AINDA SOBRE O COMANDO DE VÁLVULAS E O MOTOR DE 2 TEMPOS

É PERDA DE TEMPO TENTAR ACHAR SENTIDO EM COISAS QUE DECIDIDAMENTE NÃO FAZEM SENTIDO ALGUM.

Prosseguindo do ponto onde paramos no post anterior, até não muito tempo atrás os motores de 2 tempos eram largamente utilizados em motocicletas. Mas eles também equiparam veículos de passeio nos anos 1960, como os fabricados no Brasil pela alemã DKW (vide ilustração). 

A DKW foi uma das quatro fabricantes de veículos que deram origem à Auto Union, criada no início do século passado. Seus motores tricilíndricos de dois tempos, lubrificados mediante a adição de óleo ao combustível, eram barulhentos, fumacentos e altamente poluidores, mas tinham lá suas virtudes: com um ciclo completo a cada volta do eixo de manivelas, produzia-se (em tese) duas vezes mais potência, já que o motor de quatro tempos tem uma volta “morta” (quando são realizadas as fases de admissão e escapamento). Assim, diziam seus fabricantes, 3 cilindros equivaleriam a 6 de um motor de ciclo Otto, mas na verdade a potência gerada era até 50% maior que a de um motor de quatro tempos de igual deslocamento volumétrico (o que não deixa de ser um ganho considerável).

Outro ponto favorável do motor de dois tempos é a simplicidade: sem válvulas, eixo-comando, molas e balancins, o conjunto fica mais leve e pode trabalhar em regimes de rotação mais elevados. Por outro lado, dada a ausência de válvulas para fechar a câmara de combustão, parte do combustível admitido nos cilindros não é queimada, mas expelida pelo escapamento, o que prejudica o consumo e aumenta a emissão de poluentes. Isso sem mencionar que a lubrificação feita mediante a adição de óleo ao combustível agrava ainda mais o problema das emissões.

Depois que as primeiras leis de controles de emissões de poluentes foram criadas, os motores de dois-tempos começaram a ser abandonados — dada sua incapacidade de se adequar às exigências legais. Somente umas poucas motos de competição resistiram, adotando tecnologias que dosavam o lubrificante adicionado ao combustível. Para reduzir o consumo e as emissões, a Ford chegou a desenvolver um protótipo com injeção eletrônica direta e um sistema de lubrificação que permitia rodar até 20 mil quilômetros sem reabastecer o reservatório de óleo, mas esse sistema tinha manutenção complexa e não bastava para compatibilizar os propulsores com as próximas etapas dos programas ambientais legais. Mas a ideia continuou viva no imaginário dos engenheiros.

A fabricante austríaca KTM anunciou uma nova linha de motos com motores de dois tempos controlados eletronicamente. Batizado como Transfer Port Injection, o sistema usa válvulas eletrônicas para injetar combustível e óleo pela janela de transferência do motor (em vez de despejar a mistura diretamente na câmara de combustão). Na prática, ele funciona como os vetustos sistemas de injeção monoponto dos carros dos anos 1980 e 1990, embora seja capaz de variar continuamente o ponto de ignição e o tempo de injeção, além da posição da borboleta eletrônica, otimizando o gerenciamento do combustível e do lubrificante injetados nos cilindros.

Injetar o combustível pela janela de transferência proporciona uma melhor atomização, otimizando a queima da mistura. O controle do lubrificante também é semelhante ao da injeção de combustível: o óleo é armazenado em um reservatório separado e levado ao motor por uma bomba eletrônica, comandada pela centralina, que injeta o lubrificante de acordo com a leitura dos sensores internos em diferentes situações de posição da borboleta e velocidade do motor, reduzindo os níveis de emissões. 

De acordo com a KTM, a redução no consumo é de até 40% em rotações médias e baixas, embora não apresente melhoria com a borboleta totalmente aberta. Por outro lado, as respostas em baixas rotações não entusiasmam, já que o controle eletrônico mitiga a típica subida de giro explosiva dos motores de dois tempos. Enfim, se tudo correr como a KTM planeja, a volta dos motores de dois tempos em motos de rua pode ser apenas uma questão de tempo (sem trocadilho).

Em 1965, a Volkswagen comprou a Audi na Alemanha; dois anos mais tarde, sua subsidiária no Brasil adquiriu a Vemag e encerrou a produção da linha DKW, que teve mais de 100 mil unidades comercializadas desde 1957. Atualmente, a Audi é a última herdeira do logotipo das 4 argolas entrelaçadas.

MAIS SOBRE MOTORES MULTIVÁLVULA, COMANDOS VARIÁVEIS E QUE TAIS

NÃO SEJA DERROTISTA. FAÇA COMO OS BOLETOS. UM BOLETO SEMPRE VENCE.

Já vimos que o cabeçote passou de mera "tampa" a "sistema respiratório" dos motores aspirados, nos quais as válvulas e o respectivo eixo-comando controlam o ingresso da mistura ar-combustível nos cilindros — o que, em última análise, gera o torque e a potência que faz o veículo se mover. Todavia, devido às limitações físicas desses componentes os projetistas se têm valido da sobrealimentação para aumentar o desempenho dos propulsores sem recorrer a blocos grandes, com 6, 8 ou mais cilindros. A lógica é simples: forçando a entrada de mais mistura nos cilindros, aumenta-se o poder calorífico da combustão e se obtém mais energia mecânica. E é sobre isso que falarei mais adiante. Antes, porém, cabem mais algumas considerações.

Qualquer alteração no projeto de um veículo — da simples troca das rodas e pneus por outros de dimensões diferentes das originais ao envenenamento do motor para extrair até a última gota de desempenho — deve levar em conta o que, exatamente, se espera obter com a modificação. No caso específico do desempenho, a solução para quem quer transformar um carro de passeio num recordista em arrancadas, por exemplo, é diferente da que o tornaria um devorador de estradas, embora ambas comecem pela avaliação criteriosa de parâmetros como o diâmetro e o curso dos pistões (que determinam o deslocamento volumétrico do propulsor e, em última análise, sua capacidade de produzir energia), o tamanho das válvulas, as faixas de rotação máximas (atual e pretendida), a relação de compressão, e por aí vai.  

Em teoria, nos motores de ciclo Otto a válvula de admissão abre a 0° e fecha a 180°, e a de escapamento a 540° e 720°, respectivamente. Esses ângulos têm a ver com o movimento rotacional do virabrequim e são medidos com base no primeiro cilindro. Mas tanto as válvulas quanto os componentes responsáveis por sua movimentação possuem massa considerável e podem sofrer danos se forem submetidos a uma aceleração instantânea, daí o comando iniciar a abertura da válvula mais cedo e ter uma menor aceleração, evitando a ocorrência de um fenômeno conhecido como "flutuação".

Igualmente importante é a relação entre as áreas da válvula e do cilindro: se ela for pequena, haverá maior resistência ao enchimento dos cilindros nas faixas mais altas de rotação do motor, razão pela qual a duração dos lobes — ou cames, como são chamados os ressaltos excêntricos que convertem o movimento rotativo do eixo-comando em alternativo para as válvulas — deve ser maior que os respectivos tempos de admissão e escape. Trocando em miúdos, quanto maior a duração do came, maior a eficiência do motor e os picos de torque e potência em regimes de rotação elevados. 

Por outro lado, veículos preparados para provas de arrancada, por exemplo, tendem a apresentar uma reversão de fluxo na admissão que pode comprometer sua dirigibilidade em baixas rotações. Assim, motores que equipam carros "de passeio" utilizam comandos de válvulas com pequenos valores de duração, já que o anda-e-para do trânsito, o rodar em baixas velocidades e as constantes retomadas demandam uma curva de torque mais "plana" — isto é, com força abundante em baixas rotações, mas disponível também nos demais regimes de giro (para saber mais, releia esta postagem).

Dos quatro os eventos associados às válvulas — IVO, que é quando a válvula de admissão abre, IVC, que é quando ela fecha, EVO, que é quando a válvula de escape abre, e EVC, que é quando ela fecha —, o mais importante é o IVC, que determina como a pressão de enchimento do cilindro ocorre e, consequentemente, o momento em que se dá o pico de torque. Um IVC prematuro aumenta o torque em baixas rotações, mas limita o tempo de enchimento do cilindro, reduzindo a potência nos regimes mais altos. Já um IVC tardio gera mais potência em rotações elevadas, mas o maior tempo de “válvula aberta" propicia  a reversão do fluxo quando o pistão inicia seu movimento ascendente, prejudicando o enchimento do cilindro em baixas rotações.

O segundo colocado em importância é o EVO. Se ocorrer cedo demais, ele limita a quantidade de trabalho realizado pelo pistão (e consequentemente o torque), pois a válvula abre ainda durante a expansão dos gases. Em contrapartida, devido ao maior tempo disponível para a exaustão essa configuração produz mais potência em altas rotações, daí os comandos voltados para o alto desempenho possuírem EVO bastante prematuro.

Observação: Avançar ou atrasar o comando de válvulas consiste em modificar a posição desse eixo em relação ao seu sincronismo original. Se ele for girado para frente no sentido de rotação do motor, dizemos que ele está sendo adiantado (obviamente, se ele for girado no sentido contrário, dizemos que ele está sendo atrasado). Esse ajuste tem por objetivo alterar o momento de ocorrência dos eventos: avançando o comando, obtemos ganhos nos regimes mais baixos; retardando, obtemos o efeito contrário (note que isso funciona como uma gangorra: quando uma extremidade se eleva, a outra desce).

Ir além deste ponto poderia desestimular um leitor menos iniciado a continuar acompanhando esta sequência, pois interessa-lhe mais ter elementos que o ajudem a decidir se compra um carro com motor convencional ou multiválvula, aspirado ou sobrealimentado — e, neste caso, se opta por um turbocompressor ou por um supercharger. É isso que discutiremos nas próximas postagens, depois que eu dedicar mais algumas linhas ao comando de válvulas variável, que até agora só foi mencionado de passagem.  

AINDA SOBRE OS MOTORES MULTIVÁLVULA (CONTINUAÇÃO)

NUNCA DEIXE SEUS SENTIMENTOS AFETAREM SEU JULGAMENTO.

Se o motor fosse uma orquestra, o comando de válvulas seria o maestro, já que cabe a ele definir quando, por quanto tempo e com que intensidade os gases entram e saem dos cilindros. Os regentes dos tempos de antanho acionavam as válvulas sempre do mesmo jeito, uma vez que o momento da abertura e o tempo durante o qual elas permanecem abertas dependiam diretamente da geometria dos cames (por "came", entenda cada ressalto excêntrico do eixo-comando de válvulas).

Para melhorar o desempenho, a solução encontrada pelos preparadores (ou envenenadores) era substituir o comando de válvulas original por um modelo "mais brabo", que altera os parâmetros de fábrica. A questão é que, a exemplo do "rebaixamento" do cabeçote  — outro "veneno" largamente utilizado (mais detalhes nesta postagem) —, os benefícios obtidos eram (e continuam sendo) mais perceptíveis em determinadas faixas de rotação. Na estrada, por exemplo, mais potência pode ser útil (sobretudo nas autobahns da Alemanha), mas esse ganho nem sempre compensa o desconforto no uso diário, já que a marcha lenta fica "quadrada" e o motor funciona mal em baixas rotações.

Via de regra, motores multiválvula são mais eficientes em altas rotações, mas geram menos torque em regimes de giro mais baixos, já que a área maior coberta pelas válvulas reduz a velocidade do fluxo no coletor de admissão. Veículos equipados com injeção eletrônica de combustível são menos suscetíveis a esse problema do que os carburados, especialmente se forem dotados de coletores de admissão variáveis — compostos de dutos de bitolas e comprimentos diferentes, que otimizam a mistura nas diversas faixas de rotação — combinados com comandos de válvulas variáveis — que ajudam a obter mais torque nas baixas rotações e mais potência nas altas.

Conforme a árvore de comando gira, seus cames (ressaltos) abrem e fecham as válvulas de admissão e de escapamento em perfeita sincronização com o sobe-e-desce dos pistões (a rigor, o fechamento das válvulas se dá pela ação de molas, mas isso é outra conversa). Como existe uma relação direta entre o formato dos cames e o funcionamento do motor nos diversos regimes de giro, os comandos variáveis alteram o ângulo e o tempo de abertura das válvulas, otimizando a performance ou privilegiando a economia de combustível, conforme o caso. Já os comandos tradicionais (não-variáveis) abrem e fecham as válvulas sempre do mesmo jeito, independentemente da rotação do motor. Mas há novidades no horizonte: na Fórmula 1, por exemplo, as válvulas são comandadas por sistemas pneumáticos gerenciados eletronicamente, sem correias ou correntes, que as abrem e fecham nos tempos ideais, levando em conta a dinâmica dos componentes e o fluxo de gás pelos dutos.

Observação: As válvulas não abrem nem fecham no exato instante em que os pistões atingem os pontos extremos de seu curso, pois uma pequena antecipação na abertura e um breve retardo no fechamento facilitam tanto a admissão da mistura quanto a expulsão dos gases

O Spider 2000, lançado pela Alfa Romeo em 1980, foi o primeiro veículo de linha com abertura variável das válvulas (uma tecnologia patenteada nos EUA em 1924). Há atualmente diversos sistemas em uso, mas os princípios básicos são os mesmos. Em última análise, a coisa toda consiste em alterar o ângulo de abertura das válvulas, o momento da abertura e do fechamento e o período de tempo durante o qual elas permanecem abertas, de acordo com as diversas faixas de rotação e as exigências do propulsor em cada situação.

Em alguns modelos, sensores auxiliam indiretamente essas três caraterísticas-chave, mas limitam a variabilidade de abertura das válvulas. Tecnologias ainda mais avançadas permitem manipular as válvulas com maior independência, como o MultiAir, que equipa modelos da Fiat, como o Tipo e Jeep Renegade. Há ainda o duplo comando variável de válvulas, nos quais os módulos alteram a posição das regiões excêntricas (cames) da árvore de comando, alterando o momento de abertura e fechamento e o tempo em que elas ficarão abertas, garantindo mais potência com menor consumo de combustível. Mas isso vai ter que ficar para uma outra vez.

DE VOLTA AO CABEÇOTE — VANTAGENS E DESVANTAGENS DOS MODELOS MULTIVÁLVULA

NÃO EXISTE IDIOTA MAIOR QUE O APAIXONADO.

Retomo a abordagem sobre o impacto da evolução tecnológica no segmento automotivo a partir de onde a interrompi no último dia 10, depois de falar brevemente sobro os ciclos Atkinson, Miller e B, que, como o Diesel e o Wankel, são "alternativas" ao popular ciclo Otto. Em sendo necessário refrescar a memória, clique aqui para aceder ao capítulo inicial da sequência anterior, aqui para ler o capítulo de abertura da sequência e aqui para acessar a postagem que antecedeu ao penúltimo intervalo.

Para facilitar a compreensão do que está por vir, relembro que um motor a combustão de quatro tempos (ciclo Otto) transforma a energia calorífica do combustível na energia cinética que faz o carro andar. Nos modelos aspirados, o movimento descendente que os pistões realizam no interior dos cilindros durante o ciclo de admissão cria uma depressão que suga a mistura ar-combustível através das válvulas de admissão (que provêm comunicação entre os cilindros e o coletor da admissão).

Na sequência, o movimento ascendente que os êmbolos realizam durante o ciclo de compressão "espreme" a mistura no interior da câmara de explosão (espaço remanescente entre as cabeças dos pistões, no ponto morto superior do curso e a base do cabeçote), e a centelha produzida pela vela de ignição inflama essa mistura, dando início ao ciclo de combustão, no qual os gases compridos se expandem e empurram os êmbolos de volta ao ponto morto inferior (esse movimento linear retilíneo, convertido pela biela em movimento circular, gira o virabrequim). Por último, mas não menos importante, um novo movimento ascendente dos pistões, combinado com a abertura das válvulas de exaustão (que provêm comunicação entre a câmara e o coletor de escapamento), expulsa os gases remanescentes combustão, preparando os cilindros para o início de uma subsequente fase de admissão.

Note que as quatro fases (ou quatro tempos) do ciclo Otto se repetem milhares de vezes por minuto; em marcha lenta, o motor "gira" de 800 a 1000 vezes por minuto; em regime de potência máxima, o giro sobe para algo entre 6000 e 7000 (podendo chegar a 15.000 nos bólidos de Formula 1). Para medir a rotação do motor (ou velocidade angular, como queiram), utiliza-se um tacômetro, vulgarmente conhecido como conta-giros, que expressa essa grandeza em rotações por minuto (RPM).

No motor de 4 tempos, o "momento motor" ocorre a cada duas descidas do pistão, razão pela qual o comando de válvulas gira na metade da velocidade do virabrequim. Como o conta-giros indica as voltas do virabrequim, quando ele marca 4.000 RPM, por exemplo, o motor realiza "apenas" 2.000 ciclos completos (admissão, compressão, combustão e descarga) por minuto. Note que somente a fase de combustão é considerada como "ciclo ativo", já que é a única que realiza trabalho (ou seja, gera torque e potência), e que, inobstante o número de cilindros (4, 6, 8, 12, etc.), uma sequência de distribuição pré-definida impede que dois pistões realizem a mesma fase o mesmo tempo.

Todo motor conta com pelo menos 2 válvulas por cilindro (uma de admissão e outra de escapamento). Nos modelos "multiválvula", que começaram a ser desenvolvidos no início do século passado, mas só passaram a equipar veículos de passeio de alto desempenho nos anos 1980 (a Honda e a Toyota foram as precursoras, mas logo foram seguidas por montadoras dos EUA), pode haver 3, 4, 5 ou mais válvulas por cilindro (vide imagem que ilustra este post).

Mais válvulas de admissão, mesmo que de diâmetro menor, aumentam a quantidade de mistura ar-combustível aspirada pelo pistão na fase de admissão. Combinado com o reposicionamento da vela de ignição na câmara de explosão — que proporciona uma propagação mais rápida da chama e otimiza o aproveitamento da queima —, um volume maior de mistura aumenta a quantidade de energia calorífica e produz mais energia cinética — ou seja, mais torque e potência são despejados nas rodas motrizes.

Ainda que motores "multiválvula" tenham se tornado comuns (voltaremos a esse assunto mais adiante), o ganho de potência em rotações mais altas pode não compensar a diminuição do torque em regimes de giro mais baixos, e como a maioria de nós trafega mais tempo em percursos urbanos (com trânsito congestionado) do que na estrada, a conclusão é óbvia.

CICLOS OTTO, ATKINSON, MILLER E B

FARINHA POUCA, MEU PIRÃO PRIMEIRO.

Vimos que ao longo das quatro fases (ou tempos) do ciclo Otto o pistão percorre seu curso quatro vezes (por curso, entenda-se a distância entre o PMI, que é o mais afastado do cabeçote e o PMS, que é o mais próximo), alternando movimentos ascendentes e descendentes. Como o tempo de expansão dos gases é superior ao da compressão da mistura, fazer menos força permite melhor aproveitamento da energia liberada (detalhes na imagem que ilustra este post), e é por isso que, no ciclo Atkinson clássico (criado em 1982), o curso percorrido pelo êmbolo na fase de combustão é maior que na de compressão.

O pulo do gato de James Atkinson foi projetar uma conexão diferente do pistão com o virabrequim, mas, na prática, isso tornava o motor mais complexo e, portanto, mais caro e mais sujeito a quebras. O mesmo não acontece nos motores de Fusion Hybrid, Toyota Prius e Lexus CT200h, em tudo iguais a um propulsor do ciclo Otto, mas que na verdade estão mais para o ciclo Miller do que para o Atkinson.

O ciclo Miller consegue efeito parecido ao do Atkinson mudando o tempo de acionamento das válvulas de admissão. Assim, em vez de elas serem fechadas quando o pistão chega ao PMI, como no ciclo Otto, isso ocorre somente quando êmbolo já está subindo em direção ao cabeçote, de modo que parte da mistura volta ao coletor de admissão, tornando a fase de expansão mais "longa" que a de compressão.

Nos exemplos retrocitados, os motores não são classificados como "de ciclo Miller" por não serem sobrealimentados — situação em que um turbo ou um compressor mecânico compensa a queda de potência em relação aos motores de ciclo Otto em veículos que não são híbridos. Nos modelos aspirados, no entanto, a perda de potência é grande: o motor a gasolina usado pelo Toyota Prius e pelo Lexus é um 1.8 que rende modestos 98 cv e 14,2 kgfm de torque, o que é pouco até mesmo para um 1.4. No Fusion Hybrid, seu 2.0 gera 143 cv de potência e 18 kgfm de torque, enquanto o antigo 2.0 Duratec (de ciclo Otto) produz 148 cv e 19,5 kgfm. Em ambos esses casos, porém, a potência inferior do motor à combustão é compensada pela força do propulsor elétrico. Mas há exceções.

Graças ao variador de fase no comando de válvulas, os motores 1.0 e 1.3 Firefly da Fiat conseguem trabalhar (momentaneamente) em ciclo Miller em situações nas quais não se exige muita potência, reduzindo o consumo sem a necessidade de uma fonte de energia extra. Já o motor 2.0 TFSI do Audi A4 trabalha em ciclo B, que difere do Miller por reduzir o tempo de admissão em vez de aumentar o tempo de expansão, mas sem abrir mão do compressor — ao reduzir a quantidade de ar admitida, torna-se necessário menos combustível para se obter a queima perfeita, enquanto o turbo ajuda a reduzir a perda de potência decorrente da menor massa da mistura.

Continua...

AINDA SOBRE TORQUE E POTÊNCIA...

OPOSIÇÃO SEM CONTRAPROPOSTA NÃO É POLÍTICA, É MERO EXERCÍCIO DO ESPÍRITO DE PORCO.

É comum associarmos torque a arrancadas e potência a altas velocidades, embora ambas essas forças sejam produzidas pela transformação da energia calorífica da mistura ar-combustível em energia cinética, cresçam na razão direta do aumento do regime de giros do motor (RPM) e atuem em conjunto durante todo o tempo em o veículo é utilizado.

O torque costuma "aparecer" bem antes do regime em que a potência máxima é alcançada (vide figura). Motores de grandes cilindradas tendem a gerar mais potência e curvas de torque mais “planas” (com força abundante em praticamente todas as faixas de rotação) do que os de menor cilindrada, que precisam ser mantidos em regimes de giro elevados para produzir força (daí ser preciso reduzir as marchas ao realizar ultrapassagens ou transpor longos trechos em aclive).

Por ser associada a velocidade e desempenho, a potência é usada como referência primária nos veículos leves. Já o torque é associado a força e, portanto, "fala mais alto" e em caminhões, ônibus e utilitários de grande porte. Um motor diesel de 12 litros, por exemplo, gera “módicos” 400 cavalos e incríveis 228 kgfm de torque a 1.200 RPM, ao passo que um Ford Mustang Shelby GT500 produz 770 cavalos, mas entrega “somente” 86,4 kgfm de torque a 7.000 RPM.

O torque costuma se expresso em kgfm (quilogramas-força x metro), mas alguns manuais utilizam o Newton-metro. 1 Nm corresponde ao torque produzido por 1 Newton de força aplicada a 1 m de distância do ponto de rotação, e equivale a aproximadamente 0,10 kgfm. Já a potência pode ser expressa em cavalos-vapor (CV) ou em quilowatts (kW). O quilowatt é a unidade padrão do sistema nacional de unidades definida pela Organização Internacional para Normatização (ISO) e utilizado nas fichas técnicas das montadoras de origem alemã. Fabricantes ingleses e americanos preferem o horse power (HP) e os italianos e franceses, o CV.

Observação: No Brasil, a maioria das marcas (independentemente da origem) converte suas fichas técnicas para o cv, mas é bom ficar atento à equivalência real entre as medidas: 1 HP corresponde a 745,7 W ou 0,7457 kW e 1 CV, a 0,7355 kW.

A potência em HP é medida no eixo motor, com todos os acessórios necessários para ligá-lo e fazê-lo funcionar autonomamente. O BHP — de brake horse-power —, aferido segundo as (hoje obsoletas) normas americanas SAE J245 e J1995, permitia a retirada de filtro de ar, alternador, bomba de direção hidráulica e motor de partida, além de admitir o uso de coletores de escape dimensionados. Por dar uma ideia de maior potência, essa nomenclatura foi largamente utilizada pelas montadoras.

A diferença entre essa medidas tende a ser inexpressiva em motores de pouca potência — 80 HP, por exemplo, representam 81,109 CV. Mas a coisa muda conforme a potência aumenta: os 430 kW do motor V8 do Mercedes AMG Coupé, também por exemplo, equivalem a 577 HP ou 585 CV. Para evitar enganos, converta a potência em kW para HP ou CV com o auxílio de uma calculadora ou recorra a um conversor de potências online (como o do WebCalc).

Para medir o torque, o motor é ligado a um dinamômetro e posto para funcionar com aceleração máxima, mas mantido em várias rotações — 1.000, 2.000, 3.000 etc. — por um freio hidráulico ou elétrico. Conhecido o valor do torque nos diversos regimes de giro, chega-se à potência multiplicando-o pela rotação.

Resumo da ópera: Torque é trabalho e potência é o tempo em que esse trabalho é realizado. O trabalho que um Fusca 1.3 de 46 HP realiza ao subir um aclive é o mesmo que faz um Maverick v8 de 257 HP ao subir a mesma ladeira. A diferença é que o carro mais potente fará o percurso em um tempo incomparavelmente menor. E o mesmo se aplica à aceleração. Submetidos a um teste de aceleração (de 0 a 100 km/h) os dois carros cumprirão a tarefa, mas o Maverick o fará em menos de 8s e Fusca, em letárgicos 38,8s.

CABEÇOTE, VÁLVULAS, TORQUE E POTÊNCIA

A VERDADE ESTÁ POUCO SE LIXANDO PARA O QUE VOCÊ ACREDITA OU DEIXA DE ACREDITAR.

Uma vez que as válvulas são acionadas mecanicamente pelo eixo-comando (ou árvore de cames), sua abertura não acontece de forma instantânea. Por isso, a geometria dos cames (ressaltos) é projetada para dar início à abertura da válvula de admissão uma fração de segundo antes de o fluxo da mistura ar-combustível começar a invadir câmara de explosão.

O mesmo se aplica à válvula de escapamento, cuja abertura deve ter início um instante antes de o movimento ascendente do pistão dar início à fase de exaustão, quando os gases remanescentes da combustão da mistura são expulsos do interior do cilindro — e permanecer aberta até que o êmbolo alcance o PMI, pois a entrada da mistura ar/combustível ajuda a expelir os gases queimados (segundo o princípio da impenetrabilidade, dois corpos não podem ocupar o mesmo espaço ao mesmo tempo).

Observação: Uma fração de segundo parece pouco, mas é preciso ter em mente que, nos veículos de passeio, o virabrequim chega a dar 7 mil voltas completas por minuto, e o comando de válvulas, que da uma volta completa a cada duas voltas do virabrequim, abre e fecha as válvulas milhares de vezes por minuto.

Para otimizar a combustão e aumentar a potência, os engenheiros estudam cuidadosamente o movimento dos gases nos dutos de admissão e de escape, de maneira adequar os coletores ao projeto do motor, pois seu formato e extensão refletem no torque, na potência e no consumo de combustível. Como torque e potência variam conforme a rotação do virabrequim, o grande desafio é "ampliar" o volume da câmara de explosão de modo a obter curvas de torque e potência o mais planas possível — ou, no mínimo, evitar variações substantivas nos diversos regimes de giro impostos ao motor.

Já o meu desafio é trocar tudo isso em miúdos, ou seja, abordar esses conceitos usando uma linguagem acessível a leitores leigos ou pouco familiarizados com as sutilezas da mecânica automotiva. E isso nos leva à questão do torque e da potência — termos que designam coisas diferentes, mas interligadas a tal ponto que confundem até quem é do ramo.

Para explicar o que é torque e o que é potência sem recorrer às velhas fórmulas que a gente aprende na escola e esquece assim que passa no vestibular, costuma-se dizer simplesmente que “torque é para arrancada e potência, para velocidade”. No entanto, além de inexata, essa definição é por demais simplista, mesmo para quem não tem qualquer familiaridade com o cipoal da mecânica automotiva. Então, digamos que o torque é uma força que faz algo girar em torno do próprio eixo.

Um bom exemplo de torque é a força que aplicamos ao apertar as porcas da roda do carro: quando giramos a chave de rodas, estamos gerando torque. Levar o carro de um ponto a outro é trabalho, e como é o torque quem o realiza, podemos dizer que torque é trabalho, e que potência é a rapidez com que esse trabalho é realizado. À luz desse raciocínio, fica fácil entender por que veículos mais potentes alcançam velocidades mais elevadas e se deslocam de um ponto a outro mais rapidamente que os de menor potência.

Trata-se de um resuminho pra lá de elementar, mesmo considerando os propósitos despretensiosos desta postagem. Mas já é um começo. O resto fica para o próximo capitulo.

SOBRE O CABEÇOTE E OS MOTORES MULTIVÁLVULA

A FOME É A MELHOR COZINHEIRA.

Das mais priscas eras até pouco tempo atrás, o acionamento das válvulas se dava sempre do mesmo jeito, já que o momento da abertura e o tempo durante o qual elas ficavam abertas dependia diretamente da geometria dos cames (ressaltos existentes do eixo-comando, que por isso é chamado também de "árvore de cames").

Para melhorar a performance dos propulsores, um dos "venenos" mais comuns sempre foi substituir o comando original por um modelo mais "brabo", ou seja, capaz de gerar mais torque e/ou potência (veremos em breve o que significam esses dois termos) alterando os parâmetros de funcionamento das válvulas. 

A questão é que, a exemplo do "rebaixamento" do cabeçote (outro "veneno" muito usado pelos preparadores), os benefícios da troca do comando em situações específicas — nas pistas, por exemplo — nem sempre compensavam o desconforto no uso diário: além da marcha lenta instável, o funcionamento do motor em baixas rotações restava prejudicado.

Como sempre, a solução veio nas asas da evolução tecnológica, que nos trouxe os motores multiválvula, o duplo comando variável e outros aprimoramentos voltados inicialmente a veículos esportivos, mas que logo se disseminaram entre os modelos "de passeio" — contribuindo, inclusive, para o "downsizing" dos propulsores (assunto que abordaremos mais adiante).

Por motores "multiválvula", entenda-se os que contam com duas ou mais válvulas de admissão e/ou de escapamento por cilindro. Essa tecnologia remonta ao início do século passado e vinha sendo largamente utilizada em carros de corrida, mas só começou a ser aplicada nos veículos "de linha" na década de 70.  

Substituir 2 válvulas grandes (falo do diâmetro) por 4 válvulas menores evita flutuações em altas rotações, permitindo que o motor funcione melhor em regimes de giro mais elevados — o que, em última análise, aumenta a potência. Por outro lado, cabeçotes multiválvula têm mais componentes e mais partes móveis, o que significa mais peso e maior custo de manutenção. Isso sem mencionar sua tendência de gerar menos torque em rotações baixas e médias, pois a área maior coberta pelas válvulas reduz a velocidade do fluxo de ar no coletor de admissão, tornando a mistura menos homogênea e, consequentemente, limitando a potência gerada pela combustão. Isso não é problema em carros pista e esportivos usados com tal, mas a coisa muda de figura quando se trata de veículos "de passeio", que rodam durante a maior parte do tempo por trechos urbanos e, não raro, congestionados. 

Observação: A indústria automotiva vem utilizando somente comandos de válvulas acionados mecanicamente em veículos de série. Alguns esportivos são equipados com mecanismos adicionais de controle, que permitem modificar o padrão de movimento das válvulas, mas isso é outra conversa. 

Em veículos de entrada de linha e sem pretensões esportivas, os fabricantes continuam aplicando propulsores de 2 válvulas por cilindro. Nos modelos mais caros, voltados a um público alvo que não se importa de pagar mais por melhor desempenho, motores com 3 e até 5 válvulas por cilindro são bastante comuns — nos de 5 válvulas, as 3 de admissão são abertas em momentos diferentes, otimizando a queima da mistura, gerando mais potência e gases de escape mais limpos, o que reduz a emissão de poluentes. Mas a maioria dos modelos multiválvula de 4 cilindros têm 16 válvulas — 4 por cilindro, geralmente duas de admissão e duas de escapamento, sendo as de admissão de maior diâmetro, mas há sistemas de 32 válvulas em motores V8 — em que os cilindros são divididos em duas séries de quatro dispostas lado a lado — com 4 válvulas por cilindro.

Não quero dizer com isso que motores de 2 válvulas por cilindro não oferecem desempenho aceitável; tudo depende do projeto — notadamente da velocidade de abertura e fechamento das válvulas, do momento em que elas se abrem e fecham e do tempo durante o qual elas permanecem abertas — e, claro, daquilo que se pretende extrair do propulsor. Mas não é difícil concluir que uma válvula de admissão aberta por mais tempo propicia a aspiração de um volume maior de mistura ar-combustível, o que garante uma explosão mais forte e, consequentemente, gera mais energia cinética. Se explodiu mais‚ é óbvio que há mais gases queimados e, por consequência, a válvula de descarga também precisa ficar mais tempo aberta, e é aí que a porca torce o rabo para os projetistas.

Continua no próximo capítulo.

ALGUMAS CONSIDERAÇÕES SOBRE O CABEÇOTE, AS VÁLVULAS E O EIXO-COMANDO

TODO MUNDO TEM UM AMOR INESQUECÍVEL E UM SEGREDO INCONFESSÁVEL.

Por despretensiosos, os propósitos desta abordagem me autorizam a simplificar as explicações a ponto de definir o bloco do motor como o "habitáculo" dos cilindros (em cujo interior os pistões sobem e descem milhares de vezes por minuto, gerando o torque e a potência que fazem o veículo se mover) e o cárter como o repositório do óleo lubrificante (que reduz o atrito entre as partes móveis do motor). Mas a porca torce o rabo quando se trata do cabeçote, sobretudo porque esse componente, que nos projetos antigos era apenas uma "tampa" da câmara de combustão, passou a abrigar as válvulas e respectivo eixo-comando (ou árvore de cames), guias, molas de retorno, tuchos, retentores e outros, tornando-se o "sistema respiratório" do motor. Vamos aos detalhes.

O cabeçote consiste numa peça de ferro fundido — ou de alumínio — que é firmemente presa ao bloco por uma série de parafusos. Entre ambos, uma junta de metal multicamadas assegura um perfeito assentamento, evitando tanto o vazamento da compressão quanto a contaminação do óleo lubrificante pelo líquido de arrefecimento. Praticamente todos os motores de Ciclo Otto atuais são do tipo OHV (sigla em inglês para "válvulas sobre o cabeçote"), o que otimiza significativamente os fluxos de admissão da e de descarga.

Se o motor fosse uma orquestra, o cabeçote seria o maestro e o eixo-comando, sua batuta, pois é ele quem determina quando, por quanto tempo e com que intensidade os gases entram e saem dos cilindros. Note que, para tanto, é fundamental que  o "abre e fecha" das válvulas seja sincronizado com o "sobe e desce" dos pistões.

Não custa lembrar (mais uma vez) que as quatro fases (ou tempos) do ciclo Otto são admissão, compressão, combustão e descarga, e que o pistão percorre quatro vezes seu curso a cada volta completa do virabrequim, alternando movimentos ascendentes e descendentes. Por curso, entenda-se a distância que o êmbolo percorre do PMS (ponto morto superior) ao PSI (ponto morto inferior) e vice-versa, conforme, aliás, foi explicado nos capítulos anteriores.

Na primeira fase, o movimento descendente do pistão, combinado com a abertura da válvula de admissão, cria uma depressão que suga para o interior do cilindro a mistura ar-combustível preparada pelo sistema de injeção eletrônica de combustível (ou pelo carburador, no projetos de antigamente). Na segunda, com ambas as válvulas fechadas, a subida do embolo comprime essa mistura no interior da câmara de explosão. Na terceira, ainda com ambas as válvulas fechadas, a centelha produzida pela vela inflama a mistura, que se expande e empurra o êmbolo em direção ao PMI, produzindo o torque e a potência que fazem o veículo se mover. 

Observações: 1) Por câmara de combustão (ou de explosão, dá no mesmo), entenda-se o espaço entre a base do cabeçote e a cabeça do pistão quando este atinge o porto morto superior do curso; 2) um motor à combustão gera torque e potência convertendo o poder calorífico do combustível na força (energia cinética) que a combustão da mistura exerce sobre o pistão, que a biela converte no movimento rotacional do virabrequim, que, com o concurso dos sistemas de embreagem e transmissão, é direcionado às rodas motrizes do veículo, fazendo-o se movimentar. 

Na quarta e última fase, a abertura da válvula de escapamento faz com que o movimento novamente ascendente do êmbolo expulse os gases remanescentes da combustão e prepare o cilindro para um novo ciclo de quatro fases.

Resumo da ópera: Fechada pela ação da respectiva mola de retorno, a válvula de admissão impede que a mistura passe do coletor de admissão para o cilindro, e o mesmo se aplica à válvula de escapamento em relação à saída dos gases resultantes da combustão dessa mistura. Note que o cilindro precisa ficar fechado hermeticamente durante as fases de compressão e de combustão, e que as válvulas precisam abrir, cada qual a seu tempo, nas fases de admissão e de escapamento.