A Porsche está analisando o hidrogênio como combustível para motores de combustão interna, pensando nele como alternativa tanto à gasolina tradicional quanto, possivelmente, aos combustíveis sintéticos nos quais a marca tem apostado fortemente nos últimos anos.
A iniciativa não é inédita - a Toyota, por exemplo, já vem trabalhando nessa direção e inclusive conta com protótipos de testes em funcionamento, entre eles um Corolla preparado para pista. No caso da Porsche, porém, este trabalho ainda se limita ao ambiente virtual, baseado em simulações.
A meta é entender o quanto um motor a combustão movido a hidrogênio pode servir a carros de passeio. A Porsche Engineering, braço de engenharia do fabricante, observou que a maior parte dos desenvolvimentos globais sobre o tema está focada em veículos de transporte de cargas.
Nesses projetos, os resultados apontam para rendimentos específicos modestos, na casa de 50 kW por litro (o mesmo que 68 cv/l) - um patamar considerado insuficiente diante do que os motores a combustão atuais entregam em automóveis de passageiros.
O V8 4.4 a gasolina citado por Vincenzo Bevilacqua, por exemplo, desenvolve 600 cv, o que representa um rendimento específico duas vezes maior do que o visto nesses estudos: 100 kW/l, ou 136 cv/l.
Turbocompressores assistidos por elétrons
Para viabilizar o uso de hidrogênio, o motor passou por diversas alterações - entre elas, o aumento da taxa de compressão. Ainda assim, a Porsche Engineering chama atenção sobretudo para a nova solução de sobrealimentação, 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”.
Foi justamente esse descompasso - que não se resolve com turbocompressores convencionais - que levou a Porsche Engineering a avaliar quatro alternativas, algumas inspiradas diretamente no universo das competições.
Em todas as opções consideradas, aparece a necessidade de turbocompressores com assistência elétrica, em certos casos combinados com válvulas extras de controle no sistema de admissão de ar ou com compressores elétricos.
No cenário simulado em particular, em que o V8 4.4 turbo seria instalado em um veículo de passeio com 2650 kg, Bevilacqua escolheu um conjunto 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 eixo comum. O ar processado flui pelo primeiro compressor, é arrefecido pelo intercooler e depois volta a ser comprimido na segunda fase.”
Com essa configuração, o objetivo de fazer o V8 4.4 a hidrogênio alcançar o mesmo rendimento do V8 4.4 a gasolina foi atingido. E, fiel ao seu estilo, a Porsche também simulou uma volta no Nürburgring com o novo motor, usando um “gêmeo digital” do modelo: o tempo obtido foi de 8min20,2s, com velocidade máxima de 261 km/h.
Quase sem emissões, mas e os NOx?
Ao usar hidrogênio como combustível, não há emissão de hidrocarbonetos, nem de monóxido de carbono ou partículas durante a combustão.
Ainda assim, existe um ponto de atenção nos motores a hidrogênio: as emissões de NOx (óxidos de nitrogênio), prejudiciais à saúde, que podem surgir por conta das altas temperaturas dentro da câmara de combustão.
Para manter esse item sob controle, a Porsche ajustou o motor para operar com mistura ar-combustível muito pobre. Com isso, as temperaturas de combustão caem e as emissões de NOx são reduzidas ao mínimo - a ponto de dispensar um sistema de pós-tratamento dos gases de escape.
Matthias Böger, engenheiro especializado 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, que considera boa a qualidade do ar quando há por volta de 40 microgramas de NOx por metro cúbico: “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 trabalhar com combustão pobre, este motor a hidrogênio da Porsche também se mostrou muito eficiente no ciclo WLTP: ele pode ser até 5% mais econômico do que o equivalente a gasolina, exatamente dentro do que a equipe da Porsche Engineering havia estabelecido como meta.
Segundo a Porsche, os custos de um conjunto motriz a hidrogênio também ficariam em nível semelhante aos de um conjunto a gasolina. Embora a sobrealimentação e outros componentes mecânicos sejam mais complexos e caros no motor a hidrogênio, a ausência de um sistema de tratamento de gases de escape ajuda a reequilibrar a conta.
A marca reconhece que é improvável ver esse motor a hidrogênio chegar à produção, mas esse não era o propósito do estudo. O foco foi avaliar o potencial técnico dessa alternativa e ampliar as capacidades das ferramentas de engenharia disponíveis.
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