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Técnica

Por que o cabeçote de fluxo cruzado é melhor para motores aspirados?

Por que o limão é azedo? Pergunta infantil, não? Aposto que você vai responder que o gosto azedo da fruta se deve à sua acidez natural, e provavelmente vai pensar que explicou a razão do azedume. Mas este é só o começo da resposta. O limão é azedo porque é ácido. Mas por que o ácido é azedo e não é doce ou amargo ou salgado ou insosso?

Esse mesmo tipo de simplificação acontece quando a gente fala de fluxo cruzado. Por que o cabeçote de fluxo cruzado é melhor? Por que ele tem fluxo otimizado em relação aos cabeçotes de fluxo unilateral. Pronto, explicou… nada. É o velho “porque sim” da nossa infância, agora com uma maquiagem de 5W30 e WD40.

Por que o ácido é azedo? Por que o fluxo cruzado é melhor?

 

O cabeçote unilateral não é como você pensa

Para começar, vamos tirar do caminho esse “melhor”. Na mecânica nem sempre existe um melhor absoluto; o que é melhor, normalmente, é algo mais adequado à sua aplicação. E é por isso que os cabeçotes de fluxo unilateral (com admissão e escape no mesmo lado) conviveram tanto tempo com os cabeçotes de fluxo cruzado (com admissão e escape em lados opostos) — a Volkswagen, por exemplo, os utilizou até o início dos anos 2000 na linha Gol.

O cabeçote unilateral, contrariando a crença popular, otimiza a mistura ar-combustível na câmara de combustão porque o turbilhonamento do fluxo de admissão acontece no mesmo sentido que o fluxo do escape, porque este acontece pelo mesmo lado do cabeçote — por isso ele se chama “reverse flow” em inglês (fluxo reverso). Esse movimento em “loop” força a saída dos gases da queima, e também a homogeneização da mistura gás-combustível, que foi formada no coletor de admissão ou carburador.

Falando em carburador, a configuração unilateral também é mais adequada a esse tipo de alimentação devido ao regime de rotações inferior e facilidade de montagem/produção. Além disso, para motores turbo sem intercooler, a configuração unilateral também é mais adequada, porque a saída do compressor pode ser conectada diretamente à admissão (seja antes ou depois do carburador – blow through ou draw trough) para reduzir o tempo de “enchimento” do turbo, o turbo lag e minimizar as restrições do fluxo de admissão.

Os problemas do fluxo unilateral começam a aparecer quando se deseja obter mais potência, regimes de rotações mais elevados ou um sistema turbo com intercooler. O maior inconveniente dessa configuração é a falta de espaço para usar portas e dutos de maior diâmetro, para otimizar ângulos de válvula, válvulas de maior diâmetro e posição de velas.

Além disso, quando se tem o coletor de escape entremeado ao coletor de admissão, ele acaba transferindo seu calor para a admissão, que diminui a densidade do ar admitido, reduzindo a massa de ar admitida e, por consequência, afetando o desempenho do motor pela redução da eficiência volumétrica. E o calor também afeta a temperatura geral do cabeçote, o que pode aumentar a tendência à pré-ignição e detonação, o que limita a taxa de compressão adotada pelo projeto.

 

O fluxo cruzado

A solução de todos estes problemas veio com a separação dos fluxos: a admissão feita por um lado, o escape feito por outro. Com isso, a admissão deixou de ter sua temperatura elevada pelo escape. Também foi possível usar portas e dutos mais largos, permitindo um volume maior de escape e admissão — o que possibilitou a adoção de regimes mais elevados de rotações.

Com as válvulas contrapostas, também foi possível usar válvulas de maior diâmetro e reposicionar a vela na câmara de combustão. Mas, acima de tudo, o reposicionamento das válvulas permitiu adotar ângulos de válvulas mais eficientes em termos de fluxo de gases.

E aqui chegamos à resposta lá do início do texto: por que o cross-flow tem fluxo melhor? O primeiro motivo são as válvulas maiores. O segundo, são os ângulos das válvulas.

O ângulo das válvulas é medido em relação a uma linha perpendicular ao topo do bloco do motor. Quanto menor o ângulo, desde que diferente de zero — maior poderão ser os dutos e as válvulas de admissão, o que permite um maior volume de ar admitido sem necessitar um maior levante das válvulas. O ângulo de válvulas foi a principal modificação do motor Volvo cinco-cilindros usado na perua 855 do BTCC, desenvolvida por Tom Walkinshaw, e também era o maior trunfo do Cosworth DFV, que acabou copiado pela BMW em seu M12 de Fórmula 1.

Como (e por que) o Ford Cosworth DFV se tornou o motor mais vitorioso da F1

Por último, no fluxo cruzado, como a admissão e o escape acontecem em lados opostos do cabeçote, durante o overlap das válvulas, o turbilhonamento dos fluxos acontece em direções opostas. Por isso o fluxo de escape acaba aumentando a pressão negativa no cilindro (que ocorre naturalmente com o pistão descendo durante o tempo de admissão). Como a pressão negativa aumenta, ela consequentemente otimiza a admissão de ar. Daí também a necessidade de se ter válvulas em posição otimizada e com ângulo mais adequado.

Essa é a resposta para o fluxo de ar “melhor” no cabeçote de fluxo cruzado. Já sobre o ácido, eles são definidos como “substâncias que transferem íons de hidrogênio quando combinados a outra substância”. Os ácidos, portanto, quando em contato com a língua, transferem seus íons de hidrogênio, aumentando a concentração de íons na língua. Esse ganho de íons estimula as papilas gustativas, e este estímulo é transferido para o córtex gustativo, onde é identificado como o que conhecemos como azedo.