FlatOut!
Image default
História Técnica

Explicando o cabeçote: DOHC, OHC, OHV

Alguns comentários na matéria sobre o Chevette Silpo Bi-Albero me deram a ideia de fazer algo diferente. Dar um par de passos para trás, e começar de novo. Afinal de contas, é difícil se explicar com calma a origem e os motivos de qualquer sistema mecânico hoje em dia. Como qualquer máquina, a constante evolução do automóvel vai tornando-o cada vez mais complicado, e com isso, certos desenhos são considerados conhecidos, e não se fala mais deles. Muita gente acaba sem muita explicação; é assim e pronto, aceite.

Mas conhecer os detalhes da evolução de qualquer coisa é essencial para qualquer um que queira saber mais. Mesmo se passeie por coisas totalmente obsoletas, em desuso mesmo. Porque é entendendo como e por que essas coisas ficaram obsoletas é que se consegue entender também os defeitos dos sistemas mais modernos; nada é perfeito, e saber onde estão os problemas é o primeiro passo de qualquer evolução.

Assim é o desenho do cabeçote do motor moderno. Evoluímos para uma configuração praticamente universal hoje, que determina duplo comando, quatro válvulas por cilindro, opostas duas a duas (duas de admissão, duas de escape) num ângulo pequeno entre elas, câmara de combustão compacta em formato triangular pentroof em seção, vela ao centro. Mas como e porque esta é uma configuração melhor, parece ainda algo desconhecido, ou pelo menos não bem compreendido. A ideia aqui é explicar isso para quem não conhece os detalhes, e quem sabe pincelar alguns fatos interessantes e divertidos, menos conhecidos, para os que conhecem. Falar no detalhe sobre qualquer assunto, afinal de contas, bota nossa cabeça para funcionar, e amplia o nosso conhecimento sobre ele.

Outro objetivo aqui é ajudar a eliminar a noção de que a necessidade de quatro válvulas por cilindro determina a necessidade de duplo comando. Vamos explicar por que são assuntos diferentes, e sem muita interação um com outro. Para explicar isso tudo, vamos fazer como um bom açougueiro: uma parte de cada vez.

 

O motor básico

Os motores ciclo Otto ou similares que falamos aqui, todo mundo sabe como funcionam: um pistão sobe e desce num cilindro, empurrado para baixo quando uma mistura de ar e gasolina sob pressão (criada pelo próprio pistão ao chegar no topo de seu movimento, comprimindo-a) é acesa por uma vela com uma fagulha elétrica, que faz essa mistura explodir. O movimento é captado por uma biela, que anexada a um eixo de manivelas, torna o movimento linear (para cima e para baixo, em linha) em angular (rotação no tal eixo de manivelas).

Conto de novo isso para introduzir dois conceitos importantes para entender o que se segue. Primeiro, este motor, obviamente, bombeia gases: admite ar por um lado, e pelo outro expele o ar com outros gases provenientes da explosão lá dentro. Faz isso por meio de válvulas de admissão e escape, que podem ter várias formas: janelas laterais, camisas móveis, rotativas, etc. Mas as mais comuns, desde o início, neste tipo de motor, são as tipo tulipa, “poppet”, presentes em todo motor do Mercedes 2021 ao Ford T 1908. Basicamente são as melhores formas que conhecemos de vedar a câmara de combustão, e separar as fases de admissão e escape precisamente.

Válvulas rotativas Darracq: como muitos outros tipos, menos eficiente que as normais.

A eficiência deste motor então está intimamente ligada à sua eficiência em bombeamento, em primeira análise. Quanto mais ar consegue admitir e expelir rapidamente, melhor. Daí a importância das válvulas e dutos, e suas dimensões e formas.

Depois existe claro, o tamanho dos cilindros: é a cilindrada, expressa em cm3, litros ou polegadas cúbicas. Quanto maior, mais ar e combustível cabe lá, mais forte a explosão, mais força do motor. Mas, também, mais combustível necessário, mantidos outros parâmetros constantes.

Taxa de compressão: o quanto a mistura é comprimida; dado geométrico.

A segunda coisa importante aqui não é a cilindrada, porém, mas também é definida pelo pistão e cilindro: a taxa de compressão. Quanto maior a taxa, melhor o motor: mais potente e mais econômico (comparando combustíveis iguais, note). A taxa é simplesmente o quanto a mistura é comprimida: uma taxa de 10:1 significa que o volume da mistura no ponto morto inferior (pistão todo para baixo) é dez vezes maior que o volume restante quando ele está no ponto morto superior (pistão todo para cima), comprimindo tudo lá no topo para a explosão ser mais forte. A taxa não pode ser subestimada: é o que determina um motor eficiente, mais que todos os outros fatores. Turbos aumentam a taxa, se não a física, sim a efetiva, por comprimir mais mistura num mesmo volume já desde o começo do ciclo; por isso são mais eficientes.

Claro que muitas outras coisas influem para uma eficiência do motor, mas falamos hoje de cabeçotes; para ele, esses conceitos básicos são os que interessam para entender o que segue.

 

A câmara de combustão

Esqueçam agora um pouco os comandos e molas e tuchos e balancins diversos que existem para operar as válvulas, para movê-las linearmente na direção da sua haste fechando e abrindo as passagens de gases para dentro e para fora do motor. Geometricamente, quanto maior o diâmetro da válvula, melhor. Sim, existe um limite para isso, afinal de contas uma válvula de diâmetro maior que o próprio pistão não ajudaria; vocês podem entender facilmente que velocidade da mistura entrando é um fator também, e quanto maior a restrição na válvula, maior a velocidade. Basicamente uma válvula não deve ser maior que 2/3 do diâmetro do pistão de forma alguma. Mas vamos ignorar a velocidade da mistura por hoje, para facilitar o entendimento.

Ford V8, 1932: válvulas laterais.

Para facilidade de construção, a vasta maioria dos cabeçotes de antes da segunda-guerra eram na verdade uma “tampa”, uma “cabeça-chata”. As válvulas ficavam no bloco, laterais, ao lado do pistão. Ora, se quanto maior a válvula, melhor o fluxo, isso permitia um tamanho generoso delas, não limitado pelo diâmetro do pistão em si. O acionamento também era direto, a partir de um comando baixo no bloco, com pouca inércia. Um motor compacto, de baixíssimo centro de gravidade (quase nada de massa acima do ponto morto superior do pistão), e com área de válvula generosa. Então qual era o problema dele? Por que motivo não existe mais?

Válvulas enormes possíveis nos cabeça-chata.

Basicamente, taxa de compressão. Com uma área extra para as válvulas ao lado, as taxas máximas permissíveis eram baixas também. Como consequência, eram baixas também as potências específicas e a eficiência em consumo. Mas ainda assim permaneceu a câmara mais popular até a segunda guerra, porque de qualquer forma, não existia combustível que permitisse ganhos com a taxa maior. Foi só depois da guerra, com a invenção do aditivo de chumbo tetraetila por Kettering na GM, que o combustível agora permitia mais taxa, e assim apareceu a necessidade de câmeras de combustão mais compactas.

Peugeot L76: DOHC e válvulas opostas, em 1912.

Isso porque a taxa é limitada pela auto-detonação da mistura antes do tempo certo, a chamada “pré-ignição”, indesejável no motor Otto. E basicamente, o que determina este limite é o combustível; o formato da câmara tem uma função aqui também, mas a maior influência é do combustível. Câmaras de combustão diferentes existiam em competição e em carros especiais desde muito cedo (o DOHC hemisférico aparecendo em 1912 no Peugeot L76 de competição), mas no frigir dos ovos, nas ruas, com combustível disponível então, não faziam lá muita diferença.

Mas depois da guerra, com a melhora nos combustíveis, se popularizavam as câmeras de combustão modernas, com válvulas em cima do cabeçote, ocupando, no máximo, a área determinada pelo diâmetro do cilindro, e assim, permitindo taxas maiores, e mais eficiência.

Hemisférico: literalmente metade de uma esfera.

 

Mas de novo, um problema aparece: dentro deste diâmetro do cilindro, visto em planta, há um limite físico, geométrico, para o diâmetro das duas válvulas. Se o pistão tem 100mm de diâmetro, por exemplo, o tamanho máximo dessas válvulas é menor que 50mm, óbvio,  se considerarmos duas válvulas iguais para efeito de exemplificação. Se você gritou “dá mais área usando 4 válvulas!”, está certo, mas calma aí meu. Tem mais um passo antes disso.

Se você colocar estas válvulas não paralelas entre si e o movimento do pistão, mas sim em ângulo entre elas, fazendo uma câmara de combustão triangular (ou semi-esférica) em seção, é possível aumentar o diâmetro máximo das válvulas. Geometria pura: com válvulas a 90 graus entre si, por exemplo, no mesmo motor de diâmetro de pistão de 100mm, agora o diâmetro máximo das válvulas é de 70,7mm, como a geometria nos diz num triângulo reto (em seção transversal às válvulas) onde a base é 100mm e o ângulo oposto é 90 graus.

No início, ângulo grande entre as válvulas, para válvulas maiores.

 

É por isso que os primeiros cabeçotes com válvulas opostas tinham ângulo bem aberto entre elas. Para possibilitar as maiores válvulas possíveis. Pelo mesmo motivo existem também até hoje, notadamente no V8 do Corvette C8, câmeras de combustão de duas válvulas tipo wedge, em cunha (também triangular, mas com um lado bem menor que o principal, em formato de cunha):  diâmetros de válvulas grandes são possíveis, em uma câmara compacta.

Mas além de diâmetro de válvulas, há o formato da câmara, importante também, entre outras coisas, para evitar pré-detonação, e uma mistura mais homogênea. É aqui que fica popular, no início, a metade de uma esfera: um hemisfério. Daí vem a famosa câmara de combustão hemisférica, em calota, que teoricamente ajuda em ambas as contas. A vela ao centro é parte dela, para distribuir a chama perfeitamente. Com duas válvulas opostas, o meio está ocupado por válvulas; a vela fica ali pertinho do meio, um pouco deslocada do centro. A Alfa faz ainda melhor: coloca duas velas, perto do meio, para dar simetria com câmara hemisférica e duas válvulas.

A solução da posição da vela, e de quebra ainda com aumento de área de válvula, são as 4 válvulas por cilindro. Já foram tentadas até seis, mas no fim, o melhor desenho se provou ser geometricamente o de quatro, duas de admissão, duas de escape. Vela exatamente no meio agora, e aproveitando melhor a área do pistão, ainda mais área de válvula.

Mas a câmara hemisférica era grande, alta, principalmente nos ângulos abertos usados entre elas então. Para maior taxa, o pistão tinha que ser mais alto, “cabeçudo”, para preencher o espaço desta câmara. Com o tempo e experimentação, se descobriu que, fechando o ângulo novamente entre as válvulas, as quatro delas dando área mais que suficiente em relação ao diâmetro do pistão, e adotando-se uma câmera triangular “pentroof” pequena em volume, maior eficiência era atingida. É o desenho mais usado hoje em dia, o que se entende como melhor.

 

O acionamento das válvulas.

Aqui é que queria chegar. Para acionar válvulas em cima do cabeçote, existem 3 tipos de sistemas. A saber:

– OHV: comando no bloco, baixo, acionando varetas e balancins que por sua vez acionam as válvulas. Faz um motor mais compacto e leve, com CG baixo, mas tem uma inércia alta do trem de válvulas, que dificulta funcionamento a altas rotações.

OHV: câmaras menores.

– OHC: um comando no cabeçote. Aciona diretamente as válvulas se alinhadas, ou por meio de balancins se opostas. Um meio termo.

SOHC: Porsche 928 V8

– DOHC: dois comandos no cabeçote. Cada comando aciona um trem de válvulas, um comando para admissão, outro escape. Permite diferenças de ajuste de fase entre os dois, espaço para uma vela no meio, e é geralmente o mais evoluído meio de comando, se mais complexo e com CG mais alto num motor em linha ou V.

DOHC: o motor moderno

O importante aqui é perceber que todo tipo de câmera de combustão é possível com qualquer tipo de acionamento das válvulas. Um comando no bloco pode acionar válvulas opostas e câmara hemisférica ou pentroof, sem problemas: os Chrysler Hemi são os mais famosos. Pode até acionar quatro válvulas por cilindro, apesar de isso ser extremamente raro pela complexidade, existindo praticamente só experimentalmente ou em competições. Alguns OHV Hemi usam dois comandos, um para admissão e outro para escape, como os Riley e o Talbot-Lago GS. Outros como o Chrysler Hemi V8 e o BMW 328 de 1938, só um comando. Mas tudo é possível acionar com varetas e balancins suficientes. Rube Goldberg aprovava.

Talbot-Lago: dois comandos, mas OHV e válvulas opostas.

Mas câmara de combustão é uma coisa, acionamento de comando, outro. Existem motores SOHC com 4 válvulas por cilindro, opostas, por balancins, embora o acesso à vela central seja impossível aqui, causando malabarismos em seu posicionamento. O SOHC Se presta melhor a válvulas alinhadas, acionadas diretamente abaixo dele. Como a Porsche fez no 928 original e no 944: câmara em cunha (wedge) como um V8 Chevrolet, mas com um comando em cada cabeçote acionando as válvulas diretamente, sem inércia ou perda.

 

O DOHC é o melhor porque praticamente pede o melhor: válvulas opostas e vela central; opera as válvulas diretamente quase sem inércia; permite diferenças de fase entre escape e admissão, ainda mais importantes hoje com variadores eletrohidráulicos. Pedem também fluxo cruzado, sempre interessante por dividir lado quente e frio do motor. Note: tudo isso pode ser feito com OHV e SOHC, mas o melhor meio de fazer tudo isso, o meio mais natural e eficiente de fazer tudo isso junto, é o DOHC. A evolução nos trouxe até ele, e ele é o melhor jeito.

 

Tudo aqui foi uma explicação bem simplificada do que é um sistema complexo; mas uma simplificação verdadeira, que ajuda a entender o básico. E prova também que uma coisa é a câmara de combustão, e outra é o acionamento das válvulas. Algo que observamos numa combinação diferente de ambos, o cabeçote Silpo, esta semana. Um duplo comando que, por balancins, aciona válvulas paralelas ao movimento do pistão, originalmente de um SOHC clássico com velas na lateral e 8 válvulas! Isso, é algo que nunca imaginei que fosse possível existir. Mas, infelizmente, é verdade.