VW EA888 EVO 5 (Gen 5) e EA839 EVO

O motor EA888 foi o sucessor direto do motor AP (EA827) quando falamos em performance para entusiastas!

O datado AP já não mais atendia as questões de poluição como desempenho e economia, motor durável e com diversas receitas de preparação que surgiram durante longos anos depois do seu lançamento, este motor ajudou a história da arrancada no Brasil.

Contudo as exigências do consumidor tornaram-se cada vez maiores, exigindo com que as montadoras desenvolvessem motores com mais potência, mais torque, mais economia e obrigatoriamente menores índices de poluição e isso afetou todos inclusive a VW/Audi, levando a montadora a lançar o EA113.

A opção do grupo VAG para substituir o então EA113 (1.8 20v, 1.8 20v T, 2.0 16v) foi o EA888 GEN 1 (1º geração ) em meados de 2007, seguindo basicamente a mesma receita dimensional, utilizando do bloco de ferro fundido (grey cast iron CG25).

Os motores EA113 possuíam o sistema de sincronismo com correia e corrente entre os comandos.

Foi na geração do EA113 que a VW instituiu o sistema de injeção chamado de FSI (Fuel Stratified injection), conhecido no Brasil como injeção direta, este sistema permite um controle muito maior de todo o processo de injeção devido a alta velocidade de resposta dos injetores, permitindo assim uma “estratificação” do combustível dentro da câmara de combustão.

O então lançamento trazia melhorias interessantes como o sistema de sincronismo do motor em corrente, injeção direta, variador de fase tanto na admissão quanto exaustão.
Surgiram então os motores EA888R3 e EA888R4, de 3 e 4 cilindros.

Mas infelizmente para VW/Audi nem tudo são flores, o novo motor, apresentou problemas como excesso de consumo de óleo lubrificante, problemas com a bomba de alta e bomba de água.
Além destes problemas o excesso de carbonização nas válvulas é notório e problemas na válvula PCV.

Os motores de GEN1 e GEN2 possuíam o consumo tão elevado que quase sofreram um recall nos USA, até porque o consumo excessivo do óleo gera discrepâncias no principal foco das normas, EMISSÃO DE POLUENTES.
A causa provável, não se sabe enfim se o erro era de projeto ou de fornecedor, os anéis e pistão foram considerados suspeitos do problema de vedação, permitindo que parte do óleo lubrificante retorna-se em demasia para a câmara de combustão.

https://www.classaction.org/audi-oil-burning-consumption-lawsuits

https://www.pistonsettlement.com/
Abaixo o link traduzido do “pistonsettlement agreement”, ou seja um acordo na justiça Americana, sobre o defeito do pistão e anéis, você pode acessar o link e utilizar o tradutor do google.

Somados ao sistema de injeção direta, que geram mais carbonização, prejudicavam ainda mais a vedação do sistema.

De maneira geral devemos lembrar que TODOS os powertrain terão algum problema, seja de projeto ou fornecedor, e neste momento, ENDEUSAR powertrains é o maior sintoma de burrice ao confundir “preferências” com a parte técnica,

Alguns motores tiveram percalços mais contundentes, outros menos, alguém lembra dos comandos de manteiga dos GM Monza 1.6?
Com aproximadamente 15.000 km os motores começavam a perder potência sem explicação aparente, os cames sem dureza, desgastavam diminuindo o tempo de abertura das válvulas assim como o levante.

Lembram da aversão dos “Apzeiros” pelos motores OHC do Chevette?
Eis que….após muitos anos aparece um maluco batendo record com este motor, enfim, isso demonstra que um bom preparador é capaz de desenvolver praticamente qualquer powertrain, dentro de certas limitações é claro.

https://www.youtube.com/watch?v=ObiagN0PYvM

Voltando ao nosso EA888 além do suposto problema de vedação cilindro/pistão, o sistema de injeção direta, localiza o bico injetor dentro da câmara de combustão, impedindo a “limpeza” dos sistema.

Os sistemas de injeção direta de gasolina, são também chamados de GDI (Gasoline direct injection) sendo o TSi uma nome comercial da VW/Audi.

No sistema PFI, o bico vaporiza o combustível bem perto da válvula de admissão, este “spray” causa abrasão efetuando um processo de limpeza ajudando na manutenção da carbonização.

Ambos sistemas possuem vantagens e desvantagens, sem o GDi provavelmente as montadoras não conseguiriam atingir os melhores índices das normas anti poluição.

“Curiosamente” a VW/Audi após o excesso de carbonização nos seus motores, principalmente no sistema de admissão, válvulas e coletor, implementou a aplicação de mais um bico por cilindro, sendo então um sistema “múltiplo”, tuilizando-se do sistema GDi e do sistema PFI para ajudar na manutenção da carbonização em regimes parciais do dia a dia,

Outras montadoras utilizam o mesmo sistema, como a Toyota em seu líder de vendas Corolla, mesmo sendo um motor aspirado, o veículo possui ambos os sistema de injeção de baixa pressão (PFI) e alta pressão (GDi).

Ciclo MILLER (motor de 5 tempos)

E é aqui que começam as novidades da geração EVO 5, ou quinta geração do motor EA888 e em sua versão V6 EA839 EVO.
Este ciclo derivado do ciclo OTTO, foi patenteado por um engenheiro americano em 1957, Ralph Miller, e a ideia era aumentar a eficiência dos motores a combustão.
A ideia primária era diminuir o gasto de energia em algum dos ciclos, assim com o ciclo Atkinson.

Devemos lembrar que o motor 4 tempos ou ciclo OTTO, possui os quatro ciclos bem definidos, admissão, compressão, combustão e exaustão.
A ideia então é diminuir as perdas por bombeamento/ compressão.

1. INTAKE = admissão, 2. COMPRESSION = compressão, 3. POWER = combustão, 4.EXHAUST = exaustão.
   Na fase de intake (1), o movimento do pistão causa a depressão no sistema de indução, gerando um “vácuo”, “puxando” assim o ar atmosférico, advindo dai o termo “MOTOR ASPIRADO”, sendo o enchimento do cilindro dependente desta depressão gerada.
   
   Na fase de compressão (2), a mistura ar/ combustível é comprimida, aumentando a energia da mistura, a quantidade de compressão gerada será a soma da taxa de compressão estática + dinâmica, será de vital importância para a eficiência termodinâmica.
   
   Na fase de combustão (3), existirá a geração de ENERGIA (power), fazendo então a transformação da energia química em energia mecânica útil para a movimentação do equipamento.
   O final do ciclo encerra com a expulsão dos gases queimados, a exaustão (4) para o sistema de escapamento.
   
   É muito importante lembrarmos que estes processo nunca possuem grande eficiência, e esta é a busca por aumentar a eficiência dos motores térmicos (ciclo OTTO giram atualmente em torno de 35 a 38%, ciclo Miller em torno de 40 a 42%).
   
   Mas Luciano, afinal do que se trato ciclo MILLER?
   
   Imagine que para existir a fase de compressão, o motor deve possuir energia cinética para poder “ESMAGAR” esta mistura de ar e combustível.
   
   Apenas como exemplo, podemos entender a taxa de compressão estática, informação dada pelo fabricante, mas digamos que estamos falando de um motor com taxa de compressão de 12,5:1.
   Isso implica dizer que a taxa de compressão estática comprime o volume total do cilindro (pistão em PMI +volume da câmara de combustão) em apenas o volume disponível que sobrou quando o pistão se encontra em PMS (ponto morto superior).
   

No exemplo acima, podemos notar que o pistão a esquerda está no seu PMI e na direita já está na sua posição mais alta.
Podemos entender desta maneira, suponde que o volume TOTAL com o pistão em PMI, seja de 125 cm3, após o pistão de encontrar em PMS, TODO o volume será “ESMAGADO” com uma taxa de compressão de 12,5:1 para 10 cm3!

Isso gera calor que será utilizado para a combustão, aumento a energia cinética molecular.

O pulo do gato

Para o motor conseguir apertar tanto assim o volume inicial o pistão terá que fazer força, esta força é então “desperdiçada” durante o ciclo. E ai que entra a teoria do ciclo Miller!

O pulo do gato

E “SE” nós gastássemos menos energia tentando comprimir a mistura?

Isto pode ser feito de duas maneiras.
1º Atrasando o fechamento da válvula de admissão, LIVC (Late intake valve close)
2º Adiantando o fechamento da válvula de admissão, EIVC (Early intake valve close)

Diminuindo a contra pressão durante a movimento de subida do pistão, parte da “MISTURA” poderá retornar para o coletor de admissão no caso do atraso do fechamento (LIVC) ou diminuindo o enchimento do cilindro (EFV) no caso do adiantamento do fechamento da válvulas de admissão (EIVC).

O grande problema disto tudo é que o ciclo MILLER aumenta a eficiência da máquina, mas diminui os índices de potência e torque disponíveis!

Isto é um grande problema em baixas rotações, algo crítico para um motor de “4 tempos”, pois devido a pequena rotação a quantidade de energia gerada pelo motor é muito importante para a movimentação do veículo.

IVO = abertura da válvulas de admissão, IVC = fechamento da válvulas de admissão.
Em nosso exemplo a válvula de admissão (linha verde) inicia a sua abertura com 15º antes do PMS e fecha a válvula com 30º após o PMI, a partir deste ponto inicia a compressão (linha preta), comprimindo a mistura nos 150° restante dos 180° do virabrequim no quadrante esquerdo.

O ciclo Miller então aumenta este valor dos 30° do fechamento da válvula de admissão para um exemplo de 60°, diminuindo assim a força do pistão durante a fase da compressão.

Lembre-se que o ciclo Miller prevê também o EIVC, o adiantamento do fechamento da válvula de admissão, portanto os valores de 30º após o PMI pode ser menor ainda, por exemplo 5º.

O grande problema é que o motor desta maneira comprime menos mistura, gerando menos energia durante o ciclo de combustão!

Mas acalmem seus corações!

Eis que entra em pauta o compressor para salvação dos desesperados!
Para suprir a queda de energia gerada pela ciclo de compressão propriamente dito e enchendo o cilindro com ar com mais energia advindo do compressor ou turbo.

O ar ao passar pelo compressor é comprimido, ganhando energia térmica devido a “esmagamento” molecular e aumentando a energia cinética!

Portanto como as gerações anteriores do EA888 já possuíam turbo a nova geração também utilizará deste recurso, ainda mais agora com o adoção do ciclo Miller buscando recuperar as “perdas” de torque e potência.

Todo este movimento se unirá as nova linha de plataforma PPC (Premium plataform combustion) ou seja, plataformas direcionadas aos motores térmicos ou motores de combustão interna.

Os “novos” motores, atualizados do EA888 serão destinados a veículo híbridos leves e plug-in.

A atualização se torna necessária para que sejam capazes de cumprir as regulamentações anti poluição da China, EUA e Europa.

A VW/Audi teve então que partir para atualizações do seu motor.

Para os motores com necessidade maior desempenho (PC2) a taxa de compressão subiu dos 12,2:1 para 12,5:1, para os motores de menos vendas PC1 a taxa de compressão aumentou bem, dos 9,6:1 para 10,5:1.

Com o aumento da taxa de compressão os índices de VNH (Noise vibration Harness) sofreram alteração, será usado um “ajustador” elétrico no comando para diminuir a compressão na partida do motor.

Os moentes da biela, sofreram alteração, aumentando o seu diâmetro, saindo dos 47,8 mm para 50 mm, a biela também sofreu modificações de 144 mm para 140 mm para acomodar um pistão mais alto para suportar o aumento da taxa de compressão.

Foi adicionado ao projeto um turbo com geometria variável (GVT) e a pressão no sistema de injeção aumentou dos 350 bar para 500 bar.
Para suportar o aumento pressão, a bomba de alta antes acionada pelo comando de exaustão será acionado pelo eixo balanceador.
Para melhorar o “packaging” o intercooler será do tipo ar / água, sendo integrado ao coletor de admissão.

Este sistema mantem uma estabilidade maior na temperatura do ar após a saída da turbina, de vital importância para estabilidade do processo de combustão, principalmente em altas pressões do turbo.

Com o proximidade do coletor de admissão, borboleta e intercooler, foi realmente necessário adicionar o “watercooler” para evitar o superaquecimento dos flaps e potencias vazamentos e vedação devido a dilatação dos materiais.

A proximidade em contra partida favorece o “throttle response” do novo powertrain, tornando-o com respostas mais rápidas ao acelerador, melhorando assim o “performance feel”.

Comando de admissão

O variador de comando de válvulas de admissão antes totalmente hidráulico será controlado por um eletrônico que possibilita um ajuste de até 150°, quando comparado ao hidráulico de 60°, além do ângulo a mais, a precisão do controle cresceu consideravelmente.

Com este sistema o excesso de taxa de compressão agora pode ser controlado de maneira mais efetiva, reduzindo a a vibração na partida em torno de 1/3.

Este sistema atingiu uma melhoria elevada em NVH (Noise, vibration, harshness), simplificando também o sistema AVS (Audi Valve lift system), veja no link abaixo como o sistema funciona.
https://www.youtube.com/watch?v=00Gkt8UV5AU

Estas melhorias diminuíram a complexidade do sistema “antigo”, melhorando o “package” e diminuindo os custos de produção e complexidade.
O novo sistema utiliza apenas dois pares de acionadores no came, utilizando os atuadores elétricos, abrindo mais espaço no cabeçote, melhorando package do conjunto.
Para as variantes PC1 o sistema AVS foi eliminado totalmente.

A geração anterior Gen 4 utilizava o ciclo Miller mas de maneira “suave” quando comparado ao novo projeto, o novo sistema permite trabalhar com λ = 1 em faixas variadas de rotação e cargas do motor.

Para isso é necessário um ajuste otimizado entre o compressor, watercooler. perfil de comando e câmara de combustão.
É importante que exista uma maior compressão e resfriamento antes da entrada do ar na câmara de combustão, isto contribui para ajudar as perdas causadas pelo fechamento adiantado da válvula de admissão, diminuindo a possibilidade da “batida de pino” (knock) e evitando assim com que o ponto de ignição seja retardado.

Certamente foi um desafio muito grande para sobrepor o fechamento antecipado da válvula de admissão, assim como otimizar a câmara de combustão e o espaço diminuto da câmara devido a alta taxa de compressão.

Com a melhoria da câmara de combustão foi possível aguentar maiores pressões (+ 600 mbar), tendo como ganho um aumento de torque (20 NM no PC2) e ganhos de eficiência entre 2% a 3%.

O motor V6 EA839 EVO também passou por melhorias para redução de atrito, muitas das suas modificações serviram como base para o EA888 Gen 5.
A “arquitetura” do bloco do motor se manteve inclusive o material (AlSi8Cu3), foi utilizado o tratamento térmico por indução nos raios do virabrequim para aumento da resistência, as bielas fraturadas são feitas de aço de alto teor (36MnVS4).

Os pistões de alumínio são fabricados por um processo de fundição por gravidade, aumento da taxa de compressão de 11,2:1 para 12:1 e técnicas para redução de atrito como anéis com menores forças “tangenciais” e revestimento anti atrito.

O aumento de pressão do sistema e injeção de 250 para 350 bar, permitiu implementar 6 ciclos de injeção por ciclo ao invés de 3, melhorando o processo de “estratificação” do combustível (stratified charge combustion).

Com este controle mais aprimorado do processo de combustão, foi possível melhorar o desempenho em performance e emissões de poluentes (partículas e CO2).

GVT e sua importância

O sistema GVT (variable geometry turbochargers) possui um sistema de variação de aletas, permitindo com que o controle de pressão e fluxo de ar seja otimizado, a VW / Audi precisou adicionar este sistema para melhor controle e também atingir maiores pressões de funcionamento.
Apesar de ser possível utilizar um sistema de controle tradicional (wastegate), as altas temperatura de EGT (Exhaust Gas temperature) poderiam ser um problema para as emissões.

Devido ao sistema de GVT, sem a existência do fluxo perdido pela wastegate e melhor “scavenging” do cilindro os EGT são inferiores a 1.020°C, ajudando enormemente na menor emissão, apesar do sistema GVT diminuir um pouco a resposta do motor este problema foi gerenciados através de outras maneiras compensatórias.

Podemos notar pelo gráfico a importância de controle da mistura, temperatura e emissões!

Para acelerar o processo de desenvolvimento do motor foi utilizado extensamente simulações 1D e 3D, agilizando a análise dos processo de combustão.

Os sistemas de tratamento pós exaustão, como conversores catalíticos, foram aproximados da fonte de calor primária, melhorando a sua eficácia.

Resumo

O nova geração promete melhor desempenho, melhores emissões e um powertrain mais compacto melhorando o package!

Agora teremos que aguardar se realmente as promessas extras de melhorias serão efetivas nas mãos dos proprietários, a relembrar das gerações anteriores que deram muita dor de cabeça.