Motores aspirados de alto desempenho - Parte 2

Nesta matéria continuaremos falando sobre conceitos de funcionamento dos motores naturalmente aspirados que são explorados pelo fabricante quando se deseja obter um maior desempenho para equipar veículos de comportamento esportivo.

O comando de válvulas tem a função de determinar o momento de abertura e fechamento das válvulas de admissão e escapamento. Isto ocorre sincronizado ao movimento de subida e descida dos pistões.

Nesta matéria continuaremos falando sobre conceitos de funcionamento dos motores naturalmente aspirados que são explorados pelo fabricante quando se deseja obter um maior desempenho para equipar veículos de comportamento esportivo.

O comando de válvulas

O comando de válvulas tem a função de determinar o momento de abertura e fechamento das válvulas de admissão e escapamento. Isto ocorre sincronizado ao movimento de subida e descida dos pistões.

No diagrama de válvulas, também chamado de mapa de válvulas, constam as posições, em graus, onde acontece a abertura e fechamento de cada válvula em relação ao ponto morto inferior e superior do pistão.

Veja a imagem em que exemplificamos um diagrama de válvula de um motor a gasolina.

Levante (lift): altura, em milímetros ou em polegadas, de abertura da válvula. Quando maior for esse valor, maior será a quantidade de mistura admitida e mais rápida será feita a expulsão dos gases. Na maioria dos motores convencionais usa-se 10 ou 11 mm de levante máximo, ao passo que os motores de alto desempenho podem trabalhar com até 13mm de levante.

Duração: é o período, medido em graus, em que a válvula ficará aberta. Para a maioria dos motores este valor fica em torno de 200 graus, mas motores de alto desempenho podem ter duração de 270 graus ou mais. Esta medição é feita em função da rotação do virabrequim. Assim, um comando com duração de 225° de admissão significa que, a partir do momento que a válvula começar a abrir, o virabrequim irá se mover 225°.

É importante ressaltar que, para motores onde a folga das válvulas pode ser regulada (isto é, os que possuem tucho mecânico), este valor é medido com uma folga entre o balancim e a válvula padrão. Se esta folga for alterada para maior, mais tempo levará para que a válvula seja acionada e, por conta disso, menor será o tempo em que a ela ficará aberta.

Lobe center: é a distância medida no comando de válvulas, em graus, entre os pontos de levante máximo dos cames de admissão e escape.
Para motores convencionais, esse valor fica entre 110 e 115 graus; para motores de alto desempenho, este valor fica em torno de 100 graus.

Overlap: é o tempo, medido em graus no virabrequim, em que ambas as válvulas ficam abertas simultaneamente. O overlap permite que, enquanto a válvula de escape ainda está aberta, a mistura ar/combustível comece a entrar na câmara, promovendo o resfriamento e a limpeza do cilindro, já que uma pequena parte dela também sairá pelo escape.

Além disso, a saída dos gases de escape cria uma região de baixa pressão no interior do cilindro, o que facilita a entrada da mistura. Essa dinâmica de gases é altamente explorada para motores de alto desempenho, pois ela interfere em diversos fatores, como pressão no coletor de admissão, curva de torque, comportamento do motor em marcha-lenta, entre outros.

Em um funcionamento teórico do motor, uma válvula só se abre quando a outra se fecha, e sempre essa abertura ou fechamento ocorre no PMS ou no PMI, de forma bem definida. Na prática, devido principalmente a dinâmica dos gases, a válvula abre ou fecha antes ou após o PMI ou PMS, melhorando a admissão de mistura ou a expulsão dos gases. Leia a seguir como é o comportamento real das válvulas de admissão e escape:

Admissão: cerca de dez graus antes de o pistão atingir o PMS, no final do ciclo de escape, a válvula de admissão começa a abrir, e irá se fechar por volta de 50 graus após o PMI.

Escape: depois de o virabrequim completar uma volta (360°), a válvula de escape é aberta até 50 graus antes do PMI, e será fechada até dez graus após o PMS. Perceba que, no final do ciclo de escape, a válvula de escape está se fechando enquanto a de admissão começa a abrir: este é o cruzamento de válvulas ou overlap ocorrendo.

Veja que cada uma das características do comando de válvulas implicam podem ser aplicadas de diferentes formas, porém, cada escolha traz um benefício e um efeito colateral. Por exemplo, um overlap maior trará um ganho maior de torque em cargas parciais, mas prejudica a estabilidade da marcha-lenta.
Desta forma, no momento em que a montadora define qual o comando válvulas será utilizado, ela busca um equilíbrio entre os benefícios e efeitos colaterais. Para atingir este objetivo, uma das técnicas utilizadas é a aplicação de um comando de válvulas variável.

Comando de
válvulas variável

O comando de válvulas variável permite que existam dois ou mais perfis de acionamento das válvulas em um mesmo eixo. A forma como isso é feito depende da estratégia de cada montadora, e pode ser feito atrasando ou adiantando o comando em relação ao virabrequim, como nos VW Gol e nos Toyota Corolla VVTi, ou alternando entre cames diferentes, como nos Mitsubishi com sistema MIVEC .

O sistema variável mais conhecido é o VTEC, da Honda, aplicado no superesportivo NSX e no Civic, que chegou ao Brasil no começo da década de 1990. Era composto por um eixo de comando com dois cames de diferentes levantes e um pino hidráulico.

Em rotações baixas e médias (até 4500 rpm), o came de menor graduação acionava a válvula e, assim que a pressão do óleo aumentava, o ressalto de maior graduação passava a atuar. Com isso, era possível extrair potência em regimes elevados, sem penalizar demais o torque em baixos regimes. Para se ter uma idéia, o Civic VTi vendido no Brasil entre 1993 e 1997, equipado com um motor 1.6 16V VTEC, gerava impressionantes 160cv sem nenhum tipo de sobrealimentação.

Essa solução, contudo, ainda não era ideal, pois o motor ficava limitado a duas “fases” de funcionamento. Como forma de contornar este problema, foi desenvolvida uma nova geração do sistema, chama de i-VTEC, que equipa o Civic 1.8 16v.

No i-VTEC, a posição do comando em relação ao virabrequim é alterada por intermédio de um rotor hidráulico conectado a polia. Dependendo da rotação e da carga do motor, o acionamento das válvulas pode ser atrasado ou adiantado em relação ao virabrequim. Isso permite ampliar a faixa de torque do motor e obter maior potência. Isto permitiu, por exemplo, que o motor 2.0 16v do
Civic Si, que é equipado com i-VTEC, alcançasse 192cv a aproximadamente 8000 rpm, sem nenhum tipo de sobrealimentação.

Nos motores aspirados mais modernos, o gerenciamento das válvulas de admissão é tão preciso que a borboleta de aceleração tornou-se dispensável, sendo o controle da quantidade de ar admitido feito diretamente pela variação da abertura da válvula.

O papel dos coletores

Tanto o coletor de admissão quanto o de escape têm papel fundamental no rendimento do motor, já que o primeiro envia a mistura ar/combustível para a câmara, enquanto o segundo envia os gases resultantes da queima para o exterior.

Para entender como os coletores podem melhorar o desempenho, é necessário compreender a dinâmica dos gases que entram e saem da câmara. Não somente o formato dos dutos de passagem do ar, mas também o contato da válvula com a sua sede têm grande impacto no desempenho do motor. O contato da válvula com a sede deve ser o mais suave possível e, para isso, muitos fabricantes produzem válvulas com três, quatro ou mais ângulos, o que melhora a passagem dos gases e permite extrair alguns cavalos a mais.
De uma forma geral, quanto mais livre for o caminho pelo qual a mistura ar/combustível deverá passar, mais rapidamente ela chegará ao cilindro, o que significa mais potência. Mas, ao contrário do que seria de se imaginar, um tubo mais curto ou completamente reto não necessariamente resultará em melhor desempenho. Como o combustível e o ar não se misturam completamente, existem algumas técnicas que favorecem a melhor mistura possível entre eles.

Uma destas técnicas é a de projetar o coletor de admissão de maneira que, na região próxima a válvula, haja um estreitamento do duto. Com isso, uma turbulência é gerada, o que melhora o fluxo para o interior da câmara. Outra forma de melhorar este fluxo é com pequenas curvas no interior do duto, que facilitam o escoamento.

Via de regra, quanto mais homogênea estiver a mistura, mais facilmente é possível extrair torque em baixa rotação. Logo, um coletor mais longo é indicado para esta situação.

Em compensação, quanto mais rapidamente a mistura chegar até a câmara, mais potência poderá ser extraída em altas rotações, já que não existirá o risco de falta de combustível suficiente para uma queima eficiente. Neste caso, um coletor mais curto é altamente recomendado.

As montadoras buscam sempre um coletor que permita extrair potência e torque em rotações intermediárias. Para alcançar este objetivo, algumas marcas passaram a adotar o chamado coletor variável.

Esta peça nada mais é do que um coletor, geralmente fabricado em plástico, que possui uma antecâmara em seu interior e que é separada do restante do coletor por uma portinhola. Nos momentos de maior carga do motor, ou seja, quando a máxima potência é necessária, essa portinhola se abre e permite que o ar acumulado na antecâmara siga para o interior do cilindro.

Quando a carga diminui, esta portinhola volta a se fechar, fazendo o fluxo de ar voltar ao seu caminho normal. Com a utilização deste dispositivo, é possível ter um coletor que atenda tanto a necessidade de vazão de ar em qualquer RPM do motor.

Na próxima edição do jornal, não perca a terceira e última parte desta matéria.