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Técnica

Quais as vantagens dos motores radiais? – Entenda como eles funcionam

Hoje eles são muito diferentes, mas nos primórdios, os carros e os aviões — que têm quase a mesma idade – tinham tanto em comum a ponto de haver intercâmbio de tecnologias entre estas duas áreas da engenharia. Os motores de pistão, já usado nos automóveis desde as duas últimas décadas do século XIX, por exemplo, foram fundamentais para viabilidade da decolagem não-assistida e do voo motorizado. Mais adiante, a aviação retribuiu cedendo à indústria automobilística a sobrealimentação por compressores e os motores em V.

É até curioso pensar neste intercâmbio hoje, quando carros e aviões são máquinas tão diferentes quando se fala em propulsão. Afinal, os motores de reação se tornaram o padrão na aviação moderna, enquanto os carros permaneceram com os motores reciprocantes, apesar da tentativa da Chrysler em produzir um carro movido por um motor turbojato nos anos 1960.

Mas quando você observa a história da aviação, logo percebe que esta relação, este intercâmbio entre os dois ramos da engenharia mecânica, era apenas o fruto de uma solução comum para problemas diferentes. E aviação tinha vários outros problemas para resolver.

Entre estes problemas estavam o arrefecimento dos motores, sua suavidade de funcionamento e, acima de tudo, confiabilidade. E foi por isso que, em 1901, um engenheiro americano chamado Charles Matthew Manly desenvolveu um motor de pistões com cilindros dispostos radialmente em relação ao virabrequim. Era um motor compacto e incrivelmente leve: apesar de deslocar 8,85 litros e produzir 52 cv, ele pesava apenas 62 kg e foi por muito tempo o motor com a melhor relação peso/potência do planeta. Esse motor acabou usado no protótipo de aeronave do pioneiro Samuel Langley, em uma tentativa frustrada de decolagem e voo realizada no rio Potomac, em 1903, nos EUA.

A partir dali iniciou-se uma evolução constante dos motores radiais que culminou com o layout se tornando o padrão da indústria aeronáutica após a Primeira Guerra Mundial.

Na verdade, durante a Primeira Guerra, o motor radial era um pouco diferente dos radiais que conhecemos posteriormente e que foram amplamente usados. Naquela infância da aeronáutica, o motor radial popularizado era do tipo rotativo. Não como os motores de Felix Wankel, que tinha apenas 13 anos quando a guerra começou. Mas do tipo radial rotativo: os cilindros giravam em torno do virabrequim, que ficava parado — o que significa que a hélice propulsora dos aviões era afixada no conjunto de cilindros, e o virabrequim é quem ficava afixado na estrutura do avião.

Estes motores, além de simples, tinham a vantagem de produzirem seu próprio fluxo de ar para arrefecimento, afinal, quanto mais rápido eles acelerassem, melhor o arrefecimento. Eles foram fundamentais para as batalhas aéreas  — Manfred von Richthofen e Eddie Rickenbacker que o digam.

O problema é que, à medida em que esta configuração de motores evoluía, seu ponto fraco ficava cada vez mais evidente e influente no funcionamento do motor: com os cilindros girando ao redor do virabrequim, a lubrificação dos pistões era deficiente, porque a única forma de fazer o óleo atravessar o motor para lubrificá-lo era injetando-o na câmara de combustão como um motor dois-tempos.

Além disso, o motor radial rotativo causava um efeito chamado precessão giroscópica na aeronave. A precessão é resultado de uma força aplicada a um rotor para incliná-lo, por exemplo, quando você está em uma bicicleta e inclina o corpo para a direita para fazer a bicicleta virar à direita. Você não precisa virar o guidão, porque a precessão resultante da transferência do seu peso em relação ao eixo da bicicleta a empurra para a direita. Nos aviões com motores rotativos, à medida em que os motores aumentavam de tamanho para produzir mais potência (e mais velocidade) este efeito os tornava mais instáveis e difíceis de controlar, tornando-se extremamente arriscado para pilotos novatos.

Por isso a configuração radial estacionária (estacionária, porque os cilindros estão parados), que vinha sendo desenvolvida paralelamente aos radiais rotativos, acabou entrando em cena e dominando a indústria aeronáutica. Como os motores rotativos, os radiais estacionários também eram leves e compactos se comparados a motores de mesma potência em linha ou em V, e também tinham a vantagem do arrefecimento otimizado devido à área frontal — é por isso que a maioria destes motores era arrefecido pelo ar.

Além disso, eles eram igualmente simples, com poucas partes móveis, o que resultava em uma boa relação peso/potência. Eles também tinham custo de operação e manutenção mais baixos e não tinham as deficiências de lubrificação dos motores rotativos, porque sua configuração permitia a recirculação do lubrificante.

Os motores radiais se tornaram populares a partir dos anos 1930 e, mesmo após o desenvolvimento dos motores de reação (com hélices propulsoras ou não), eles continuaram usados em aviões comerciais de pequeno e médio porte.

Os benefícios dos motores radiais ante os motores em linha, boxers e radiais rotativos ficam mais claros quando entendemos seu funcionamento. Os princípios, claro, são os mesmos dos motores de ciclo Otto — ele tem um tempo de admissão, outro de compressão, outro de combustão/expansão e outro de escape dos gases, tudo por meio de válvulas —, mas há algumas particularidades interessantes.

Uma delas é a necessidade de o tempo de combustão acontecer sempre em cilindros opostos por uma questão de balanceamento e do próprio movimento angular do virabrequim. Caso a combustão acontecesse em dois cilindros vizinhos, haveria desperdício de energia ou mesmo um choque mecânico.

Por esta razão, todo motor radial precisa ter necessariamente um número ímpar de cilindros — normalmente são cinco, sete, nove ou onze. Com um número par é impossível obter o “cruzamento” do tempo de combustão. Para visualizar isso, basta imaginar a ordem de aperto dos parafusos de uma roda de quatro parafusos e outra de cinco parafusos. Inevitavelmente você terá que apertar o parafuso vizinho ao anterior na roda de quatro parafusos.

Os cilindros são contados a partir do cilindro central superior, sempre no sentido horário. Então a ordem de ignição sempre agrupa os números pares antes dos ímpares. Nos motores de cinco cilindros, a ordem de ignição será 1, 3, 5, 2, 4. Nos motores de sete cilindros, será 1, 3, 5, 7, 2, 4, 6. Nos motores de nove cilindros, será 1, 3, 5, 7, 9, 2, 4, 6, 8.

Até seria possível uma ordem de ignição de sequências opostas como 1, 4, 2, 5, 3, por exemplo, mas isso não funcionaria adequadamente, porque a combustão não seguiria o sentido de rotação do virabrequim. E isso é necessário devido à forma de montagem do motor radial.

No motor com cilindros adjacentes cada biela tem seu próprio moente ou divide um moente com uma biela oposta. Isso é possível, porque os cilindros estão enfileirados. Então a ordem de ignição pode variar, desde que a combustão ocorra sempre com um moente próximo do ponto morto superior, o que acontece, no mínimo, a cada meia volta do virabrequim.

No caso do motor radial, todos os cilindros estão em um mesmo plano. Não há como conectar as bielas lado a lado em um ou mais moentes. Então, somente a biela do cilindro 1,  é conectada ao virabrequim e os demais são conectados a esta biela por pivôs. Por esta razão, a manivela do virabrequim só está em posição de vantagem mecânica (a posição em que a expansão do conjunto de pistão-biela transfere mais energia para o virabrequim) uma vez a cada 360 graus.

Então, por uma questão de balanceamento e de maior eficiência mecânica, a ignição precisa necessariamente acontecer primeiro nos cilindros ímpares e depois nos pares, resultando na ordem de ignição fixa independentemente do projeto do motor.

Depois, o comando de válvulas não é feito por uma árvore de transmissão, mas por um anel. Isso, porque o uso de comando de válvulas no cabeçote adicionaria complexidade à construção (embora seja viável atualmente com comandos eletrônicos). Então as válvulas são operadas por varetas, como nos carros com comando no bloco, e estas varetas são movidas por um anel com ressaltos (cames) que determinam a duração da abertura e o levante das válvulas, exatamente como em um motor com cilindros longitudinais/transversais. Também como nos motores de cilindros longitudinais/transversais a sincronização do comando é feita por uma engrenagem conectada ao virabrequim e ao anel de comando de válvulas.

Por último, tanto o coletor de admissão quanto o coletor de escape são tubos ou anéis tubulares conectados aos cabeçotes dos cilindros e funcionam exatamente como nos motores com cilindros longitudinais/transversais.

Coletor de escape de um motor radial de nove cilindros

Nos motores carburados, o coletor de admissão é semelhante a este coletor de escape — basta imaginar um carburador na saída do coletor, exatamente como acontece com um carro carburado. Nos motores injetados (a injeção mecânica já existia nos anos 1940, caso você não saiba), o coletor também usa um anel como este, porém com as válvulas injetoras posicionadas próximas aos dutos do cabeçote ou mesmo diretamente nos cilindros. Nesse caso, o anel de admissão era responsável apenas pela distribuição do ar para os cilindros. Exatamente como nos motores convencionais dos carros.