Como funcionam os eixos de comando

A árvore de cames (clique na imagem para ver a animação). Veja fotos de motores de automóveis.

Se você leu o artigo Como funcionam os motores de automóveis, sabe sobre as válvulas que permitem que a mistura ar / combustível entre no motor e a exaustão do motor. A árvore de cames usa lóbulos (chamados cams) que pressionam as válvulas para abri-las à medida que a árvore de cames gira; as molas das válvulas retornam-nas à posição fechada. Este é um trabalho crítico e pode ter um grande impacto no desempenho do motor em diferentes velocidades. Na próxima página deste artigo você pode ver a animação que construímos para realmente mostrar a diferença entre um eixo de comando de desempenho e um padrão.

Neste artigo, você aprenderá como o eixo de comando de válvulas afeta o desempenho do motor. Temos ótimas animações que mostram como diferentes layouts de mecanismo, como única câmera aérea (SOHC) e câmera aérea dupla (DOHC), realmente funciona. E então veremos algumas das maneiras simples como alguns carros ajustam o eixo de comando para que ele possa lidar com diferentes velocidades do motor com mais eficiência.

Vamos começar com o básico.

Noções básicas da árvore de cames

As peças-chave de qualquer eixo de comando são o lóbulos. À medida que a árvore de cames gira, os lóbulos abrem e fecham as válvulas de admissão e escape em sincronia com o movimento do pistão. Acontece que existe uma relação direta entre a forma dos lóbulos do came e a forma como o motor funciona em diferentes faixas de velocidade.

Para entender por que esse é o caso, imagine que estamos operando um motor extremamente lento - a apenas 10 ou 20 rotações por minuto (RPM) - de modo que o pistão leva alguns segundos para completar um ciclo. Seria impossível operar um motor normal tão devagar, mas vamos imaginar que poderíamos. A esta velocidade lenta, gostaríamos de lóbulos de cam formados para que:

• Assim que o pistão começa a se mover para baixo no curso de admissão (chamado ponto morto superior, ou TDC), a válvula de admissão abriria. A válvula de admissão fecharia exatamente quando o pistão atinge o fundo para fora.
• A válvula de escape abriria quando o pistão atingir o fundo (chamado de ponto morto inferior, ou BDC) no final do curso de combustão, e fecharia quando o pistão completar o curso de exaustão.

Esta configuração funcionaria muito bem para o motor, desde que funcionasse a esta velocidade muito lenta. Mas o que acontece se você aumentar o RPM? Vamos descobrir.

Quando você aumenta o RPM, a configuração de 10 a 20 RPM para o eixo de comando não funciona bem. Se o motor estiver funcionando a 4.000 RPM, as válvulas abrem e fecham 2.000 vezes a cada minuto, ou 33 vezes a cada segundo. Nessas velocidades, o pistão está se movendo muito rapidamente, então a mistura de ar / combustível que entra no cilindro está se movendo muito rapidamente também.

Quando a válvula de admissão abre e o pistão inicia seu curso de admissão, a mistura de ar / combustível no duto de admissão começa a acelerar para dentro do cilindro. No momento em que o pistão atinge o final de seu curso de admissão, o ar / combustível está se movendo a uma velocidade bastante alta. Se fôssemos fechar a válvula de admissão, todo o ar / combustível pararia e não entraria no cilindro. Ao deixar a válvula de admissão aberta um pouco mais, o impulso do ar / combustível em movimento rápido continua a forçar o ar / combustível para dentro do cilindro quando o pistão inicia seu curso de compressão. Portanto, quanto mais rápido o motor anda, mais rápido o ar / combustível se move e mais tempo queremos que a válvula de admissão permaneça aberta. Também queremos que a válvula se abra mais amplamente em velocidades mais altas - este parâmetro, chamado levantamento de válvula, é governado pelo perfil do lóbulo da câmera.

A animação abaixo mostra como um cam regular e um câmera de desempenho têm tempo de válvula diferente. Observe que os ciclos de exaustão (círculo vermelho) e admissão (círculo azul) se sobrepõem muito mais na câmera de desempenho. Por causa disso, os carros com este tipo de came tendem a funcionar de maneira muito irregular em marcha lenta.

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Dois perfis de câmeras diferentes: Clique no botão abaixo do botão de reprodução para alternar entre as câmeras. Os círculos mostram quanto tempo as válvulas permanecem abertas, azul para entrada, vermelho para exaustão. A sobreposição da válvula (quando as válvulas de admissão e exaustão estão abertas ao mesmo tempo) é destacada no início de cada animação.

Qualquer eixo de comando será perfeito apenas em uma rotação do motor. A cada rotação do motor, o motor não funcionará com todo o seu potencial. UMA árvore de cames fixa é, portanto, sempre um compromisso. É por isso que os fabricantes de automóveis desenvolveram esquemas para variar o perfil do came conforme a velocidade do motor muda.

Existem vários arranjos diferentes de árvores de cames nos motores. Falaremos sobre alguns dos mais comuns. Você provavelmente já ouviu a terminologia:

• Câmera aérea única (SOHC)
• Câmera aérea dupla (DOHC)
• Pushrod

Na próxima seção, veremos cada uma dessas configurações.

Danos causados ​​por um pistão atingindo uma válvula

Câmera suspensa única

Este arranjo denota um motor com uma câmera por cabeça. Portanto, se for um motor de 4 cilindros em linha ou de 6 cilindros em linha, ele terá um came; se for um V-6 ou V-8, terá dois cames (um para cada cabeçote).

O came atua balancins que pressionam as válvulas, abrindo-as. Springs retorne as válvulas à sua posição fechada. Essas molas precisam ser muito fortes porque, em altas rotações do motor, as válvulas são empurradas para baixo muito rapidamente e são as molas que mantêm as válvulas em contato com os balancins. Se as molas não fossem fortes o suficiente, as válvulas poderiam se soltar dos balancins e estalar de volta. Esta é uma situação indesejável que resultaria em desgaste extra nos cames e balancins.

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Uma única câmera aérea

Em motores de cames simples e duplos, os cames são acionados pelo virabrequim, por meio de uma correia ou corrente chamada de correia dentada ou Cadeia de temporização. Essas correias e correntes precisam ser substituídas ou ajustadas em intervalos regulares. Se uma correia dentada quebrar, o came irá parar de girar e o pistão pode atingir as válvulas abertas.

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

Câmera aérea dupla

Um motor de came duplo no cabeçote tem duas câmeras por cabeça. Portanto, os motores em linha têm dois cames e os motores V têm quatro. Normalmente, cames duplos no cabeçote são usados ​​em motores com quatro ou mais válvulas por cilindro - um único eixo de cames simplesmente não pode caber lóbulos de came suficientes para acionar todas essas válvulas.

A principal razão para usar cames duplos no cabeçote é permitir mais válvulas de admissão e escape. Mais válvulas significam que os gases de admissão e exaustão podem fluir mais livremente porque há mais aberturas para eles passarem. Isso aumenta a potência do motor.

A configuração final que abordaremos neste artigo é o mecanismo pushrod.

Um motor pushrod

Motores Pushrod

Como os motores SOHC e DOHC, as válvulas em um motor pushrod estão localizadas no cabeçote, acima do cilindro. A principal diferença é que o eixo de comando em um motor pushrod está dentro do bloco do motor, ao invés de na cabeça.

O came aciona longas hastes que sobem pelo bloco e entram na cabeça para mover os balancins. Essas hastes longas adicionam massa ao sistema, o que aumenta a carga nas molas das válvulas. Isso pode limitar a velocidade dos motores pushrod; o eixo de comando de válvulas no cabeçote, que elimina a haste do sistema, é uma das tecnologias de motor que possibilitou velocidades mais altas do motor.

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Um motor pushrod

A árvore de cames em um motor pushrod é freqüentemente acionada por engrenagens ou uma corrente curta. As engrenagens são geralmente menos propensas a quebrar do que as correias, que costumam ser encontradas em motores de came suspensos.

Uma grande novidade no projeto de sistemas de eixo de comando é variar o tempo de cada válvula. Veremos o tempo da válvula na próxima seção.

O sistema de came variável usado em algumas Ferraris

-Existem algumas maneiras novas pelas quais os fabricantes de automóveis variam o tempo das válvulas. Um sistema usado em alguns motores Honda é chamado VTEC.

VTEC (Variable Valve Timing and Lift Electronic Control) é um sistema eletrônico e mecânico em alguns motores Honda que permite que o motor tenha múltiplos eixos de comando. Os motores VTEC têm um câmera de admissão extra com seu próprio rocker, que segue esta cam. O perfil neste came mantém a válvula de admissão aberta por mais tempo do que o outro perfil de came. Em baixas rotações do motor, este rocker não está conectado a nenhuma válvula. Em altas velocidades do motor, um pistão bloqueia o balancim extra para os dois balancins que controlam as duas válvulas de admissão.

Alguns carros usam um dispositivo que pode avançar o tempo da válvula. Isso não mantém as válvulas abertas por mais tempo; em vez disso, ele os abre mais tarde e os fecha mais tarde. Isso é feito girando a árvore de cames alguns graus para a frente. Se as válvulas de admissão normalmente abrem a 10 graus antes do ponto morto superior (TDC) e fecham a 190 graus após o TDC, a duração total é de 200 graus. Os tempos de abertura e fechamento podem ser alterados por meio de um mecanismo que gira o came um pouco à frente enquanto ele gira. Portanto, a válvula pode abrir a 10 graus após o TDC e fechar a 210 graus após o TDC. Fechar a válvula 20 graus depois é bom, mas seria melhor ser capaz de aumentar o tempo de abertura da válvula de admissão.

Ferrari tem uma maneira muito legal de fazer isso. Os eixos de comando de alguns motores da Ferrari são cortados com um perfil tridimensional que varia ao longo do comprimento do lóbulo do came. Em uma extremidade do lóbulo de came está o perfil de came menos agressivo e na outra extremidade está o mais agressivo. A forma do came combina suavemente esses dois perfis. Um mecanismo pode deslizar todo o eixo de comando lateralmente, de modo que a válvula engate em diferentes partes do comando. O eixo ainda gira como uma árvore de cames normal - mas deslizando gradualmente a árvore de cames lateralmente conforme a velocidade do motor e a carga aumentam, a sincronização da válvula pode ser otimizada.

Vários fabricantes de motores estão experimentando sistemas que permitiriam uma variabilidade infinita na sincronização das válvulas. Por exemplo, imagine que cada válvula tivesse um solenóide que pudesse abrir e fechar a válvula usando o controle do computador em vez de depender de um eixo de comando. Com este tipo de sistema, você obteria desempenho máximo do motor a cada RPM. Algo para esperar no futuro ...

Para obter mais informações sobre eixos de comando, tempo de válvula e tópicos relacionados, verifique os links na próxima página.

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