A Porsche vem avaliando o hidrogênio como opção de combustível para motores de combustão interna, como alternativa tanto à gasolina tradicional quanto aos combustíveis sintéticos nos quais a marca tem investido pesado nos últimos anos.
Essa ideia não é inédita - já abordamos os avanços da Toyota nessa direção, que inclusive conta com protótipos de teste operacionais (entre eles, um Corolla de pista). No caso da Porsche, porém, por enquanto o trabalho permanece no campo virtual, baseado em simulações.
O propósito é medir o potencial de um motor a combustão movido a hidrogênio para carros de passeio, já que a Porsche Engineering (braço de engenharia do fabricante) observou que a maior parte dos projetos globais nesse tema está concentrada em veículos de transporte de cargas.
E, nesses estudos voltados a veículos comerciais, o rendimento específico costuma ser baixo: 50 kW por litro (o mesmo que 68 cv/l), patamar aquém do que se espera dos motores a combustão usados hoje em automóveis de passageiros.
Como referência, o 4.4 V8 a gasolina citado por Vincenzo Bevilacqua entrega 600 cv - o que significa um rendimento específico duas vezes maior do que o visto nesses trabalhos: 100 kW/l, ou 136 cv/l.
Turbocompressores assistidos por elétrons no Porsche 4.4 V8
Para viabilizar o uso de hidrogênio, o motor precisou passar por diversas modificações, como o aumento da taxa de compressão. Ainda assim, a Porsche Engineering aponta o novo sistema de sobrealimentação como a mudança-chave, como explica Bevilacqua: “Para a combustão limpa do hidrogênio os turbocompressores têm de, por um lado, providenciar uma massa de ar duas vezes superior à dos motores a gasolina. Por outro lado, as temperaturas mais baixas dos gases de escape resultam numa falta de energia para o funcionamento dos turbos”.
Esse descompasso - que não se resolve com turbocompressores convencionais - levou a Porsche Engineering a analisar quatro alternativas, algumas inspiradas no universo da competição.
Em todas as soluções avaliadas, aparece a necessidade de turbocompressores com assistência elétrica, em certos casos combinados com válvulas extras de controle no sistema de admissão ou mesmo com compressores elétricos.
Neste cenário específico, em que o 4.4 V8 turbo seria aplicado a um veículo de passeio com 2650 kg, Bevilacqua escolheu uma arquitetura com dois compressores montados “costas-com-costas”: “A característica especial desta solução é o posicionamento coaxial de duas fases do compressor, que são acionados pela turbina ou pelo motor elétrico de apoio usando um veio comum. O ar processado flui pelo primeiro compressor, é arrefecido pelo intercooler e depois volta a ser comprimido na segunda fase.”
A meta de fazer o 4.4 V8 a hidrogênio alcançar o mesmo rendimento do 4.4 V8 a gasolina foi atingida e, fiel ao seu perfil, a Porsche não deixou de simular uma volta em Nürburgring com o novo conjunto, usando um “gêmeo digital” do modelo. O resultado foi uma marca de 8min20,2s e velocidade máxima de 261 km/h.
Quase sem emissões, mas e os NOx?
Ao usar hidrogênio como combustível, a combustão não gera emissões de hidrocarbonetos, nem monóxido de carbono, nem partículas.
Ainda assim, os NOx (óxidos de nitrogênio) - prejudiciais à saúde - seguem sendo um ponto de atenção em motores a combustão movidos a hidrogênio, pois se formam em função das altas temperaturas dentro da câmara de combustão.
Para manter essas emissões sob controle, a Porsche ajustou o motor para operar com mistura ar-combustível muito pobre. Com isso, as temperaturas de combustão caem, as emissões de NOx são reduzidas ao mínimo e, em consequência, torna-se possível dispensar um sistema de pós-tratamento dos gases de escape.
Matthias Böger, especialista em simulações de motores na Porsche Engineering, afirma que as “emissões de óxidos de azoto estão abaixo dos limites que estão a ser atualmente discutidos para a Euro 7 e são próximas do zero em todo o mapa de operação do motor.”
Para dimensionar o quão baixas são as emissões de NOx obtidas, Böger recorre ao Índice de Qualidade do Ar, segundo o qual cerca de 40 microgramas de NOx por metro cúbico é considerado um nível de boa qualidade: “as emissões do motor a hidrogênio estão abaixo desse limite. Este motor em operação, por isso, não tem impacto significativo no ambiente.”
Mais eficiente e custos equivalentes
Por operar com mistura pobre, esse motor a hidrogênio da Porsche também se mostra muito eficiente no ciclo WLTP - chegando a ser até 5% mais econômico do que o equivalente a gasolina -, alinhado com os objetivos definidos pela equipe da Porsche Engineering.
Em termos de custo, um conjunto motriz a hidrogênio ficaria no mesmo patamar de um conjunto a gasolina. Embora o sistema de sobrealimentação e outros componentes mecânicos sejam mais complexos e caros no motor a hidrogênio, a ausência do sistema de tratamento de gases de escape compensa essa diferença no balanço final.
A Porsche reconhece que é improvável ver esse motor a hidrogênio chegar à produção em série, mas esse não era o foco do trabalho. A intenção foi avaliar o potencial técnico dessa alternativa e, ao mesmo tempo, ampliar as capacidades das ferramentas de engenharia disponíveis.
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