1. INTRODUÇÃO
A necessidade atual de motores cada vez mais econômicos e eficientes impõem desafios a industria automobilística, onde vários são os esforços empenhados para otimizar o desempenho destes. Um interessante recurso que está começando a ser adotado pelas grandes companhias (Ford, Toyota, Honda, BMW e outras) para melhorar o desempenho dos motores é a alteração da posição de trabalho do comando de válvula durante o seu funcionamento.
Os motores aplicados em veículos trabalham sob as mais variadas condições de carga e rotação, fazendo-se necessário que o comando de válvulas seja confeccionado de forma a atender medianamente todas as solicitações de serviço. A alteração instantânea do enquadramento do comando, operada normalmente por complexos dispositivos hidráulicos, permite que se melhore sensivelmente o desempenho do motor ao longo da sua faixa de trabalho. Com esta alteração, a velocidade dos gases nos condutos, o rendimento térmico e outras variáveis são ajustadas de modo que o motor apresente sua melhor performance em qualquer regime de trabalho.
Ocorre que o artifício da fasagem do comando de válvulas já é relativamente conhecido no cenário do automobilismo. Devido ao fato de algumas categorias imporem restrições na preparação dos motores (tais como limitação de cilindrada, razão de compressão, tipo de comando de válvulas, etc), várias são as soluções que precisam ser encontradas para sintonizar os motores às aplicações a que se destinam, tais como corridas em pista de terra, circuitos ovais, provas de arrancada, etc. Uma solução alternativa largamente utilizada é a chamada fasagem estática do comando de válvulas, onde, com o uso de uma polia regulável, ajusta-se perfeitamente o eixo conforme o tipo de desempenho desejado.
A experiência prática afirma que se confere mais torque em baixas rotações quando se adianta o comando de válvulas, do mesmo modo que atrasando o mesmo se obtém um torque maior nas mais altas rotações. Entretanto, não existe literatura técnica que informe quais valores de avanço e retardo do comando de válvulas proporcionam resultados interessantes, diferentes dos obtidos com o motor na sua configuração original.
Através de metodologia experimental, foi mensurada neste trabalho a alteração das curvas de torque de um motor VW 2.0L em virtude da fasagem do comando de válvula, utilizando-se para tanto a polia de regulagem estática. Este estudo tem objetivo de esclarecer a aplicabilidade das polias de ajuste estático do comando de válvulas.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
O comando de válvulas pode ser definido como um conjunto de mecanismos que funcionam em perfeito sincronismo, possibilitando a abertura e fechamento, nos momentos exatos, das válvulas de admissão e descarga, pelas quais a mistura penetra nos cilindros e por onde são expulsos os produtos da combustão.
Segundo o princípio de funcionamento dos motores de Quatro Tempos, são necessárias duas voltas do eixo de manivelas para completar o ciclo útil. Teoricamente, esses 720 Graus seriam divididos da seguinte forma:
1) 180 graus ficaria aberta a válvulas de admissão, quando pistão descesse do Ponto Morto Superior (PMS) até o Ponto Morto Inferior (PMI);
2) 180 graus para, com ambas as válvulas de admissão e descarga fechadas, efetuar a compressão da mistura do PMI até o PMS;
3) 180 graus para o processo de combustão, ocorrido do PMS até o PMI;
4) 180 graus restantes para o pistão subir do PMI até o PMS, expulsando os gases produtos de combustão.
Entretanto, este padrão de funcionamento é somente um indicativo usado no ciclo teórico dos motores alternativos de quatro tempos. Na realidade, devido às limitações mecânicas existentes, é impraticável a abertura e o fechamento instantâneos das válvulas. Soma-se a estas que, por uma questão de otimizar o fluxo dos gases dentro do cilindro, utilizam-se durações de abertura e fechamento das válvulas superiores aos teóricos 180 graus. Um diagrama real de abertura e fechamento das válvulas é apresentado abaixo, Figura 1.
Figura 1: Diagrama real de abertura e fechamento de válvulas.
Como observado no diagrama de duração real de um eixo de distribuição, o que ocorre na prática é bem diferente do previsto no caso do Ciclo Otto teórico, pois a cinética dos gases dentro dos cilindros exige que os tempos de aberturas das válvulas sejam dilatados.
A eficiência dos motores de ciclo Otto naturalmente aspirados é altamente dependente dos tempos de abertura das válvulas de admissão e descarga, pois estes tempos é que ditam a velocidade dos gases dentro do motor. A velocidade média da mistura ar/combustível que maximiza a eficiência volumétrica dos motores de ciclo Otto é compreendida entre 40 e 50 m/s; nos coletores de descarga a velocidade necessária para satisfazer a condição de eficiência máxima é 60 a 75m/s.
Devem-se estas faixas estreitas de velocidade porque se forem menores, a inércia dos gases não é suficiente para aproveitar o fenômeno de cruzamento, ocorrendo inclusive retorno das mistura de ar/combustível nos condutos de admissão. De outro modo, se as velocidades forem maiores, a perda de carga nas válvulas e condutos se torna tão alta que a eficiência do motor começa a diminuir, pois a admissão e descarga dos gases são restringidas.
A velocidade dos gases de admissão e descarga são exclusivamente função da condição de pressão do motor a cada momento, desde o filtro de ar até a ponta do coletor de descarga. Vários são os fatores que influenciam a velocidade dos gases em cada momento do ciclo. Podem ser citados o diâmetro e comprimento dos condutos de admissão e descarga, condição
de carga do motor, restrição do sistema de admissão (borboleta do carburador p.ex.), rotação, duração e levante do comando de válvulas, diâmetro das válvulas, outros.
Explica-se o motivo da antecipação e retardo da abertura das válvulas como se segue:
2.1.1 Válvula de admissão
Adiantamento na abertura: A válvula de admissão começa o processo de aspiração um pouco antes do PMS, para aproveitar a alta velocidade de saída dos gases de descarga, que de certa forma ajudam a aspirar (dragar) uma maior quantidade de mistura ar/combustível, durante o chamado cruzamento de válvulas.
Atraso no fechamento: Logo após o pistão passar o PMI para iniciar a fase de compressão, a válvula ainda permanece brevemente aberta, de modo a otimizar ainda mais o enchimento do cilindro com a mistura ar/combustível. Aproveita-se a grande velocidade adquirida pelo gás no conduto de admissão para continuar enchendo o cilindro, ainda que o pistão já tenha iniciando a fase de compressão.
2.1.2 Válvula de descarga
Adiantamento na abertura: Ao invés de abrir a válvula somente quando o pistão chega no PMI, depois da fase de expansão dos gases queimados, faz-se com que esta abertura seja antecipada. Com isso alivia-se a pressão interna do cilindro, onde os gases produtos de combustão agora pouco realizam trabalho. A abertura antecipada da válvula de descarga facilita a subida do pistão, exigindo do mesmo um menor trabalho de bombeamento dos gases produto de combustão durante a fase de descarga.
Atraso no fechamento: Este atraso serve para auxiliar na ‘lavagem’ do cilindro, quando se deseja eliminar todos os gases produtos da combustão e aspirar o máximo de mistura ar/combustível. A inércia dos gases de descarga causa uma depressão no cilindro que é responsável por aspirar uma nova quantidade de mistura fresca, mesmo que o pistão ainda esteja em fase de descarga. Este importante fenômeno é chamado de cruzamento de válvulas.
2.2 Cruzamento de válvulas
Chamado por alguns autores como Iskenderian (1989) como o “Quinto Tempo” dos motores de ciclo Otto, o cruzamento (ou Overlap) das válvulas é o período em que as válvulas de admissão e descarga ficam abertas simultaneamente. Quando observamos o ciclo de funcionamento do motor, notamos que o adiantamento da abertura da válvula de admissão e o atraso no fechamento da válvula de descarga são sobrepostos, o que permite que ocorra uma melhor renovação dos gases no cilindro, com maior aspiração (dragagem) de mistura ar/combustível. Este fenômeno permite que se melhore sensivelmente o desempenho dos motores. Entretanto, existem valores de cruzamento de válvulas específicos para cada aplicação a que se destinam os motores (corridas, passeio, carga, outros), não sendo possível aumentar indefinidamente o período de cruzamento das válvulas a fim de melhorar o rendimento do motor.
O valor do cruzamento de válvulas está intimamente ligado às velocidades dos gases dentro dos condutos de admissão e descarga e à eficiência volumétrica do motor. A seguinte regra é válida: quanto maior for a duração do cruzamento, melhor será o desempenho do motor em altas rotações, sendo o inverso verdadeiro.
Expressos em graus, o cruzamento de válvulas é a soma da duração da abertura da válvula de admissão antes do PMS e a duração do fechamento da válvulas de descarga após o PMS. (Na figura 1 apresentada, o valor do cruzamento das válvulas é 32º + 27º = 59º).
3. PROBLEMA OBSERVADO
Desenvolvidos de forma a controlar criteriosamente a dinâmica dos gases de admissão e escape no cilindro, a principal função do comando de válvulas é maximizar o enchimento e esvaziamento do cilindro com o menor trabalho de bombeio dos gases. Produto de técnicas complexas de retífica, o perfil dos cames é o resultado de vários estudos que também devem considerar, além da dinâmica dos gases, a cinética do sistema mecânico envolvido. Velocidade e acelerações máximas possíveis nas válvulas e tuchos são aspectos também considerados, quando se deseja um sistema que apresente durabilidade aceitável.
Pelas dificuldades acima citadas, é possível entender o quanto difícil é produzir um comando de válvulas ótimo. A existência de compromisso entre parâmetros como desempenho em várias condições de funcionamento, economia de combustível e durabilidade do sistema impedem que seja possível desenvolver um eixo distribuição que desempenhe plenamente todas as funções a que se destina. Durante o projeto de um eixo de distribuição, certamente ponderam-se todos os aspectos pertinentes a sua funcionalidade. Normalmente relevam-se aqueles que possuem maior importância para a dada aplicação a que se destina o motor que receberá o comando de válvulas.
Um recurso comumente utilizado em situações onde se deseja otimizar o desempenho do motor é o uso da polia do comando de válvulas ajustável. Está permite que seja possível ajustar o comando de válvulas de modo a melhor operar em conjunto com o motor durante as mais diversas condições de trabalho. O ajuste da posição de trabalho do eixo de distribuição pode ser efetuado durante o seu funcionamento, através de sofisticados controles e atuadores, como é o caso de alguns modernos motores em produção.
Uma outra opção comumente adotada em motores de competição que estão sujeitos a limitação de preparação é o uso de polias reguláveis de ajuste estático Estas permitem que o comando de válvulas seja adiantado ou atrasado segundo a faixa de trabalho que o motor irá operar, conferindo a este características de torque diferentes em cada situação. O ajuste estático confere maior torque ao motor em baixas rotações quando se fixa adiantado em alguns graus o eixo de distribuição, diminuindo-se o torque em altas rotações com conseqüente diminuição de potência. De maneira análoga, atrasando-se o eixo em relação à sua posição original, diminui-se o torque em baixos regimes de rotação e o aumenta nas altas rotações, com conseqüente aumento de potência.
Ocorre que a fasagem estática do comando de válvulas é realizada no meio das competições automobilísticas geralmente de modo empírico, sem se saber realmente até que ponto as alterações procedidas trazem resultados significativos. A análise experimental desta alteração é a única maneira realmente confiável de testar as hipóteses de ganho de desempenho do motor, visto que são muitas as variáveis envolvidas no funcionamento deste.
4. METODOLOGIA EXPERIMENTAL
A metodologia experimental deste trabalho consistiu da alteração da posição relativa do comando de válvulas em um motor VW AP 2.0L a gasolina, com o uso de uma polia regulável de ajuste estático. A escolha do motor VW AP 2.0L deve-se ao fato deste ser largamente empregado em competições automotivas, onde as polias reguláveis são comumente utilizadas.
O motor em questão sofreu uma reforma completa, que incluiu as retíficas de virabrequim, cilindro, e cabeçote. Todas as peças que necessitavam de troca forma substituídas, obedecendo-se às tolerâncias especificadas pelo fabricante.
A fim de facilitar a instalação do motor no dinamômetro, foi utilizado um coletor de descarga esportivo. Corriqueiramente chamado no mercado de Coletor Dimensionado, permite a saída mais livre dos gases de combustão, aumentando a potência do motor em alguns poucos quilowatts.
A finalidade do experimento foi verificar a influência das alterações de fasagem do comando de válvulas nas curvas de torque do motor. Os ensaios foram realizados com carga máxima, pois esta é a maneira que melhor simula a condição de trabalho dos motores que comumente utilizam as polias reguláveis de ajuste estático.
4.1 Controle
Para promover o funcionamento do motor, estavam disponíveis três opções de controle, descritas a seguir com um breve comentário do porque foram ou não utilizadas nos testes:
1) Uso de sistema de injeção de combustível: O aparato da injeção eletrônica convencional oferece um excelente controle do funcionamento do motor. Seu modo de operação está fundamentado na leitura de diferentes tipos de sensores (rotação, vácuo do coletor de admissão, posição do acelerador, temperaturas diversas, sensor de detonação, etc) e interpretação destes sinais de entrada em um modulo eletrônico conhecido como Centralina. A Centralina possui mapas de injeção que, em função dos diferentes sinais recebidos, interpreta-os e atua basicamente na injeção de combustível e no avanço de ignição. Este sistema opera em Malha Fechada, de maneira que os parâmetros de saída, injeção e avanço da ignição, são alterados a cada fração de segundo, segundo os parâmetros de entrada.
Decisão: Trata-se de um sistema onde todo o controle eletronicamente programado pela fabrica (mapa de injeção) não pode ser alterado. Por este motivo, não se conseguiria adequar os parâmetros de funcionamento do motor convenientemente para o estudo em questão. A alteração da posição do comando de válvulas irá invariavelmente mudar a condição de vácuo no coletor de admissão, e a interpretação dada pela centralina no controle do motor provavelmente não seria constante no decorrer dos diferentes ensaios. Estas variações iriam mascarar os resultados reais do estudo. Por este motivo, não foi escolhido este tipo de controle.
2) Modulo de injeção de combustível programável: Trabalha do mesmo modo que a injeção eletrônica descrita anteriormente, com exceção de que todos os mapas de injeção do motor são programáveis em um computador comum (PC). O operador do sistema tem a liberdade de ajustar todos os valores das curvas de desempenho do motor como lhe convir.
Decisão: Seria a ferramenta ideal para ensaiar este trabalho, não fossem alguns entraves que impediram o seu uso. Pode-se citar que o tempo necessário para instalar e ajustar este equipamento, além dos prováveis custos envolvidos, foram os motivos que descartaram a sua aplicação.
3) Uso de carburador e ignição convencional: É a maneira mais simples de promover o funcionamento do motor. Com o uso de uma sonda Lambda de combustível e uma pistola de ponto estroboscópica, ajustam-se a carburação e o avanço de ignição. O carburador e o distribuidor com avanço de ignição incorporado tratam-se de dispositivos mecânicos que trabalham em ‘malha aberta’, e independem de importantes circunstâncias de funcionamento do motor para operarem. Por se tratar de um controle pobre, poucas variáveis são relevadas, e estas, de modo não muito otimizado. Entre elas é possível citar a rotação, o vácuo da admissão e a posição da borboleta do carburador. Fenômenos como pré-ignição e detonação não são detectados como em sistemas operados com injeção eletrônica, sendo assim
necessária atenção redobrada por parte do operador do dinamômetro em relação a estes problemas de funcionamento do motor. Na verdade, quem se responsabiliza pela realimentação e ajuste do motor é o próprio operador que realiza os ensaios.
Decisão: Escolheu-se este modo de controle devido à maior simplicidade de operação, menores tempos de ajuste do motor e do banco e menores custos envolvidos. Acrescenta-se a estes o fato de que em corridas normalmente os motores são assim equipados (como é o caso de um dos patrocinadores deste desenvolvimento).
4.2 Ajustes do motor
Uma vez definido o modo de controle do motor, partiu-se para o ajuste do mesmo. Basicamente foram regulados os sistemas de alimentação e ignição, utilizando-se para tanto a instrumentação adequada. Abaixo segue um breve comentário de como foram ajustado cada um destes parâmetros.
4.2.1 Mistura Ar/Combustível
O ajuste da mistura ar/ combustível foi efetuado de modo que se obtivesse o maior torque possível durante as medições. Explica-se porque o objetivo dos testes é verificar sempre carga máxima, onde o maior torque possível é desejado. Certamente se o enfoque dos ensaios fosse dado com regimes de carga diversos, haveria de se fazer um estudo das relações de mistura que satisfizessem tais situações.
A situação de carga máxima exige, segundo Heywood (1978), uma relação de ar/combustível mais rica em combustível do que a estequiométrica, com valor de Lambda igual a 0,8. Para um ajuste preciso, foi necessário usar uma especial Sonda Lambda de Banda Larga, diferente das corriqueiramente encontradas em automóveis. Explica-se porque as sondas comuns não conseguem medir valores de lambda muito aquém ou além dos valores próximos à relação estequiométrica, tal qual Lambda = 0,8 desejado.
Uma vez instalada a sonda, partiu-se para os testes preliminares de ajuste da carburação. O carburador que equipa o motor é um modelo BROSOL 2EA, que possuiu corpo duplo com acionamento a vácuo do segundo estágio. O acionamento a vácuo foi retido e substituído por uma mola, que garantidamente abrirá toda a borboleta do carburador independente da condição de vácuo gerada pelos condutos de admissão durante os ensaios. Deve-se esta ação porque, dependendo da condição de fasagem, o vácuo que aciona o carburador seria diferente, abrindo a borboleta do segundo estágio de maneira diferente. Estas várias situações seriam mais uma variável a ser considerada, dificultando a simples análise a que se dedica este trabalho.
Durante os testes de ajuste do motor no dinamômetro, foi notado que o carburador na sua configuração de esguichos de combustível originais (Giclês) não dosava a quantidade de combustível necessária para gerar o valor de Lambda igual a 0,8. Esta observação pode ser facilmente esclarecida porque o carburador usado é montado em automóveis de passeio (VW Santana, Gol, Parati), onde se considera uma relação custo/benefício que envolva torque e consumo de combustível. Logo, alterou-se por várias vezes os giclês do segundo estágio do carburador até que se atingisse o valor de mistura ar/combustível desejado. O giclê original de fábrica instalado no segundo estágio, com diâmetro de 0,1275mm, foi trocado por outros maiores até atingir o resultado desejado de Lambda. Isto foi obtido com um giclê de 0,1420mm (área de passagem de combustível 24,4% maior, permitindo mais fluxo). Com a carburação ajustada, partiu-se para a regulagem da ignição.
4.2.2 Ignição:
O motor VW utilizado possui um sistema de ignição eletrônica cujo distribuidor de centelhas apresenta dispositivos de avanço de ignição atuados pela velocidade angular do motor e pelo vácuo existente no coletor de admissão. Foram utilizados ambos os dispositivos, apesar da contribuição do avanço a vácuo ser praticamente nula. Deve-se está pouquíssima contribuição porque quando a borboleta do carburador está 100% aberta (durante os ensaios de carga máxima) o vácuo na admissão cai a ponto de não atuar no avanço a vácuo do distribuidor.
Como a pressão média no cilindro irá alterar drasticamente durante os ensaios, optou-se por utilizar um avanço de ignição ‘conservador’, mesmo que isto implique em perda de desempenho para algumas situações, como quando se atrasa o comando de válvulas. O ponto de ignição do motor foi então setado com uma adequada pistola estroboscópica, inicialmente em 18O Antes do Ponto Morto Superior (APMS) a 750+/-50 RPM, conforme indicação do fabricante. Entretanto, com este avanço inicial, o motor apresentou detonação na situação mais crítica do ensaio, que ocorre quando o eixo de distribuição está oito graus adiantados, com o motor a plena carga em 2000 RPM. Constatado o problema, diminuiu-se o avanço inicial para 15O graus, quando o motor deixou de apresentar os sintomas da detonação.
O parâmetro avanço de ignição foi assim fixado em 15O graus iniciais a 750 RPM e aproximadamente 38O graus finais a 4000 RPM, descontando-se a contribuição do avanço a vácuo conforme explicado anteriormente. Estes 21O de avanço mecânico total (38O –15O) ao longo da rotação descrita são dados em razão da curva de avanço centrifugo do distribuidor, que foi mantida original.
4.3 Instrumentação
Os equipamentos utilizados para se conhecer a geometria e ajustar o comando de válvulas foram, basicamente, um transferidor (utilizado como disco graduado), um relógio comparador e ferramentas comuns de uma oficina mecânica. Abaixo o segue o descritivo e a aplicabilidade de cada um deles.
4.3.1 Uso de um transferidor
Para proceder a fasagem do comando de válvulas, foi utilizado um transferidor de acrílico, do tipo empregado para fazer desenhos técnicos. Esta ferramenta foi instalada no eixo de manivelas com o intuito de diminuir o erro de leitura do instrumento, por estar se tratando de pequenos deslocamentos angulares que serão medidos. Explica-se porque como a relação de sincronia do virabrequim com o comando válvulas é de 2:1, consegue-se uma leitura duplicada do deslocamento angular que ocorre no eixo de distribuição (Ex.: Se o comando de válvulas gira 4O graus, o virabrequim irá girar 8O graus). A leitura duplicada permite que se diminua o erro de leitura pela metade.
A interface de fixação do relógio transferidor à polia precisou ser confeccionada com extremo cuidado, visto que o instrumento precisa ser colocado e retirado do eixo a cada seqüência de testes que mudam a posição do comando de válvulas. Para tanto, o instrumento foi adaptado à polia do virabrequim através de uma chapa convenientemente cortada e furada, a fim de poder ficar rigidamente fixo no eixo. Utilizaram-se dois dos quatro prisioneiros disponíveis na polia para fixar o transferidor com porcas.
Houve um cuidado especial também com relação a centragem do transferidor, pois qualquer deslocamento do instrumento em relação ao centro do eixo do virabrequim incorreria em erros de leitura.
4.3.2 Relógio comparador:
O relógio comparador foi utilizado juntamente com o transferidor para conhecer as características de duração e levante do comando de válvulas. É composto essencialmente por:
• Base magnética, com regulagens de posicionamento do instrumento de medição,
• Relógio comparador,
• Haste apalpadora, confeccionada especialmente para a aplicação em questão.
4.4 Características do comando de válvulas:
Utilizando-se de um relógio comparador e um transferidor, é possível conhecer a forma construtiva do comando de válvulas, tais como duração e levante. Um importante aspecto que implicou na necessidade de aplicar tal instrumentação em conjunto é o conhecimento do cruzamento de válvulas do eixo de distribuição. Conhecendo-se o levante da válvula na situação do cruzamento, é possível fazer a sincronia do comando de válvulas com o eixo de manivelas de modo muito preciso. Para tanto, foi necessário conhecer as características geométricas do comando, normalmente informadas pelo fabricante em catálogos técnicos. Entretanto, por se tratar de um comando de válvulas já usado, de nada adiantariam estas informações, pois possivelmente o perfil do came já não era mais igual como quando novo. Logo, a medição da geometria do comando de válvulas se fez necessária.
Para conhecer as características do comando de válvulas em questão, utilizou-se a polia original (logo com o enquadramento original de fabrica) durantes as medições. O procedimento de medição utilizado para conhecer a duração e levante da válvula de admissão pode ser descrito da seguinte maneira:
1) Ajusta-se o apalpador do relógio comparador sobre o tucho da válvula de admissão do cilindro, tendo-se o cuidado de que a o apalpador esteja perfeitamente alinhado com a direção do deslocamento da válvula. O relógio deve estar no seu fim de curso para poder se distender quando o came começar a atuar no tucho. O motor deve estar no PMI, iniciando o processo de exaustão.
2) Gira-se o eixo de manivelas no sentido de giro corrente do motor, até que se observe qualquer mudança na leitura do relógio comparador. Anota-se o valor indicado no transferidor.
3) Lentamente continua-se a girar o virabrequim até que o pistão chegue no PMS. Anota-se o valor indicado pelo transferidor e pelo relógio comparador.
4) Continua-se a girar vagarosamente o motor e se anota o valor de máximo levante da válvula, e a que duração ocorre, lido no transferidor.
5) Finalmente, ainda girando o eixo de manivelas, anota-se o valor de deslocamento final no transferidor, que ocorre quando o apalpador retornou totalmente a sua posição original.
Efetuadas estas operações em ambos os tuchos de admissão e descarga, obteve-se os dados geométricos da atuação do comando de válvulas.
Tabela 1: Características geométricas
Por uma questão de facilitar o processo de usinagem durante a fabricação, sabe-se que ambos os cames de admissão e descarga possuem perfis iguais, contudo, os valores de duração e levante das duas válvulas são diferentes conforme os valores apresentados. Isto se explica porque a folga necessária na válvula de descarga (0.40mm) é maior do que a da válvula de admissão (0,20mm) por esquentar e se dilatar mais.
Por se tratar de um comando de válvulas mecânico, houve um cuidado extremo no momento do ajuste das folgas de válvulas durante a retífica do motor. Se estas folgas fossem ajustadas de modo diferente do especificado pelo fabricante, toda a dinâmica dos gases nos condutos de admissão e descarga seria alterada, prejudicando do desempenho motor e a analise experimental dos ensaios.
4.5 Procedimentos de teste
Para analisar as alterações de torque provenientes da fasagem do comando, efetuaram-se medidas com o comando enquadrado nas seguintes posições: 4 e 8 graus adiantados em relação a posição original, 0 grau (posição original) e 4 e 8 graus atrasados.
Mediram-se o torque do motor por duas vezes consecutivas em cada situação de enquadramento, das 2000 às 6000 RPM, com incrementos de 500 RPM entre cada medição.
As medições foram todas efetuadas com o motor em plena carga (borboletas do carburador 100% abertas). Os ensaios eram iniciados nas 2000 RPM, quando então se diminuía a carga do dinamômetro e o motor conseqüentemente subia de giro. Para cada ponto de medição, se estabiliza a rotação do motor por 10 segundos quando, ao fim destes, anotava-se o valor do torque obtido em uma célula de pressão e lido em um relógio analógico. A duração total aproximada de cada ensaio foi de 2 minutos.
A observância das temperaturas do ar, óleo e água de refrigeração, no início e no fim dos ensaios, foi de fundamental importância, pois estes parâmetros alterariam razoavelmente o torque do motor. A fim de evitar o uso de fatores de correção (ver análise de erros no Apêndice), observaram-se os seguintes valores de pressão e temperaturas de trabalho do motor:
Pressão atmosférica: 763mmHg
Temperaturas do ar: Tbs= 294+/-1,5 K, Tbu= 291 K.
Temperatura do Óleo: Inicial: 353 [K], final: 383 +/-3 K.
Temperatura da Água de Refrigeração: Inicial: 353 K, final: 363 K +/- 3 K.
Quando o ensaios não finalizavam com as condições de temperatura da água e do óleo dentro das faixas especificadas, procedia-se outro teste. Explica-se porque nem sempre o motor se estabilizava rapidamente no dinamômetro, havendo necessidade de um tempo maior para o ensaio, o que acarretava em conseqüente aumento das temperaturas da água e do óleo.
Inicialmente foram medidas as curvas de torque do motor com o comando de válvulas no enquadramento original de fabrica, ou seja, com 0O graus de fasagem, utilizando-se para tanto a polia original.
Posterior aos testes efetuados com o motor na sua configuração original, trocou-se a polia original pela polia regulável, sendo necessário um novo enquadramento do comando. Já conhecido o levante e duração da válvula de admissão durante o cruzamento (conforme descrito em 4.4), instalou-se novamente o relógio comparador e o transferidos para colocar o eixo de distribuição na exata sincronia com o virabrequim. Este procedimento foi executado para se certificar que o eixo de distribuição, agora acionado pela polia regulável, estaria na mesma posição que quando operado pela polia original.
Como medida de precaução, a fim de evitar ter que montar toda a instrumentação novamente nas outras ocasiões de enquadramento, os ‘dentes’ sincronizadores da polia regulável foram deixados de tal forma posicionados no meio do curso disponível do miolo de Alumínio, conforme mostra a figura 2.
Figura 2: Polia regulável de ajuste estático.
Desta maneira, foi possível enquadrar o comando de válvulas nas situações ‘adiantado’ e ’atrasado’ apenas com o uso do transferidor. Isto facilita muito o trabalho, pois evita ter que retirar a tampa de válvulas e ajustar o relógio comparador a cada medição. Somaria-se ainda o problema de ter que esperar o motor esfriar totalmente, visto que todas as características conhecidas do comando de válvulas foram medidas com as folgas de válvulas do motor quando frio.
Procedeu-se uma nova medição de torque do motor com o comando enquadrado em 0º, apenas para confrontar com os dados obtidos anteriormente com a polia original. Como os resultados formam os mesmos, partiu-se para a fasagem propriamente dita do comando de válvulas. Os procedimentos executados para atrasar o comando em 4 e 8 graus foram os seguintes:
1) Instalou-se o transferidor no eixo de manivelas, e verificou-se quantos graus estavam sendo indicados no disco.
2) Soltaram-se as 3 porcas que fixam a parte exterior da polia sincronizadora ao miolo de alumínio.
3) Soltou-se a polia tensionadora da correia sincronizadora do comando de válvulas,
4) Com uma chave “Cachimbo”, girou-se o motor pelo eixo de manivelas no sentido horário, até que se leu no transferidor um incremento de 8 graus. Isto resultou em 4 graus de fasagem do eixo de distribuição. (Houve um extremo cuidado para que o comando de válvulas não girasse junto com o virabrequim. Para tanto, bastou fixar o miolo de alumínio da polia ao cabeçote do motor).
5) Fixou-se o miolo de alumínio à parte exterior da polia regulável novamente.
6) Tencionou-se a correia sincronizadora.
7) Ajustou-se o ponto de ignição novamente em 18 graus iniciais.
De modo análogo, adiantou-se o comando de válvulas seguindo os mesmos passos, porém, ao invés de girar o motor no sentido horário, o fez no sentido anti-horário.
Os resultados de torque obtidos no dinamômetro em cada situação de enquadramento são apresentados abaixo, com indicação de torque dada em [N.m]. A primeira medição indicada (0º graus de fasagem) é a média dos dois primeiros ensaios efetuados com a polia original. Os outros valores indicados são a média dos dois ensaios realizados para cada situação de enquadramento do comando de válvulas.[/b]
5. ANÁLISE CRÍTICA DOS RESULTADOS
A alteração de posição do eixo de distribuição do motor implica em alguns ganhos e perdas em conjunto. Por estar se tratando de uma mudança da geometria de funcionamento das válvulas de admissão e descarga juntas, alguns efeitos são apreciáveis e outros não.
As diferentes fasagens do comando de válvulas mudam as velocidades dos gases de admissão e descarga de forma muito acentuada ao longo das varias rotações do motor. Atingem-se as velocidades ótimas, descritas na revisão bibliográfica, em certas circunstâncias que o motor originalmente fasado não proporciona. Acabam prevalecendo, até certo ponto, as alterações que permitem um maior enchimento do cilindro com mistura de ar/combustível, mesmo que a descarga dos gases fique parcialmente prejudicada.
O efeito disto é claramente observado nas curvas de torque obtidas experimentalmente, onde em algumas faixas de rotação o torque é maior e em outras é menor. Como apresentado graficamente, o enquadramento adiantado do comando de válvulas aumenta o torque nas baixas rotações, entretanto, o diminui nas altas.
Para uma melhor interpretação dos fenômenos observados experimentalmente, serão analisados os três diferentes casos: Comando de válvulas na sua posição original, adiantado e atrasado.
5.1 Comando de válvulas na posição Original
Nota-se, pela suavidade das curvas de torque e potência obtidas, que o motor está otimizado para a aplicação a que se destina: carros de passeio. O motor apresenta um torque razoável, de 140 N.m entre 2000 e 4800 RPM, faixa de giro comumente utilizado em carros comuns. A potência de 72 kW é típica deste motor quando em boas condições de operação, na rotação de 5600 RPM conforme indica o fabricante.
Os sistemas de admissão e descarga estão muito bem sintonizados com o comando de válvulas, ainda que o coletor de descarga – esportivo – não seja o original do motor.
5.2 Comando de válvulas adiantado
Com relação aos fenômenos que ocorrem com o motor quando é adiantado o comando de válvulas, são citados os aspectos positivos e negativos da alteração, centrando-se a análise nos baixos regimes de rotação:
Aspectos positivos:
• Rendimento térmico aumenta, pois a válvula de descarga demora mais para abrir do que na situação original.
• O Trabalho de bombeamento dos gases produto de combustão não é prejudicado, pois mesmo que a válvula de descarga tenha iniciando a sua abertura posteriormente, nas baixas rotações há tempo suficiente para que os gases deixem o cilindro.
• Aumento da velocidade da mistura ar/combustível durante o cruzamento de válvulas, pois o pistão já está descendo do PMS (logo admitindo mistura) e os gases de descarga ainda estão saindo. Conseqüente aumento do fenômeno de dragagem dos gases de admissão.
Aspecto negativo:
• A maior duração do fechamento da válvula de admissão durante a fase de compressão começa a permitir o retorno da mistura ar/combustível para dentro do conduto de admissão, devido a mais baixa velocidade dos gases nesta situação.
5.2.1 Análise experimental do comando de válvulas adiantado em 4 e 8 graus
4 graus adiantado: Observou-se um aumento do torque disponível nos baixos regimes de rotação, bem como uma diminuição do torque nas rotações mais altas, conforme esperado. Na faixa de 2000 a 2500 RPM, ouve um sensível aumento de aproximadamente 6% no torque, sendo este maior que o torque proporcionado pelo motor na configuração original até as 4800 RPM, quando começa a diminuir. Em termos de potência, houve uma redução de 2,8% em relação à configuração original, agora com 70 kW presente nas 5300 RPM.
8 graus adiantado: Apresentou um comportamento semelhante a fasagem de 4 graus adiantado até as 3000 RPM, quando então diminuiu o torque. A potência máxima foi de 69 kW a baixas 4500 RPM (diminuições de potência em 4,5% e 1100RPM em relação à configuração original). Verificado uma grande queda de torque a partir das 4500 RPM, confirmando a hipótese de queda de rendimento em razão das altas velocidades dos gases encontrados nos condutos de admissão e descarga. Notado um comportamento assintótico da curva de torque do motor na faixa de rotação das 3600 as 4700 RPM. Este comportamento é de difícil análise sem o uso de instrumentação adequada, que pudesse medir condições de vácuo, velocidade e outros parâmetros do motor durante o experimento.
5.3 Comando Atrasado
A fasagem atrasada do comando de válvulas oferece os seguintes aspectos positivos e negativos, com relação ao aumento de torque do motor nas altas rotações:
Aspectos positivos:
• A válvula de admissão abre antes durante a fase de descarga do ciclo, permitindo que a mistura ar/combustível com alta velocidade aumente o enchimento do cilindro.
• Válvula de escape abre antes, permitindo que os gases produto de combustão tenham maior tempo para evacuarem o cilindro nas altas rotações, o que diminui o trabalho de bombeio dos gases durante a fase de descarga.
Aspectos negativos:
• Há um menor aproveitamento da inércia da mistura ar/combustível, pois a válvula de admissão fecha anteriormente comparada a configuração de fasagem original.
• Menor rendimento térmico do motor, pois válvula de descarga abrindo antes expulsa os gases quentes da combustão que produzem o trabalho.
• Durante o cruzamento de válvulas, apesar da válvula de admissão abrir antes, o pistão ainda está subindo e expulsando os gases de descarga. Desse modo, a mistura ar/combustível encontra uma restrição mecânica devida a sincronia do motor, impedindo um enchimento do cilindro de forma otimizada como parece ocorrer em uma primeira análise.
5.3.1 Análise experimental do comando de válvulas atrasado em 4 e 8 graus:
4 graus atrasado: Comportamento semelhante ao do motor com o enquadramento do eixo de distribuição original, com notória perda de torque durante toda a faixa de rotação experimentada. Como previsto, ocorreu a diminuição do torque nas baixas rotações (média de 8,5% das 2000 às 4000RPM). Entretanto, não houve recuperação do torque nos mais altos regimes como era a expectativa, de modo a conferir ao motor mais potência do que na configuração de enquadramento original. O ocorrido foi que a potencia máxima do motor manteve os mesmos 72 kW, sendo transladada das 5600 RPM originais para as 6000 RPM.
8 graus atrasado: Observado uma grande redução do torque do motor ao longo da faixa de rotações experimentada. Do mesmo modo que na situação do eixo de distribuição 8º adiantado, ocorreu uma alteração repentina do torque na faixa das 4500 RPM. O fenômeno ocorrido somente pode ser explicado se fosse usada instrumentação adequada para medir as condições de trabalho do motor.
Para os casos onde o eixo de distribuição foi atrasado, testou-se o motor até as 6500 RPM, a fim de verificar se a potência aumentaria nesta faixa de giro. O mesmo não foi observado. Outra hipótese experimentada foi alterar o avanço da ignição, dos iniciais 15º para 18º, 21º e 23º respectivamente. A idéia era dar mais tempo para a combustão ocorrer, devido à alta rotação ensaiada, permitindo que o momento do pico de pressão na câmara de combustão fosse alterado para conferir maior torque ao motor. Estas alterações tampouco trouxeram resultados satisfatórios, pois provavelmente o avanço total original do distribuidor era suficiente para operar o motor na condição do comando atrasado e em alta rotação.
6. CONCLUSÃO
Através da metodologia experimental foi possível determinar a validade da fasagem estática do comando de válvulas, esclarecendo parcialmente os resultados que esta alteração causa especificamente no desempenho do motor VW 2.0L.
Verificou-se que o adiantamento do eixo de distribuição em alguns poucos graus permite que se incremente sensivelmente o torque do motor nas baixas rotações, confirmando-se também a hipótese da diminuição de potência nas mais altas rotações. Contrariamente, a modificação mais usual que é atrasar o comando de válvulas não trouxe os resultados esperados. Muito pelo contrário, a expectativa de maior potência em razão do atraso do eixo de distribuição não foi confirmada, restando apenas a indesejável diminuição do torque nas baixas rotações.
Há de se observar que os ensaios deste trabalho contemplaram apenas a condição de carga máxima. A continuação deste estudo deverá possuir um maior detalhamento, a fim de consolidar as medições efetuadas neste primeiro. Ensaios com cargas parciais, comandos de válvulas com diferentes características geométricas, uso de outros tipos de condutos de admissão e descarga e fasagem do eixo de distribuição com maior resolução são alguns dos pontos que merecem atenção.
O próximo passo então, após conhecer como todos os aspectos do funcionamento do comando de válvulas se inter-relacionam, seria desenvolver um dispositivo que fizesse a fasagem do eixo de distribuição automaticamente, conferindo ao motor um maior torque nas baixas e também nas altas rotações. Este controle automático evitaria o inconveniente de aumentar o torque em determinadas condições e diminuí-lo em tantas outras, resultado típico do uso da polia de fasagem estática.
7. BIBLIOGRAFIA CONSULTADA
HEYWOOD, J. B. Internal Combustion Engines Fundamentals. New York: McGraw Hill, 1978.
WADDELL, W.; SMITH S. Racing Engine Preparation. Califórnia: Steve Smith Autosports, 1975.
GIACOSA, D. Motores Endotérmicos. Barcelona: Editorial-Científico-Medica, 1964.
ISKENDERIAN, E. Isky Racing Cams, Catálogo, 1989.
APÊNDICE – CALIBRAÇÃO DO DINAMÔMETRO E ANÁLISE DE ERROS
O dinamômetro utilizado para ensaiar o motor VW 2.0L é dotado de um freio do tipo hidráulico que atua sob uma célula de pressão, conforme mostrado na figura
5.
