APLICAÇÃO DO iBOOSTER EM VEICULOS AUTOMOTORES

Emerson Batagini

Robert Bosch, Divisão Chassis Systems Control

Resumo

Diversos recursos tecnológicos têm como principal objetivo integrar um conjunto de sensores, de sistemas de controle e atuadores para mapear o ambiente, determinando as melhores opções de ação e executar estas ações de forma segura e confiável, sem necessariamente a ações do condutor humano comum.

Sistema complexos já equipam os veículos do mercado, trazendo para o condutor inúmeras melhoras, porém, a decisão final de condução ainda é do condutor humano. Numa retórica básica, pode-se dizer que o iBooster chega para salvar nós de nós mesmos.

O iBooster vem conciliar várias tecnologias existentes e traz consigo a preocupação ambiental em seu desenvolvimento. Com a utilização de menos recursos ambientais em sua fabricação e o elevado ganho na redução de emissão CO2 na sua aplicação, é um produto com foco no ‘Eco-design’.

Aplicabilidade

Conforme o Código de Trânsito Brasileiro [1], veículo automotor haveremos de entender aquele que é dotado de motor próprio, e, portanto, capaz de se locomover em virtude do impulso (propulsão) ali produzido. Serão os carros, caminhonetes, ônibus, caminhões, tratores, motocicletas (e assemelhados).

Veículo automotor pode ser nomeado como todo veículo a motor de propulsão que circule por seus próprios meios, e que serve normalmente para o transporte viário de pessoas e coisas, ou para a tração viária de veículos utilizados para o transporte de pessoas ou coisas. O termo compreende os veículos conectados a uma linha elétrica e que não circulam sobre trilhos.

Objetivo

Este artigo visa trazer a público as vantagens tecnológicas que embarcam o iBooster num futuro próximo da direção veicular com o foco na preservação ambiental durante sua fase de projeto e produção, mas principalmente, de seu uso.

1. Desenvolvimento do tema – Conceito do produto

Dentro da divisão Chassis Systems Control, componentes, sistemas e funções inovadoras são desenvolvidas para o campo da segurança automobilística [2], incluindo dinâmica veicular e assistentes de direção autônoma.

Os sistemas de segurança ativa reconhecem situações de condução críticas e interveem autonomamente para evitar acidentes antes que eles ocorram. Se um acidente for inevitável, os sistemas de segurança passiva fornecerão proteção para os ocupantes do veículo e reduzirão risco de lesões. Sistemas de assistente de direção autônoma oferecem ao motorista não só conforto, mas cada vez mais, apoio em situações críticas para a segurança.

As competências tecnológicas são desenvolvidas para cada componente em individual, bem como na sua rede, conseguindo assim novos patamares em segurança, agilidade e conforto. Assim, o sistema de amplificação de força de pedal inteligente, iBooster, fornece o estado da arte para o sistema de frenagem, agregando em suas funcionalidades a capacidade de se comunicar com os demais componentes do sistema.

Nos últimos anos, os sistemas de frenagem dos veículos se tornaram cada vez mais poderosos.

ABS e ESP, em particular, aumentaram significativamente a segurança. Durante o mesmo período, no entanto, a abordagem padrão à base de vácuo para amplificar a força de frenagem se manteve quase inalterada. Até agora, o escopo de recuperação de energia de frenagem é limitado e a força pedal só pode ser amplificada por um único grau predeterminado: vácuo.

Agora, o iBooster, um amplificador de força eletromecânico [3], fornece suporte dependente da situação quando o condutor inicia a frenagem. O iBooster complementa uma série modular de componentes adequado para qualquer configuração do veículo.

Se os veículos híbridos e elétricos estão para atingir parte do mercado mundial das vendas, eles deverão também ser capazes de recuperar o máximo de energia elétrica durante o processo de frenagem.

Idealmente, carros deveriam ser capazes de gerar energia elétrica através de sua energia cinética [4]. Isso evitaria a perda de energia valiosa através da frenagem. O iBooster recupera quase toda a energia perdida em operações típicas de frenagem, garantindo níveis de desaceleração de até 0.4g usando somente o motor elétrico. Isto abrange quase todas as manobras de frenagem comuns no tráfego diário.

Se a frenagem demanda mais pressão nas rodas, o iBooster gera a pressão adicional necessária de forma tradicional, utilizando o cilindro mestre. O motorista não percebe essa interação harmoniosa do servomotor nos freios, pois a sensação pedal permanece absolutamente normal.

O iBooster possui um motor que controla o grau de amplificação de frenagem através de um conjunto de engrenagens que funcionam para suporte dependente da situação na demanda.

Este processo suprime o caro método atual: geração continua de vácuo, usando o motor de combustão interna ou uma bomba de vácuo. Isto não só visa economizar combustível em si, mas também permite um uso mais abrangente de funções de economia de combustível, tais como start-stop.

Este conceito eletromecânico oferece ainda outras vantagens. Se o sistema de frenagem de emergência detectar uma situação perigosa, o iBooster pode criar pressão para as rodas autonomamente em apenas 120 milissegundos ou menos - três vezes mais rápido do que os sistemas convencionais. Em situações de emergência, por consequência, o iBooster pode parar o veículo mais rápido do que o condutor.

A capacidade de definir curvas característica de frenagem dá aos desenvolvedores a liberdade de determinar feeling de pedal e adaptá-lo aos desejos específicos de cada cliente. Se o veículo também oferece ‘modos’, como ‘sport’, conforto, ou economia de condução, os freios podem ser programados a reagir de forma mais suave ou mais agressiva, conforme apropriado.

Com o número de diferentes modelos e sistemas de acionamento em oferta aumentando, o mesmo acontece com a complexidade da tecnologia subjacente. Graças à sua curva de desempenho de frenagem livremente programáveis, outros sistemas podem ser instalados em diferentes variantes de um modelo de veículo e ainda oferecem características personalizadas. A programação é rápida, feita no final da linha de produção, e é fácil variar a instalação para atender a modelos com direção à direita ou com direção à esquerda. A unidade de amplificação em si é puramente eletromecânica, sem fluidos, o que significa que pode ser rotacionada de forma flexível em torno do eixo longitudinal.

A preocupação com as redundâncias para componentes de segurança é garantida através da combinação com o ESP, especialmente para carros automatizados e de direção autônoma.

Se a fonte de alimentação não está operando a plena capacidade, o iBooster funciona em modo de economia de energia para evitar carga desnecessária sobre o sistema elétrico do veículo e evitar que a fonte de alimentação a bordo chega a falência. No caso improvável de mau funcionamento do iBooster, a amplificação é fornecida através do sistema ESP. Em ambos os cenários, o sistema de frenagem proporciona uma força de desaceleração de 0,4 g com uma força de pedal de cerca de 300 N. Na falha total da parte elétrica, o condutor consegue através do acionamento do pedal, gerar pressão hidráulica sem amplificação, conduzindo o veículo com segurança até a frenagem completa atendendo os requisitos legais.

A maneira tradicional de criar mais pressão de frenagem era gerar um vácuo usando ar de admissão alimentado pelas câmaras de combustão de um motor ou usando uma bomba de vácuo independente, que sempre consome energia quando em execução. Mas a injeção direta de combustível, rapidamente se torna comum em muitos motores novos, reduzindo a geração de vácuo. Veículos movidos a baterias elétricas não são capazes de criar vácuo naturalmente.

A solução iBooster, que opera com sistema eletromecânico, não requer qualquer vácuo do motor e atende a todos os requisitos de motores elétricos e sistemas de assistência ao condutor. Ele só consome corrente elétrica durante a frenagem. O iBooster é mais complexo do que uma bomba de vácuo convencional, por isso, é mais caro. Mas existe paridade em relação aos sistemas convencionais. Pois ele é compatível com todas as configurações de motorização, e isto é particularmente valioso pois permite que os fabricantes de automóveis evitem ter mix de powertrain em um modelo específico. Em manobras de frenagem de emergência, o sistema é surpreendente. Em uma situação de condução a 80 km/h, uma frenagem de pânico num sistema de freio convencional é rápida, mas com o auxílio de uma câmera ou sistema autônomo à base de radar, o computador faz um trabalho muito melhor, maximizando a força de frenagem, fazendo com que o veículo pare de forma mais estável e distancias mais curtas. No requisito de packaging, o iBooster requer aproximadamente o mesmo espaço que um amplificador à vácuo convencional.

Freio regenerativo e eficiência são aspectos chaves quando se trata de veículos híbridos e elétricos.

O torque de frenagem regenerativa produzido pelo gerador deve ser plenamente utilizado, sempre que possível, dentro dos limites de estabilidade do veículo. Em veículos elétricos, esta recuperação faz uma contribuição considerável para aumentar a variação de força. Em veículos híbridos, frenagem regenerativa reduz as emissões de consumo de combustível e emissões de CO2 particularmente no caso de aceleração e frenagens frequentes no tráfego urbano.

2. Desenvolvimento do tema – Projeto com foco ambiental

'Eco Design’ significa a integração dos aspectos ambientais na concepção de produtos [5], no intuito de melhorar seu desempenho ambiental ao longo de todo seu ciclo de vida. Tem como alvo atender aos requisitos (lei, cliente, fornecedor) e minimizar a influência negativa dos produtos para os seres humanos e ao meio ambiente

Estas influencias são notórias para a humanidade, onde podemos citar as alterações climáticas (mudança do nível do mar, secas e inundações) e a escassez de recursos (como a água, metais raros, geração de energia)

Sua abordagem sistêmica deve resultar em ganhos, como por exemplo:

Aumento da consciência ambiental

Aumento do conhecimento sobre o impacto negativo no meio ambiente de produtos (por exemplo, substâncias perigosas e emissões)

Criação de Convenções Internacionais (redução das emissões de gases estufa, por exemplo Protocolo de Quioto)

Aumento dos requisitos legais (por exemplo REACH)

Aumento dos requisitos do cliente

O ‘mind-set’ do departamento de desenvolvimento de produto tem como foco a contribuição na preservação dos recursos ambientais, enquanto: Produção, Fase de utilização, Fim da vida.

A responsabilidade ecológica pelo projeto deve ser aplicada principalmente durante os primeiros estágios de desenvolvimento de produtos. Em geral, esta abordagem pode influenciar todas as fases de um projeto. Ela tem que ser abrangente, mas ao mesmo tempo, específica de cada produto (em conjunto com todas as partes relacionadas). Possíveis critérios a serem avaliados são, por exemplo, método de produção, a maneira de utilizar o produto, o comportamento do consumidor, o impacto sobre o meio ambiente, custos, etc.

A atuação 'Eco Design’ visa em meios práticos a proposta de redução de peso e tamanhos, a eliminação ou mitigação de uso de substancias restritas (vide requisitos da N2580), a aplicação de materiais recicláveis, o uso eficiente dos recursos, a melhoria da abordagem de reciclagem (seja ela no aspecto de matéria prima, necessidade de interfaces e redução do número de componentes), a redução de emissão na produção, o aumento do tempo de vida do produto, a abordagem sistêmica do uso do produto (incluindo interfaces, consumo de combustível, etc.).

Com base em estudos e casos reais, teremos um produto otimizado frente os aspectos ambientais passiveis de sua aplicação, mas, nem todos os aspectos podem ou devem ser considerados de forma complexa.

Os principais aspectos do desenvolvimento do produto que são mandatórios em responsabilidade ecológica podem ser listados assim:

A eficiência energética e de matéria-prima

Emissão eficiência

Eficiência dos materiais

Eficiência de reciclagem

O gráfico a seguir mostra os impactos e ganhos relacionados a ação de um desenvolvimento de um produto sobre o foco da responsabilidade ecológica.

Gráfico 1 – Períodos de aplicação da responsabilidade ecológica pelo projeto

Algumas matérias primas são compostas de substancias altamente

danosas ao meio ambiente. Materiais completamente restritos para desenvolvimento

de produtos a partir de 2016, incluindo componentes de reposição: Chumbo (Pb),

mercúrio (Hg), Cadmo (Cd), Cromo hexavalente (CrIV) entre outros.

O gráfico a seguir mostra a ação ecológica na aplicação de matérias primas, focando a proibição de substancias críticas ao meio ambiente (metais pesados).

Gráfico 2 – Redução de metais pesados em aplicações veiculares

3. Desenvolvimento do tema – Foco Ecológico do iBooster

3.1 A eficiência energética e de matéria-prima

Redução do consumo de energia, bem como do consumo de matéria-prima (por exemplo: água, combustível, matérias-primas)

A padronização é utilizada cada vez mais como um meio para se alcançar a redução de insumos da produção e do produto final, mantendo ou melhorando viabilidade ecológica.

A padronização não se limita ao estabelecimento [6] (consenso, redação, aprovação e distribuição) do padrão, mas inclui, também, a sua utilização (treinamento e verificação contínua de sua observação). Isto significa que a padronização só termina quando a execução do trabalho conforme o padrão estiver assegurado.

Padronizar não significa perder criatividade e flexibilidade para atender as expectativas e requisitos dos clientes.

Os benefícios da padronização de componentes podem ser:

Qualitativos, que permitem:

utilizar adequadamente os recursos, como equipamentos e materiais;

uniformizar a produção, evitando novos dispositivos ou máquinas;

melhorar nível técnico e consciência ecológica da mão-de-obra;

registrar o conhecimento tecnológico e

facilitar a contratação ou venda de tecnologia ‘green’

Quantitativos, que permitem:

reduzir o consumo de materiais;

reduzir o desperdício

padronizar componentes

padronizar equipamentos

reduzir a variedade de produtos

Neste foco, o iBooster provem grande evolução no conceito de amplificadores de frenagem. Devido ao seu conceito compacto, o uso de recursos é minimizado, e sua proposta de padronização foca na unificação de design; um mesmo componente interno irá fornecer potência de frenagem para um veículo de pequeno porte até um veículo de grande porte (SUVs).

Hoje, o mercado utilizada ‘n’ componentes para modelos (difere por montadora, por motorização, por tipo de transmissão, etc.) e portes diferentes de veículo (compactos, médios, grandes, SUVs...). Com o amplificador inteligente, um único produto é capaz de abranger toda a gama de produtos do mercado atual, mantendo as características funcionais especificas para cada aplicação singular, garantindo o feeling de pedal hoje já existente e validados.

3.2 A emissão eficiente

Redução do impacto pelos efeitos físicos e emissões para a atmosfera.

Dentro do foco de motores a combustão, gerados a gasolina, etanol ou diesel, o sistema de frenagem convencional demanda vácuo

O amplificador de força utilizado na maioria dos freios automotores, é aquele cuja assistência é dada pelo vácuo, que é gerada no coletor de admissão. O nível de vácuo gerado no coletor pode chegar a 800mbar. Em veículos com motores mais eficientes, normalmente são utilizadas bombas de vácuo. Estas são instaladas junto aos motores de forma independente ou ligadas a alternadores.

O coletor de admissão leva ar, ou mistura de ar/combustível, à entrada dos cilindros dos motores. Quando as válvulas de admissão se abrem por ação da árvore de cames, o pistão, que está num movimento descendente, tem um efeito de sucção no coletor de admissão provocando a entrada de gás no interior dos cilindros. Este efeito de ‘vácuo’ é por sua vez interligado ao amplificador de freio.

Quando o motorista aciona o pedal de freio o sistema de frenagem entra em funcionamento. A haste que está ligada ao pedal também está ligada ao amplificador de força, que por sua vez tem a função de auxiliar o motorista na frenagem.

Uma mangueira ligada ao coletor de admissão do motor suga o ar para fora de ambos os lados do diafragma de borracha que divide as câmaras (pressão positiva/pressão negativa). Quando o pedal de freio é acionado, uma válvula de ar na parte de trás do amplificador é aberto (pressão positiva – atm). Esta diferença de pressão do ar empurra o diafragma para frente e adiciona força ao movimento do pistão do cilindro mestre.

Quando focamos em engenharia automotiva, grandes evoluções tecnológicas foram aplicadas e desta forma os motores se tornaram mais eficientes.

O princípio de funcionamento do motor a combustão interna Ciclo Otto ainda é idêntico ao dos primeiros automóveis: uma mistura de ar (oxigênio), combustível (gasolina) somada a uma faísca, para causar uma explosão dentro de uma câmara fechada, que movimenta o cilindro, que empurra o virabrequim.

Os gases resultantes da combustão estão contidos dentro do cilindro em temperatura e pressão elevadas. Quando a válvula se abre, um fluxo percorre todo o duto e arrasta consigo a massa de gases que tem uma velocidade menor.

Este fenômeno de inércia de gases é o responsável pelo vácuo gerado no motor. Esse vácuo suga a mistura fresca que está no coletor de admissão no momento em que ocorre o cruzamento do comando de válvulas — momento em que as válvulas de admissão estão começando a abrir e as de escape ainda não se fecharam.

Quanto maior for a velocidade de saída dos gases maior será a inércia destes e maior será o vácuo formado. Porém, com limites físicos, grandes velocidades geram muita turbulência, consequentemente uma resistência ao fluxo que é proporcional ao quadrado da velocidade de deslocamento. Desta forma, com o aumento da resistência crescem também as perdas por bombeamento (turbulências), pois o motor gasta mais energia para conseguir expulsar os gases.

Conciliando o comprimento e o diâmetro do coletor, adaptamos suas características de escoamento, retirando possíveis picos na fase turbulenta, mantendo ganhos significativos de eficiência volumétrica somente na fase laminar de fluxo.

Com a finalidade de fazer o coletor operar da forma mais eficiente, as montadoras desenvolveram vários estudos práticos que demostraram que as velocidades de escoamento ideais para aproveitar pleno do arraste dos gases ficam entre 85 e 91 m/s. Assim, o diâmetro do duto deve ser tal que a velocidade mínima seja alcançada na rotação alvo para o pico de torque que se deseja no projeto. Outro ponto utilizado pelas montadoras e o resfriamento do motor para evitar perdas térmicas.

O desenvolvimento do motor de combustão interna está cada vez mais orientado para a análise mais refinada destes ciclos termodinâmicos [7]. Comparando a eficiência esperada para o motor do Ciclo Otto, calculada como função exclusiva da razão de compressão, com a eficiência medida nos motores da tecnologia atual, constata-se uma grande diferença, baseada no Princípio de Conservação da Energia – eficiência das transformações reais sofridas pela mistura combustível (Segunda Lei da Termodinâmica).

Gráfico 3 – Evolução da Eficiência do Motor Ciclo Otto

Entre as causas de perda de disponibilidade da energia do combustível, apontam-se a transferência de calor sob diferença de temperatura finita e o escoamento turbulento nas seções estranguladas. A introdução de água no motor e sua vaporização no coletor de admissão, onde a pressão é menor do que a atmosférica, resfria a mistura permitindo diminuir-se a retirada de calor e, portanto, a irreversibilidade associada à refrigeração externa.

3.3 Freio sem consumo do vácuo

A utilização do amplificador de força eletromecânico ajuda a economizar combustível em veículos híbridos e a reduzir as emissões de CO2 e poluentes, principalmente em situações de tráfego urbano que envolvem acelerações e frenagens frequentes [8]. Além disso, o uso do gerador para frenagem também reduz o desgaste dos freios e o acúmulo de pó de frenagem, poluente para o meio ambiente.

O amplificador de força eletromecânico é um dos grandes impulsionadores da sustentabilidade nos automóveis. Em conjunto com o ‘Start & Stop’ funciona de modo que, quando o veículo se aproxima de um semáforo fechado ou enfrenta trânsito pela frente [9], o veículo desligue automaticamente durante a parada e volte a ser ligado quando o motorista tire o pé do freio e acelere.

A perda de vácuo devido a frenagem é nula (não utilização de vácuo) e desta forma, dependendo do tipo de veículo, a redução nas emissões chega a ser de 15%. O sistema também ajuda a economizar combustível.

Para avaliação de consumo de um motor a combustão, segundo o sistema internacional, a medição é feita por BSFC – Brake specific fuel consumption. É dado por grama de combustível consumida pela potência de saída por hora. Os valores típicos de CO2 variam de 250 a 270 g/kWh. A eficiência do motor pode ser melhorada somente nesta faixa estreita de variação.

Esta porcentagem de redução de emissões pelo uso de tecnologia iBooster pode, em estimativas, gera um ganho de 5g/km. Em um ano, 75kg.

A redução no torque residual nos freios de roda com o sistema ‘start-stop’ e iBooster é capaz de economizar combustível em torno de 0,1/100km, isto significa cerca de 1g de CO2 por km rodado. Em estimativas, um condutor normal roda 50km por dia. O seu ganho por ano devido ao uso de tecnologia inteligente de frenagem chega a 15.000 gramas, 15kg de CO2

Com base nestes dados, temos que o sistema inteligente de frenagem, iBooster, é responsável por evitar (estimativa) a emissão de 100kg de CO2 por ano.

3.4 O mercado nacional

Inúmeras montadoras brasileiras já iniciaram o estudo para a substituição do amplificador convencional a vácuo pelo ‘inteligente’. Esta aplicação já é vigente em países da Europa, e equipam várias montadoras globais.

Para o mercado nacional, o estudo de custo x benefício deverá ter ponderações econômicas fortes, visto o delta preço de uma nova tecnologia. Mas isto não é razão primordial para a validação da aplicação.

Uma grande montadora japonesa que possui uma filial no Brasil (cidade de Sumaré/SP), utilizará a partir de 2017 este novo produto na sua SUV vendida no mercado local. Para 2019, está mesma montadora japonesa pretende expandir a aplicação do iBooster para todos os seus veículos comercializados.

Com o advento de veículos elétricos, sem vácuo para o sistema de freio, novos projetos serão necessários, e o meio ambiente será o beneficiado.

Conclusão

A implementação do iBooster em maior escala tornará a tecnologia acessível a uma maior parcela da população e aumentará os ganhos ambientais atrelados a conscientização por parte do condutor. Economia de combustível e menores emissões de CO2 torna a tecnologia atraente frente os meios atuais de frenagem automotiva.

Também há ganhos no aumento da capacidade de tráfego das vias com a redução das distâncias entre os veículos, em função de menor tempo de reação para frenagens e diminuição do desgaste de material de atrito (lonas e pastilhas de freio) devido a frenagens menos bruscas e mais inteligentes.

Referências

[1] CÓDIGO DE TRANSITO BRASILEIRO, art.155, § 5º e 157, § 2º, IV, CP, por força

da Lei 9426/96.

[2] ROBERT BOSCH Ltda, Bosch torna ficção de Hollywood em realidade.

Disponível em:

<http://www.bosch.com.br/Imprensa/Releases/Detalhes.aspx?idRelease=12872>.

Acesso em 1 de março de 2016.

[3] ROBERT BOSCH Ltda. Chassis Systems Control iBooster - vacuum independent.

Disponível em: <http://life.bosch.com.cn/ebrochures

2015/automated/cc/cc_at/ibooster>. Acesso em 1 de março de 2016.

[4] PISSARDINI, R. S., Veículos Autônomos: Conceitos, Histórico e Estado-da-Arte.

Anais do XXVII Congresso de Pesquisa e Ensino em Transportes, 2013.

[5] BESSÈDE, Jean-Luc, Life cycle assessment of equipment for electricity

transmission, 1. Ed. Reino Unido: Elsevier, 2015

[6] VIEIRA, L.R., Padronização, base da qualidade. Disponível em:

<http://www.milenio.com.br/qualidadereal>. Acesso em 1 de março de 2016.

[7] STARR, Chauncey, Energy and Power, 1.Ed, Estados Unidos: San Francisco, 1971

[8] MURPHY, Tom, Bosch Rolling out Vacuum-Free iBooster. Disponível em:

<http://wardsauto.com/industry/bosch-rolling-out-vacuum-free-ibooster>. Acesso em

1 de março de 2016.

[9] ZANNI, Marco, Carros Inteligentes. Disponível em:

http://revistagalileu.globo.com/Revista/noticia/2014/01/carros-inteligentes.html>.

Acesso em 1 de março de 2016.