O Motor Toyota 2AR-FE 2.5, amplamente utilizado em veículos como o RAV4, entre os anos de 2013 e 2016, representa uma evolução significativa em relação a seus predecessores.
Projetado com foco na eficiência energética, durabilidade e conformidade ambiental, o 2AR-FE combina uma série de tecnologias avançadas que o posicionam como um motor competitivo no mercado global.
Este é um motor de 4 cilindros em linha, com 2.5 litros de deslocamento (2494 centímetros cúbicos, para ser mais preciso), utilizando um sistema DOHC (duplo comando de válvulas no cabeçote) e 16 válvulas, abastecido apenas com gasolina.
Sistemas Integrados
O motor é equipado com diversas tecnologias inovadoras, incluindo:
Dual VVT-i (Variable Valve Timing-intelligent): sistema de comando variável de válvulas que otimiza a entrada de ar e a saída dos gases de escape.
DIS (Direct Ignition System): ignição direta por bobinas individuais, que elimina a necessidade de um distribuidor, resultando em maior precisão e eficiência.
ACIS (Acoustic Control Induction System): sistema de controle de indução acústica, que ajusta o comprimento dos dutos de admissão para melhorar o desempenho em todas as faixas de rotação.
ETCS-i (Electronic Throttle Control System-intelligent): sistema de controle eletrônico da borboleta, que garante um controle preciso da admissão de ar, otimizando a resposta do acelerador.
Esses sistemas, trabalhando em conjunto, permitem que o 2AR-FE atinja altos níveis de desempenho e eficiência de combustível, ao mesmo tempo que atende a rigorosas regulamentações de emissões.
Desempenho e Especificações
O motor 2AR-FE foi projetado para fornecer um equilíbrio entre potência e eficiência, com uma potência máxima de 179 cv a 6000 RPM e um torque de 23,8 kgfm a 4100 RPM, oferece uma resposta forte já em baixas rotações, tornando-o adequado para SUVs como o RAV4, que precisam de força extra para o uso urbano e fora de estrada.
Para isso, o sistema Dual VVT-i desempenha um papel fundamental aqui, ajustando os tempos das válvulas para garantir que o motor mantenha um fluxo consistente de potência em diferentes condições de condução.
Além disso, trabalha com uma taxa de compressão de 10,4:1, que otimiza a queima da gasolina, garantindo maior eficiência térmica, sem sobrecargas.
Sistemas Integrados de Emissão e Controle
Em termos de emissões, o 2AR-FE é classificado como ULEV-II (Ultra-Low Emission Vehicle), uma das mais rigorosas normas de emissões nos Estados Unidos para a sua época de produção.
Para alcançar essa certificação, o motor utiliza um sistema de controle de emissões LEV-II (Low Emission Vehicle), o que inclui componentes como o catalisador de três vias (TWC), que converte eficientemente os gases de escape prejudiciais, como monóxido de carbono, hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio, em substâncias menos nocivas.
O sistema de controle eletrônico do motor é responsável por monitorar e ajustar a mistura ar-combustível e o tempo de ignição para garantir que o motor funcione sempre de maneira otimizada, minimizando o impacto ambiental.
Além disso, o sistema de injeção de combustível sequencial multiponto (SFI) garante que a mistura ar-combustível seja precisa e bem atomizada, o que não só melhora o desempenho do motor, mas também reduz a quantidade de hidrocarbonetos não queimados liberados no escapamento.
Componentes Internos e Projeto do 2AR-FE
O bloco do motor é construído em liga de alumínio, um material leve que contribui para a eficiência do veículo ao reduzir o peso total do conjunto, sem falar na sua excelente capacidade de dissipação de calor para o líquido de arrefecimento.
Os cilindros do bloco do motor utilizam camisas "spiny-type", que possuem superfícies externas irregulares para aumentar a adesão entre estas e o bloco de alumínio.
Esse design otimiza a dissipação de calor, resultando em uma redução na deformação térmica dos cilindros, o que é crucial para manter a consistência da combustão e evitar falhas de vedação nos anéis dos pistões.
Além disso, galerias de refrigeração foram incluídas entre os cilindros, permitindo que o líquido de arrefecimento flua de forma mais eficiente e uniforme, garantindo que o motor funcione a temperaturas ideais mesmo sob cargas pesadas, bem como ajuda a prolongar a vida útil do motor e melhora a eficiência do combustível, reduzindo a necessidade de resfriamento adicional.
Os pistões são feitos de liga de alumínio, o que garante uma combinação ideal de leveza e resistência, o que melhora a eficiência do motor e reduz a inércia nas partes móveis, permitindo que o motor responda mais rapidamente às mudanças na carga.
De formato cônico em sua parte superior, estes também promovem uma melhor atomização da mistura ar-combustível.
Para minimizar o atrito com a parede do cilindro, os pistões são revestidos com resina, uma solução eficaz para reduzir o desgaste e prolongar a vida útil do motor, além do fato de que essa solução ajuda a reduzir o consumo de óleo e a manter as temperaturas operacionais mais baixas.
Além disso, os pistões utilizam anéis de baixa tensão, projetados para minimizar o atrito sem comprometer a vedação dos cilindros, enquanto que o uso de anéis de compressão estreitos, reduzem o peso e o atrito, assim como também contribuem para melhorar o consumo de combustível e o desempenho em geral.
Com relação às dimensões principais, o diâmetro dos pistões é de 90,0 mm, enquanto o seu curso é de 98,0, o que caracteriza este motor como sendo do tipo subquadrado (diâmetro menor que o curso).
O virabrequim do 2AR-FE é feito de aço micro-ligado e possui cinco mancais de apoio, o que melhora a durabilidade e a distribuição de forças ao longo do motor.
O seu design conta ainda com oito contrapesos, que ajudam a reduzir vibrações e aumentam o equilíbrio do motor, proporcionando uma operação mais suave, especialmente em altas rotações.
Os mancais do virabrequim são micro-ranhurados para melhorar a lubrificação e reduzir o atrito, o que, por sua vez, diminui o desgaste e prolonga a vida útil do motor, sem falar na redução do consumo de combustível, pois permite que o motor opere com menor resistência interna.
As bielas também são feitas de aço micro-ligado (geralmente composto por menos de 0,15% de carbono, e pequenas quantidades de outros elementos como nióbio, vanádio, titânio, molibdênio e nitrogênio) e utilizam parafusos de aperto por zona plástica, para garantir uma fixação precisa e segura (mas que não podem ser reaproveitados, caso sejam removidos).
Sistema de Válvulas e Distribuição
Um dos pontos mais avançados do motor 2AR-FE é o sistema Dual VVT-i, que ajusta o tempo de abertura e fechamento das válvulas de admissão e escape de forma independente, com base nas condições operacionais do motor, permitindo uma variação contínua dos tempos de válvula, maximizando a eficiência em todas as faixas de rotação do motor.
Em baixas rotações, o sistema pode retardar a abertura das válvulas de admissão, aumentando o torque, enquanto em altas rotações, ele avança a abertura para maximizar a potência.
Esses ajustes dinâmicos são cruciais para reduzir emissões, aumentar o desempenho e contribuir para uma resposta mais rápida do motor às mudanças de carga e condição de condução, proporcionando uma experiência de direção mais suave e eficiente.
O acionamento das válvulas é feito por um sistema de balancins com roletes, que reduzem o atrito entre as válvulas e os eixos de comando, melhorando a eficiência do motor, especialmente em rotações mais altas, onde o atrito interno pode reduzir sensivelmente a potência disponível.
Os tuchos hidráulicos são usados para garantir que a folga ideal das válvulas seja mantida, independente do desgaste ou da temperatura, o que por si só, já elimina a necessidade de ajustes periódicos da folga de válvulas que são comuns em motores com tuchos mecânicos, melhorando a confiabilidade e reduzindo os custos de manutenção a longo prazo.
O sistema de sincronismo do motor é feito por corrente metálica, que oferece uma série de vantagens em termos de durabilidade e manutenção, uma vez que são mais duráveis e têm menor probabilidade de quebrar em comparação com as correias de borracha, o que proporciona maior confiabilidade ao motor.
Além disso, a corrente é projetada para operar com baixo ruído uma vez que é lubrificada sob jato de pressão de óleo, bem como é tensionada automaticamente por um tensor hidráulico, que mantém a força adequada na corrente em todas as condições de operação, eliminando a necessidade de ajustes frequentes.
Mas ainda assim, caso seja necessário substituir só o tensor, é possível retirá-lo sem remover a capa de cobertura da corrente, o que facilita bastante para quem for executar o serviço.
Sistema de Lubrificação
O sistema de lubrificação é uma parte vital de qualquer motor de alto desempenho, e para tal função, o 2AR-FE utiliza uma bomba de óleo tipo rotor cicloide para fornecer lubrificação pressurizada a todos os componentes móveis.
A bomba é acionada por engrenagens, diretamente ligada ao virabrequim, garantindo um fluxo contínuo de óleo sob pressão, mesmo em condições de alta carga, ao mesmo tempo eliminando riscos de eventuais paradas repentinas deste componente tão importante.
Uma característica interessante deste motor é o "jato de óleo", que fornecem lubrificação e resfriamento direto para os pistões, por meio de pequenos bicos localizados abaixo destes componentes, que injetam óleo sob pressão, diretamente na parte inferior dos pistões enquanto eles se movem para cima e para baixo.
Esse resfriamento adicional é crucial durante a operação em alta carga, onde as temperaturas dentro da câmara de combustão podem aumentar significativamente, assim, ajudando a prevenir a detonação e o superaquecimento, garantindo que o motor continue funcionando de forma eficiente mesmo em condições extremas.
Os "jatos de óleo" são projetados com válvulas de retenção, que impedem o fluxo de óleo em pressões mais baixas, garantindo que o sistema de lubrificação mantenha a pressão adequada em todas as partes do motor, quando não está em regime de alta carga.
O óleo recomendado pelo fabricante deve atender às normas SAE 5w30, 10w30 ou 10w40, classificação mínima API SM, com uma capacidade de 4,4 litros considerando a troca do elemento filtrante, que é do tipo refil, ou seja, com carcaça fixa e elemento de papel substituível.
Sistema de Arrefecimento
O motor 2AR-FE utiliza um radiador de alumínio, escolhido por sua leveza e excelente capacidade de dissipação de calor, contribuindo para uma maior eficiência de combustível e desempenho dinâmico.
O fluxo de refrigerante dentro do sistema é cuidadosamente controlado por uma combinação de válvulas e canais de fluxo, projetados para garantir que o calor seja dissipado de maneira uniforme.
Um detalhe técnico interessante do projeto é o uso de um sistema de passagem de água rasa no bloco do motor, que permite ao líquido refrigerante circular de forma eficiente entre os cilindros, melhorando a capacidade de dissipação térmica e evitando pontos quentes que poderiam levar a deformações e falhas prematuras.
De acordo com a montadora, o líquido de arrefecimento foi definido para ser de altíssima durabilidade (Toyota Genuine SLLC, do inglês, Refrigerante Super Longa-Vida Genuíno Toyota) dessa forma, a recomendação da primeira substituição completa é aos 160 mil km, sendo que as próximas devem ser feitas a cada 80 mil km.
Ainda sobre o fluido, caso não encontre um genuíno, deve-se utilizar um similar à base de etilenoglicol, sem silicatos, amina, nitrito ou borato; com tecnologia de ácido orgânico híbrido de longa vida (que é uma combinação de baixos fosfatos e ácidos orgânicos), e jamais usar apenas água pura.
O motor 2AR-FE utiliza um termostato com válvula de desvio, para controlar a circulação do líquido de arrefecimento no sistema.
Dessa forma, quando o motor está frio (até 80ºC), o termostato permanece fechado, permitindo que o líquido de arrefecimento circule apenas no bloco do motor e no cabeçote, acelerando o aquecimento do motor.
Uma vez que a temperatura operacional ideal é atingida, o termostato se abre (à 84ºC está totalmente aberto), permitindo que o refrigerante flua através do radiador para dissipar o excesso de calor.
O motor também possui um sistema de refrigeração do corpo da borboleta de aceleração, que utiliza o fluxo de refrigerante quente para evitar o congelamento em climas frios, garantindo que o motor possa operar de maneira confiável em uma ampla gama de temperaturas ambientais.
Esse detalhe demonstra o nível de engenharia colocado no projeto do motor, onde até os menores detalhes são projetados para garantir a máxima confiabilidade e eficiência em qualquer condição de uso.
O fluido também é usado para retirar calor do óleo de transmissão, por meio de um trocador de calor, e para suprir todas essas demandas de refrigeração, o volume total de líquido é de 6,8 litros, sendo que este sistema é também dotado de reservatório de expansão, o que facilita a leitura do nível correto de refrigerante.
Sistema de Admissão e Exaustão
Falando em acelerador eletrônico, o ETCS-i (Electronic Throttle Control System-intelligent) do 2AR-FE regula a abertura da borboleta de admissão com base nos sinais recebidos dos sensores de posição do pedal do acelerador, permitindo um controle mais preciso da quantidade de ar que entra no motor.
O ETCS-i também otimiza a resposta do acelerador, proporcionando uma experiência de condução mais suave e eficiente, eliminando pequenas vibrações que podem ocorrer ao passar por trechos com solo mais irregular.
Em vez de depender de uma conexão mecânica direta, o sistema eletrônico pode ajustar a abertura da borboleta de forma incremental, melhorando a eficiência do motor e reduzindo o consumo de combustível em faixas específicas de rotação, em partidas à frio ou durante uma troca de marcha, por exemplo.
Além disso, o ETCS-i facilita a integração de outros sistemas eletrônicos, como os controles de tração e estabilidade, ajustando a potência do motor em tempo real para evitar a perda de aderência.
Este projeto também incorpora o ACIS (Acoustic Control Induction System), que ajusta dinamicamente o comprimento dos dutos de admissão para otimizar o desempenho em diferentes faixas de rotação.
O ACIS utiliza uma válvula de controle de admissão, localizada dentro do coletor de admissão, que altera o caminho do fluxo de ar com base na velocidade do motor e na abertura da borboleta.
A lógica por trás desse sistema é que, em baixas rotações, um comprimento de duto mais longo ajuda a melhorar o torque, enquanto em altas rotações, um duto mais curto permite que o motor respire melhor, aumentando a potência.
Isso resulta em uma curva de torque mais plana e uma entrega de potência mais suave em todo o espectro de rotações, sem a necessidade de comprometer o desempenho em nenhuma faixa específica.
O coletor de admissão do motor é feito de plástico leve, o que não só ajuda a reduzir o peso total do motor, mas também melhora o isolamento térmico com as partes quentes do motor, mantendo a temperatura do ar de admissão mais baixa, o que o deixa mais denso e permite uma melhor combustão, aumentando o desempenho e a eficiência.
Outra vantagem de se usar esse tipo de material é com relação à rugosidade superficial interna, que é bem menor quando se comprara a um coletor similar fabricado em alumínio, o que permite um fluxo de ar mais livre e rápido, para a câmara de combustão.
Além disso, é utilizado um sistema de "tumble control", que manipula o fluxo de ar de admissão para criar um movimento de turbilhonamento dentro da câmara de combustão., o que melhora significativamente a mistura de ar e combustível, resultando em uma combustão mais completa e eficiente, especialmente durante o funcionamento a frio.
O sistema de controle de turbilhonamento fecha totalmente a válvula de controle de fluxo durante a partida a frio e nas primeiras fases da operação do motor, reduzindo as emissões e aumentando a eficiência de combustível.
Já o sistema de exaustão é projetado para ser leve e eficiente, utilizando coletor de escape em aço inoxidável, um material que oferece alta resistência ao calor e à corrosão, ao mesmo tempo que reduz o peso total do sistema, bem como ajuda a aquecer o catalisador mais rapidamente após a partida, permitindo que ele comece a converter gases nocivos em substâncias menos prejudiciais mais cedo.
O sistema de exaustão inclui duas juntas esféricas de fixação, que ajudam a reduzir o movimento e o desgaste das juntas do escapamento, garantindo uma vedação mais duradoura e reduzindo as chances de vazamentos de gases.
Sistema de Ignição e Combustível
Este propulsor utiliza um sistema de ignição direta (DIS), que elimina a necessidade de um distribuidor convencional.
Em vez disso, cada cilindro possui sua própria bobina de ignição, controlada diretamente pela ECU (Unidade de Controle Eletrônico), o que melhora significativamente a precisão e a eficiência da ignição.
O DIS é conhecido por sua alta confiabilidade e eficiência, já que elimina as perdas de energia que ocorrem em sistemas de ignição com distribuidor, sem falar que o tempo de ignição pode ser ajustado com precisão milimétrica com base nas condições do motor, garantindo uma combustão ideal e melhorando a economia de combustível.
Além disso, o sistema é mais resistente a falhas, já que cada bobina opera de forma independente, e uma falha em uma bobina não afeta o funcionamento dos outros cilindros.
As velas de ignição de irídio são uma melhoria significativa em relação às velas de ignição convencionais, uma vez que este é um metal extremamente duro e resistente ao desgaste, o que aumenta a vida útil das velas e garante uma ignição mais eficiente e consistente.
A especificação definida em projeto para estas velas, devem ser no código DENSO SK16HR11, que possuem uma folga de eletrodo entre 1,0 e 1,1 mm, com rosca longa.
O sistema de injeção de combustível é do tipo sequencial multiponto (SFI), que garante que o combustível seja injetado diretamente no coletor de admissão no momento exato em que a respectiva válvula de admissão se abre, o que otimiza a mistura ar-combustível e melhora a eficiência da combustão.
Os injetores de bico longo possuem 12 furos, que atomizam o combustível em gotículas extremamente pequenas, melhorando a mistura com o ar, resultando em uma combustão mais completa, reduzindo as emissões de hidrocarbonetos não queimados, melhorando a economia de combustível.
O sistema SFI também é projetado para ser eficiente durante partidas a frio, ajustando automaticamente a quantidade de combustível injetado com base na temperatura do motor e nas condições ambientais, o que reduz o tempo de aquecimento do motor e melhora o desempenho em climas frios.
O circuito de combustível é projetado sem uma linha de retorno para o tanque, uma vez que já tem acoplado a si, o módulo de bomba com filtro e regulador de pressão, o que permite menores emissões por evaporação.
Sistemas de Controle Eletrônico
O controle de todos os sistemas mencionados até agora é feito pela ECM (Unidade de Controle Eletrônico) do motor, que utiliza uma série de sensores para monitorar as condições do motor em tempo real.
A ECM regula a mistura ar-combustível, o tempo de ignição, a abertura da borboleta e o funcionamento do sistema VVT-i, tudo com o objetivo de otimizar o desempenho e a eficiência do motor.
A ECM também é responsável por detectar e armazenar códigos de falhas no sistema, permitindo diagnósticos rápidos e precisos de problemas.
Se uma falha for detectada, a ECM pode entrar em modo de segurança (fail-safe), ajustando automaticamente o funcionamento do motor com parâmetros pré-definidos, para minimizar danos e permitir que o veículo continue operando até que o problema seja solucionado.
Além disso, este motor possui uma série de sensores integrados que fornecem informações essenciais para a ECM, dentre os quais estão:
Sensor de Posição do Virabrequim: monitora a rotação e a posição do virabrequim para ajustar o tempo de ignição e a injeção de combustível.
Sensores de Posição do Eixo de Cames: controlam a posição das válvulas de admissão e escape para ajustar os tempos do sistema VVT-i.
Sensor de Detonação: detecta vibrações causadas por detonação ou pré-ignição, permitindo que a ECM ajuste o tempo de ignição para evitar danos ao motor.
Sensores de Oxigênio: monitoram a concentração de oxigênio nos gases de escape, permitindo ajustes na mistura ar-combustível para otimizar a eficiência e reduzir as emissões.
Periféricos
O alternador utlizado é um modelo compacto, leve e de alta eficiência, que gera uma tensão nominal de 12V, ajustada eletronicamente por meio de um regulador, e uma corrente elétrica de até 100A.
O motor de partida é do tipo PS (motor condutor de segmento com redução planetária), com potência de saída de até 1,7 kW, rotação anti-horária, com um peso de 2,93 kg.
A correia de acessórios é movida pelo eixo virabrequim para acionar a bomba d`água, alternador e compressor do ar condicionado, devidamente tensionada por um tensor automático de ação por mola.
Conculsão
Em resumo, o motor 2AR-FE exemplifica os avanços notáveis que a engenharia da Toyota alcançou na busca por motores mais eficientes, potentes, com menores emissões e de altíssima durabilidade, passando fácil da marca dos 300 mil km, caso tenha sido bem cuidado.
Com tecnologias como o Dual VVT-i, o controle eletrônico da borboleta (ETCS-i), e o ACIS, esse motor é uma combinação perfeita de inovação e praticidade, oferecendo uma experiência de condução otimizada para uma ampla gama de condições.
A eficiência térmica aprimorada, os materiais avançados e o controle eletrônico de última geração são os pilares que sustentam o projeto desse motor, tornando-o um exemplo de como os motores de combustão interna podem continuar a evoluir e se adaptar às necessidades ambientais e de desempenho.
À medida que a indústria automotiva se move em direção à eletrificação e a veículos híbridos, motores como o 2AR-FE mostrarão que ainda há espaço para a inovação e o desenvolvimento em tecnologias de combustão interna.
Dessa forma, as lições aprendidas com o projeto e a otimização desses motores serão fundamentais para o desenvolvimento de soluções mais limpas e eficientes no futuro próximo.
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