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Project Cars Project Cars #136

Project Cars #136: dando vida ao motor girador do Eclipse GS-T

Na conversa anterior, falei um pouco da minha experiência de compra com o Eclipse e acabei me distanciando um pouco do assunto da preperação. Neste tópico, porém, irei explorar ao máximo o assunto remanescente em relação ao cabeçote. Apontarei alguns conhecimentos que usei para determinar a direção do upgrade e para assegurar que a meta do motor “girador” se concretize.

Antes disso vamos revisar o que já foi dito até então:

  • O conjunto rotativo empregado no motor foi: virabrequim de curso standard (88 mm de curso) e forjado — com menor peso e maior resistência.
  • Bielas alongadas (150 mm para 156 mm) forjadas, objetivando melhorar a “r/l” do motor.
  • Pistões, HD (85,5mm) com maior taxa (8,5:1 para 9:1) e forjados.
  • Eliminação ou correção de alguns pontos propensos a falha.

A resistência do conjunto rotativo foi garantida, o passo seguinte será garantir que o motor possa “respirar o suficiente” para se adequar ao perfil “girador” almejado sem comprometer sua integridade:

 

Conceitos básicos

Irei exemplificar alguns dos conceitos importantes a serem conhecidos para ajuda-lo a escolher o melhor setup para o cabeçote do seu motor, eles com certeza irão fazer toda a diferença na sua escolha.

Diagrama polar: o que é e como funciona

VTD ou “Diagrama Polar” é uma ferramenta gráfica que descreve perfeitamente o comportamento das válvulas de um motor, seja ele de dois tempos ou quatro tempos.

Através dessa ferramenta é possível prever a melhor maneira de fazer o motor do seu carro ter um fluxo de ar mais eficiente, reduzindo assim as perdas energéticas e aumentando a potencia produzida pela usina.

Antes de mais nada, será muito mais fácil a compreensão quando todos tiverem assitido esse vídeo ilustrativo:

Agora, atente-se à diferença entre os círculos mestrados entre 0:43 e 1:35 do vídeo acima. Acredito que a essa altura muita gente está surpresa pelo fato de que as válvulas de admissão do motor se abriram ANTES do ponto morto superior (TDC) e se fecharam APÓS o ponto morto inferior (BDC). O mesmo vale para as válvulas de exaustão, que se abriram ANTES do BDC e se fecharam DEPOIS do TDC.

E agora? Complicou?

Então vamos por partes. As primeiras perguntas que qualquer um que vê esse assunto pela primeira vez fariam são as seguintes:

Porque, diabos, as válvulas de admissão abrem antes do ponto morto superior?

A primeira é algo facil de se compreender: o objetivo principal de abrir as válvulas de admissão ANTES do TDC é facilitar a expulsão dos gases da combustão remanescentes na câmara utilizando o fenomeno físico da convecção. Apesar de que todos possam concordar que o mesmo poderia ser feito com a válvula abrindo exatamente no TDC, os engenheiros automotivos perceberam (e graças a Deus eles estudaram horas e horas de cálculo III e IV na faculdade para isso) que se poderia “ganhar” tempo adcional de admissão de ar no motor se simplesmente as válvulas abrissem antes do TDC.

E porque, então, elas seguramente não irão se chocar com os pistões?

Para entendermos isso é preciso transformar o movimento descrito pelo pistão em uma curva senoide (distância x tempo). Ao fazer isso vocês irão reparar que a distância percorrida pelo pistão para os ângulos finais do giro do virabrequim são irrisórias em comparação com a distância percorrida quando o virabrequim desenvolve “ângulos médios”, assim é seguro dizer que a válvula não irà colidir com o pistão (até mesmo se forem flat) mesmo abrindo poucas dezenas de graus antes do TDC. Além disso as caracteristicas de construção do comando de válvulas também influenciam nisso (deixaremos isso para um pouco mais tarde).

Porque eu devo trabalhar com ângulos e não com tempo de abertura?

Provavelmente todos os gearheads já sabem que trabalhamos com o ângulo de abertura pois ele nos permite uma maior precisão no acerto de nossas máquinas. Um avanço de 15 graus na abertura de uma vávula irá significar um tempo igual para qualquer rotação que este motor estiver. Caso fossemos usar o tempo de abertura este tempo só funcionaria para uma dada rotação do motor, fora o fato de quando estamos falando de algo que gira a mais de 5.000 vezes por segundo, estariamos nos obrigando a sempre usar medidas infinitesimais de tempo.

Concluindo as fases de perguntas, alguns outros devem ter chegado a conclusão de que a realidade dos motores é diferente do modelo clássico apresentado nos livros didáticos, onde os quatro tempos do ciclo do motor eram lindamente “bem definidos” como partes iguais de dois giros do virabrequim, cada um deles com 180 graus.

Na verdade, não são. Cada motor possui uma duração para cada um desses tempos e essa duração é definidanada mais nada menos do que o “setup” de comando de vávulas presente no cabeçote do motor.

Portanto, para adentrarmos no universo da preparação de cabeçotes é necessário conhecermos as especificações técnicas fundamentais de um comando de válvulas.

 

Comando de válvulas: Leitura das especificações técnicas

Vamos usar como base o comando de vávulas empregado no meu carro:

Foto comandos

Destacado no retangulo vermelho estão as características que tem relação direta com o que foi dito acima, no conceito de diagrama polar, são elas:

IVO = 6BTDC, ou seja, a válvula de admissão abre 6 graus antes do ponto morto superior.

IVC = 40 ABDC, e fecha 40 graus depois do ponto morto superior.

EVO =  46 BBDC, já a válvula de exaustão abre 46 graus antes do ponto morto inferior…

EVC = 0 (TDC), e fecha exatamente no ponto morto superior.

Concluimos que o tempo em que a vávula de admissão permanesce aberta é de:

180+6+40=226 graus.

As válvulas de exaustão:

180+46=226 graus.

Representados pelos valores atribuidos a “intake e exaust” nesta descrição.

As demais medidas representam o “lift” total (nett) proporcionados pelo comando de valvulas bem como a posição de calagem para acerto deste comando.

E por falar em calagem….

Lembrados que o assunto das válvulas não se chocarem com os pistões foi deixado em aberto?

Pois é, outra coisa que garante isso é o ângulo de calagem do comando de vávula, é ele que irá definir o quão suave/violenta ocorre a abertura das válvulas, desta maneira mesmo com tempos de abertura identicos, um comando pode ser bastante diferente do outro, basta esse angulo de calagem ser diferente.

É desse ângulo que resultam as outras medidas de lift — o significado dessa medida, a esse ponto você já compreendeu.

 

Desafios ao motor girador

Foto 1

Agora que aprendemos algumas coisas sobre o comando de vávulas, vamosnos focar nos desafios enfrentados por um motor “girador”.

Flutuação de válvulas: 

Mais uma vez me proponho a recorrer a um video ilustrativo, ou dois:

O que é importante saber: A ocorrencia flutuação das válvulas esta diretamente ligado ao giro e carga do motor e às especificações das molas de válvulas.

O movimento ideal do conjunto valvula/mola se dá somente em uma direção e dois sentidos (vamos considerar como direção o eixo vertical), qualquer outro movimento, portanto, irá interferir no funcionamento correto do conjunto.

A flutuação de vávulas ocorre quando a mola que possui a função de retornar a valvula para sua posição original, se torna incapaz de absorver a pressão comprimindo-se e distendendo-se quando exigida pelo comando de vávulas. Inicia, portanto um movimento oscilatorio, ou seja a mola começa a vibrar e a se movimentar para onde não deve: Girar, se flexionar para os lados etc.

Essa vibração e rotação indesejada é transmitida para as valvulas e estas começam a sofrer desgastar por sobre-esforço até o ponto que o conjunto não resiste e causa uma avaria critica no motor.

Para contornar esse problema é preciso utilizar molas com resistência suficiente para resistir a altas pressões de trabalho, isso pode ser obtido pelo, material, design e redundancia do conjunto de molas. (E será visto adiante)

 

Cruzamento de válvulas, ou “overlap”:

Você sabe reconhecer o som produzido por um motor com comando “bravo”?

Mais atrás aprendemos sobre diagrama polar. E com base em observações percebemos que há um instante em que tanto a válvula de admissão quanto a válvula de exaustão permanecem abertas ao mesmo tempo. A esse fato damos o nome de “Cruzamento de Vávulas” ou overlap.

O overlap é ao mesmo tempo desejável e indesejável. Novamente estou eu aqui a dizer que nada na mecânica é 100% certeza, e tudo depende de alguns fatores que variam desde o setup utilizado no motor do carro até o gosto do motorista.

A razão principal para se ter “overlap” é a necessidade de se ajudar a remover os gases da exaustão de dentro da camara de combustão, muitas vezes ao mesmo tempo em que o ar fresco é admitido para uma nova queima. Mas não é apenas isso: Além disso o overlap contribui para o acréscimo da turbulência dentro da camara de combustão (que em motores a gasolina é desejável) e também o resfriamento das velas e outras estruturas adjacentes a camara de combustão.

O que você não quer no “overlap” por outro lado é que seu precioso “ar fresco” comprimido a duras penas pelo seu turbo e seu precioso combustível sejam jogados diretamente para fora de seu motor sem ser queimados como deveriam ser. Isso resulta em tanto disperdicio de dinheiro, quanto de performance.

Então qual é o acerto ideal? Depende do carro:

Para o meu carro, o ideal é ter um “overlap” pequeno, porém não mínimo ou nulo: E lhes digo o porque…

Primeiramente, trata-se de um carro turbo: Carros turbos possuem uma grande restrição após a exaustão do motor, que é a turbina. Torna-se dificil assim, conferir velocidade ao fluxo de ar imediatamente no trecho entre a exaustão do motor e turbina.

Se analizarmos o fato levando em consideração as leis da termodinâmica, uma mesma massa de ar, retida em um recinto confinado irá ter uma maior pressão o quão maior for sua temperatura.

As palhetas da carcaça de potencia da turbina (caixa quente) trabalham mais eficientemente sob maiores pressões e portanto chegamos a conclusão que a temperatura alta do ar, que era a VILÃ da historia no lado da admissão do motor, torna-se a mocinha no lado da exaustão.

Desta forma, um overlap muito grande além de ser incapaz de conferir velocidade ao fluxo de ar na exaustão ainda resfria o ar de escape e permite que parte do combustivel admitido seja jogado fora.

O segundo motivo não é instrinscico do carro turbo, mas tem haver com o motor 4G63T.

Para quem está lembrado trata-se de um motor de interferencia, permitindo pouquissimo acerto nas tolerancias de tempo de abertura das vávulas, assim é natural para este motor que todos os comandos possuem um baixo overlap em comparação com demais motores.

Calor!!!

Sim, o mesmo calor é tanto benefico, quanto maligno. Por isso não estamos errados quando nos referimos aos turbo como o “Caracol do capeta”

Não é preciso muito esforço para compreender que um motor “girador” gera mais calor do que um motor “não girador”, porém é preciso abstrair um pouco para notar que quanto mais rapido gira um motor, menos tempo (absolutamente falando) temos para injetar todo o combustível na camara de combustão. O resultado? Maior angulo de injeçao de combustivel (Sim, no diagrama polar novamente)

Isso gera um monte de complicações, dentre as quais, como evitar a pré ignição e qual material usar, tanto nas válvulas, tanto nas juntas, tanto nos coletores de escape.

 

Escolha das peças

Se você não dormiu ou saiu do post até aqui, em seguida vou enumerar as peças que fizeram parte do meu setup para o cabeçote do motor, daseado em tudo que foi dito acima.

Comandos de Vávulas: Kelford Raging 272/272 com 11 mm nett-lift, seis graus de “overlap”, 226 graus de duração do tempo de válvula tanto admissão quanto exaustão.

Molas das válvulas: Dentre minhas opções haviam três tipos:

Cilindrica: Molas classicas, admitem redundancia, proporcionando mais pressão de trabalho, mais baratas.

Molas comparação 1

 Molas Comparaçao 2

Colméia (Beehive): Seu desenho permite melhores desempenhos em altas rotaçòes, mesmo com pressões de trabalho inferiores as molas cilindricas.

Cônica: Design mais atual, superam as especificações das duas outras, porém são mais caras e raras de se encontrar para o 4G63, tanto que ná época que eu comprei a loja não trabalhava com este produto.

Molas Comparação 3

Portanto escolhi do tipo colmeia: Kiggly Racing Beehive, com 325lbs de pressão de trabalho. Pelo custo x beneficio

Válvulas e retentores: Optei por valvulas de maiores diametros com a finalidade de deixar com que mais ar fosse admitido por vez no motor. Além disso eu devita ter atençao especial para o calor na camara de combustâo.

Os itens escolhidos foram Valvulas Ferrea HPV, com +1mm de diametro e feitas de iconeel.

Os retentores/travas são Kiggly Racing de titânio.

Elementos de transmissão: Altos RPM requerem correias dentagas de melhor qualidade, portanto foram utilizadas correias GATES RACING KEVLAR, conhecidas por sua cor azul.

Elementos de manutenção e serviços: Entre os itens posso citar. Troca de todos os rolamentos do motor, do tensionador hidraulico, buchas de vávula ferrea,  juntas de cabeçote MLS originais da Mitsubishi Heavy Industries que resistem a maior calor e pressão, além dos prisioneiros de cabeçote ARP 615+ series, feitos para motores de arrancada.

Na parte dos serviços foi feta a retifica de cabeçote para deixa-los com a sede das valvulas nas dimenções corretas e o polimento adequado para receber a junta MLS.

E na parte estética, algumas guarniçoes cromadas para o motor: Tampa de velas, tampa da correia dentada, defletor e tampados fusíveis.

 

O que vem em seguida?

Agora que nosso motor está bem definido e pronto para girar bastante, me despeço por aqui! No próximo topico iremos falar sobre o sistema de indução forçada do carro, itens de alimentação e de exaustão. Até lá!

Por Leandro Amorim Correa, Project Cars #136

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