Agora que já entendemos como funciona um comando de válvulas e como esse cérebro influencia fortemente as características de um motor. Que tal analisarmos todos os desdobramentos a partir das bases de um comando de válvulas?
Comandos e sobrealimentados
Pela crença geral, quando falamos sobre comandos para motores sobrealimentados a primeira resposta é. O cruzamento de válvulas deve ser o menor possível. Pois a mistura irá migrar da admissão para o escape devido ao diferencial de pressão. Porém este pensamento é equivocado em partes.
Tudo depende das características que cada tipo de sobrealimentação traz. Vamos ver caso a caso. Quando usamos um turbocompressor, o fator mais influente é a contrapressão do sistema de escape, também chamada de backpressure. Que é a resistência a passagem do fluxo (aguardem a nossa próxima série de posts que detalhará todo o assunto). Modelos mais antiquados de turbinas e coletores de escape com ruim (já falamos sobre os coletores aqui) apresentam uma razão entre as pressões de admissão e escape pode chegar a 2,5: 1 no pior caso. Nessa situação, sim, é interessante um cruzamento menor e até mesmo uma menor duração do lobe de escape. Tudo para prevenir a reversão. Porém um overlap muito pequeno causa um lag na resposta do acelerador, e isso fica mais evidente em motores turbinados.
Com o avanço no desenho das carcaças e principalmente dos rotores que vem ocorrendo nos últimos dez anos, a pressão relativa entre escape e admissão caiu para valores encontrados em motores naturalmente aspirados. Com isso o uso de perfis com menor LSA permite maiores ganhos em regimes de média e alta rotação e respostas mais ágeis ao pedal direito. Isso acontece porque uma válvula de escape que abre mais cedo libera mais energia para mover o rotor da turbina, diminuindo o lag. Essa mesma saída rápida dos gases induz a admissão da mistura fresca, também reduzindo o tempo de resposta. Então aquela regra que diz que motores turbinados precisam de um ângulo de separação de lobes acima de 116˚ não é unanimidade.
Motores sobrealimentados por blowers normalmente apresentam uma backpressure mais baixa que a encontrada em motores turboalimentados. Pois a quantidade de energia encontrada na admissão é praticamente igual, porém a restrição do sistema de escape é menor. Então as chances de curto circuito da câmara de combustão aumentam. Para reduzir esse efeito normalmente temos um lobe de admissão com duração menor, já que a densidade e velocidade de entrada do fluxo são maiores. Isso faz com que o cilindro seja preenchido mais rapidamente, ou seja, menos tempo é necessário para “encher” o cilindro. O lobe de escape preferencialmente deve ter uma duração maior, para permitir que o maior volume de gases seja completamente expulso do cilindro (Lembre-se que , então se as pressões tendem a se equalizar o volume aumenta). E o LSA também deve ser maior, para evitar o excesso de cruzamento. Neste caso ângulos acima de 110˚ são extremamente recomendados. Mas cada caso deve ser estudado. Como sempre digo, não há receita pra esse bolo.
Alguns artigos postados fora do país, mais especialmente os americanos, mostram que muitos perfis de comando para serem combinados com blowers não possuem cruzamento. Pessoal, muitas vezes há uma interpretação errônea do que está escrito. Na maioria das vezes os valores apresentados, são medidos com um levante de 0,05 polegadas (1,27 mm). Este padrão exclui a rampa de abertura e inicia a medição já no flanco. Em caso de valores pequenos de cruzamento, medindo com esse padrão encontraremos números negativos, o que significa que as válvulas não se cruzam. Mas aberturas menores que 5 décimos são mais que suficiente que a indução aconteça. Então devemos usar o padrão SAE, onde o levante a ser considerado é de 15 décimos (0,15 mm). Pois ele considera também a rampa de abertura. Estes padrões servem para que possamos comparar diferentes perfis de comando.
Motores que utilizam compressores centrífugos (como os Paxton, Rotrex, Vortec, etc) têm um aumento muito progressivo do fluxo. Essa característica permite comandos com maior cruzamento e duração do lobe de admissão. Se aproximando mais do perfil usado em motores turbo. Mais um fato para provar que esse tipo de compressor é resultado de uma noite de farra entre um blower e uma turbina.
E se a sobrealimentação utilizar o gás do riso, aquele do botão do capiroto? A filosofia é a mesma dos comandos para blowers, pois a densidade da mistura que entra no cilindro é muito maior que aquela que sai. Então o risco de curto circuito também é grande. Então lobes com menor duração e overlap pequeno são recomendáveis.
Sistemas acessórios
Os sistemas acessórios são qualquer conjunto de peças que ajude a transferir, guiar e ajustar o movimento das válvulas e para elas. Molas, balancins, tuchos, varetas, etc. Todos são acessórios de acionamento. De acordo com o local de instalação do comando de válvulas (no bloco ou no cabeçote) o número de acessórios diminui.
Tuchos
De um modo bem simplista os tuchos são a interface de contato entre o came de comando e a válvula, de modo a garantir que não haja folga na transmissão de movimento. Existem duas categorias básicas. Os mecânicos e os hidráulicos. Estes podem ser subdivididos em mais duas categorias, de deslizamento e de rolamento. Os rolamentos têm sempre por objetivo reduzir o desgaste e perdas, por oferecerem uma área de contato dinâmica o atrito gerado é menor.
Os tuchos mecânicos possuem molas para o ajuste de carga e folga, porém eles têm um limite para o ajuste de folgas. Para suprir esta desvantagem foram criados os tuchos hidráulicos. Neste tipo de tucho o óleo pressurizado que flui através de canais específicos é responsável pela expansão da câmara interna, corrigindo a folga automaticamente.
Mas como tudo no mundo não há só vantagens. Tuchos hidráulicos sofrem limitação pelo tempo de carga. Sendo assim a partir de uma faixa de rotações mais altas ele não se carrega por completo gerando uma folga que é acompanhada pelo famoso som de máquina de costura dentro do motor. Esse mesmo problema ocorre quando os canais de entrada da câmara de expansão começam a ser obstruídos. Em marcha lenta e baixas rotações o motor apresenta o mesmo ruído.
Por esse motivo motores que possuem comandos com perfis muito agressivos e quem trabalham com rotações muito altas utilizam tuchos mecânicos, por vezes sólidos. Sendo um “simples” tarugo de metal. Mas esse tipo de tucho também possui desvantagens pela constante necessidade de ajuste de folgas com o uso de calços (também chamados de valve shim). Além da maior massa, o que aumenta a tendência de flutuação das válvulas em regimes mais altos. Por isso, se vocês estiverem tocando algum projeto, tenham em mente essas características para fazer boas escolhas.
Balancins
Os balancins (ou balanceiros) são peças móveis, que como o nome sugere, trabalha em balanço. Assim como uma gangorra, ele é acionado tanto pela árvore de comando quanto pela válvula. Podendo acionar uma ou mais válvulas simultaneamente, estes podem ser construídos para deslizamento ou rolamento, assim como os tuchos.
Como mostra a animação mais acima, os balancins também fazem o papel de multiplicadores de movimento. Mas qual a finalidade disso? Basicamente reduzir o atrito, diminuindo o desgaste e as perdas parasitas.
Observem imagem. Vejam como o ângulo de contato entre o tucho e o lobe é agudo. Então devido à área muito pequena a pressão exercida em ambos é extremamente alta. Essa pressão aumenta o desgaste do conjunto. Em lobes com levante e taxa de aceleração muito grande a situação é ainda mais crítica. Então utilizando mecanismos multiplicadores não é necessário um levante muito elevado, pois este será multiplicado pela razão do balancim. Por exemplo, se temos um comando com levante de 5.3 mm e um balancim com razão de 1.85 : 1, o levante da válvula será de 9.62 mm. Por isso muitas vezes há certa confusão quanto aos valores de levante. Tenha em mente, o que deve ser considerado sempre é o levante da válvula. Se não houver balancim, o levante será correspondente ao do comando. Havendo, deve ser considerado o levante do comando vezes a taxa de multiplicação.
Os balancins também são usados para acionar mais de uma válvula por cada lobe de comando. É o caso dos motores com quatro válvulas por cilindro e comando simples. Para reduzir a sua massa, por vezes os balancins são construídos em alumínio, ou até em compósito. Tudo para reduzir as cargas envolvidas no movimento e o risco de flutuação das válvulas.
Varetas
Em motores que possuem o comado de válvulas instalado no bloco (Over Head Valves – OHV), como os tradicionais V8 americanos e os air cooled da Volkswagen. As varetas funcionam como elemento de ligação entre os tuchos e os balancins, transmitindo o movimento linear para ambos. Pela sua razão comprimento / diâmetro as varetas sofrem uma tendência natural de flexão e acabam funcionando como fusível do trem de válvulas.
Por isso materiais com maior resistência e paredes mais espessas são empregados para evitar que elas entortem. Varetas mais robustas acabam adicionando massa ao conjunto. Mas essa massa não é tão nociva pois ela estará concentrada no menor braço da alavanca. Como numa gangorra onde o mais gordinho fica a frente do assento para equilibrar o peso com o mais magro.
Assim como os balancins, as varetas podem ser fabricadas em compósito para projetos especiais. Existem vários relatos de varetas que quebram em suas extremidades (esferas soldadas ao corpo) quando são usadas junto a comandos de perfil mais agressivo. Nesses casos o melhor caminho é usar varetas usinadas, onde a solda é feita no ponto de estreitamento das extremidades e não nas esferas.
Molas
As molas são o pièce de résistance do conjunto de acionamento das válvulas, são elas as responsáveis pelo retorno da válvula e mais que isso, por induzirem o acompanhamento preciso do perfil do came.
Abaixo vou listar alguns pontos muito importantes para a escolha das molas:
- Comprimento. Tome sempre como referência o comprimento da mola originalmente instalada no seu cabeçote. Pois molas mais curtas e houver um espaçamento maior que 1,5 mm entre os elos durante a compressão máxima, as molas irão chacoalhar incessantemente. Isso aumenta a fadiga prematuramente e leva a quebras. Os valores normais de folga ficam entre 12 e 15 décimos de milímetro (1,2 e 1,5 mm). Se as molas forem longas demais haverá esmagamento dos elos. Mas como saber que você está no caminho certo? Simples, com a mola já instalada, o passeio medido entre a parte inferior do prato e o topo do retentor de válvulas deve ser no mínimo 2 milímetros maior que o levante máximo da válvula.
- Carga. Esta deve ser determinada de acordo com a massa do conjunto móvel, taxa de aceleração do lobe de comando e faixa de trabalho do motor. Todo fabricante de molas deve fornecer os valores de carga para a mola em máxima compressão e em pré-carga. Se você realmente quiser ir mais além (já estando no nível Jedi) o tipo de material que constitui a mola, o diâmetro do arame, ângulo de cruzamento dos elos e o número de elos determinam a carga.
- Quantidade de molas. Existem molas simples, duplas e até triplas. Ou seja, mais de uma mola pode ser combinada num conjunto para se chegar à carga desejada. Mas além desse, outro objetivo é evitar que a válvula flutue devido à frequência de ressonância de cada mola. Como cada uma delas tem diâmetros e construções diferentes, suas frequências de ressonância também serão. Então o risco de flutuação é minimizado.
- Faixa de trabalho do motor. Como eu disse no post anterior, o conjunto de acessórios, a válvula e a própria mola possuem uma massa significativa. E como dizia o baiano Newtinho. “Véi! Tudo que é massa tem preguiça, pra andar e pra parar também!”. E essa preguiça (que é na verdade a inércia) aumenta com a velocidade. Então quanto maior a for a rotação alcançada (velocidade angular) pelo motor, maior será a dificuldade em parar a válvula e mudar a direção do seu movimento. Por isso a carga das molas está ligada diretamente a faixa de trabalho do motor.
- Taxa de aceleração do lobe. Agora que vocês já sabem o que é a taxa de aceleração. E associarem isso ao que acabaram de ler acima. Vão perceber que uma taxa muito alta também afeta a inércia do conjunto de acessórios.
Sistemas de acionamento alternativos
Devido à limitação física das molas, ao desgaste causado por molas com cargas muito elevadas e principalmente ao risco de flutuação que as acompanha. Alguns fabricantes passaram a buscar alternativas para o acionamento de válvulas.
Um dos mais conhecidos é o desmodrômico. Um sistema onde a própria árvore de comando é responsável pela abertura e fechamento das válvulas. Havendo cames e balancins distintos para executarem os dois movimentos. O conceito é bem simples, mas a realização. Essa sim é bem mais complicada. Exemplo disso é a fabricante Ducatti, que vem atualizando suas patentes sobre o sistema desmodrômico há anos e mudou seu design básico pelo menos cinco vezes.
Vocês podem pensar que foi esse famoso fabricante o primeiro e único a utilizar o conceito de comando desmodrômico para competições e posteriormente levando-o as ruas. Mas o pioneiro foi a Mercedes – Benz com o W196R em 1954 construído para a temporada de Fórmula 1 e pilotado por Fangio. Somente em 1956 este tipo de acionamento foi usado na Ducatti 125 Desmo. A partir da década de 1980 a Ducatti entrou na era das superbikes com os motores Desmoquattro, daí se seguiram os Testatretta (2001), Desmosedici (2003) e finalmente o Superquadro (2011).
Mas como a nossa pegada aqui não é da história automobilística, vamos voltar ao que interessa. Comandos desmodrômicos acionam a válvula através de balancins, mas o fator de multiplicação destes é muito baixo. Por isso o perfil de comando normalmente possui um maior levante que aumenta a tendência ao desgaste. A animação abaixo mostra os pontos de maior pressão durante o contato came / balancim.
No sistema desmodrômico não há flutuação da válvula, pois esta tem seu movimento guiado integralmente. Então o que limita este tipo de acionamento? A aceleração máxima do conjunto é determinada pela geometria e consequentemente a sua resistência mecânica. Pelas suas formas pouco comuns, os balanceiros acabam sofrendo um estresse elevado, que se não for bem gerenciado leva a uma fadiga prematura do sistema. A imagem abaixo mostra os principais pontos de estresse.
O sistema desmodrômico apresenta enormes vantagens, mas quando falamos em regimes de rotação estratosféricos outro sistema toma a liderança. As molas pneumáticas ainda são insuperáveis neste quesito. A grande vantagem desse sistema está no aumento linear de carga da mola pneumática, quanto mais comprimida a câmara for, maior será a força contrária gerada. Funciona da mesma forma que aquela velha brincadeira da seringa. Tape a saída com o dedo e tente comprimir o êmbolo até o fim (boa sorte). Essa linearidade combinada a baixíssima inércia dor ar acaba abolindo a possibilidade de flutuação das válvulas.
Como mostra a imagem acima, o conjunto possui um pequeno conjunto de molas de pré-carga, quem irão manter uma força mínima para que o conjunto não se solte quando o motor não estiver operando. Mas como já dissemos a verdadeira carga vem do ar contido na câmara. Outra característica desse sistema é a possibilidade de ajuste de carga sob demanda. Ou seja, a pressão inicial dentro da câmara pode ser ajustada de acordo com o regime de trabalho. Esta pressão pode variar entre 8 e 11 bar. Com isso as perdas friccionais caem e cavalo que não é desperdiçado vai pra conta do dinamômetro. Não é incomum encontrarmos mais de 12 hp de diferença entre o sistema de molas metálicas e pneumáticas.
Ao contrário do que algumas pessoas pensam. Esse conjunto ainda é acionado por um comando de válvulas convencional. Porém o tipo de perfil usado é diferente. Com as características de maior linearidade e menor inércia é possível usar comandos com taxas de aceleração muito mais agressivas. Isso significa que a abertura média da válvula é maior, então menos duração é necessária para que o cilindro seja preenchido.
Tudo isso leva a uma entrega de torque e potência mais linear, o que é extremamente importante quando se anda a maior parte do tempo no limite de aderência dos pneus. Por essa razão os motores da F1 e a maior parte da Moto GP usam molas pneumáticas. As desvantagens desse sistema residem na necessidade de um conjunto suplementar de pressão. Normalmente há um cilindro pressurizado que supre pneumaticamente as molas. Nos casos mais complexos (como dos protótipos de endurance) há um compressor e um vaso de pressão para abastecer o conjunto de molas. Isso agrega massa ao veículo, assim como é mais um acessório a consumir cavalos.
As inovações de ontem, agora e amanhã.
Vocês já devem ter notado que as configurações usuais são inflexíveis. Se você ganha numa banda, inevitavelmente você terá perda no outro extremo. Um perfil conservador que traz uma boa quantidade de torque em baixas rotações. Porém irá estrangular a desempenho em regimes mais altos. O contrário também é verdadeiro, um perfil agressivo matará o motor em baixa e será voraz em alta. Então para compensar essa gangorra os fabricantes criaram sistemas com siglas quase milagrosos. VTEC, VVTI, VARIOCAM, VANNOS, são algumas das siglas adotadas para definir o desenvolvimento feito por cada empresa. O Leo já falou sobre os princípios de funcionamento deles aqui. O objetivo desses sistemas está em aumentar o range de trabalho do motor e assim a sua flexibilidade de uso. Assim tornamos os eventos de válvula mais favoráveis a cada situação.
Com o aumento da tecnologia embarcada nos veículos a evolução dos conjuntos variáveis obviamente também faria parte de todo esse processo. Assim, a flexibilidade de atuação aumentou ainda mais. Como exemplo disso temos o UniAir desenvolvido pela Schaeffler e aplicado pela FIAT sob o nome MultiAir. O sistema utiliza atuadores eletro-hidráulicos para variar tanto a duração quanto o levante de abertura das válvulas, dessa forma o motor ganha flexibilidade para operar em uma faixa muito maior. Essa e outras tecnologias já foram abordadas aqui também pelo Leo.
O que vem pela frente
Nos próximos posts iremos falar de sobrealimentação. Mas nada de “trêskilimei”, “dá nus butão”, vamos abordar turbos, blowers, nitro e afins da maneira que vocês já conhecem. Então até lá!
