FlatOut!
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Técnica

Por que não há carros com motores de sete ou nove cilindros?


Houve um tempo em que os carros tinham cores. Depois dos carros pretos de Henry Ford, eles começaram a ganhar novos matizes, deixaram as ruas mais coloridas e, aos poucos, foram ficando mais sóbrios até chegarmos à profusão de tons de cinza, e variantes escuras das cores que, um dia, foram vivas.

A mesmice cromática, contudo, não me parece um problema. Imagino que seja uma questão de moda. Os carros coloridos também duraram seus 30 ou 40 anos. Ou você acha que ainda havia sedãs Rosa Pantera a venda em 1988?

A mesmice mais incômoda (ao menos para mim), é a técnica. Ela começou pouco antes desta era do downsizing, quando configurações mais excêntricas deixaram de ser utilizadas em carros comuns. Não se encontra mais um hot hatch com motor VR6, ou um sedã compacto com motor V4. Mesmo os cinco-em-linha, outrora populares nos carros a diesel, nos Volvo e nos Audi, desapareceram.

Então veio o downzising, a pressão burocrática por mais eficiência, e uma convergência para a única solução. Os motores acabaram padronizados. Marcas diferentes, carros diferentes, motores iguais. Todo motor moderno tem cilindros de 500 cm³, injeção direta e turbo. A mais recente geração destes motores também acrescenta um gerador de 48 volts para produzir um pouco mais de potência.

Foi assim que chegamos aos motores 1.5 de três cilindros e 150 cv, aos 2.0 de quatro cilindros e 200-220 cv, aos 3.0 de seis cilindros e 350-400 cv, aos V8 de quatro litros e 500 cv e aos V12 de 6 litros e 600 cv, falando de forma generalista. E, a menos que as regras de emissões, consumo e afins sejam modificadas, esse cenário dificilmente será revertido. As configurações pouco comuns continuarão existindo apenas nas memórias.

Praticamente todo tipo de configuração possível já foi tentada: a Morgan pendurava um V2 na dianteira de seus cyclecars do passado (e até na reedição de seu Three-Wheeler). A Citroën usava um boxer de dois cilindros no 2CV. A Fiat enfileirou os cilindros gêmeos em linha no Nuova 500. Os motores W3 foram usados em motocicletas, mas os três-em-linha já existiam quando Auto Union colocou no mercado a van Schnellaster. Ford e Lancia experimentaram com o V4 e a Volkswagen conseguiu até mesmo fazer um “V5”.

Mas… eu falei “praticamente todo tipo de configuração” porque nenhum carro jamais foi equipado com motores de sete, nove, onze, treze ou quinze cilindros, embora Bugatti, BMW, Mercedes, Rolls-Royce e BRM tenham chegado (ou tentado) aos 16 cilindros.

Por qual razão?

A resposta impulsiva, sem pensar, será rápida e direta: porque são cilindros ímpares! Mas os motores de três e cinco cilindros discordam com veemência. O Volkswagen VR5 então… sapateia sobre esta resposta enquanto imita Fausto Silva.

O problema dos motores de sete, nove, onze, treze e quinze cilindros está no intervalo de ignição e na complexidade que ele exige para funcionar com a suavidade que um motor de automóvel exige. Veja: o ciclo Otto se completa a cada duas voltas do virabrequim, ou seja, a cada 720 graus. Como o ciclo Otto tem quatro tempos (admissão, compressão, ignição/expansão e escape), cada tempo do ciclo acontece ao longo de 180 graus do virabrequim.

Em um motor monocilíndrico como o da moto Honda CG125, por exemplo, há uma ignição a cada 720 graus. Como a ignição/expansão dura 180 graus, que significa que ao longo dos outros 540 graus o virabrequim se move apenas com a inércia do movimento provocado pela ignição.

Quando você acrescenta mais um cilindro ao motor, ele passa a ter uma ignição a cada 360 graus — ou seja, uma por volta do virabrequim. Novamente, cada tempo dura 180 graus, então você tem a ignição/expansão do cilindro 1 ao longo de 180 graus. Quando o virabrequim atinge estes 180 graus, inicia-se o tempo de escape do cilindro 1, no qual o pistão volta a subir com mais meia volta (180 graus) do virabrequim, agora movido pela inércia do movimento iniciado pela combustão.

Ao final do escape do cilindro 1, o virabrequim terá percorrido 360 graus. E o que acontece a cada 360 graus no motor de dois cilindros? Outra ignição/expansão, agora do cilindro 2. Então o virabrequim volta a receber uma aplicação de força. Mas como o motor tem dois cilindros e os tempos de ignição são separados por 360 graus, ocorre uma sobreposição dos ciclos. Então os 360 graus de movimento inercial do virabrequim são divididos em dois tempos de 180 graus. O cilindro 1 expande (180 graus com aplicação de força), o pistão volta a subir para expelir os gases resultantes (180 graus com inércia), então o cilindro 2 expande (180 graus com aplicação de força) e seu pistão volta a subir para expelir os gases (180 graus com inércia).

O que isso significa? Essa alternância entre os graus com força aplicada sobre o virabrequim e os graus de movimento por inércia são um dos fatores determinantes da suavidade do funcionamento do motor. Quanto menor o intervalo entre os tempos de ignição/expansão, mais suave será o motor porque a aplicação de força sobre o virabrequim será mais frequente.

No caso dos motores de quatro cilindros temos 180 graus de intervalo entre os tempos de aplicação de força. Como cada tempo dura 180 graus, quando o tempo de ignição/expansão de um cilindro termina, o de outro cilindro já está iniciando. Isso significa que não há intervalo entre os tempos de ignição/expansão dos  cilindros. É que torna suave o funcionamento do motor de quatro cilindros.

Como comparação, o motor de três cilindros tem um tempo de ignição/expansão a cada 240 graus do virabrequim, o que resulta em 60 graus (240-180) sem aplicação de força sobre a alavanca. Daí seu comportamento menos suave que o do quatro-cilindros.

A partir de quatro cilindros os tempos de ignição/expansão começam a se sobrepor, porque o intervalo entre eles passa a ser menor que a duração de cada tempo do ciclo Otto. No motor de cinco cilindros, há um tempo de ignição a cada 144 graus do virabrequim, o que significa que há uma sobreposição de 36 graus (180-144) entre os tempos de ignição. No motor de seis cilindros, há um tempo a cada 120 graus, o que resulta em uma sobreposição de 60 graus.

Aqui já posso explicar a razão pela qual os motores de cinco cilindros foram criados: esta sobreposição dos tempos de ignição torna o cinco-cilindros quase tão suave quanto um seis-em-linha e significativamente mais suave que o quatro-cilindros, pois ele não tem a benéfica sobreposição dos tempos de ignição. Então, no papel, o cinco cilindros poderia ser um motor relativamente compacto, pouco maior que o quatro-cilindros, porém muito mais suave que ele — além de permitir um deslocamento maior sem a necessidade de pistões muito largos ou curso muito longo (leia mais sobre isso no link abaixo).

Como a relação entre diâmetro e curso define as características do motor

No passado houve motores oito-em-linha. Os lendários Alfa Romeo 8C dos anos 1930 usavam motores com oito cilindros alinhados, assim como os Mercedes-Benz de Grand Prix da mesma época. Eram motores insanamente potentes, mas tinham como inconveniente uma certa fragilidade do virabrequim e dos comandos de válvulas, ambos longos demais.

Bloco oito-em-linha

A solução para os oito cilindros, claro, já existia desde os anos 1910, quando a Cadillac lançou seu L-Head: posicioná-los em duas bancadas inclinadas de quatro cilindros, formando um V.

E aqui chegamos à primeira razão pela qual os motores de sete cilindros em linha não foram usados em automóveis: o V8 era mais prático por ser mais compacto e ainda compartilhar componentes com os motores de quatro cilindros.

A outra razão é o intervalo entre os tempos de ignição. Um motor de sete cilindros tem uma ignição a cada 102,8571428571 graus. Como o balanceamento do motor é feito, primariamente, com a ordem de ignição fica evidente a dificuldade de se fazer isso com um número tão impreciso. Sem benefícios e ainda com complexidade de construção/balanceamento, o sete-em-linha (ou VR7) ele sequer tinha motivos para ser considerado.

O mesmo ocorre com o nove-cilindros: ele até poderia ser facilmente balanceado, com seu intervalo de 80 graus entre os tempos de ignição, mas… qual seria sua configuração? VR9 (5 cilindros em uma linha, 4 em outra), para ficar tão longo quanto um V10, porém com maior complexidade de construção e balanceamento? Nove-em-linha, para acentuar os pontos fracos do oito-em-linha? W9, para ficar ainda mais complexo e ter um centro de gravidade mais alto que o de um houdah? Não seria mais fácil usar um V16? Aliás, é por isso que o V16 e o H16 foram construídos e não há nenhuma configuração entre eles e os V12/H12: o V16 é mais prático e tem melhor resultado em termos de performance e packaging.

Agora… o fato de não terem sido usados em automóveis não significa que os motores de sete e nove cilindros não tenham existido. Os sete-em-linha e nove-em-linha tiveram aplicação em projetos diesel de dois tempos para embarcações e maquinário pesado. Além disso, há os motores radiais, cujo princípio de funcionamento necessita obrigatoriamente de um número ímpar de cilindros.

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