Como funcionam os comandos de válvulas

Autor: 
Karim Nice

Se você leu o artigo Como funcionam os motores dos carros, sabe que as válvulas permitem a entrada de mistura ar-combustível no motor e a saída dos gases queimados. A árvore de comando de válvulas utiliza ressaltos (chamados excêntricos) que forçam as válvulas a abrir enquanto a árvore de comando gira; molas nas válvulas as empurram de volta para sua posição fechada. Este é um trabalho muito importante e pode ter grande impacto no desempenho do motor em diferentes rotações. Veja a animação que mostra a diferença entre um comando para alto desempenho e um comando normal.

 


O comando de válvulas
Neste artigo, você aprenderá como a árvore de comando afeta o desempenho do motor. Temos algumas animações para mostrar a você como diferentes disposições do motor,  o cabeçote com um único comando de válvulas (SOHC) e o cabeçote com duplo comando de válvulas (DOHC) de fato funcionam. Abordaremos maneiras interessantes utilizadas por alguns carros para ajustar o comando de modo que ele possa administrar diferentes rotações de motor com mais eficiência.

As peças-chave de qualquer comando de válvulas são os ressaltos. Enquanto a árvore de comando gira, os ressaltos abrem e fecham as válvulas de admissão e escapamento de maneira sincronizada com o movimento do pistão. Há uma relação direta entre o formato dos ressaltos e a maneira com que o motor opera em diferentes faixas de rotação.

Para compreender o porquê, imagine que estamos operando um motor em rotação extremamente baixa, a apenas 10 ou 20 rotações por minuto (rpm), de modo que leve alguns segundos para que o pistão termine o ciclo. Na verdade, seria impossível fazer um motor funcionar em rotação tão baixa, mas suponhamos que seja possível. A esta baixa velocidade, nós necessitamos que os ressaltos estejam formatados de modo que:

  • assim que o pistão comece a se mover para baixo no curso de admissão (chamado de ponto morto superior, ou PMS), a válvula de admissão se abra e que ela se feche assim que o pistão atinja o ponto mais baixo;
  • a válvula de escapamento se abra assim que o pistão atinja o ponto mais baixo (chamado de ponto morto inferior, ou PMI) no fim do curso de combustão, e se feche no momento em que o pistão termine o curso de escapamento.

Esta configuração funciona muito bem para o motor desde que ele esteja operando a uma rotação muito baixa. Mas o que acontece se você aumentar as rpm? Vamos descobrir!

Quando você aumenta as rpm, a configuração de 10 a 20 rpm para a árvore de comando não funciona bem. Se o motor estiver funcionando a 4 mil rpm, as válvulas estarão se abrindo e se fechando 2 mil vezes por minuto, ou 33 vezes por segundo. A essas rotações, o pistão move-se muito rapidamente, portanto, a mistura ar-combustível que entra rapidamente no cilindro move-se tão rápido quanto.

Quando a válvula de admissão abre e o pistão começa seu curso de admissão, a mistura ar-combustível no tubo de admissão começa a acelerar para dentro do cilindro. No momento em que o pistão alcança o fim do seu curso de admissão, a massa de mistura ar-combustível já está se movendo a uma velocidade consideravelmente alta. Se nós tivermos de fechar abruptamente a válvula da entrada, toda essa massa ar-combustível parará e não entrará no cilindro. Deixando a válvula de entrada aberta por um período um pouco mais longo, a inércia da massa ar-combustível, em rápida movimentação, continuará a forçá-la para dentro do cilindro enquanto o pistão inicia seu curso de compressão. Assim, quanto mais rápido estiver girando o motor, mais rapidamente se movimentará o ar-combustível e por mais tempo necessitaremos que a válvula de entrada permaneça aberta. Necessitaremos também que a válvula se abra mais a velocidades maiores, este parâmetro, chamado levantamento, é determinado pelo perfil do ressalto.

A animação abaixo mostra como um ressalto normal e um ressalto de desempenho apresentam diferentes tempos de operação de válvula. Observe que os ciclos de escapamento (círculo vermelho) e admissão (círculo azul) sobrepõem-se muito mais no ressalto de desempenho. Devido a isso, carros com este tipo de ressalto tendem a funcionar irregularmente em marcha lenta.

Dois diferentes perfis de ressalto: clique no botão abaixo do ‘play’ para alternar os ressaltos. Os círculos mostram quanto tempo as válvulas permanecem abertas, azul para admissão, vermelho para escapamento. A sobreposição de válvula (quando ambas as válvulas de admissão e escapamento estão abertas ao mesmo tempo) é destacada no começo de cada animação.

Qualquer comando será perfeito apenas a uma rotação do motor. A qualquer outra, ele não operará no máximo de seu potencial. Um comando fixo, portanto, é sempre uma solução de compromisso. É por isso que os fabricantes de automóveis desenvolveram esquemas para variar o perfil do ressalto de acordo com a mudança de rotação do motor.

Há diversas configurações das árvores de comando nos motores. Abordaremos algumas das mais comuns. Você provavelmente já ouviu a terminologia:

  • comando de válvulas único no cabeçote (SOHC);
  • duplo comando de válvulas no cabeçote (DOHC);
  • comando no bloco (OHV).

Vamos começar observando o cabeçote com um único comando de válvulas.

Comando de válvulas no cabeçote
Esta configuração denota um motor com apenas uma árvore de comando de válvulas por cabeçote. Assim, se for um motor de 4 cilindros em linha ou de 6 cilindros em linha, terá uma árvore; se for um V6 ou um V8, terá duas árvores (uma para cada cabeçote).

Os ressaltos movimentam os balancins que pressionam as válvulas para baixo, abrindo-as. As molas retornam as válvulas para sua posição fechada. Essas molas têm de ser bem fortes porque em rotações de motor muito elevadas, as válvulas são empurradas para baixo muito rapidamente e são as molas que as mantêm em contato com os balancins. Se as molas não fossem fortes o bastante, as válvulas poderiam se afastar dos balancins e os golpearia ao voltar. Esta é uma situação indesejável que resultaria em desgaste extra dos ressaltos e dos balancins.

Comando de válvulas único no cabeçote

Nos motores com um e dois comandos de válvulas no cabeçote, eles são acionados pelo virabrequim através de correia ou corrente, chamadas de correia ou corrente de distribuição. Estas correias e correntes necessitam ser substituídas ou ajustadas em intervalos regulares. Se uma correia de distribuição se partir, o comando pára de girar e um ou mais pistões pode atingir as válvulas abertas.


Danos causados por um pistão atingindo uma válvula

A imagem acima mostra o que pode acontecer quando um pistão atinge uma válvula aberta.

Duplo comando de válvulas no cabeçote
Um motor de cabeçote com dois comandos de válvulas no cabeçote possui dois deles ali localizados. Assim, os motores em linha têm dois comandos e os motores em V têm quatro. Geralmente, motores de duplo comando de válvulas no cabeçote possuem quatro ou mais válvulas por cilindro. Uma única árvore de comando simplesmente não consegue acomodar os ressaltos necessários para acionar todas aquelas válvulas.

A principal razão de se usar um cabeçote com duplo comando de válvulas é permitir mais válvulas de admissão e de escapamento. Mais válvulas significa que a mistura ar-combustível de admissão e os gases de escapamento podem fluir mais livremente, pois há mais aberturas para que eles entrem e saiam. Isso aumenta a potência do motor.

Comando de válvulas no bloco
Como nos motores de OHC e DOHC, as válvulas em um motor com comando no bloco estão situadas no cabeçote, acima do cilindro. A principal diferença nesse tipo de motor, chamado de OHV (válvula no cabeçote) é que a árvore de comando de válvulas está dentro do bloco, em vez de no cabeçote.


Um motor com comando de válvulas no bloco

O ressalto movimenta longas hastes longas que sobem através do bloco e do cabeçote para acionar os balancins. Estas hastes adicionam massa ao sistema, o que aumenta a carga nas molas das válvulas. Isso pode limitar a rotação dos motores dessa configuração. O comando de válvulas no cabeçote, que elimina esse processo, é uma das tecnologias de motor que possibilitaram alcançar maiores rotações.

Um motor com comando de válvulas no bloco

A árvore de comando de válvulas em um motor desse tipo normalmente é acionada por engrenagens ou por uma corrente curta. Acionamentos por engrenagens são geralmente menos propensos a quebras do que por correias, que são encontradas freqüentemente nos motores de comando de válvulas no cabeçote.

Sincronia de válvula variável 
Existem algumas maneiras pelas quais os fabricantes de automóveis variam a sincronia da válvula. Um sistema usado em alguns motores da Honda é chamado VTEC.

O VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control - Controle Eletrônico de Tempos e Levantamento de Válvulas Variáveis) é um sistema eletromecânico existente em alguns motores da Honda que lhes permite ter comandos múltiplos. Os motores VTEC possuem um ressalto extra de admissão com seu próprio balancim. Esse perfil de ressalto mantém a válvula de admissão aberta por mais tempo e com mais levantamento que o outro. Em rotações baixas, este balancim não é conectado a nenhuma válvula. Em rotações elevadas, um pistão trava o balancim extra com os dois balancins que controlam as duas válvulas de admissão.

Alguns carros utilizam um dispositivo capaz de mudar o sincronismo da válvula. Isso não mantém as válvulas abertas por mais tempo. Em vez disso, abre-as e fecha-as mais tarde ou mais cedo. Isso é feito girando o comando à frente ou para trás alguns graus. Se as válvulas de admissão normalmente abrem-se a 10 graus antes do PMS e fecham-se a 190 graus após o PMS, a duração total é de 200 graus. Os tempos de abertura e de fechamento podem ser deslocados usando um mecanismo que gira só o comando, avançando-o ou atrasando-o um pouco enquanto gira. Assim, a válvula pode se abrir em 10 graus após o PMS e fechar-se em 210 graus após o PMS. O fechamento da válvula a 20 graus após o PMS é bom, mas seria melhor poder aumentar a duração da abertura da válvula de admissão. 

A Ferrari tem uma maneira muito boa de fazer isto: os ressaltos do comando em alguns motores da marca são cortados com um perfil tridimensional que varia ao longo do comprimento do ressalto. Em uma extremidade dele fica o perfil menos agressivo e no extremo oposto o mais agressivo. O formato do ressalto sutilmente junta estes dois perfis. Um mecanismo faz deslizar lateralmente a árvore de comando por inteiro, de modo que a válvula se acople às diferentes partes do ressalto. A árvore ainda gira exatamente como uma normal - mas fazendo o comando deslizar gradual e lateralmente à medida que a velocidade e carga do motor aumentam, o sincronismo da válvula pode ser otimizado.


O sistema de excêntrico variável usado em alguns carros Ferrari

Diversos fabricantes de motor estão fazendo testes com sistemas que permitiriam infinitas variações no sincronismo da válvula. Por exemplo, imagine que cada válvula tivesse um solenóide que pudesse abri-la e fechá-la usando controle computadorizado em lugar de depender de uma árvore de comando. Com este tipo de sistema, você obteria o máximo desempenho do motor a cada rotação por minuto. Isso é algo para se esperar no futuro...

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