Deslocamento de pino de pistão


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O deslocamento do pino de pistão – também chamado de “offset” – é um recurso muito utilizado em projetos de pistão, mas nem sempre há o satisfatório entendimento sobre os efeitos desta prática.

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Esse deslocamento apareceu nos anos 50 quando em busca de aperfeiçoamento, alguns problemas começaram a serem solucionados, tais como o de vibração do pistão em funcionamento e melhorar a cinemática do conjunto. Descobriram que, para eliminar essa vibração e a conseqüente falha nos pistões, se um deslocamento fosse adicionado ao pino para esquerda (tomando como referencia a frente do motor), essa vibração seria anulada por forças na movimentação do conjunto. Em outras palavras, no momento de subida do pistão, o centro do pino na biela é posicionado atrás do centro de massa do pistão impedindo que o pistão oscile em torno do pino, fazendo-o subir levemente inclinado sem possibilidade de vibrar.

Um efeito característico deste deslocamento do pino é o chamado “piston slap”. Isso mesmo, um “tapa” que o pistão dá no cilindro no exato momento em que a biela atinge a posição vertical (90º) e está na iminência de mudar o sentido para a descida do pistão. Esse fenômeno causa ruído, pois cada vez que um pistão encosta no cilindro, ele gera um som e isso multiplicado por uma determinada rotação, cria um som contínuo. Porém é importante dizer que isto ocorre apenas nas partidas a frio, onde o sistema todo ainda não está com as folgas de trabalho.

Outro fator relevante é o fato que, utilizando este tipo de pistão, o conjunto biela e pistão atingem o PMS – ponto morto superior – antes do virabrequim. Você deve estar se perguntando: e daí? A vantagem é que o movimento fica mais “fácil” porque as mudanças de sentido do pistão sempre ocorrem com o conjunto biela/virabrequim em ângulo e nunca alinhados. Isto, em cinemática, permite que a biela facilite o movimento do virabrequim no momento em que pressões muito altas surgem na câmara de combustão. Entretanto, não há ganhos de potência ou torque na utilização desse método ou tipo de pistão.

pistão-com-pino-deslocado-para-esquerdapistão-com-pino-deslocado-para-direita

Uma variante no método de montagem com o pistão com pino deslocado é a utilização do deslocamento de pino de pistão para a direita (tomando como referência a frente do motor). Esse tipo de pistão é fabricado por marcas de pistões esportivos para que haja um melhor aproveitamento da queima e é utilizado por preparadores que buscam um ganho de torque e potência. Vejamos as razões.

Nesta configuração, quando o virabrequim atinge a posição de PMS, a biela ainda não atingiu a posição vertical (90º). Isso quer dizer que, no momento que o virabrequim começa a descer (3 a 5 graus), o pistão sobe um pouco mais porque a biela finalmente atinge o ângulo de 90°. Neste exato momento, está ocorrendo a queima da mistura de combustível e a maior força de todo o processo está sendo gerada. Como a biela está totalmente vertical, toda esta força é transmitida com muito menos perda do que se a biela estivesse inclinada, como ocorre sem o deslocamento do pino, porque a biela iria decompor as forças sobre ela.

decomposicao-de-forcas-pistão-e-biela

Matematicamente falando, podemos concluir que a força no corpo da biela que será passada para o virabrequim, será a máxima força exercida pelo pistão multiplicada pelo SENO do ângulo da biela. (Fbiela=Fpistão*SENO(ângulo)). Quanto mais você manter a biela na posição de 90º com a máxima pressão, maior será o ganho de torque e potência que o motor irá gerar.

É claro que esta configuração confere mais potência, mas exige mais do sistema e consequentemente das peças que o compõe, reduzindo sua durabilidade. Mas se você quer competir, vale o investimento.

Frederico Falcão Weissinger
Engenheiro Mecânico

O que é R/L do motor?


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A relação R/L é a divisão do raio do virabrequim pelo comprimento da biela. Essa relação é uma das mais sensíveis no funcionamento do motor. Uma biela maior e um pequeno raio de virabrequim resultam em um R/L menor e quanto menor esta relação, melhor. Quanto menor for a biela, maior será o percurso do centro de gravidade do conjunto biela-virabrequim dentro do motor. Isto reflete em forças maiores agindo contra o movimento de rotação. Em contrapartida, quanto menor for a circunferência que o centro de massa do conjunto percorrer, menos potência efetiva o motor gastará para mover o conjunto e, portanto, maior será a facilidade de obter rotação para aproveitar esta potência em benefício do desempenho do motor. Como podemos ver, o centro de massa “C” próximo do virabrequim (de uma biela menor) gera um raio maior do que o centro de massa mais distante do mesmo (utilizando uma biela maior).

R-L_virabrequim_biela_SPA1

Assim, fica evidente que uma biela maior é preferível se o objetivo é otimizar as relações de forças dentro do motor e melhorar o desempenho.

Pensando como projetistas de motores ou preparadores, é sempre preferível utilizar um conjunto formado por pistão, pino, biela e virabrequim com a mínima massa possível, pois este conjunto terá a menor inércia mássica, fundamental para obter potência. Há uma série de razões que podemos citar para que a biela seja prolongada. Uma delas, a mais sensível e importante, é que quanto maior for a biela, menor será o raio de atuação do centro de gravidade da massa do conjunto e consequentemente, menores serão as forças que agirão contra. Para melhor detalhar essas forças, chamadas de forças de segunda ordem, utilizaremos a equação a seguir:

Onde:

– F= Resultante de forças devido a somatória de massas alternativas;
– w= Rotação do motor em radianos por segundo;
– r= raio da manivela (Metade do curso);
– l= Comprimento da biela;
– θ= Ângulo do virabrequim;

As forças de segunda ordem são as forças que ocasionam o desbalanceamento e a vibração do motor. São elas que fazem com que o motor diminua seu rendimento devido ao desbalanceamento. Como é possível ver acima, as forças de segunda ordem são totalmente dependentes da relação de raio de manivela por comprimento de biela e de duas vezes o ângulo do virabrequim. Portanto, quanto menor for a relação de R/L, menores serão as forças que impedirão o ganho de torque e que diminuirão o rendimento do motor. Para isso é importante que se utilize uma biela o mais longa possível dentro do projeto.

Devemos ter em mente que quanto menor for à biela, maior será a ângulo que ela trabalha. Isso reflete em termos de força sobre o pistão, pois quanto maior o ângulo, maior será a componente de força que incidirá sobre a saia do pistão. Princípio básico de física de ação e reação, ou seja, quanto mais decompomos o ângulo, mais força no sentido da parede do cilindro será descarregada sobre o corpo do pistão e conseqüentemente, maior o atrito entre saia e cilindro.

Altas forças contra a parede do cilindro significam altas forças de arrasto do pistão. Isso reflete em perdas por atrito, elevação da temperatura do motor, desgaste prematuro do pistão e de anéis.

Há muitos meios de se contornar esses desgastes tais como filme de bissulfeto de molibdênio na saia do pistão, filme de Politetrafluoretileno (PTFE), deslocamento do pino de pistão (Pino fora da linha de centro de atuação do pistão), deslocar o cilindro da linha de centro do virabrequim, etc. Entretanto, qualquer mudança em projeto reflete em dificuldades, complexidades e altos custos. A alternativa de utilizar bielas longas é sempre mais viável sendo compatível com componentes já existentes.

Frederico Falcão Weissinger
Engenheiro Mecânico

Detonação: entenda o que é e como evitar


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Toc-toc-toc… Quem é?” Quem não conhece essa brincadeira? Mas cuidado! Se estivermos falando de motores a resposta pode ser “Seu motor quebrando!” Mas o que é? Como ocorre? O que ocasiona o “toc-toc-toc” (ou, se preferir, “tic-tic-tic”) também conhecido como detonação?

Martelo_detonacao_SPATurbo

Esse fenômeno acontece dentro do motor. A detonação ou a famosa batida de pino pode ser identificada com um ruído característico que é semelhante ao som de pinos de aço batendo um contra o outro pela perda momentânea de potência e torque em condições de carga parcial ou plena.

A detonação é a combustão que ocorre em pontos de alta pressão e temperatura após a ignição da centelha, em um momento diferente da frente de chama principal. Assim, uma nova frente de chama é criada com velocidade superior a combustão principal ignitada pela vela. Ao se encontrarem, criam uma onda de choque que gera o ruído conhecido como batida de pino.

Um motor de ciclo Otto sempre irá trabalhar com algumas detonações. Isso é comum e o que gera quebra ou falhas sensíveis são a intensidade e a amplitude de onda que a detonação ocasiona. Caso a detonação seja de intensidade muito forte, ou seja, for ocasionada antes do pistão atingir o ponto morto superior, a pressão será tão forte que criará forças sobre a cabeça do pistão impulsionando o virabrequim no sentido contrário de rotação do motor. Isto incide muito stress ou tensões sobre o conjunto móvel e que em regra geral, ocasiona falhas e quebras. Existe a possibilidade ainda de a válvula de admissão estar aberta ou na iminência do fechamento: a frente de chama sempre irá procurar o local de menor pressão para se deslocar e, neste caso, seria para dentro do coletor de admissão. Isso é muito ruim, pois ocasiona quebras no sistema de admissão que não está projetado para suportar combustão.

As causas de detonação são muito variadas. Podemos citar dentre eles: ponto de ignição excessivamente adiantado, relação de compressão alta ou taxa alta, combustível insuficiente, temperaturas internas elevadas, pressão de turbo alta, temperatura do ar de admissão elevada, combustível de baixa octanagem, pontos quentes dentro do cilindro e etc. Todas as causas citadas e algumas outras são possíveis ocorrer em qualquer motor, principalmente motores de competição, em que a pressão final de combustão buscada é sempre a máxima possível. Os pontos quentes dentro do cilindro que também podem ocasionar detonações podem ocorrer por causa de depósito de carbono que se formam por combustão incompleta, cantos “vivos” que ficam incandescentes após algumas combustões, eletrodos de velas de má qualidade, etc.

Aproveitar um combustível de baixo custo às vezes é tentador. Mas, na melhor das hipóteses, você estará levando um combustível com baixa octanagem.

A octanagem é definida como um í2011-07-15 20.38.27ndice de detonação de um determinado combustível comparado com a detonação de um combustível de referência formado por uma mistura de n-heptano (C7H16), como referência de octanagem zero (0) e o 2-2-4-trimetil pentano (iso-octano) como referência cem (100). Por exemplo, um combustível de octanagem 85 indica que esse produto tem a mesma tendência de detonar no motor padrão de testes sob as mesmas condições de uma mistura de combustível formada por 85% de iso-octano e 15% de n-heptano. Há combustíveis, tais como gasolina de competição usada na Formula 1 e o etanol que possuem número de octanagem acima de 100. O etanol, por exemplo, possui número igual a 110. Para determinar esses valores, são usados outros combustíveis de referência que atingem 120 de octanagem. Combustíveis de alta octanagem previnem detonações “fora-de-hora” e os combustíveis baratos e de baixa octanagem as facilita.

Outro fator que aume2011-07-15 20.38.59nta as chances de detonação é a alta taxa de compressão nos motores modernos. Com a disseminação dos veículos “FLEX” e o constante aumento da rigidez de regras internacionais para a redução de emissão de gases tóxicos, a saída encontrada pelos fabricantes de motores foi o aumento da relação de compressão ou taxa de compressão. Aumentando-se a taxa de compressão, é possível ter motores de menor volume, gerando a mesma potência que antigamente só poderia ser atingida por motores de volume maior. Um exemplo são os motores de 1,4 litros que hoje geram a mesma potência que um motor antigo de 1,8 litros. Os motores 2,0 litros hoje têm a potência de um 2,5 litros com um consumo de combustível bem inferior que antigamente e com emissões incrivelmente inferiores. Com o aumento da taxa de compressão, a emissão de gases como CO (monóxido de carbono) e hidrocarbonetos é reduzida drasticamente. É claro que em contrapartida a emissão de NOx é aumentada, porém a grande parte é quebrada no catalisador. Em outras palavras, o aumento da taxa de compressão é algo para se comemorar quando falamos de rendimento do motor e redução das emissões de gases, mas é preciso ter dispositivos e ajustes considerando o fato de que taxas de compressão altas aumentam a probabilidade de detonações.

No caso de motores turbo-alimentados a ocorrência deste fenômeno é ainda mais frequente. O turbo-compressor envia ao motor o ar muito mais denso mas, em contrapartida, também muito mais quente. O ar quente ao entrar no cilindro passa pelo processo de compressão e a sua temperatura que já estava alta se eleva ainda mais. Caso a temperatura de ignição do combustível seja atingida durante a compressão, certamente teremos uma detonação e danos ao motor.

Hoje, os motores já estão equipados com sensores de detonação calibrados para detectarem as freqüências exatas de detonação crítica. Atrasam o ângulo de ignição da centelha e reduzem a demanda de combustível diminuindo potência e torque poupando o motor de uma conseqüente quebra. Em outros casos a solução encontrada é o aumento da injeção de combustível visando a diminuição da temperatura do cilindro. Há também outra medida: a utilização de intercooler, para reduzir a temperatura do ar enviado pelo compressor; trabalhar com relação de ar/ combustível mais baixa (valores de sonda lambda baixo: 0,80 – 0,75 dependendo do preparador); utilização de combustível de alta octanagem ou série Premium, preferencialmente etanol por ter um poder antidetonante alto e ter grande coeficiente de transferência térmica, o que reduz a temperatura na câmara de combustão.

A detonação pode não quebrar o motor em uma única ocorrência, mas sempre causará algum dano. O dano mais comum é a retirada de material onde ocorre a onda de choque e, nos próximos ciclos, a detonação passará a ocorrer no mesmo local, causando assim a quebra da peça onde a detonação foi mais reincidente.
Nos veículos de competição, a vulnerabilidade a detonações é maior por conta da proximidade aos limites do motor. As medidas a serem tomadas ficam por conta do preparador: todas as variáveis na calibração devem ser equilibradas para que o máximo seja atingido sem problemas. Mas, ainda assim, os mais experientes preparadores se surpreendem. Ócios do ofício.

Um forte aliado para a prevenção das detonações são equipamentos de detecção de detonação, como o “Knock Sensor” que literalmente “escuta” até as mais fracas detonações o que torna possível prever detonações mais graves (veja o video abaixo).

A ferramenta mais utilizada até pouco tempo, na verdade, não era exatamente uma ferramenta de detecção de detonações: são os condicionadores de sonda de banda larga que informam a quantidade de oxigênio no escape e, portanto, a proporção de ar/combustível no momento da combustão. Com essa informação é possível supor – apenas supor – a probabilidade de uma detonação.

Frederico Falcão Weissinger
Engenharia SPA Turbo