um êmbolo de uma seringa. Dentro deste cilindro são injetados combustível e ar. Essa mistura é comprimida pela parte superior do pistão e então a faísca de uma vela de ignição faz com que o fluído comprimido entre em combustão. Ou seja, ele queima. Assim, ele se expande em uma velocidade enorme, aumentando subitamente a pressão dentro do cilindro. Isso faz com que o pistão seja empurrado para baixo. Depois, por inércia, o pistão sobre novamente empurrando os gases queimados para fora. Então, ocorre a descida do pistão, recomeçando todo o ciclo.

A parte de baixo do pistão está conectada à uma biela, que por sua vez conecta-se ao eixo principal do motor, o virabrequim. E é assim que se produz energia mecânica em um motor de combustão. Disso tudo que eu escrevi, anote aí: o motor precisa de admitir combustível e ar. Após a queima, os gases queimados são expulsos pelo escapamento.

Ah! Sabe aqueles valores que mencionei sobre os motores? 1.6L, 2.4L? Sabe aquele seu carro 1.0L? Pois é. Esse valor é nada mais que o volume útil total que o motor é capaz de deslocar dentro dos cilindros. É aquele “V1” hachurado do lado direito da imagem. Por exemplo: um carro 1.0 de 4 cilindros (os populares mais comuns) possuem 250mL de volume útil em cada cilindro.

Voltemos aos híbridos da F1. Lembra do Turbo? Ele é um sistema que empurra mais ar para dentro do motor, com a finalidade de aumentar a potência sem aumentar as dimensões da máquina. E ele faz isso aproveitando os gases do escape do motor! Como? Assim: uma turbina (algo parecido com um ventilador) é acoplada junto ao escapamento. Os gases que saem giram essa turbina. Ela está conectada por um eixo à um compressor (outro conjunto de pás parecido com um ventilador), que suga o ar ambiente e empurra para dentro do motor à uma velocidade altíssima. Os F1 atuais possuem um turbo que gira à 100.000 RPM (!!!!!).

Motor Turbo
Fonte: Jornal Hoje em Dia

Os motores turbo admitem uma quantidade de ar muito maior no mesmo espaço de tempo. Isso faz com que ele possua um torque muito maior, em rotações menores. A dirigibilidade em carros de corrida é alterada. Saídas de traseira nas saídas de curva tornam-se bem comuns.

Agora, como funcionam os sistemas de recuperação de energia? Primeiro, um conceito importante para entendê-los: máquinas elétricas podem trabalhar tanto como motor quanto como gerador. Se uma máquina for alimentada com determinada tensão (voltagem para os menos íntimos), irá começar a girar. Mas se você girar o eixo de uma máquina desligada a determinada velocidade, irá gerar energia (tensão, voltagem) nos terminais dessa máquina! Não é lindo?

Pois é. Vamos aos V6 Híbridos da F1. Pouco populares, mas obras primas da engenharia.

Existem dois elementos no sistema de recuperação de energia: o MGU-K e o MGU-H. MGU significa “Motor Generator Unit“, ou “Unidade Motor Gerador”. “K” vem de “Kinetic“, e é o sistema responsável por recuperar a energia cinética desperdiçada nas freadas. Já vou te explicar como. O “H” vem de “Heat“, calor em português. Esse cara recupera energia através dos gases do escapamento.

O MGU-K é um motor elétrico acoplado ao eixo principal do motor (lembra do virabrequim?). Ele gira livremente nas freadas (trabalhando como gerador), o que gera determinada quantidade de energia que é armazenada em uma bateria. Quando solicitado (automaticamente pela central eletrônica do carro, o piloto não possui esse controle), o MGU-K trabalha como motor e entrega potência adicional ao eixo virabrequim. Lembra dos 160cv do sistema híbrido? Eles são entregues pelo MGU-K.

Vamos ao MGU-H. Esse sujeito também é uma máquina elétrica que trabalha tanto como motor quanto como gerador. Ele não está ligado ao eixo principal, como o MGU-K, e sim acoplado diretamente ao eixo do Turbo. Quando o piloto está acelerando, o turbo gira loucamente, empurrando ar para dentro do motor. Esse movimento gira o MGU-H, que assim, gera energia à ser armazenada na bateria. Essa energia fica disponível para acionar o MGU-K.

Já nas desacelerações, o MGU-H é acionado como motor, e então força o giro do turbo para que ele se mantenha em altas rotações, garantindo a sobrealimentação de ar e consequentemente mantendo a potência elevada. Não custa dizer que isso tudo é controlado por uma central eletrônica muito robusta. Mas qualquer falha eletrônica pode inutilizar tudo.

A coisa toda pode ser vista nesse vídeo da Renault. Está em inglês, mas ele é muito explicativo. Mesmo que você não entenda a língua, pode ser legal assistir.

https://www.youtube.com/watch?v=gNs4Sa2y3wA

Ah. Sabe por quê eles fazem menos barulho? Primeiro o Turbo. Motores com turbo-compressores têm o som mais grave e abafado. É uma característica do sistema de escape deles. Estes V6 Híbridos também trabalham com rotações menores que os antigos V8 e V10. Além disso, possuem dois cilindros a menos, não é mesmo? O ruído dos motores elétricos é nulo perto do motor de combustão.

Eu não sou defensor desses motores na F1. A categoria é tradicional demais. Gostaria de ver V10 beberrões por lá. Custam mais barato, gritam muito alto e empurram com bastante força.

Mas não dá pra negar. Esses V6 são uma obra de arte da engenharia. Que sejam muito bem utilizados. Mas precisa ser na F1?

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