Empuxo para os leves

Motores a pistão se tornam cada vez mais eficientes e confiáveis enquanto a indústria já experimenta soluções que prometem reduzir o consumo, como modelos a diesel e híbridos

Por Edmundo Ubiratan em 15 de Julho de 2015 às 00:00

Desde os primórdios da aviação, a propulsão sempre representou um dos principais desafios de engenheiros e projetistas. Ainda no século 19, mais precisamente em 1860, Alphonse Beau de Rochas imaginou um motor de combustão interna com ignição por centelha, que só seria concebido pelo engenheiro Nikolaus Otto anos mais tarde, em 1876, com um sistema de quatro tempos. Naquela época, os motores eram em geral estacionários e com grande volume, apesar da boa relação peso-potência, ou seja, havia a necessidade de miniaturização da engenhoca. Com os avanços no transporte, em especial depois do surgimento das primeiras carroças motorizadas, os motores de combustão interna passaram a receber melhorias significativas que proporcionaram considerável redução de peso e tamanho. Antes do início do século 20, esse tipo de motor já dispunha de enormes vantagens e se mostrava promissor na aviação.

Os pioneiros

O brasileiro Alberto Santos Dumont obteve enorme sucesso com seu dirigível Nº 5, em parte, graças ao emprego de um motor de 4 cilindros em linha de 12 hp. Embora limitado, o pequeno motor mostrava a viabilidade de seu uso em veículos aéreos, sobretudo por conta de sua refrigeração a ar, que o tornava mais leve, a despeito de uma perda de eficiência. Do outro lado do Atlântico, os irmãos Wrigth instalaram no Flyer um motor de 77,3 kg com quatro cilindros refrigerado a água que fornecia os mesmos 12 hp, numa relação de 6,44 kg por cavalo de força. Já o 14-Bis foi equipado com um motor Antoinette 8V de oito cilindros em V e 67 hp, com relação de 1,41 kg por hp.

Na Primeira Guerra, a necessidade de motores mais eficientes ajudou a popularizar os motores radiais, que, na ocasião, beneficiavam-se de grande potência e pequena massa. Assim como aconteceu com os motores em V, ele foi popular até a Segunda Guerra. Ambos os motores sofriam da baixa confiabilidade, devido à complexidade mecânica e ao elevado consumo de combustível. Mesmo não sendo uma questão econômica na época, o consumo exagerado limitava o alcance dos aviões. O advento dos motores a jato tornou os motores a pistão uma opção apenas para a aviação leve. Porém, os aviões se tornaram mais leves e eficientes aerodinamicamente, dispensando, assim, a necessidade dos enormes motores em V e radiais.

Série Centurion pode equipar modelos como C172, PA28, EcoFlyer e DA40

Desde o pós-guerra, os motores destinados à aviação leve são basicamente os do tipo boxer, com melhor relação peso-potência e menor complexidade mecânica. Além disso, os avanços nos materiais empregados em sua construção elevaram os índices de potência em motores relativamente compactos e leves. Após a crise do petróleo na década de 1970, os principais fabricantes de motores aeronáuticos desenvolveram tecnologias capazes de aliar materiais mais leves e duráveis a sistemas que tornam a queima de combustível mais eficiente. Um dos grandes avanços foi o uso da tecnologia de injeção eletrônica, criada pela indústria automobilística, que permitiu não apenas reduzir o consumo, mas, também, ampliar as opções de combustível para um mesmo tipo de motor (exigindo apenas alguns ajustes mecânicos). Embora o conceito remonte à década de 1950, foi apenas com a evolução da eletrônica, três décadas mais tarde, que o sistema se popularizou. Nos anos 2000, havia condições para o surgimento de motores mais inteligentes, com eficientes unidades de controle de combustível, ao mesmo tempo em que novas ligas metálicas reduziam ainda mais o peso do conjunto mecânico. Nos últimos anos, os principais fabricantes de motores aeronáuticos têm investido em novas tecnologias e aperfeiçoado motores já existentes.

Ipanema a álcool

Embora o Brasil se destaque na produção de aviões comerciais e de negócios, o veterano Ipanema continua sendo um dos projetos mais importantes para a indústria aeronáutica nacional. O modelo se tornou o primeiro a contar com um motor movido a álcool. Uma parceria entre os engenheiros brasileiros e a Lycoming, fabricante do motor, permitiu desenvolver um motor de elevada performance abastecido com álcool. O motor Lycoming IO-540-K1J5 é um dos primeiros no mundo a contar com duas opções de combustível, uma versão a álcool e outra a gasolina. A diferença básica entre ambos é a potência, ligeiramente superior na versão a álcool, que oferece 320 hp a 2.700 rpm, ante 300 hp com gasolina.

A série 540 da Lycoming é um dos exemplos da evolução dos motores aeronáuticos nas últimas décadas. A família de 540 polegadas cúbicas do fabricante norte-americano conta com enorme flexibilidade de uso, incluindo as versões IO-540 (aspirada) e TIO-540 (turbocharged), que podem ser carburadas ou contar com injeção eletrônica, oferecendo ao mercado diversas opções voltadas às necessidades de cada projeto. A família 540 é utilizada por diversos tipos de aeronaves, como Maule Star Rocket, Cessna Skylane, Socata Rallye Guerrier, Piper Comanche e Robinson R-44.

A maior parte dos fabricantes, inclusive os de motores a reação, tem investido constantemente na criação de famílias de propulsores que possam ser empregados em diferentes tipos de aeronaves e, desse modo, reduzir os custos e aumentar a capacidade dos motores. Algo especialmente útil na aviação experimental, que tem como premissa a flexibilidade máxima dos projetos. A maior parte dos modelos experimentais permite ao proprietário personalizar o projeto final de acordo com suas necessidades, incluindo o tipo de propulsor que será instalado.

Experimentais

Rotax 912 iS Sport conta com injeção eletrônica

A austríaca Rotax se tornou referência na aviação experimental graças às constantes inovações de seus motores e da flexibilidade de uso. A série Rotax 912 é considerada uma das mais confiáveis e eficientes entre os motores destinados à aviação experimental. A versão de 80 hp é basicamente o modelo de entrada na aviação, sendo utilizado em aeronaves certificadas pela FAR 23 (Rotax 912 F) e JAR 22 (Rotax 912 A), LSA (Light Sport Aircraft), ultraleves e veículos aéreos não tripulados (Rotax 912 UL). Seu sucesso se deve à simplicidade de construção e de manutenção. A série 912 possui, ainda, versões de 100 hp, como o Rotax 912 ULS (aeronaves não homologadas) e o Rotax 912 S (aeronaves homologadas FAR 23).

Com carburação dupla, a família 912 dispõe de diversas tecnologias hoje consideradas fundamentais na aviação, como partida elétrica, ignição eletrônica dupla e TBO de 2.000 horas. Além disso, em 2012, a Rotax lançou o 912 iS Sport, que se difere pelo uso de injeção eletrônica, que aliou o excelente desempenho do 912 à maior economia de combustível. O uso de injeção eletrônica também proporcionou um melhor desempenho de decolagem, com melhor razão de subida. O motor conta com um sistema ECU (Electronic Control Unit) redundante, que controla o fluxo e a mistura ar-combustível e oferece segurança adicional à operação. O motor dispõe, ainda, de um sistema “databus” independente, que oferece uma interface para os instrumentos de cabine.

O Lycoming YO-233 é uma das opções para aviação experimental

Outra família de motores que se destaca entre os voltados para aviação não homologada é o Lycoming YO-233 e YIO-233, de 115 hp (a 2.800 rpm). Essa série combina a confiabilidade e o desempenho da família 235 numa versão capaz de trabalhar tanto com combustíveis de baixa octanagem, como gasolina automotiva sem chumbo, quanto com gasolina de aviação. As características adicionais incluem ignição por centelha dupla, tuchos hidráulicos autoajustáveis, motor de arranque leve e assim por diante.

Ciclo-diesel

Outro segmento que vem se popularizando na aviação é o dos motores ciclo-diesel, que na última década incorporaram uma elevada relação entre peso e potência aliada a custos operacionais sensivelmente menores do que o dos motores a gasolina, cerca de 30% inferiores, em média. Os motores ciclo-diesel são normalmente abastecidos com querosene (Jet ou Jet-A), que possui características químicas próximas à do diesel comum, embora possam em alguns casos ser alimentados por diesel (DIN EN590).

Os principais fabricantes desse tipo de motor estão na Europa ou são parcerias com empresas europeias. Por ora, o mercado norte-americano ainda é um dos poucos que sofre com certa restrição com o uso dessa tecnologia. Ironicamente, as restrições são culturais e não legais ou técnicas. Entretanto, alguns fabricantes de aeronaves a pistão, assim como de aviões experimentais, já começam a oferecer algumas versões com motor diesel. Um dos exemplos mais importantes é a Cessna, que possui em seu portfólio o Cessna Turbo Skylane JT-A.

Um dos entraves para o mercado americano é o maior peso do motor diesel e seu custo ligeiramente superior, além da necessidade de refrigeração líquida, que o torna, por ora, limitado em alguns tipos de operação. Porém, o maior impulso a tecnologia poder vir das novas regras ambientais que devem ser estipuladas nos próximos anos. A agência ambiental dos EUA, a Environmental Protection Agency, estabeleceu como meta a proibição da gasolina 100LL até o final desta década, o que forçará uma migração para novas tecnologias.

Tradição europeia

Um dos fabricantes que mais se destaca nesse segmento é a Continental Diesel, a primeira empresa do mundo a obter a certificação para motores aeronáuticos a diesel. Formada em 2001, após uma parceria entre a americana Continental Motors e a alemã Thielert Aircraft Engines, recentemente a empresa foi adquirida pela chinesa Aviation Industry Corporation, que mantém o controle acionário, embora todo o desenvolvimento e a comercialização continuem independentes. Originalmente, o desenvolvimento dos motores feito pela Thielert foi baseado no motor Mercedes-Benz OM668 que equipava a versão europeia do Mercedes Class A. Os engenheiros alemães realizaram uma série de intervenções pesadas no projeto, dando origem à série Centurion, que produzia 135 hp. O sucesso do motor levou ao desenvolvimento do Centurion 2.0, baseado no motor OM640 utilizado no Mercedes-Benz A200 CDI. Após a fusão com a Continental, foi lançada a série CD (Ciclo-Diesel), que conta com o CD-135 e CD-155, com potências diferentes: o primeiro oferece 135 hp e o segundo, 155 hp. Ambos os motores são turbocharged de quatro cilindros em linha homologados pela EASA (European Aviation Safety Agency) para serem abastecidos com Jet/Jet-A ou diesel (DIN EN590), podendo, ainda, trabalhar com uma mistura de ambos. A série CD é baseada no Centurion 2.0, mas já atendendo às especificações de certificação aeronáuticas.

Continental Electric deriva dos motores Mercedes-Benz OM640

Quem também se destaca nesse segmento é a francesa SMA, que faz parte do grupo Safran. O fabricante possui o SR305, um motor quatro cilindros de 230 hp projetado para o mercado de aviação geral e que foi certificado pela EASA e FAA em 2011. O SR305-230E, a versão atual, é destinado a programas de integração de OEM e foi projetado para aeronaves monomotoras e multimotoras, tanto para uso privado quanto comercial. Para este ano, o fabricante espera homologar o SR460, um motor de seis cilindros derivado do SR305, que dispõem de 300 hp.

A Austro Engine GmbH foi uma das pioneiras na propulsão a diesel, com o AE300, um quatro cilindros de dois litros, que produz 170 hp, podendo ser abastecido com diesel ou querosene. O motor ganhou evidência por utilizar uma camisa dupla da câmara de combustão, o que permite melhor integração nativa com o sistema turbocharger. Um dos diferenciais dos motores diesel é contar com FADEC (Full Authority Digital Engine Control), que permite um controle constante do motor, reduzindo significativamente o consumo de combustível e aumentando a vida útil.

Elétricos e híbridos

A maior evolução nos motores destinados à aviação leve, no entanto, deverá ocorrer na próxima década com o desenvolvimento dos motores elétricos e híbridos. O maior desafio encontra-se na limitação no armazenamento energético, já que as baterias de íons de lítio possuem, em média, uma densidade energética 13 vezes menor do que a da gasolina. A limitação das baterias é hoje o maior entrave para esse tipo de motor, que possui uma vantajosa relação peso-potência e um custo operacional que chega a ser 80% menor do que de um motor Ciclo de Otto (combustão interna com ignição por centelha).

Enquanto a indústria de baterias trabalha para desenvolver uma tecnologia que ofereça uma grande capacidade de armazenamento num espaço compacto (e leve), a indústria aeronáutica acredita que a solução imediata poderá ser o motor híbrido, como tem ocorrido na indústria automotiva. A alemã Siemens desenvolveu um novo motor de apenas 50 kg, capaz de produzir 260 kW (348 hp) de potência a 2.500 rpm. Além do feito considerável de dispor de elevada potência num motor compacto e leve, a tecnologia poderá ajudar a popularizar a aviação elétrica.

O motor conta com algumas inovações, como a construção do estator numa liga cobalto-ferro que proporciona elevada magnetabilidade, e o uso de imãs permanentes numa configuração halbach, que auxilia na concentração de todo o fluxo em um lado da pilha e dirige o curso magnético com uso mínimo de material. Além disso, a Siemens realizou um complexo estudo para identificar os elementos que quase não sofrem esforços e, portanto, poderiam ser construídos em ligas extremamente leves, mesmo que com pouca resistência mecânica. Atualmente acredita-se que essa tecnologia poderá ser empregada em conjunto com motores convencionais, o que permitirá uma considerável redução no consumo de combustível, mesmo diante das limitações de armazenamento energético.


Aviação Geral Motores eficiente confiável

Artigo publicado nesta revista

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