Como a Distribuição Variável de Válvulas Ajusta a Respiração do Motor?

O comando variável de válvulas (VVT) é o reajuste contínuo do momento de abertura e fechamento das válvulas de admissão e escape conforme a rotação e a carga do motor. Como um único comando fixo não consegue ser eficiente em toda a faixa de rotação, o VVT melhora ao mesmo tempo o desempenho, a economia de combustível e as emissões, preservando o torque em baixa rotação e a potência em alta rotação.

Por que um único comando não é suficiente?

Em um motor a pistão, as válvulas são abertas pelo comando de válvulas. O comando é acionado pelo virabrequim por meio de correia, corrente ou engrenagem, e cada lóbulo do seu perfil determina exatamente quando, por quanto tempo e quanto a válvula será levantada. O problema é o seguinte: esse perfil é uma peça de metal fixa, mas a necessidade do motor não é constante.

Em alta rotação, o motor exige uma quantidade muito grande de ar. Se a válvula de admissão fechar antes de o cilindro estar suficientemente cheio, perde-se desempenho. Inversamente, um perfil com longos tempos de abertura, como um comando de competição, é uma dor de cabeça em baixa rotação: se a válvula de admissão abrir enquanto a válvula de escape ainda está aberta (situação chamada de cruzamento de válvulas, ou overlap), a alta pressão do escape pode empurrar de volta a carga fresca de admissão e contaminar o coletor de admissão com gases residuais. Nas palavras do engenheiro David Vizard, isso significa que, na janela em que ambas as válvulas estão abertas, o combustível escapa junto com o escape.

Para compreender a escala, um número basta: a 3000 rotações por minuto, o comando de válvulas gira 25 vezes por segundo. Para que os eventos das válvulas funcionem, eles precisam ocorrer no momento certo em um ciclo tão rápido. É exatamente essa a função do VVT: a unidade de controle do motor desloca o comando de válvulas de forma independente em relação ao virabrequim, reajustando o tempo de cruzamento em todas as condições.

Como o comando variável de válvulas afeta a potência, o torque e o consumo de combustível?

A direção do deslocamento do comando determina o que você quer ganhar. Quando o comando é adiantado, as válvulas abrem e fecham antecipadamente; isso aumenta o torque em baixa rotação e a economia de combustível - à custa da potência em alta rotação. O atraso, por sua vez, estende a curva de potência em alta rotação. O sistema moderno equilibra continuamente esses dois extremos conforme a rotação.

O resultado é mensurável: com o VVT, normalmente se observa uma melhoria de 5-10% nos extremos das curvas de torque e potência, e em muitos motores o torque em baixa rotação pode aumentar de 5 a 15%. Isso significa um motor que, no uso diário, vai muito além de uma curva superior teórica: sobe de marcha mais cedo e exige menos pequenos toques no acelerador.

O ganho no lado do consumo de combustível

A verdadeira vitória silenciosa acontece em carga parcial - ou seja, na região onde o carro passa a maior parte do tempo. Fechar a válvula de admissão tardiamente (IVC tardia) reduz as perdas de bombeamento em até 40%, diminui as emissões de NOx em 24% e sacrifica apenas 1% do torque máximo. Fechar a válvula de admissão antecipadamente também reduz as perdas de bombeamento em 40% e melhora a economia de combustível em 7%; no entanto, pode aumentar as emissões de hidrocarbonetos ao reduzir significativamente a temperatura da câmara de combustão. Essa estratégia de fechamento antecipado é a ferramenta padrão dos motores Miller com sobrealimentação. Para um motor com injeção no coletor, a estratégia teoricamente ideal de temporização prevê uma melhoria na economia de combustível superior a 8%; em estudos focados em condições de carga parcial, foram relatadas melhorias de até 5%.

Degraus da Tecnologia: Do Comando de Fases ao Levantamento Variável

"VVT" não é uma única tecnologia, mas sim uma escada que se estende por diferentes níveis de controle. O degrau mais baixo é o comando de fases: o comando de válvulas é girado para frente ou para trás em relação à árvore de manivelas; as válvulas abrem mais cedo ou mais tarde, mas o levantamento e o tempo de abertura permanecem inalterados. Os primeiros sistemas eram escalonados - como tempos diferentes para abaixo e acima de 3500 rpm. O primeiro sistema contínuo (de ajuste infinito) foi o VarioCam do Porsche 968 em 1992; e ele funcionava apenas nas válvulas de admissão.

O segundo degrau é a transição entre dois perfis de came. O atuador salta, geralmente em um regime específico, do perfil de baixo levantamento para o de alto levantamento. O levantamento e a duração mudam, mas o ajuste é descontínuo. A primeira aplicação em produção foi o Honda VTEC : um pino é movido por pressão hidráulica e o balancim de alto levantamento se acopla ao balancim vizinho de baixo levantamento.

O terceiro degrau são os sistemas de came oscilante: BMW Valvetronic, Nissan VVEL e Toyota Valvematic ajustam o levantamento e a duração de forma contínua; porém o levantamento é proporcional à duração, os dois não podem ser definidos separadamente e esses sistemas atuam apenas no lado da admissão. Soluções mais exóticas também foram tentadas: podemos citar os sistemas de came de disco excêntrico que variam o levantamento independentemente da duração (o VVC da MG Rover) e o conceito de came cônico deslizante com perfis variáveis ao longo do eixo do comando - embora o último esteja associado à Ferrari, não se sabe que tenha sido usado em produção.

O zênite teórico são os sistemas sem comando de válvulas: acionar as válvulas diretamente com atuadores eletromagnéticos ou pneumáticos oferece total liberdade na temporização e no levantamento. A Koenigsegg anunciou que ofereceria isso com o Freevalve no Gemera; no entanto, a opção de três cilindros sem comando de válvulas foi cancelada antes da produção devido à baixa demanda, e o carro saiu à estrada com um V8. A produção economicamente viável ainda é o muro diante dessa ideia.

Temporização ou levantamento?

Aqui está onde a confusão de conceitos tem seu preço: o VVT normalmente visa o controle de emissões e da temporização, enquanto o levantamento variável de válvulas (VVL) visa a melhoria do desempenho de acordo com o regime e a carga. A Mercedes Camtronic este dupla funciona bem assim: o avanço variável de comando melhora o torque em baixas e médias rotações, enquanto a elevação variável mais a duração melhora a potência em altas rotações; o preço é uma estrutura um pouco mais complexa. Existem também sistemas VVL que usam dois perfis de comando diferentes no lado do escape.

VTEC, VVT-i, VANOS: Nomes Diferentes, Mesmo Princípio

Cada fabricante tem sua própria sigla, mas por baixo de todas está a mesma física. A diferença está em onde e como o controle é feito. VTEC troca o perfil de comando por volta de 6000 rpm - uma transição súbita e nítida. VVT-i avança continuamente o tempo da admissão sem nenhum salto. VANOS move tanto a admissão quanto o escape e funciona continuamente em toda a faixa de rotações; o VANOS simples é eficaz na faixa de aproximadamente 1200-4000 rpm, enquanto o VTEC normalmente entra em ação acima de 4500-5000 rpm. O i-VTEC moderno é, na verdade, a combinação da mecânica de elevação do VTEC com avanços de comando semelhantes ao VVT-i (VTC).

Papéis Diferentes em Motores Aspirados e Turbo

No motor aspirado, o ar entra no cilindro pela própria sucção; a eficiência depende inteiramente da precisão dos eventos das válvulas. Por isso, os motores aspirados modernos são praticamente sem exceção equipados com injeção direta e VVT. Eles precisam de uma cilindrada maior para alcançar potência, mas em troca oferecem um caráter mais simples, mais previsível e um consumo de combustível mais previsível.

No motor turbo, o papel do VVT muda um pouco: o turbo pode fornecer torque em baixas rotações semelhante a um aspirado de grande cilindrada; embora haja uma sensação de atraso, o carro pode parecer mais rápido. O VVT é justamente uma das evoluções que suaviza essa transição, alimentando o torque na faixa de baixas rotações antes de o turbo entrar em ação. O preço é mais calor, mais estresse, mais peças móveis e eletrônica. Nos motores de admissão forçada, o fechamento antecipado da válvula de admissão (ciclo Miller) também é a forma padrão de manter a carga comprimida sob controle.

Como o Motorista Sente Essa Tecnologia no Uso Diário?

O efeito mais perceptível é o aumento do torque em baixas rotações: quando a embreagem é solta, o motor gira com menos tremidez, a necessidade de reduzir marcha em subidas diminui e até a rotação máxima do motor pode ser elevada. A diferença de caráter também se sente: enquanto um motor equipado com VVT-i progride de forma linear e silenciosa, o VTEC clássico permanece calmo em baixas rotações e se torna visivelmente mais agressivo na transição de perfil. A escolha entre essas duas filosofias é uma discussão clássica dos fóruns; alguns motoristas acham cansativa a transição súbita do VTEC na cidade, mas a mudança de perfil de comando ainda é um dos momentos mais reconhecidos da cultura automotiva. Já os defensores da fase linear defendem o caráter constante e suave.

A perspectiva histórica explica bem essa maturidade. Sabe-se que a primeira patente de VVT foi requerida por Alanson Partridge Brush em 1903, concedida em 1904 e usada no Cadillac Runabout and Tonneau; a necessidade de admissão variável surgiu nos anos 1920, quando os limites de rotação máxima subiram, gerando as primeiras patentes. As patentes de Giovanni Torazza, do final dos anos 1960, para a Fiat, alteravam o pivô do seguidor de comando por meio de pressão hidráulica e constituíram o primeiro projeto funcional de VVT automotivo com levantamento variável, oferecendo tipicamente uma variação de abertura de 37%. Em 1980, a Alfa Romeo, com os modelos injetados do Spider 2000, tornou-se o primeiro fabricante a usar VVT em um carro de produção; em 1989, a Honda lançou o VTEC (primeiro motor B16A), que aumentava a potência máxima com um perfil de comando separado. A tecnologia depois se espalhou para as motocicletas (2007, Kawasaki 1400GTR) e, em 2010, para o primeiro diesel de passageiro do mundo com VVT, o Mitsubishi 4N13 1.8; inclusive, em 2007, a Caterpillar reduziu NOx nos motores de caminhão com VVT em vez de EGR, após as exigências da EPA.

Lado da manutenção: o sistema vive do óleo

Os sistemas VVT são controlados pela pressão do óleo; os variadores de fase de comando e os solenoides VVT estão no centro tanto da operação quanto do diagnóstico. Um nível baixo de óleo pode causar problemas na corrente de distribuição, no solenoide ou na transmissão de engrenagens; por isso, a verificação regular do nível de óleo e o cumprimento do plano de manutenção do fabricante são o passo mais prático para prevenir falhas do VVT. Quando o sistema não funciona corretamente, os primeiros sintomas geralmente são a deterioração do desempenho e da economia de combustível.

Conclusão: Desenhar o Caráter do Motor com um Mecanismo de Válvulas

VTEC, VANOS ou VVT-i, apesar dos nomes diferentes, a ideia subjacente é a mesma: ajustar o momento de abertura e fechamento das válvulas de acordo com o motor. Um perfil de comando fixo é perfeito em uma faixa de rotações, mas exige compromissos em outra; o VVT elimina essa compensação. Cada degrau dessa evolução, que vai da variação de fase do comando ao levantamento variável, é um refinamento um pouco maior do equilíbrio entre torque em baixas rotações e potência em altas rotações. Embora os sistemas sem comando de válvulas ainda não tenham superado a barreira de custo, a maioria dos motores nas estradas hoje funciona com os produtos maduros desse princípio centenário - e o motorista sente isso, sem perceber, em cada aceleração suave.

Fontes

• Variable valve timing
• Variable Valve Timing Explained - Car and Driver
• Variable Valve Timing Advantages - Hot Rod
• V-TEC Vs Vanos Vs VVT-i: How Do They All Work? - Car Throttle
• VTEC vs VVT-i - Diffen
• Mercedes Camtronic - Autozine Technical School
• VVL vs VVT differences - Motor Authority
• Fuel economy analysis of part-load variable camshaft timing - ScienceDirect
• What Is Variable Valve Timing - RepairPal
• Pondering Variable Valve Timing - Snap-on
• Variable Valve Timing Maintenance - Strut Daddy's