A Influência da Relação R/L no Comportamento do Motor

A Influência da Relação R/L no Comportamento do Motor A Influência da Relação R/L no Comportamento do Motor

A relação R/L é a divisão do raio do virabrequim pelo comprimento da biela, o nosso bom e velho R/L. Más será que ele influência mesmo assim no comportamento do motor e como ela acontece? 

A relação R/L parece ser pouco entendida, não se dá a importância necessária, muitas vezes se confundindo ou se associando somente a aspereza de funcionamento do motor.

O R/L é muito mais do que aspereza de funcionamento.

Lembrando que o motor motor de combustão interna pode ser analisado de duas formas no que diz respeito ao movimento, podendo ser pela cinemática ou pela dinâmica.

Na física, dinâmica é a ciência que estuda o movimento e as forças que o causam. Alguns princípios da dinâmica são:  princípio da inércia: um corpo tende a permanecer em repouso ou em movimento contínuo até que uma força externa atue sobre ele, princípio fundamental da dinâmica: um corpo adquire aceleração quando uma força é aplicada sobre ele, princípio da ação e reação.

A cinemática é o ramo da física que se ocupa da descrição dos movimentos de pontos, corpos ou sistemas de corpos, sem se preocupar com a análise de suas causas. Considerada uma "geometria do movimento", então o que vamos fazer aqui um estudo cinemático e ele é muito importante porque define algumas coisas essenciais sobre as características do comando de válvulas e do cabeçote. 

Então vamos ao que interessa, o que seria R/L, todo mundo sabe, a relação biela-curso. Mas o que ele representa? Em parte, como a velocidade do pistão varia em função do giro do virabrequim, normalmente representado em RPM (revoluções ou voltas por minuto). 

Pois bem, então dada uma determinada revolução o pistão vai do ponto morto superior, que é 0°, onde não tem nenhum movimento (velocidade zero) até o ponto morto inferior, 180°, onde também não tem nenhum movimento (velocidade zero). Então veja que a biela é o componente que transforma o movimento linear do pistão em movimento circular e essa transformação não acontece tão simplesmente assim, uma das características que ela influência é esta, velocidade instantânea do pistão.

Mas por que eu preciso conhecer a velocidade instantânea do pistão a cada trecho de giro do virabrequim? Porque assim eu entendo como ele se comporta, sendo muito importante saber qual que é a velocidade máxima do pistão e onde ela acontece porque isso vai determinar a relação de válvula/duto e o ângulo de separação entre ressaltos do comando (LSA não LCA), ou seja, o R/L influencia mesmo no comportamento do cabeçote e do comando; como a eficiência volumétrica acontece. 

Coisas extremamente importantes para o desempenho geral do motor e a relação R/L não tem sido levada em consideração por modificadores de motores, por isso  acho que o R/L é pouco compreendido.

Como Acontece na Prática

Vamos tomar como exemplo dois motores que compartilhem o mesmo diâmetro de pistão, cabeçote e comando de válvulas variando somente o curso do virabrequim através do raio da manivela ou o comprimento da biela. O que teremos é um comportamento totalmente diferente do pistão entre esses motores, não somente na suavidade de funcionamento, isso na parte dinâmica mas, sobretudo, no comportamento do cabeçote.

Quando se modifica a relação R/L o resultado produzido é uma maior ou menor inclinação ou ângulo da biela (dependendo do seu comprimento ou do raio da manivela) em relação ao virabrequim quando este está a meio curso, ou seja, 90°. Essa inclinação (ângulo) traz uma uma característica particular, como já foi dito, alterando a velocidade máxima do pistão e onde ela acontece em relação aos graus de curso do virabrequim.

Uma relação R/L alta causada por esse maior ângulo quando se usa uma biela curta ou um maior raio da manivela (curso maior) provoca uma maior aceleração do pistão partindo do ponto morto superior e a velocidade máxima é atingida antes do ponto médio em relação ao curso, desacelerando a partir daí. Ou seja, tem rápida aceleração partindo de 0° (PMS), atinge a velocidade máxima rapidamente antes de 90° e se torna lento desse ponto até 180° (PMI), um comportamento do pistão do PMS até a velocidade máxima e outro até o PMI. Essa aceleração gera uma rápida queda de pressão inicial (sinal de vácuo) no cilindro, mas depois se torna mais lenta.

O fluído, no caso ar, tem um comportamento elástico, então se a válvula de admissão controlada pelo eixo de cames for aberta muito cedo o "sinal" vai ser amortecido rapidamente e no final do curso de admissão esse fluído vai perder velocidade perdendo o efeito de compactação ou compressão (não confundir com taxa de compressão), isso vai gerar um menor enchimento desse cilindro, devendo por isso ser aberta mais tarde em relação ao ponto médio para manter a velocidade do fluxo constante.

Se, quando a válvula for aberta as passagens do cabeçote (duto/válvula) forem muito estreitas o fluído vai rapidamente atingir velocidades supersônicas restringindo o fluxo no restante do tempo em que essa válvula estiver aberta, diminuindo o enchimento.

Uma relação R/L baixa causada por um menor ângulo ao usar usa uma biela maior  ou um menor raio da manivela (curso menor) provoca outro comportamento, uma menor aceleração do pistão partindo do ponto morto superior com a velocidade máxima sendo atingida mais próxima do ponto médio do curso, com menor desaceleração a partir daí. Resumindo, tem menor aceleração partindo de 0° (PMS), atinge a velocidade máxima gradualmente mais próximo de 90° desacelerando também gradualmente desse ponto até 180° (PMI), um comportamento do PMS até a máxima velocidade semelhante ao do ponto médio até o PMI. Essa menor aceleração gera uma queda de pressão (sinal de vácuo) menor inicialmente até atingir o máximo, se mantendo por mais tempo ao longo do curso do pistão, é por isso que as passagens do cabeçote também podem ser menores sem restringir o fluxo.

Conclusão

Qualquer modificação que altere a relação R/L, seja no comprimento da biela ou um aumento de cilindrada pelo maior curso do virabrequim, vai exigir mudanças também no cabeçote e comando de válvulas.

Ainda usando o exemplo anterior dos motores iguais apenas alterando o R/L, hipoteticamente, aquele com a maior relação (biela menor/raio maior) não vai atingir rotações mais altas, ficando "amarrado", exigindo mais do cabeçote e abertura mais tarde da válvula de admissão, já que atinge o "sinal" máximo muito cedo. O de menor relação (biela maior/raio menor) terá pouco torque em rotações baixas, ficando "fraco", exigindo passagens menores no cabeçote e abertura mais cedo da válvula de admissão, porque atinge o "sinal" máximo mais tarde.

Um motor de alto R/L pode sim atingir altas rotações e outro de baixo R/L pode ter muito torque em rotações menores desde que as alterações necessárias sejam feitas. 

A relação R/L ainda influência outras áreas do motor, como por exemplo ponto de disparo da faísca, forma da câmara de combustão, velocidade máxima do pistão, forças de inércia envolvidas e outras que serão abordadas em outros tópicos.

CARBURADOR VERSUS INJEÇÃO ELETRÕNICA

Na postagem anterior abordei o assunto de como a qualificação de cabeçotes modificados apenas pela vazão, os famosos CFM, está errada. 

Desta vez vamos ponderar sobre uma questão, talvez, até mais polêmica: teria a injeção eletrônica, seja como de fábrica ou programável, alguma vantagem sobre o carburador no que se refere a potência final de um motor?

Existem muitos mitos e equívocos em torno do assunto da carburação, então primeiro vamos entender quais são as funções de um carburador em relação ao motor; e em termos bem simples é isto:

• Fornecer fluxo de ar
• Fornecer uma razão de mistura ar/combustível
• Atomizar ou vaporizar adequadamente essa mistura

 

Fornecimento de fluxo de ar 

Os carburadores atendem aos requisitos de aceleração do motor com base no ar que flui através deles, sendo dispositivos sensíveis ao diferencial de pressão interno e externo ao motor. É possível obter carburadores em praticamente qualquer tamanho necessário para corresponder à capacidade de ar do motor e ao potencial de eficiência volumétrica. 

 

Proporção da mistura ar/combustível

Os carburadores também atendem às demandas de abastecimento, introduzindo combustível na corrente de ar na quantidade correta para atender à proporção de ar/combustível a fim de obter a melhor potência.

Essa relação formada por partes de ar por partes de combustível em massa, é chamada de A/F e para que ocorra a combustão de forma correta e total é necessário que esses componentes se misturem com exatidão. Se ela for quimicamente correta é dado o nome de mistura estequiométrica, onde todo o ar é usado para queimar todo o combustível.

Se menos combustível for adicionado, a mistura é pobre, situação onde todo o combustível é queimado e há sobra de ar gerando, é claro, menos potência.

Se mais combustível for adicionado, a mistura é rica. Agora, existe uma situação em que a mistura é levemente rica e essa pequena sobra de combustível é usada para expandir todo o ar, onde é atingida a máxima potência no motor.

 

Atomização da mistura

A queima do combustível é exotérmica, ou seja, ele queima da superfície para dentro até acabar. Portanto, quanto maiores forem as gotículas do combustível, mais lenta é sua queima na fase de expansão do motor e menos potência é gerada.

Além disso, como é a corrente de ar que transporta o combustível para a câmara de combustão (salvo os motores com injeção direta), é muito mais difícil, ou quase impossível manter gotas grandes em suspensão no caminho do fluxo (também afetada pela temperatura e pressão, mas isso pode ser melhor entendido no post sobre a bancada de fluxo).

O combustível, por ser mais pesado, “cai” da corrente de ar voltando ao estado líquido nas paredes dos tubos; em um primeiro momento empobrecendo a mistura, onde o fluxo de ar chega com pouco combustível em suspensão (uma aceleração rápida por exemplo); depois “lavando” a câmara com combustível líquido, que sabemos, não queima, fora outros inconvenientes para o motor.

O que queima é o vapor de combustível, daí o termo vaporização ou atomização.

 

Gera mais potência ou não?

A injeção eletrônica tem de atender as mesmas demandas do carburador (aliás aqui cabe um esclarecimento, o carburador recebe esse nome por causa do trabalho que realiza, que é “carburar”, formar a mistura para o motor, então, nesse sentido, quando se calibra uma injeção eletrônica o que se faz é carburar o motor), de fluxo de ar, proporção e formação da mistura.

Cada um usa para isso meios diferentes, o carburador usa princípios físicos e por trabalhar com o ‘sinal” do motor (vácuo), se devidamente calibrado vai entregar com boa dose de precisão, através de seus circuitos internos de controle, o que o motor necessita de combustível em sua faixa de operação.

A “injeção” usa meios eletrônicos e pode ser manipulada para que, em certas situações durante o funcionamento do motor, entregue uma razão diferente daquela que o motor precisa. Por exemplo, criar artificialmente um valor alvo de A/F extremamente pobre, para até uma certa abertura do acelerador, do que realmente o motor precisa para “rodar” normalmente.

Por isso no que se refere a economia de combustível e diminuição de emissões, a “injeção” é imbatível. Não que o carburador fosse um desastre nesses quesitos, pelo contrário, os últimos carburadores fabricados tinham ótimos números de consumo e emissões bem razoáveis. Um carburador pode ser calibrado para fornecer misturas extremamente ricas como 9:1 que é o limite da mistura rica, ou pobres como 19:1 que é o limite da mistura pobre, sendo que o motor de combustão interna não consegue “queimar” misturas além desses limites, ou seja, o limite está no motor, não no sistema de alimentação.

Enfim, a injeção eletrônica não é capaz de gerar mais potência que um sistema de alimentação por carburador por um simples motivo: a proporção adequada de ar/combustível para melhor potência é essencialmente a mesma para qualquer um deles. Se você está lendo esta postagem, provavelmente quer mais potência para maior velocidade e aceleração.

A verdade é que qualquer bom carburador de tamanho adequado para o motor pode ser calibrado para fornecer uma mistura muito precisa, de modo a produzir excelentes resultados sob condições de aceleração máxima (WOT). Os carburadores são muito bem desenvolvidos e, em alguns casos, são muito mais eficientes em produzir potência do que muitos defensores da injeção eletrônica de combustível querem que você acredite e caso a caso, alguns modelos de carburador podem realmente atomizar melhor o combustível do que a “injeção” (nem vou abordar os bicos de “alta vazão”).

Já finalizando, ninguém aqui está dizendo que se deve arrancar seu sistema de injeção e instalar um carburador no lugar, seria uma tolice, a injeção tem inúmeras vantagens agregadas para o gerenciamento do veículo como um todo, principalmente para carros de competição.

O ponto aqui é que existem veículos rodando perfeitamente por aí, preparados ou não, tendo seus carburadores substituídos (principalmente os com motor V8) por ‘modinha” ou sob a falsa promessa de aumento de desempenho e o pior, custando cinco a dez vezes mais.

Contudo, o maior problema está na calibragem malfeita tanto de um como de outro sistema, quase não existem profissionais qualificados para trabalhar com eles, já que é preciso entender as reais necessidades do motor para o ajuste perfeito. Cuidado com o "entendedor/apertador" de botões!

O BANCO DE FLUXO E A REVELAÇÃO SOBRE O TRABALHO DE MODIFICAR CABEÇOTES

 

Recentemente decidi que construiria eu mesmo minha bancada de fluxo, em primeiro lugar pelo preço elevado de uma, mesmo usada e em segundo por perceber que a maneira estabelecida para utilizar essa tão importante ferramenta está ultrapassada, para não dizer equivocada.

Cheguei a essa conclusão pelo estudo nos últimos anos dos vários assuntos referentes a minha profissão. Também durante a construção da bancada estudei bastante o seu funcionamento e uso e posso afirmar que sem ela é impossível modificar corretamente um cabeçote, equilibrando aumento de fluxo sem perda sensível na velocidade e turbulência, não apenas obcecado na vazão máxima (um mal moderno de números superlativos para tudo). Ou equalizar todos os dutos para entregar o mesmo resultado, seja em um cabeçote ou coletor de admissão, equilibrar as ondas de pressão num “plenum” e ainda testar restrições ao fluxo em borboletas de acelerador, escapes ou qualquer peça de um motor que sofra vazão.

Sem suspense, se você mede ou compra um cabeçote modificado apenas pelos “cubic feet per minute”, o famoso CFM (três letrinhas que parecem ter uma aura tão misteriosa que enfeitiçam entusiastas e até construtores experientes), já começou errado.

Essa maneira de quantificar a capacidade de “respiração” de um cabeçote ou outras peças leva ao erro, induzindo a modificações que na verdade diminuem o enchimento do cilindro ao invés de aumentar como o elevado número em CFM sugere. Como exemplo atendi recentemente um cliente que me trouxe um Gol com o famoso motor AP “preparado “nesses termos que acabei de citar, totalmente em desconformidade entre as peças que não “casavam” fluxo entre si e o carro simplesmente não tinha força, não “acontecia” sendo pior até que um motor original. Infelizmente nesse caso o cabeçote foi tão erroneamente modificado que não teve recuperação, tendo de ser substituído e depois corretamente modificado.

Mas o que levaria tantas pessoas envolvidas com motores a errar já nas bases da construção?  O próprio manual da bancada de fluxo tráz somente parte da informação, e da maneira como foi colocada dá a entender que somente a vazão é importante ou necessária e o trabalho estaria feito, vejamos:

A potência de um motor é diretamente proporcional à quantidade de ar aspirado e retido para dentro do cilindro até que ocorra a ignição. Ao reduzir a resistência do fluxo de ar do tubo de admissão e escape, o enchimento do cilindro é melhorado e a potência do motor é aumentada diretamente. (Manual do Operador da Bancada de Fluxo SF-110/120, pág. 15)

 

O manual só vai citar velocidade e turbilhão muito depois e já fora de contexto com a vazão. Estaria o manual errado? De forma alguma, o manual da bancada serve para orientar no uso da bancada e não ensinar os fundamentos do motor de combustão interna, isso é obrigação do técnico que vai operar o equipamento. É necessário muito conhecimento sobre o que ocorre num motor real, como os eventos de válvulas afetam as fases ou tempos do cilindro ou que o fluxo num motor é pulsante e não contínuo por exemplo, para tirar tudo o que uma ferramenta desse tipo oferece.

 

Vamos examinar um duto em corte e verificar a real necessidade de vazão por área de passagem.

Fonte de Perda de Fluxo - % de Perda

 1. Fricção na parede - 4%*

2. Contração na Área da Vareta - 2%

3. Dobra na Guia da Válvula - 11%

4. Expansão Atrás da Guia da Válvula - 4%

5. Expansão, 25 Graus - 12%

6. Expansão, 30 Graus - 19%

7. Curvar para sair da válvula - 17%

8. Expansão de Saída da Válvula - 31%

100%

*(para superfície fundida em areia; 3% para superfície polida)

Nessa ilustração retirada do próprio manual da bancada de fluxo Superflow SF-110, é possível notar onde estão as maiores restrições ao fluxo. Fica claro que modificar os dutos sem critério e conhecimento, apenas focado em números de vazão (os populares arrombadores de cabeçote maníacos por CFM) vai causar piora no desempenho e consumo.

Isso para não citar as modificações feitas a olho, por que alguém viu em um carro de corrida e quer fazer igual para usar no dia a dia, é claro que também já fiz assim no passado, mas entendo como obrigação de quem trabalha com isso buscar melhora constante.

Para finalizar, cada aplicação, ou seja, como o motor vai ser usado exige um tipo de trabalho diferente. Se vai ser usado no dia a dia, carregando passageiros e algum peso, com saídas em subida e precisando de consumo controlado. Ou um misto de rua e pista, de track-day ou arrancada. Se vai ser um carro exclusivo de corrida, qual o tipo de corrida, arrancada ou circuito, de longa duração ou curta, enfim, as variáveis são inúmeras.