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História

DOHC vs OHV: qual é o melhor motor?


Escolher qual é a melhor forma de se fazer um motor de combustão interna, sendo ele uma máquina de comportamento facilmente previsível e mensurável, uma ciência dominada, deveria ser baseada apenas em dados técnicos. Mas como tudo quando se fala em automóvel, incrivelmente não é. Motores, como o automóvel em si, desde sempre, transcendem a condição de mera máquina. São tão importantes para as pessoas que seu projeto tem que levar em conta coisas que, normalmente, não estão presentes em projeto de máquina. Considerações socioeconômicas, culturais, legislativas e psicológicas, um monte de coisa que é totalmente ilógico, as vezes até ridiculamente idiota sob a luz dos números, mas que fazem grande diferença em seu sucesso e fracasso.

 

Se você por engano caiu nessa matéria, mas nunca ligou para automóveis, aproveite para entender algo muito importante: automóvel nunca foi só uma máquina, ou uma solução de transporte. Sempre foi uma extensão de nós, nossas botas aladas de Mercúrio, nossa armadura de Tony Stark; é só notar como dizemos que “alguém bateu na minha traseira”, e não que alguém bateu na traseira do carro. O automóvel amplia nossa autossuficiência, nossa liberdade, nossa capacidade de irmos além, e com isso, nos tornam pessoas mais felizes, orgulhosas e capazes. Por isso, se tornaram um fenômeno social, uma manifestação não só da ciência, mas também da alma humana. Arte e técnica, coração e cérebro, se unindo para não somente fazer decoração de paredes, mas para ampliar nossa capacidade de fazer coisas.

O motorista é tão próximo da máquina, tão unido a ela quando a dirige, que ela não pode deixar de se tornar  importantíssima para ele. Como ela reage, como ela se move, os barulhos e vibrações que ela emite, tudo é importante. Um motor projetado apenas para função sem perceber que há um ser humano o comandando, é fracasso certeiro. Mil cavalos de um litro, mas presentes só nos últimos 500 rpm antes do corte? Um desastre no mundo real.

Até o barulho é importante, todo mundo sabe. A falta de barulho e vibração, embora desejável em alguns casos de extremo luxo, ou mero transporte, é o que nos faz admirar, mas dificilmente amar o carro elétrico, afinal de contas. Mesmo se esquecermos suas ineficiências claras, presentes tanto hoje como há 100 anos atrás, é um módulo de transporte e só, muito por isso. Um motor, definitivamente, não pode ser medido apenas logicamente, com números.

Números são importantes, claro. Mas pouca gente entende como, mesmo estritamente em termos técnicos, se mede a eficiência de um motor. A história de hoje então deve primeiramente passar por isso. Explicar por que o popular cv/litro é uma maneira ilógica de se medir eficiência de um motor.

 

Deslocamento e legislação

Praticamente toda legislação de imposto sobre o automóvel, mesmo hoje em 2021, é baseada em deslocamento do motor, sua cilindrada. Historicamente, vem do CV fiscal, popular com fórmulas diferentes na Inglaterra e na França antes da segunda guerra. Como todo motor tem uma construção diferente, os legisladores procuravam maneiras de taxá-los a partir de sua potência e/ou tamanho. Potência medida em dinamômetro era dúbio: não existiam normas e procedimentos, nem dinamômetros fora das fábricas de motores, e os fabricantes podiam simplesmente mentir (parêntese: Gol GT em 1985 com 99 cv mostra que mesmo 80 anos depois, não era um medo infundado). Naqueles anos iniciais, não se tinha muita certeza de como fazer isso, e fórmulas mirabolantes apareceram como consequência.

Limitar apenas diâmetro de pistão resultava em coisas assim.

Um exemplo interessante é o inglês: a maneira fácil encontrada foi medir o diâmetro de cilindros, e a partir dele determinar uma potência estimada para efeitos fiscais. A fórmula inglesa era simples: diâmetro do pistão ao quadrado, vezes número de cilindros, tudo dividido por 2,5. Não levava em conta curso do pistão, o que faz os motores ingleses, por décadas, serem subquadrados: diâmetro pequeno, curso enorme. Imposto era mais importante que qualquer consideração de eficiência mecânica.

Idiotas esses caras, né?  Não exagere nas risadas, porém, porque ainda hoje estamos à mercê dessas distorções causadas por impostos. Hoje é até pior, acredito, pois temos distorções causadas por países que nem são os nossos próprios. Para que os chineses (o maior mercado do mundo hoje) paguem menos impostos, o seu BMW agora tem um 2.0 litros turbo no lugar daquele delicioso seis-em-linha aspirado de antes, por exemplo. A China tem impostos crescentes a cada 500 cm³ de deslocamento, e por isso os deslocamentos hoje quase normalizados em 1.0, 1.5, 2.0 e 4 litros, todos turbo, claro.

Cadê o seis em linha que estava aqui?

Mas pelo menos, é baseado em deslocamento, e isso é uma boa medida da eficiência de um motor, né? Um carro de maior cv/litro é melhor que um de menor. Melhora a eficiência geral dos motores, né? Na verdade, embora muito melhor que os ridículos CV fiscais, é uma medida errada também.

Explico. A cilindrada é uma forma que se achou para medir o tamanho de um motor. Teoricamente, um motor que desloca menos é menor em tamanho, e mais econômico. No início funcionou relativamente bem, mas há muito tempo é uma estimativa totalmente errada. Funciona para comparar motores exatamente idênticos em construção, apenas, porque não leva em consideração seu peso, seu formato e dimensões reais, e seu consumo. Dos fatores que realmente interessam, apenas a potência aparece no CV/litro, o resto é esperado igual. Mas na realidade não é.

F1 de 3 litros: quando se limita a cilindrada, cv/litro vale.

É difícil tirar isso da cabeça das pessoas, porque até competições usam deslocamento como divisão de categoria; com o tempo e sua importância em competições, onde motores dedicados são sempre o menor e mais leve possível, obviamente motores com melhores relações cv/litro eram melhores em tudo. Mas no mundo real a cilindrada não é medida base de eficiência. É apenas uma aproximação grosseira para o tamanho, peso e consumo de um motor.

Plymouth Satellite 426 Hemi: OHV e cãmara hemisférica em 1966.

Vou dar alguns exemplos disso; mas agora, para entendermos melhor sobre isso, é hora de um pouco de história do motor de combustão interna.

 

O comando e as válvulas

No início, apenas a válvula de escape era acionada por um comando. Este comando estava no bloco, ao lado do virabrequim para ser acionado por ele, e comandava diretamente uma válvula virada para cima, ao lado do pistão. Oposta a esta válvula, em cima dela, estava outra, de admissão, apenas com uma mola a mantendo fechada: a sucção do cilindro baixando era suficiente para vencer a mola, e abrir esta válvula de admissão. Era a admissão automática, ou IOE, Inlet over exhaust (admissão em cima do escape). Funcionou bem nos motores primordiais que equipou, funcionando a baixas rotações apenas.

IOE e válvulas laterais, lado a lado.

Mas logo, com a subida da velocidade dos motores, o comando passava a acionar as duas válvulas, uma do lado da outra. É o sistema de válvulas laterais, o mais popular nas ruas até a segunda grande guerra. Seu problema era taxa de compressão: como as válvulas ficavam do lado do pistão, criavam uma grande área ali que o pistão não iria comprimir de jeito nenhum. Antes de Kettering da GM inventar o aditivo chumbo tetraetila, isso não era problema: a gasolina não permitiria taxa alta de qualquer forma.

Mas perceba uma coisa já. Taxa de compressão é diretamente ligada a eficiência de um motor, em termos de consumo e potência. Em dois motores iguais, o de maior taxa tem mais potência e menor consumo de combustível, relação direta. Diesel prova isso, mas mostra que em peso do motor, maior taxa nem sempre é melhor: motor diesel é super-reforçado e pesado por causa de alta taxa. Turbocompressores aumentam a quantidade de ar comprimido, e, portanto, a sua taxa efetiva, outro exemplo de como isso funciona.

Cadillac V8 1949: primeiro OHV moderno de alta taxa.

Para resolver o problema da câmara de combustão muito grande aparecem os motores OHV (over-head valves, válvulas no cabeçote). As válvulas estão agora em cima do pistão, com movimentos opostos a ele, fazendo o diâmetro da câmara coincidir com o do pistão. Permitem câmaras minúsculas e taxas altas, o que a GM começa a explorar em 1949 com seus V8 OHV, e o chumbo tetraetila na gasolina. Uma grande revolução em eficiência.

O esquema OHV

O que nos traz ao formato da câmara também. Antes de 1910 já se sabia que a melhor câmara era a de formato hemisférico, com válvulas opostas em V e vela central. Este tipo de câmara, porém, é também de volume grande: funcionou bem com taxa baixa. Evolui para a chamada “pentroof”, triangular como o teto de uma casa, com ângulo entre as válvulas menor, vela ainda central, e volume menor, para taxa maior. Com quatro válvulas por cilindro para aumentar a área de válvulas possível, é o mais usado hoje em dia.

Chrysler Hemi: OHV, mas câmara hemisférica e válvulas opostas.

Mas um detalhe aqui: toda câmara de combustão citada é possível de realizar no esquema OHV, com comando no bloco, usando varetas e balancins. Os outros esquemas populares que existem hoje, OHC (over-head cam, comando no cabeçote, as vezes chamado SOHC, single over-head cam, comando único no cabeçote) e DOHC (double over-head cam, duplo comando de válvulas no cabeçote) dizem respeito não a eficiência da combustão, mas sim dos acionamentos mecânicos do motor. Inércia de trem de válvulas, atrito interno, resposta, eficiência mecânica. Permitem na verdade velocidades mais rápidas do trem de válvulas: acima dos 8000rpm, é loucura usar outra coisa senão um sistema DOHC.

Twin-Cam, o DOHC: um motor bravo por natureza.

Isso porque este sistema, inventado em 1912 pelos “Charlatães” da Peugeot, ainda é o melhor na maior parte dos fatores que interessam aqui: acionando diretamente as válvulas, tem inércia baixa, e permite alta rotação; o cabeçote pode ter área de válvula alta com 4 delas por cilindro (ou mais; hoje não mais usual por gerar complicação mecânica desnecessária), válvula central, e taxa alta. Embora um OHV e um SOHC permitam câmaras de combustão iguais, o acionamento mais complexo, e a dificuldade de se posicionar a vela no centro em um SOHC, tornam o hoje popular DOHC melhor.

DOHC: acionamento direto.

Mas como tudo em engenharia, não existe nada que é melhor em TUDO. O sistema DOHC faz um motor mais alto que um OHV, potencialmente mais pesado, e com o peso extra em posição mais alta, aumentando a altura do CG do motor em linha ou em V. O que nos leva ao velho problema da legislação de cilindrada: sim, se você não puder passar de, por exemplo, dois litros, melhor o DOHC. Mas este DOHC de dois litros e 150 cv a 7.000 rpm não é necessariamente melhor que um 2,5 litros OHV de 150 cv a 5.000 rpm. O OHV, se bem projetado, poderia ser menor externamente, CG mais baixo, bem mais leve. Certamente mais barato. O carro em si, projetado para este motor, seria mais leve e menor!

Nenhum motor é idêntico a outro; o limite arbitrário de cilindrada, sem olhar consumo/potência/peso e tamanho, gera uma distorção perene nos tipos de motores que temos disponíveis. Tão grande que hoje o OHV se tornou sinônimo de ultrapassado, o que o faz muito raro: questões de mercado impedem sua existência, tendência desde os anos 1990.

LS7: sete litros, 7000rpm, 505cv e só 200kg.

Veja por exemplo um V8 LS da Chevrolet. Apesar de baixo CV/litro, de girar relativamente baixo e de seu trem de válvulas OHV, é um motor mais eficiente que a vasta maioria dos V8 de potência semelhante à venda. As versões de alumínio do LS pesam ao redor de 200 kg apenas (peso de muito 4 em linha grande), e são pequenos, compactos, com um centro de gravidade baixo. Seu consumo específico de combustível é menor que todos os motores de mesma potência. E por ser uma unidade mais simples mecanicamente, é também mais barato de se produzir, e de manter. Os americanos até descobriram que é mais leve e potente que um seis contraposto Porsche! Uma prova de que um OHV moderno e bem projetado ainda é algo viável.

O Chevrolet V8 tem uma coisa muito legal: sua câmara é minúscula, triangular (wedge), em formato de coração olhando no cabeçote; taxas de compressão e velocidade e formato de chama excepcionais. Certamente é tão eficiente, senão mais, que as pentroof de muitos dos DOHC modernos. Seus dutos são enormes, individuais e de formato bem pensado; respira como um motor de corrida. Mesmo seu trem de válvulas é leve e compacto para um OHV; mas ainda assim nas ruas chega no máximo a 7.000 rpm. Dou o exemplo do LS7 do Corvette Z06 2005, ainda espantoso quase 20 anos depois de seu aparecimento: sete litros aspirados, 7.000 rpm, 505 cv, e 200 kg de peso!

Corvette Z06, 2005

Lembro de Jeremy Clarkson testando este Corvette na época, e repetindo o senso comum totalmente errado: “motor imenso, enorme!” Não era, claro, é ridiculamente pequeno, apenas consegue deslocar gloriosos sete litros. “Uma empresa europeia faria mais de 700 cv num motor deste tamanho!” Deste tamanho, nunca. Deste deslocamento, sim, com certeza. Igualar deslocamento com tamanho físico é vício que acomete até o melhor de nós.

Os EUA por sinal não têm imposto crescente com cilindrada; por isso os motores Dodge Hellcat e os V8 Chevrolet existem. Particularmente adoro motores de alto giro, então tenho uma adoração pelo pedigree de competição dos DOHC, e a maneira como funcionam: são obras de arte mecânicas. E hoje temos uma vantagem grande para os DOHC: variação de fase do comando individual para admissão e escape. Um OHV moderno poderia ter isso também, usando dois comandos ao invés de um, mas a complexidade adicionada talvez negasse todo o exercício. Talvez. Sinceramente gostaria de ver como ficaria um OHV totalmente moderno, aproveitando suas coisas boas ao máximo. Mas não acredito que acontecerá.

O motivo é claro: a legislação equivocada, como sempre é quando burocratas se metem onde não deviam, faz com que os DOHC caminhem para ser a única opção. E não são. Toda máquina é um compromisso de perdas e ganhos, e teríamos uma miríade de opções diferentes, para todos os gostos, se esses burocratas ao menos nos deixassem em paz.

Para quem acha que é ridículo o “carro mil” nacional: é mesmo ridícula. Assim como é ridícula toda legislação desse tipo. Mas infelizmente é algo que temos que conviver. Sorte que pelo menos, os engenheiros ainda conseguem fazer deste limão uma limonada: vivemos uma era de motores simplesmente fantásticos, com potências específicas inimagináveis a alguns anos atrás. Mesmo que “potência específica” seja uma aproximação grotesca de eficiência, e um monumental erro estatal que nunca mais será corrigido.

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