O preço na bomba subiu novamente. Você olha para o bico, faz as contas mentais e se pergunta se é hora de abandonar o motor de combustão interna para sempre. Talvez a ideia de trocar seu motorista diário por um veículo elétrico plug-in (BEV) passe pela sua cabeça. Mas a ansiedade de alcance é real. Você quer eficiência. Você quer emissões mais baixas. Você não quer ficar preso a uma estação de carregamento por três horas após uma viagem.
Entre no carro híbrido.
É o meio termo. Mas o que realmente está acontecendo sob o capô para espremer 20 ou 30 milhas extras por galão de um tanque de gasolina? Uma melhor quilometragem significa automaticamente uma pegada mais limpa? E onde o plug-in híbrido se enquadra nessa equação?
Estamos desmontando a mecânica do híbrido gasolina-elétrico. Veremos como esses sistemas combinam fontes de energia e como você pode acioná-los para maximizar a eficiência.
Energia a Gasolina vs. Energia Elétrica
Um híbrido é literalmente um híbrido. Ele pega o melhor do mundo do ICE (motor de combustão interna) e o combina com o trem de força elétrico. Para compreender o compromisso, é preciso olhar para os extremos.
O carro a gasolina:
1. O tanque de combustível contém gasolina.
2. A gasolina alimenta o motor.
3. O motor gira a transmissão.
4. A transmissão gira as rodas.
O carro elétrico:
1. A bateria armazena eletricidade.
2. As baterias alimentam o motor.
3. O motor gira a transmissão.
4. A transmissão gira as rodas.
O híbrido tenta manter a comodidade de reabastecer em um posto de gasolina e ao mesmo tempo reduzir o consumo de combustível da primeira opção. É um equilíbrio entre densidade de energia e torque elétrico.
A anatomia de um híbrido gasolina-elétrico
Os híbridos não são apenas um motor a gasolina com uma pequena bateria instalada. São sistemas complexos. Aqui estão os componentes principais que fazem a mágica acontecer.
O motor a gasolina
Parece um motor padrão, mas é ajustado de forma diferente. Os híbridos normalmente usam motores menores – às vezes de quatro cilindros, onde um V6 viveria em um carro convencional. Eles usam tecnologia avançada para queimar de forma mais limpa e eficiente. O motor nem sempre é o driver principal.
O tanque de combustível
É aqui que a densidade de energia é importante. A gasolina tem um impacto enorme em comparação com as baterias. Para armazenar a mesma quantidade de energia que apenas um galão de gasolina, seriam necessários cerca de 1.000 libras de células de bateria. Esse peso é proibitivo para a maioria dos veículos de passageiros. O tanque de combustível continua sendo a principal fonte de energia de longo alcance.
O motor elétrico
Estes não são simples começos. São unidades sofisticadas controladas por eletrônica avançada. Um motor elétrico em um híbrido é uma via de mão dupla. Ele atua como um motor, extraindo energia das baterias para ajudar a acelerar o carro. Mas também pode funcionar como gerador. Quando você pisa no acelerador ou pisa no freio, o motor inverte sua função. Ele captura energia cinética e a devolve às baterias. Esta é a frenagem regenerativa em ação.
O Gerador
Diferente do motor de tração, a única função deste componente é produzir eletricidade. É encontrado principalmente em configurações híbridas em série. Não gira as rodas diretamente.
As baterias
Eles armazenam a energia para o motor elétrico. Ao contrário do tanque de combustível, que apenas libera energia, a bateria híbrida pode receber energia. O motor elétrico devolve energia durante a desaceleração e o motor a gasolina pode carregá-lo durante a condução.
A Transmissão
É aqui que os designs divergem enormemente. Alguns híbridos usam transmissões convencionais. O Honda Insight, por exemplo, usa uma arma de fogo automática multi-marcha. Outros, como o Toyota Prius, usam uma arquitetura fundamentalmente diferente que combina o motor e a entrada do motor continuamente.
Híbridos Paralelos
Num híbrido paralelo, ambas as fontes de energia estão ligadas às rodas. O motor a gasolina pode girar a transmissão. O motor elétrico também pode girar a transmissão. Eles podem trabalhar juntos.
Em baixas velocidades, o motor elétrico pode fazer todo o trabalho. Em velocidades de rodovia ou sob forte aceleração, o motor e o motor entram em ação simultaneamente. É uma abordagem direta. Você obtém os benefícios do torque elétrico sem uma configuração complexa em série.
Série Híbridos
Os híbridos em série operam de maneira diferente. O motor a gasolina nunca aciona diretamente as rodas. Em vez disso, atua como um extensor de alcance.
O motor a gasolina gira um gerador. Esse gerador produz eletricidade. Essa eletricidade carrega as baterias ou alimenta o motor elétrico que aciona a transmissão. É essencialmente um carro elétrico com um gerador movido a gasolina a bordo. Essa configuração permite que o motor funcione constantemente em suas RPMs mais eficientes, independentemente da velocidade do veículo, mas introduz perdas de eficiência no processo de conversão.
O paradoxo da eficiência dos motores menores
O ingrediente secreto de uma estratégia de desempenho de carro híbrido não é apenas adicionar eletricidade; trata-se de tornar o motor de combustão interna menor. Um carro convencional precisa de um motor grande e sedento para gerar torque suficiente para uma aceleração rápida. Um híbrido troca aquele V-8 por um compacto de quatro cilindros ou mesmo uma unidade de três cilindros.
Por que encolher o motor aumenta a eficiência? Tudo se resume à física e ao atrito. Um grande motor é pesado. Cada vez que você acelera ou sobe uma colina, você carrega aquele metal extra. Dentro do bloco, pistões e virabrequins maiores requerem mais energia para subir e descer. Maior deslocamento do cilindro significa que mais combustível é injetado por curso. E não vamos esquecer os próprios cilindros – cada um deles dispara e queima combustível mesmo quando o carro está parado ou parado.
Dois carros idênticos, motores diferentes. Na rodovia a 65 mph, ambos precisam da mesma potência para manter a velocidade. Mas o motor menor queima menos combustível apenas para funcionar sozinho. Ele opera mais próximo de seu pico de carga, onde a eficiência térmica é mais alta, enquanto o grande motor funciona em rotações baixas e ineficientes.
Preenchendo a lacuna de poder
Então, como um motor minúsculo acompanha um Camaro ZL1? Isso não acontece. E não é necessário.
Em um carro tradicional, o motor é dimensionado para desempenho máximo. Você pisa em uma rampa de rodovia e o grande V-8 grita para fornecer torque máximo. Mas aqui está a dura verdade: a maioria dos motoristas usa essa potência de pico menos de 1% do tempo. O resto da viagem é deslocamento, cruzeiro e marcha lenta.
Os híbridos dissociam o poder da necessidade. O motor a gasolina é dimensionado para requisitos de potência média – o suficiente para manter o carro em movimento em velocidades de rodovia. Quando você precisa fazer uma fusão rápida ou subir uma ladeira íngreme, o motor elétrico entra em ação. Ele fornece o torque instantâneo que falta ao pequeno motor a gasolina. Esta sinergia significa que o motor nunca terá que se sobredimensionar para eventos raros e de alta demanda.
Cinco táticas para maximizar o MPG
Além da troca de motores, os híbridos empregam tecnologias específicas para extrair cada quilômetro de um galão. Alguns são truques de eficiência padrão; outros são exclusivos híbridos.
1. Frenagem regenerativa: capturando o calor residual
Quando você freia, você está essencialmente desperdiçando energia. A energia cinética se transforma em calor nas pastilhas de freio e se dissipa no ar. Num híbrido, essa energia não se perde.
O sistema usa frenagem regenerativa. Quando você tira o acelerador ou pisa no freio, o motor elétrico inverte sua função. Em vez de consumir energia para girar as rodas, ele atua como um gerador. A resistência desacelera o carro enquanto carrega simultaneamente a bateria de alta tensão. Você está capturando energia que de outra forma teria desaparecido.
2. Auto Start-Stop: acabando com a inatividade
Ficar parado é um desperdício de combustível. Nenhum trabalho está sendo feito, mas o motor está queimando gasolina. Os híbridos com sistemas avançados start-stop desligam completamente o motor quando o carro para, por exemplo, num sinal vermelho ou num trânsito intenso. No instante em que você libera o freio, o motor elétrico ou motor de partida é acionado para reiniciar o motor suavemente. Nenhum gás queimado enquanto o carro está parado.
3. Redução de arrasto aerodinâmico
Em velocidades de rodovia, o arrasto aerodinâmico é o inimigo. A principal função do motor não é mover o carro; está empurrando o carro pelo ar.
Os híbridos geralmente apresentam linhas de teto mais baixas, painéis inferiores mais suaves e até poços de rodas cobertos. Essas opções de design reduzem a área frontal e suavizam o fluxo de ar. Menos arrasto significa que o motor não precisa trabalhar tanto para manter a velocidade, melhorando diretamente a economia de combustível.
4. Pneus de baixa resistência ao rolamento
Os pneus padrão são um compromisso. Eles precisam ser silenciosos, confortáveis e aderentes na chuva ou na neve. Eles não são construídos para eficiência. Os carros híbridos usam pneus especializados de baixa resistência ao rolamento. Eles são mais rígidos e geralmente funcionam com pressões mais altas. Isso reduz a flexibilidade nas paredes laterais e o atrito na área de contato, permitindo que o carro role ainda mais com menos potência.
5. Redução de peso
O peso é o assassino da economia de combustível. Um carro mais leve requer menos energia para acelerar e menos energia para subir ladeiras. Os fabricantes usam materiais leves como alumínio, magnésio e plásticos compostos na carroceria e no chassi. Cada libra perdida se traduz em um ganho leve, mas cumulativo, em milhas por galão.
A pulsação do Prius
O dispositivo de divisão de potência é o verdadeiro coração do Toyota Prius. Você tem que respeitar isso. É uma caixa de câmbio inteligente que prende o motor a gasolina, o gerador e o motor elétrico, tudo em um nó apertado. É aqui que a mágica acontece. Ele permite que o carro opere como um híbrido paralelo. O motor elétrico pode alimentar o carro sozinho, o motor a gasolina pode alimentar o carro sozinho ou eles podem alimentar o carro juntos. É flexível.
Ele também atua como um híbrido em série. O motor a gasolina pode funcionar independentemente da velocidade do veículo. Ele apenas carrega as baterias ou fornece energia às rodas conforme necessário. Isso é eficiente.
O dispositivo de divisão de energia também atua como uma transmissão continuamente variável. Isso elimina a necessidade de uma transmissão manual ou automática. Sem mudança. Sem pedal de embreagem. Apenas entrega de energia suave. Finalmente, como o dispositivo de divisão de energia permite que o gerador dê partida no motor, o carro não precisa de partida. Essa parte simplesmente não existe.
O dispositivo de divisão de energia é um conjunto de engrenagens planetárias. É complexo, mas elegante. O motor elétrico é conectado à coroa do conjunto de engrenagens. Também está diretamente conectado ao diferencial. Esse diferencial aciona as rodas. Portanto, qualquer que seja a velocidade em que o motor elétrico e a coroa giram, determina a velocidade do carro. Física simples. Resultados poderosos.
O coração mecânico do sistema híbrido Toyota é o dispositivo de divisão de potência, um conjunto de engrenagens planetárias que gerencia o fluxo de energia entre o motor, o gerador e o motor de tração. Não é uma transmissão tradicional com marchas que mudam. Em vez disso, é um mecanismo continuamente variável onde a engrenagem solar se conecta ao gerador e o transportador planetário se conecta ao motor a gasolina. A engrenagem anelar? Isso está ligado ao eixo de saída que eventualmente aciona as rodas.
Como esses três componentes estão mecanicamente travados, eles não podem se mover de forma independente. A velocidade da coroa é a soma dos movimentos das outras duas. Eles têm que se coordenar constantemente. Se um acelerar, os outros deverão ajustar sua rotação para manter a física funcionando. É assim que o sistema controla a velocidade de saída sem uma embreagem ou caixa de câmbio convencional.
Quando você pressiona o acelerador com a paralisação, o motor a gasolina permanece desligado. O motor elétrico e a bateria fazem todo o trabalho pesado. O motor elétrico é conectado à coroa e começa a girar imediatamente, empurrando o carro para frente. Mas aqui está o truque: o porta-planetas, preso ao motor, está estacionário. O motor ainda não está funcionando.
Como a coroa está girando e o suporte planetário está preso, as engrenagens planetárias precisam girar em seus próprios eixos. Este movimento giratório gira a engrenagem solar. A engrenagem solar está conectada ao gerador. Assim, conforme você acelera no modo elétrico, o gerador gira. Ainda não gera eletricidade para a bateria; ele apenas gira para manter o motor desengatado. O gerador gira exatamente na velocidade necessária para cancelar o movimento da coroa em relação ao suporte planetário. Isso mantém o eixo do motor completamente imóvel. É um truque mecânico elegante.
Quando o motor liga
Este modo somente elétrico dura até atingir cerca de 64 km/h (40 mph). Nesse ponto, o sistema decide que é hora de incluir o motor a gasolina na mistura. O gerador muda repentinamente sua velocidade de rotação. Esta mudança perturba o equilíbrio do conjunto de engrenagens planetárias. A força transmitida pelas engrenagens agora faz com que o porta-planetas gire.
O suporte planetário está travado no virabrequim do motor. Assim, assim que começar a girar, o motor começará a funcionar. É uma transição suave porque o motor já está sendo girado pelo sistema de transmissão antes de ligar. Não há necessidade de motor de partida para colocar o motor em movimento; o sistema híbrido atua como motor de partida.
Quando o motor está em marcha lenta e funcionando, ele atinge uma velocidade constante. O gerador muda agora a sua velocidade continuamente para corresponder às necessidades de produção do motor de tração e das rodas. Isto permite que o motor opere na sua faixa de RPM mais eficiente, independentemente da velocidade do carro. O gerador varia sua velocidade para corresponder à velocidade de saída do motor elétrico, garantindo que o motor não precise arrastar ou girar descontroladamente.
Se você pisar no acelerador, o motor elétrico consumirá corrente extra da bateria de alta tensão para aumentar o torque. Mas quando você atinge a velocidade da rodovia, o carro funciona com uma mistura de gasolina e energia elétrica. Toda a eletricidade utilizada nessa fase vem do gerador, que é acionado pelo motor. A bateria é essencialmente um buffer, armazenando energia durante a frenagem e liberando-a durante a aceleração.
De quanta potência você realmente precisa?
Há uma enorme desconexão entre a potência listada no emblema de um carro e a potência realmente necessária para manter a velocidade nas rodovias. A maior parte do que um carro faz na estrada utiliza apenas uma pequena fração de sua produção total.
Quando você navega a 96,6 km/h (60 mph) em uma estrada plana, seu motor está lutando contra três forças principais:
- Arrasto aerodinâmico. A resistência do ar aumenta com o quadrado da sua velocidade. Empurrar pelo ar exige poder.
- Atrito mecânico. Isso inclui a resistência ao rolamento dos pneus, o atrito na transmissão, nos eixos e nas pinças de freio.
- Cargas de acessórios. O compressor do ar condicionado, a bomba da direção hidráulica e os sistemas elétricos consomem energia do motor.
Para a maioria dos sedãs modernos, superar essas forças a 60 mph requer menos de 20 cavalos de potência. Então, por que os fabricantes constroem motores com 200 cavalos de potência? Porque você precisa dessa reserva de energia para ultrapassar, entrar em rodovias ou acelerar fora de cruzamentos. Esse momento de “acelerar” é o único momento que você usa perto da produção total. Na grande maioria das vezes que você dirige, você usa uma pequena porcentagem da potência disponível.
Esta lacuna de eficiência é a razão pela qual os híbridos são tão atraentes. Eles usam o motor elétrico para lidar com as demandas de baixa velocidade e alto torque que, de outra forma, desperdiçariam combustível.
Dicas de quilometragem híbrida: dirigindo para eficiência
O desejo de aceleração rápida é inimigo da economia de combustível. Você provavelmente já percebeu isso na concessionária. Um carro com um motor menor e menos potente geralmente tem melhores classificações de MPG em cidades e rodovias do que um modelo idêntico com motor turboalimentado ou maior. Mais potencial de energia significa que mais combustível é queimado para criar esse potencial, mesmo que você não o utilize.
Para obter a melhor quilometragem de um híbrido, você não precisa de um carro novo. Você só precisa de hábitos diferentes. Os princípios são os mesmos de qualquer carro a gasolina, mas o sistema híbrido amplia as recompensas.
Dirija mais devagar
O arrasto aerodinâmico é o maior fator na eficiência da rodovia. A força da resistência do ar aumenta dramaticamente com a velocidade. A 70 mph (113 km/h), o arrasto é aproximadamente o dobro daquele a 50 mph (81 km/h). Dobrar o arrasto não duplica a potência necessária, mas aumenta-a significativamente. Manter a velocidade baixa, mesmo em 5 ou 10 mph, pode gerar ganhos mensuráveis em MPG.
Mantenha uma velocidade constante
Cada vez que você acelera, você queima energia para aumentar a energia cinética. Quando você freia, essa energia é dissipada na forma de calor. Num híbrido, a travagem regenerativa recupera parte, mas não tudo. Ao manter uma velocidade constante, você minimiza a energia perdida nos ciclos de frenagem e aceleração. O controle de cruzeiro ajuda, mas seu pé geralmente fica melhor. Antecipe o fluxo do trânsito e mantenha o pedal firme.
Evite paradas abruptas
É aqui que os híbridos brilham. Quando você freia suavemente, o motor elétrico atua como um gerador. Ele resiste à rotação das rodas, desacelerando o carro enquanto converte a energia cinética novamente em eletricidade, que vai para a bateria. Quanto mais forte e rápido você para, mais os freios mecânicos assumem o controle. Os freios mecânicos convertem essa energia em calor e a desperdiçam totalmente.
Se você der tempo ao motor elétrico para desacelerar o veículo, ele recuperará mais energia. Isto também se aplica aos carros a gasolina, mas o efeito é mais pronunciado nos híbridos porque a energia recuperada é diretamente utilizável na próxima aceleração. Entradas suaves não são apenas uma questão de conforto. Eles são sobre eficiência.
Fontes
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