Configuração do motor: reto, em forma de V, plano

No início do século XX, quando os avanços do design estavam em pleno andamento, o motor com capacidade de 10 litros podia ser monocilíndrico ou, por exemplo, oito em linha. Naquela época, ninguém ficou realmente surpreso com o motor de 23 litros de seis cilindros em linha ou o motor radial de sete cilindros de um avião instalado em um carro…

No entanto, o crescimento da capacidade de produção, o volume de negócios e uma luta feroz para reduzir o custo de produção colocaram tudo em seu devido lugar. O motor monocilíndrico mais simples tornou-se coisa do passado distante para as montadoras. A capacidade média do cilindro de um motor de carro convencional é agora de trezentos a seiscentos centímetros cúbicos. Desempenho por litro – de 35 cv/l para um diesel normalmente aspirado a 100 cv/l para um motor a gasolina de alta potência com aspiração natural. Esse é o ideal para motores produzidos em massa e simplesmente não é lucrativo ir além disso.

Hoje, o motor de 100 cv tem, na maioria dos casos, quatro cilindros, o de 200 cv – quatro, cinco ou seis cilindros, o de 300 cv – oito… Mas como esses cilindros podem ser dispostos? Em outras palavras, de acordo com qual esquema os fabricantes podem construir um motor multicilíndrico?

Simplicidade é pior do que compacidade

Qual é o problema que está em primeiro lugar na mente do designer? Primeiro, a questão de como simplificar o design do motor para que seja mais barato de produzir e mais fácil de manter. O motor reto é o mais simples. Para obter a capacidade necessária, os projetistas precisam organizar o número necessário de cilindros em uma fileira.

Motores de dois e três cilindros não são frequentemente encontrados em carros, embora a tendência dos motores de dois cilindros esteja ganhando força. Isso é facilitado por sistemas avançados de mistura e pelo uso de turboalimentação (como, por exemplo, na versão turbo de dois cilindros de 85 cv do hatchback Fiat 500). Mas o motor de quatro cilindros em linha caiu na maior faixa de capacidade dos carros de passageiros — de 1 a 2,4 litros.

Motores retos de cinco cilindros apareceram em carros de produção há relativamente pouco tempo — em meados dos anos 70. A primeira foi a Mercedes-Benz com seus motores a diesel de cinco cilindros – eles apareceram em 1974 (no modelo 300D com chassi W123). Dois anos depois, o motor Audi a gasolina de cinco cilindros e dois litros foi produzido. E no final dos anos 80, esses motores foram fabricados pela Volvo e pela FIAT.

Os motores de seis cilindros, que até recentemente eram tão populares na Europa, agora se tornaram uma espécie ameaçada de extinção em um piscar de olhos. E o motor de oito cilindros em linha está fora de questão — os fabricantes praticamente se despediram dele nos anos 30. Por quê?

A resposta é simples. O motor fica mais longo à medida que o número de cilindros aumenta, o que cria muitos inconvenientes no arranjo. Por exemplo, era possível colocar um motor de seis cilindros em linha no compartimento do motor de um carro com tração dianteira em alguns casos — apenas o inglês Austin Maxi 2200 de meados dos anos 60 (então, os projetistas tiveram que esconder a caixa de câmbio embaixo do motor) e o Volvo S80 com uma caixa de câmbio supercompacta vêm à mente.

Como um motor reto pode ser encurtado? Podemos “serrar” ao meio, colocar as duas metades uma ao lado da outra e fazê-las funcionar em um virabrequim. Esses motores, nos quais os cilindros são dispostos na forma da letra V, são duas vezes mais curtos que os retos – os mais comuns são os motores com um ângulo incluído de 60° e 90°. E um motor V com um ângulo incluído de 180°, no qual os cilindros estão dispostos um em frente ao outro, é chamado de motor plano (ou boxer – as designações B2, B4, B6 etc. vêm dessa palavra).

Esses motores são mais complexos do que os retos — por exemplo, eles têm duas cabeças de cilindro (cada uma com sua própria junta e coletores), mais eixos de comando e uma configuração de acionamento mais complexa. E os motores planos também ocupam muito espaço em largura. Portanto, eles são usados muito raramente por motivos de layout — os fabricantes de motores boxer podem ser contados nos dedos.

E como podemos tornar um motor V ainda mais compacto? Uma das soluções simples, à primeira vista, é definir o ângulo incluído do bloco em menos de 60°. Na verdade, esses motores foram encontrados, mas raramente – você pode se lembrar, por exemplo, do Lancia Fulvia dos anos 70 com motores V4, o ângulo incluído de seu bloco era de 23°. Por que nem todo fabricante o usou? O fato é que um projetista de motores sempre enfrenta outro problema: a vibração.

Força e torque

Em geral, um motor de combustão interna de pistão não pode operar sem vibrações – esse é o design. Mas é necessário combatê-los e não apenas melhorar o conforto dos passageiros. Vibrações fortes e desequilibradas podem causar a destruição das peças do motor — com todas as consequências que saem e caem delas… 

Por que as vibrações ocorrem? Primeiro, os flashes nos cilindros ocorrem de forma desigual em algumas configurações do motor. Os projetistas evitam esses esquemas, se possível, ou tentam tornar o volante mais massivo — isso ajuda a suavizar as ondulações de torque. Em segundo lugar, quando os pistões se movem para cima e para baixo, eles aceleram e depois diminuem a velocidade, o que causa a ocorrência de forças inerciais — semelhantes às que fazem os passageiros de um carro se curvar ao frear ou os empurram para o encosto dos bancos durante a aceleração. Terceiro, a biela do motor não se move para cima e para baixo, mas executa um movimento complexo. E o movimento recíproco do pistão do ponto morto superior para o inferior também não pode ser descrito como uma simples sinusóide.

Portanto, componentes com uma velocidade de rotação dobrada, triplicada ou quadruplicada do virabrequim aparecem entre as forças de inércia… Essas chamadas forças inerciais de ordem superior geralmente são negligenciadas — elas são muito pequenas em comparação com a força inercial principal (à qual foi atribuída a primeira ordem). A exceção são as forças inerciais de segunda ordem que devem ser consideradas. Além disso, pares de forças aplicadas a uma certa distância formam torques — isso acontece quando as forças inerciais nos cilindros vizinhos têm direções diferentes.

O que pode ser feito para equilibrar forças e torques? Primeiro, você pode escolher uma configuração de motor na qual os cilindros e os virabrequim estejam dispostos de forma que as forças e os torques se equilibrem mutuamente — eles sempre serão iguais e terão direções opostas.

Mas e se nenhum dos esquemas balanceados for adequado — por exemplo, por motivos de layout? Então, um projetista pode tentar posicionar os pinos do virabrequim de forma diferente e aplicar todos os tipos de contrapesos que criam forças e torques iguais em magnitude, mas na direção oposta às forças principais que estão sendo equilibradas. Às vezes, isso pode ser feito colocando contrapesos no virabrequim do motor. E às vezes – em eixos adicionais, chamados de eixos de contra-rotação de balanceamento. Eles são chamados assim porque giram em uma direção diferente da do virabrequim. Mas isso complica o motor e aumenta seu custo.

Existem apenas dois tipos de motores entre os mais comuns que são absolutamente balanceados: um de seis cilindros em linha e um de seis cilindros. Agora você entende por que a BMW e a Porsche mantêm esses motores com tanta força. E já mencionamos os motivos pelos quais outros os recusam. Agora vamos examinar mais de perto as outras configurações.

Motores balanceados e não tão balanceados

Entre os motores de dois cilindros, apenas um é usado nos carros de hoje — um motor reto de dois cilindros com um virabrequim no qual as manivelas têm uma direção (tal, por exemplo, foi instalado no Oka russo). Como você pode ver, esse motor é semelhante a um motor monocilíndrico em termos de equilíbrio, já que os dois pistões se movem para cima e para baixo simultaneamente, em fase. Para equilibrar as forças inerciais livres de primeira ordem, dois eixos com contrapesos foram usados no motor Oka à esquerda e à direita do virabrequim. Mas e as forças de segunda ordem? Para lidar com eles, os fabricantes teriam que adicionar mais dois eixos de equilíbrio, o que seria completamente inadequado em um motor de dois cilindros, originalmente projetado para carros pequenos e baratos.

No entanto, isso não é nada — muitos motores de dois cilindros foram produzidos sem nenhum eixo de equilíbrio. Por exemplo, esses foram instalados no pequeno Fiat 500 de 1957. Sim, houve vibrações, o fabricante tentou amortecê-las com a suspensão do motor… Mas o motor acabou sendo simples e barato! O baixo preço dos motores de dois cilindros atrai os desenvolvedores hoje: não foi à toa que esse esquema foi usado pelos criadores do carro mais acessível do planeta, o hatchback indiano Tata Nano.

Atualmente, um motor de dois cilindros, cujas manivelas têm direções diferentes (em um ângulo de 180°), só pode ser encontrado em motocicletas. É mais equilibrado, pois os pistões sempre se movem em antifase. No entanto, uma alternância uniforme de flashes nos cilindros só pode ser alcançada em motores de dois tempos — esses motores foram instalados em DKWs do pré-guerra e seus herdeiros diretos, os GDR Trabants de plástico. Devido à simplicidade e ao baixo custo, também não havia eixos de equilíbrio neles, e os motoristas simplesmente aguentavam as vibrações emergentes.

O único carro com motor V de dois cilindros é lembrado – o russo NAMI-1. E até hoje, esse tipo de motor sobreviveu apenas em motocicletas — lembre-se da Harley Davidson americana e seus seguidores japoneses com seus motores V-two em toda a sua glória cromada. Esse motor pode ser balanceado quase completamente com a ajuda de contrapesos no virabrequim, mas é impossível obter uma alternância uniforme de flashes. É bom que os motociclistas não prestem muita atenção às vibrações…

Um motor de três cilindros é balanceado pior do que um motor de quatro cilindros em linha e, portanto, fabricantes de motores de três cilindros, por exemplo, Subaru e Daihatsu, tentam equipá-los com eixos balanceadores. Na época, os projetistas de motores da Opel decidiram abandonar o eixo balanceador, desenvolvendo um motor de três cilindros da família Ecotec para o Corsa de segunda geração – a fim de reduzir os custos e as perdas mecânicas. E o Corsa de três cilindros foi criticado por jornalistas automotivos alemães após sua estreia em 1996: “É absolutamente impossível dirigir pela cidade em modos variáveis”.

A força inercial de segunda ordem permanece livre no motor mais popular entre os projetistas de motores, um motor de quatro cilindros em linha. Ele só pode ser balanceado por um eixo balanceador girando com o dobro da velocidade. (Você esqueceu — a força inercial de segunda ordem age com o dobro da frequência?) E para compensar o torque do eixo do balanceador, você terá que colocar outro girando na direção oposta. Caro? Certamente. No entanto, motores com eixos balanceadores podem ser encontrados na Mitsubishi, Saab, Ford, Fiat e em várias marcas da Volkswagen.

A propósito, um motor de quatro cilindros é melhor balanceado do que um motor reto — há apenas um torque proveniente das forças inerciais de segunda ordem, que tendem a girar o motor em torno do eixo vertical. No entanto, tanto o motor plano refrigerado a ar do lendário Beetle quanto os famosos motores boxer da Subaru dispunham e funcionam sem eixos balanceadores.

Straight Fives não estão se saindo muito bem com o equilíbrio. As forças de inércia são compensadas, mas o torque dessas forças… Durante a operação do motor, uma onda de torque de flexão constantemente “percorre” o bloco, então o bloco deve ser muito rígido. No entanto, tanto a Mercedes-Benz quanto a Audi e a Volvo lutam contra as vibrações modificando a suspensão da unidade de potência ou usando contrapesos especiais (como o 2.5 TFSI superalimentado no Audi TT RS). E somente os projetistas de motores da Fiat usaram um eixo balanceador, que equilibrou completamente todos os torques.

A propósito, quase todos os motores de cinco cilindros são formados pela adição de outro cilindro a um motor de quatro cilindros – como tijolos em um brinquedo de construção. Isso é feito para obter motores mais potentes com custos mínimos de produção e design. Ao mesmo tempo, todo o enchimento, incluindo pistões, bielas, válvulas, etc., pode ser retirado do motor de quatro cilindros. Você precisará de um bloco e cabeça de cilindro diferentes e, é claro, de um virabrequim, cujas manivelas devem ser dispostas em um ângulo de 72°.

Já mencionamos motores de seis cilindros, um sonho em termos de equilíbrio. Mas nos motores V6, que substituem os seis cilindros em linha, a situação com o equilíbrio é a mesma do de três cilindros, ou seja, não é muito boa. Portanto, por exemplo, o primeiro motor Mercedes-Benz V6 foi equipado com um eixo balanceador em uma veia — o merecido M112 com três válvulas por cilindro. O motor de três litros e seis cilindros da empresa PSA tinha um eixo em uma das cabeças do bloco. Os engenheiros tentaram não complicar o design de outros motores da época e tentaram reduzir o nível de vibração ao mínimo devido à suspensão aprimorada da unidade de potência e ao engenhoso arranjo de compensação dos pinos da manivela (como, por exemplo, no Audi V6).

Vamos acrescentar mais uma observação aqui: em motores V6 com um ângulo de 90° incluído, uma alternância uniforme de flashes nos cilindros não é fornecida. A não uniformidade resultante do curso pode ser compensada por um volante ponderado, mas apenas parcialmente. Aqui está outra fonte de vibrações para você…

Motores V8 com ângulo de 90° incluído e manivelas do virabrequim localizadas em dois planos perpendiculares entre si são muito bem balanceados. É possível garantir uma alternância uniforme de flashes em um motor desse tipo, que também funciona para um funcionamento suave. Dois torques permanecem desequilibrados, os quais podem ser completamente acalmados com a ajuda de dois contrabalanços no virabrequim — em redes de cilindros finais. Você entende por que os americanos sentiram a melhor coisa sobre os motores V antes dos outros? Eles realmente não gostam de vibrações e tremores em seus carros…

Finalmente, podemos falar sobre esquemas incomuns. Primeiro, vamos lembrar os motores V4. Havia poucos deles — o modelo europeu da Ford dos anos 60 (que foi instalado no Ford Taunus, no Capri e no Saab 96) e um “motor milagroso” de Zaporozhets. Um eixo de balanceamento foi envolvido aqui para o torque das forças inerciais de primeira ordem. No entanto, os projetistas dos carros mencionados acima escolheram esse esquema com base na compacidade e na economia parcial de custos, e não por um bom equilíbrio.

E quanto aos motores V-ten? O grau de equilíbrio desses motores é exatamente o mesmo dos motores R5. No entanto, os projetistas dos antigos motores de Fórmula 1 ou dos monstros Dodge Viper e Dodge RAM, onde os motores V10 estão instalados, não pensaram principalmente nas vibrações.

Bem, outros esquemas podem ser facilmente reduzidos aos anteriores. Por exemplo, o flat eight (um exemplo de aplicação são os carros de corrida Porsche 917) são dois motores de quatro cilindros trabalhando em um virabrequim. E os motores de doze cilindros planos e em forma de V podem ser reduzidos a dois motores de seis cilindros em linha.

VR6, VR5, W12

Você sabe, mencionamos motores em forma de V com um pequeno ângulo incluído do bloco — como no Lancias. Antes, esses esquemas eram evitados — é mais difícil equilibrá-los do que motores com um ângulo incluído de 60° ou 90°, e o ganho de compacidade não era muito valorizado na época…

Mas agora a situação mudou. Em primeiro lugar, os hidromontagens da unidade de potência que amortecem significativamente as vibrações são amplamente utilizados. Em segundo lugar, o espaço sob o capô agora vale seu peso em ouro. Afinal, quem poderia imaginar um hatchback modesto com um motor de 2,8 litros antes? E agora – aqui está! Tudo começou com a terceira geração do Volkswagen Golf VR6.

O famoso motor Volkswagen VR6, um motor “reto em forma de V” (é o que diz a designação VR), tornou-se um desenvolvimento adicional de motores em forma de V com um pequeno ângulo incluído do bloco. Os cilindros deste motor são separados por um ângulo ainda menor do que no Lancias — apenas em 15°. O ângulo é tão pequeno que esse motor também é chamado de “offset-straight”. Uma solução engenhosa — o 2.8 six é mais compacto do que um motor V6 convencional e ainda tem uma cabeça de bloco!

Então o motor VR5 apareceu — este é o VR6 do qual um cilindro foi “cortado”. Depois disso, os projetistas de motores da Volkswagen pareceram enlouquecer.

Eles criaram o motor supercompacto W12, que estreou em 1998 no carro-conceito W12 Roadster. São dois motores VR6 instalados em um ângulo de 72° em um virabrequim. Mas antes disso, o motor W8, instalado no modelo top do sedã Passat, entrou em produção. Existem também dois motores VR6, dos quais dois cilindros são “cortados” e que também são combinados em um bloco em um virabrequim. Uma vez em Wolfsburg, eles também pensaram em um motor de dezoito cilindros — mas, no final, pararam no W16 com quatro turbocompressores, o que acelera o Bugatti Veyron a 431 km/h.

Por que esses motores não existiam antes? Dê uma olhada, por exemplo, no virabrequim do motor W12 — um tecnólogo não imaginaria tal coisa, mesmo em seus piores pesadelos! Um computador deve ajudar os criadores de novos esquemas. É muito difícil prescindir da ajuda do poder de computação para calcular todas as opções para o ângulo incluído no bloco, a localização dos pinos da manivela, a ordem dos flashes nos cilindros e escolher o mais balanceado.

Teoria e prática

Como você pode ver, os projetistas não colocam o grau de equilíbrio em primeiro plano ao escolher um esquema de unidade de potência. O principal é encaixar com sucesso no compartimento do motor um motor que tenha a melhor relação de peso, tamanho e potência. Então, os motores estão sendo cada vez mais construídos com base em um princípio modular. Simplificando, qualquer motor pode ser construído em um grupo de pistão — tanto um de três cilindros quanto um W12. Depois da Volkswagen, mais e mais fabricantes estão migrando para designs modulares. A última linha de motores Mercedes é um excelente exemplo disso.

E vibrações… Primeiro, é necessário distinguir entre o equilíbrio teórico e real do motor. Se o virabrequim montado com o volante não estiver balanceado e os pistões com bielas tiverem um peso visivelmente diferente, até mesmo os seis em linha tremerão. No final, o equilíbrio real é sempre muito pior do que o teórico – por motivos de desvio das peças em relação às dimensões nominais e devido à deformação das unidades sob carga. Assim, as vibrações “saem” do motor para o exterior com qualquer esquema. Portanto, os engenheiros automotivos prestam muita atenção à suspensão da unidade de potência. Na verdade, o design e a localização dos suportes do motor não são fatores menos importantes do que o grau de equilíbrio do próprio motor…

Esta é uma tradução. Você pode ler o original aqui: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html