Influência das Válvulas

Introdução

Um dos maiores autores sobre motores de combustão interna, Charles Fayette Taylor, disse de brincadeira que os motores podem ser definidos como “máquinas com potência insuficiente”. Isso porque, segundo ele, nunca ninguém reclamou que um motor tinha potência demais, só de menos. Claro que todos nós gostaríamos que nossas motos tivessem a maior potência possível, em qualquer rotação.

Para aumentar a potência de um motor, é preciso torná-lo mais eficiente, i.e. aproveitar melhor a energia do combustível, ou então colocar mais combustível dentro do motor, afinal é do combustível que vem toda a energia que será convertida em potência na roda. Só que, com mais combustível, também é preciso colocar mais ar para a combustão – e essa é a parte difícil do negócio. As formas mais evidentes para colocar mais ar dentro do cilindro são:

  • Usar um turbo compressor, que eram usados nas competições de moto antes da Segunda Guerra Mundial, mas depois foram deixados de lado por causa do custo, peso, volume e complexidade,
  • Aumentar o tamanho do cilindro, ou a sua cilindrada, que é volume do cilindro em centímetros cúbicos [cc];  e.g., 500 cc = 0,5 litros ou
  • Aumentar a rotação do motor, o que implica em uma série de modificações mecânicas, pois com maiores rotações aumentam a vibração e os esforços.

Essa questão da rotação é importante ao se comparar motores, pois é possível ter duas motos com a mesma cilindrada (volume do cilindro), mas com potências completamente diferentes (principalmente por causa da rotação). Por isso é melhor comparar por potência.

Além dessas modificações (turbo, cilindrada e rotação), existem ajustes finos que podem ser feitos no motor para modificar a sua curva de potência:

  • Ajustar o mapeamento da injeção (que não tem influência direta sobre a quantidade de ar, embora modifique a eficiência),
  • Modificar o mapeamento da ignição (que também não influencia diretamente a quantidade de ar),
  • Alterar a geometria da câmara de combusão e do cilindro (que também altera a eficiência, sem muita influência na quantidade de ar),
  • Mudar a geometria do sistema de tomada de ar (tudo que existe entre a parte de fora da moto, incluindo a válvula de admissão – essa mudança altera a quantidade de ar),
  • Trocar a geometria do sistema de escape (tudo, desde a válvula de escape até a ponteira – essa alteração também muda a quantidade de ar para dentro do motor) e
  • “Brincar” com o tempo das válvulas, isto é, quando as válvulas abrem e fecham (objeto deste mini-estudo, tem grande influência na quantidade de ar de combustão).

Neste mini-estudo, vamos dar uma olhada em como o tempo de fechamento da válvula de admissão pode influenciar a curva de potência do motor.

Motor de Quatro Tempos

O funcionamento dos motores quatro tempos é mostrado na Fig. 1. Os principais componentes são:

  • o pistão (1), que sobe e desce em um movimento alternativo,
  • a biela (2), que junto com o virabrequim (não mostrado) transformam o movimento de vaivém do pistão em um movimento rotativo,
  • a válvula de admissão (3), que abre ou fecha a entrada da mistura ar/combustível para dentro do cilindro, e
  • a válvula de escape (4), que abre ou fecha a saída dos gases de combustão para o sistema de escape.

Figura 1 – Funcionamento de um motor quatro tempos

Esse ciclo é chamado de “quatro tempos” porque o pistão faz quatro movimentos, determinando quatro processos principais

  • Admissão (a-c). A decida do pistão, com a válvula de admissão aberta, faz com que o ar seja aspirado para dentro do motor. Teoricamente, a válvula de admissão deveria abrir quando o pistão está exatamente na parte de cima (TDC, “top dead center” ou “ponto morto superior”) e fechar quando o pistão está exatamente na parte de baixo (BDC, “bottom dead center” ou “ponto morto inferior”). Mas na prática, como veremos a seguir, a válvula de admissão abre antes do ponto morto superior e fecha depois do ponto morto inferior.
  • Compressão (c-d). Depois do fechamento da válvula de admissão (a válvula de descarga já estava fechada), o movimento para cima do pistão provoca o aumento de pressão e temperatura da mistura ar/combustível.
  • Potência (e-f). Próximo ao ponto morto superior é criada uma faísca na vela, que provoca a combustão da mistura e, consequentemente, um aumento da pressão e da temperatura. Essa energia “liberada” durante a queima é que joga o pistão para baixo, fazendo o virabrequim girar. Um outro parâmetro importante para a eficiência do motor é o momento em que a faísca é criada, ou o avanço da centelha.
  • Descarga (g-h). A válvula de descarga é aberta para que o produto da combustão, ou gases da combustão, sejam liberados para o ambiente.

Fechamento aos 60 graus

Neste estudo, nós queremos ver qual a influência que a abertura da válvula de admissão tem sobre a potência do motor. Para começar, vamos estudar o comportamento de um motor cuja válvula de admissão abre 15 graus antes do ponto morto superior e fecha 60 graus depois do ponto morto superior. Isso significa dizer, olhando para a Fig. 1, que no ponto (a) a válvula de admissão já estava aberta e que em (c) ela continua aberta, fechando em algum lugar entre (c) e (d). Esse ângulo é medido no eixo do virabrequim, que dá duas voltas para cada ciclo do motor.

Figura 2 – Diagrama de abertura das válvulas (60 graus)

A Fig. 2 mostra um diagrama com a abertura e fechamento das válvulas. A faixa azul representa o tempo em que a válvula de admissão fica aberta e a faixa laranja representa a abertura da válvula de escape. Pode-se notar que a válvula de admissão já está aberta no ponto morto superior (1) e que continua aberta no ponto morto inferior(2). Na realidade, a válvula de admissão abre 15 graus antes do TDC (3) e fecha 60 graus depois do BDC (4). Pode ser visto ainda na Fig. 2 que a válvula de descarga abre 40 graus antes do BDC (5) e fecha 20 graus depois do TDC (6). Isso significa que há um período de 35 graus em que as duas válvulas estão abertas simultaneamente, período conhecido como “valve overlap”.

Figura 3 – Posicionamento real das válvulas

A Fig. 3 mostra a posição das válvulas em um motor real. Neste caso há apenas uma válvula de admissão (1) e uma de escape (2), mas podem ser mais. O diagrama da Fig. 2 (3) é reproduzido em miniatura.

Fizemos a simulação do comportamento deste motor (com fechamento da válvula de abertura 60 graus após o BDC, ponto morto inferior) usando o software Lotus Engine Simulation. As curvas características são mostradas na Fig. 4.

Figura 4 – Curvas características do motor (60 graus)

São mostradas três grandezas principais: potência (2), torque (3) e consumo específico (5). O motor foi simulado entre 1000 e 7000 rpm (1). Pode-se observar que a máxima potência ocorreu aos 6000 rpm, o máximo torque aos 5000 rpm e o mínimo consumo específico aos 2000 rpm. Com o conhecimento deste tipo de curva, um piloto pode decidir o melhor regime do motor.

Um ponto importante para se destacar é que a potência é simplesmente o torque multiplicado pela rotação. Por isso, as duas grandezas são diretamente ligadas. É impossível, para uma mesma rotação, aumentar o torque sem aumentar a potência, e vice-versa.

Uma característica interessante desse motor, é o aumento repentino do torque a partir dos 3000 rpm (4).

Figura 5 – Pressão, temperatura e massa na entrada do cilindro (60 graus)

A Fig. 5 apresenta a pressão, temperatura e fluxo de massa na entrada do cilindro, durante os quatro tempos do motor. As linhas azuis mostram os eventos de abertura (1) e fechamento (2) da válvula de admissão. As linhas verticais laranjas representam a abertura e o fechamento da válvula de descarga.

São mostrados os comportamentos do motor para duas rotações: 2000 e 5000 rpm. Na curva de pressão, dá para notar que a 2000 rpm, a pressão não varia muito durante a admissão (3). Já a 5000 rpm, com o pistão em uma velocidade maior, há uma grande queda de pressão no início da admissão e um grande aumento na parte final.

Esse aumento da pressão (3) na parte final da admissão a 5000 rpm poderia parecer como ruim, pois se a pressão dentro do cilindro é maior que o ambiente, o ar teria a tendência de voltar para o filtro de ar, esvaziando o cilindro. No entanto, existe também a inércia do ar na tubulação de admissão, que faz com que o ar continue entrando. Isso pode ser visto na curva do fluxo de massa (4,5), que mostra um fluxo positivo (para dentro do cilindro) mesmo depois que a pressão fica maior que a atmosférica.

Mas há uma diferença entre o que acontece com o motor rodando a 2000 e 5000 rpm. A 5000 rpm (4), o fluxo de massa só fica negativo quase no final do tempo de abertura da válvula de admissão. Já a 2000 rpm (5), o fluxo de massa fica negativo um bom tempo antes. Isso significa que essa escolha de fechar a válvula 60 graus após o ponto morto inferior é vantajosa só para rotações mais altas. Para rotações mais baixas, o motor está perdendo potência.

Outra característica interessante desse motor é mostrada na curva de temperatura, na região de “overlap” das válvulas (6), quando as duas válvulas estão abertas ao mesmo tempo. A temperatura aumenta na admissão do cilindro porque parte dos gases quentes está “voltando” para a admissão.

Fechamento a 0 grau

Como nós vimos na Fig. 5 (detalhe 5), para baixas rotações há um retorno de ar quando o pistão sobe. Para diminuir esse efeito, resolvemos simular um motor fechando a válvula de admissão exatamente no ponto morto inferior. Esse novo posicionamento das válvulas é mostrado na Fig. 6. A única diferença para o outro caso simulado é que antes a válvula de admissão fechava aos 60 graus após o BDC (1) e agora fecha a 0 grau (2).

Figura 6 – Diagrama de abertura das válvulas (0 grau)

 

Essa modificação na abertura da válvula tem um impacto na performance do motor. Como pode ser visto na Fig. 7, a potência máxima passou a ocorrer aos 5000 rpm (1), o máximo torque aos 4000 rpm (2) e o mínimo consumo aos 2300 rpm (4). Observa-se também que não há mais um aumento tão grande do torque (3).

Figura 7 – Curvas características do motor (0 grau)

Figura 8 – Pressão, temperatura e massa na entrada do cilindro (0 grau)

A Fig. 8 mostra a pressão, temperatura e fluxo de massa para esse novo caso simulado. É possível ver que para 5000 rpm continua havendo uma grande queda de pressão no início da admissão (1) e grande aumento na parte final da admissão (2). A diferença agora é que não há mais retorno de ar na parte final da admissão para a rotação mais baixa (3).

Comparação

Figura 9 – Curvas características do motor (0 e 60 graus)

Na Fig. 9 nós fizemos a combinação das curvas da Fig. 4 (60 graus) e Fig. 7 (0 grau), para poder comparar os dois motores e ver o efeito geral que a abertura da válvula de admissão tem sobre o comportamento do motor.

Quando passamos a fechar a válvula exatamente a 0 grau, obtivemos as seguintes diferenças:

  • Diminuição da potência máxima (1), que passou de 29 kW (@ 6000 rpm) para 22 kW (@ 5000 rpm). Para poder comparar com a unidade de potência normalmente usada pelas fabricantes, 29 kW correspondem a 38,9 HP. O motor simulado é um monocilindro de aproximadamente 500cc.
  • Aumento da potência para rotações mais baixas (2).
  • Como consequencia dos dois itens acima, já que potência é simplesmente torque vezes rotação, vemos que o torque máximo diminuiu (3) e que, para rotações mais baixas (4), o torque ficou maior.
  • Não houve grande variação no consumo específico mínimo do motor (5). O consumo específico do motor aumentou bastante para rotações acima dos 6500 rpm.

Conclusão

Existem várias formas de se aumentar a potência de um motor (turbo, eficiência, volume e rotação). Mesmo com essas grandezas mantidas constantes, é possível fazer um ajuste fino no motor mudando sua eletrônica, tempo das válvulas ou geometria do escoamento.

Como vimos neste estudo, uma mudança no tempo de abertura da válvula de admissão pode aumentar ou diminuir a potência do motor. Mas nem sempre é desejável aumentar a potência do motor, pois uma diminuição na potência máxima pode significar uma faixa mais ampla de potência útil. A decisão final depende da característica que o projetista quer dar à sua moto.

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Software

Para as simulações, usamos o software Lotus Engine Simulation, que pode ser adquirido gratuitamente para simulação de motores monocilindros. Para motores com mais cilindros é necessário comprar a licença.