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Técnica

Como funciona o comando variável de válvulas?

Antigamente as válvulas de escape e admissão de um carro abriam uma medida determinada em um ponto determinado no ciclo de quatro tempos. Era simples.

Hoje, contudo, muitos motores variam não apenas quando as válvulas devem abrir, mas também quanto e por quanto tempo — isto é, os carros podem variar o levante das válvulas, o ponto de abertura e o tempo que elas permanecem abertas. Vamos ver como tudo isso funciona.

O comando variável de válvulas

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As válvulas de um motor comum são abertas por ressaltos (cames) dispostos ao longo de uma árvore chamada popularmente de comando de válvulas, ou tecnicamente de árvore de cames. Os motores com comando duplo de válvulas no cabeçote (DOHC ou dual overhead camshaft) têm um comando para as válvulas de admissão e outro para as válvulas de escape. Estes comandos são feitos de metal e podem ser conectados ao virabrequim por meio de correntes, correias ou engrenagens.

Como os motores a gasolina modernos usam o ciclo de quatro tempos, isso significa que os comandos giram uma vez (360 graus) a cada duas rotações completas do virabrequim (720 graus). Para entender melhor, considere a admissão de um motor acompanhando a animação abaixo. A válvula de admissão está aberta, o que significa que o ressalto está empurrando o tucho para abrir/levantar a válvula.

Enquanto a válvula de admissão está aberta, o pistão desce até o ponto morto inferior (1), que é o ponto onde o pistão para de descer mas ainda não está subindo. Quando o motor chegar ao ponto morto inferior, o virabrequim terá rodado 180 graus, ou meia volta.

4StrokeEngine_Ortho_3D_SmallDepois o pistão sobe (2) para comprimir a mistura ar-combustível. Quando o pistão atingir o ponto morto superior (o ponto máximo em que o pistão para de subir), o virabrequim terá completado uma volta inteira. Em seguida a vela de ignição inicia a combustão da mistura ar-combustível (3) que envia o pistão de volta ao ponto morto inferior. Até aqui o virabrequim terá rodado uma volta e meia, ou 540 graus. Quando o pistão chega novamente o ponto morto inferior, a válvula de escape abre e o pistão sobe até o ponto morto superior empurrando os gases resultantes da queima (4).

O ressalto do comando de válvulas que estamos monitorando entra em cena novamente, abre as válvulas de admissão e o pistão move-se para baixo mais uma vez puxando o ar do coletor e dos dutos do cabeçote. Quando o virabrequim tiver completado 720 graus, o comando de válvulas terá completado 360 graus.

Nos anos 1960 os fabricantes começaram a desenvolver sistemas de variação nos comandos de válvula que permitiam adiantar ou atrasar a abertura das válvulas do motor. O objetivo era melhorar a eficiência volumétrica (mais ar admitido permite um volume maior para ser comprimido) e reduzir as emissões de poluentes.

Hoje há dois tipos principais de variação no comando das válvulas: a variação de fase e a variação de abertura. Na variação de abertura a ECU seleciona um perfil de came diferente baseado na carga e na velocidade do motor, enquanto a variação de fase um atuador gira o comando em seu próprio eixo, mudando o momento de abertura da válvula. Há várias formas diferentes de variar a sincronização, o levante e a duração de abertura das válvulas, por isso vamos nos concentrar nos dois sistemas mais famosos: o Toyota VVT-i e o Honda VTEC. A

Os sistemas de variação de comando de válvulas usam vários tipos de sensor, mas os mais importantes são os que medem a posição do comando de válvulas e do virabrequim. A ECU usa estes sensores para monitorar a relação entre a localização do pistão e a posição das válvulas. O virabrequim está conectado à biela e ao pistão, e os ressaltos do comando acionam as válvulas. Assim, com a informação dos sensores de posição, a ECU pode saber a velocidade do motor e as posições relativas do pistão e das válvulas de escape e admissão. O sistema Multiair da Fiat foi um passo além na eletrônica e adotou um sistema eletrônico com uma árvore de cames comum e solenóides capazes de fazer qualquer tipo de variação dentro das limitações físicas do comando e da sincronização com o virabrequim.

Variação de fase

A variação de fase avança ou atrasa a abertura das válvulas ao rotacionar o comando, geralmente em uma faixa de 60 graus em relação ao ângulo do virabrequim. Digamos que nossa válvula de admissão normalmente abre 5 graus antes do ponto morto superior do virabrequim e fecha 185 graus depois do ponto morto superior (ou 5 graus depois do ponto morto inferior). “Atrasar” o levantamento da válvula em 10 graus significa que a a válvula se abrirá e fechará 10 graus mais tarde, isto é, ela abre 5 graus depois do ponto morto superior do virabrequim e fecha 195 graus depois do ponto morto superior.

Ao atrasar o ponto de levantamento da válvula o motor consegue melhor torque em alta rotação, enquanto o avanço do ponto de levantamento da válvula de admissão melhora a potência em rotações baixas. Esse tipo de modificação pode ser feito manualmente em motores com comandos fixos, e é popularmente chamada de “cruzamento de comandos” ou “comando cruzado”.

O sistema apresentado no vídeo acima é uma variação do Toyota VVT-i, a Honda tem um sistema semelhante chamado VTC. Neste sistema a ECU recebe os sinais do sensor de posição do virabrequim, do comando de válvulas, do sensor de temperatura de óleo, do sensor de massa de ar (MAF), e do sensor de temperatura do líquido de arrefecimento, e usa a informação para ajustar o sinal de saída para uma válvula de controle de óleo. Esta válvula age como um atuador hidráulico, girando um rotor que está conectado ao comando de válvulas dentro de uma carcaça, a qual é conectada ao virabrequim pela corrente de sincronização.

Uma vez que a ECU muda a fase do comando ela continua a receber dados de todos os sensores e ajusta continuamente o óleo que alimenta o rotor. Como o controle de acelerador eletrônico, este é um sistema fechado em loop, o que significa que a diferença entre o ângulo atual do comando (em relação ao virabrequim) e o ângulo ideal é o “sinal de erro” enviado à ECU. O computador usa o sinal de erro para ajustar o atuador para modificar o ângulo do comando de acordo com a necessidade.

Variação dos cames, ou variação do levantamento e do tempo de abertura

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Outros sistemas de comando variável mudam os ressaltos da árvore de cames, e não apenas seu ângulo em relação ao virabrequim. A mudança do perfil do came não afeta apenas o levantamento da vávula (o quanto a válvula abre), mas também a duração da abertura. A imagem acima demonstra as características de um came que afeta o levantamento e o tempo de abertura.

Em velocidades mais altas do motor muitos sistemas de variação mudam o came para um perfil mais agressivo (válvula mais aberta, tempo de abertura maior). Alguns sistemas de levantamento variável mudam a árvore de cames axialmente, para que um ressalto de perfil mais alto acione o seguidor de cames, produzindo maior levantamento da válvula. Outros, como o Honda VTEC travam um balancim auxiliar aos balancins de baixa velocidade por meio de um pino de acionamento hidráulico, permitindo a entrada de mais ar no cilindro.

 

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