Configurações de Motores Explicadas: Motores em Linha, em V e Planos

No início do século XX, quando a engenharia automóvel avançava a grande velocidade, um motor de 10 litros podia ser tanto um monociłindro como, por exemplo, um motor em linha de oito cilindros. Nessa época, ninguém levantava as sobrancelhas perante um motor em linha de seis cilindros e 23 litros ou um motor radial aeronáutico de sete cilindros transplantado para um automóvel.

À medida que a produção em massa se expandiu e as pressões de custo se intensificaram, tudo se normalizou. O motor monocilíndrico tornou-se uma relíquia do passado. Hoje, a cilindrada média por cilindro num motor convencional situa-se entre os 300 e os 600 centímetros cúbicos, com uma potência específica que vai desde cerca de 35 cv/l num motor diesel de aspiração natural até 100 cv/l num motor a gasolina de alto desempenho. Estes são os valores ideais para a produção em massa — afastar-se deles simplesmente não é economicamente viável.

Então, como é o panorama moderno dos motores? Em termos gerais:

• Um motor de 100 cv tem tipicamente quatro cilindros
• Um motor de 200 cv funciona habitualmente com quatro, cinco ou seis cilindros
• Um motor de 300 cv utiliza frequentemente oito cilindros

Mas como podem esses cilindros ser dispostos? Que opções de configuração têm os engenheiros ao conceber um motor de vários cilindros? Vamos analisar.

Motores em Linha: Simples mas Cada Vez Mais Impraticáveis

A principal preocupação de qualquer projetista de motores é como simplificar o design — mantendo os custos de produção baixos e a manutenção simples. Nesse aspeto, o motor em linha vence claramente. Os cilindros estão dispostos numa única fila, e aumentar a cilindrada é tão simples como acrescentar mais cilindros.

Eis como as variantes dos motores em linha se distribuem na prática:

• Os motores de dois e três cilindros são relativamente raros nos automóveis, embora o formato de dois cilindros esteja a regressar graças à injeção de combustível avançada e à sobrealimentação — o bicilíndrico turbinado de 85 cv do Fiat 500 é um exemplo paradigmático.
• O motor em linha de quatro cilindros é o motor de trabalho do mundo dos automóveis de passageiros, abrangendo cilindradas de 1,0 a 2,4 litros.
• Os motores em linha de cinco cilindros são um desenvolvimento mais recente. A Mercedes-Benz foi pioneira no motor diesel de cinco cilindros em linha em 1974 (o 300D na plataforma W123), seguida pela Audi com o seu motor a gasolina de cinco cilindros e dois litros dois anos depois, e pela Volvo e Fiat a juntarem-se no final da década de 1980.
• Os motores em linha de seis cilindros, durante muito tempo favoritos na Europa pela sua suavidade, tornaram-se cada vez mais raros. O seu irmão ainda mais comprido, o motor em linha de oito cilindros, foi praticamente abandonado ainda na década de 1930.

A razão para esta tendência é simples: quanto mais cilindros se acrescentam, mais comprido fica o motor — e isso cria sérios problemas de instalação. Montar um motor em linha de seis cilindros transversalmente no compartimento de motor de tração dianteira, por exemplo, só foi conseguido num punhado de casos: o Austin Maxi 2200 (que exigiu que a caixa de velocidades fosse colocada por baixo do motor) e o Volvo S80 com a sua caixa de velocidades ultracompacta.

Motores em V e Planos: Compactos mas Complexos

Então, como se encurta um motor em linha? A solução elegante: dividir ao meio, colocar as duas metades lado a lado e acionar um único virabrequim com ambas. É essa a essência do motor em V.

As configurações de motores em V mais comuns utilizam um ângulo de abertura de 60° ou 90° entre os blocos de cilindros. Aumentar esse ângulo até 180° — com os cilindros apontando diretamente em sentidos opostos — resulta num motor plano, também conhecido como motor boxer (daí as designações B2, B4, B6).

As contrapartidas em relação a um motor em linha são significativas:

• Duas cabeças de cilindros — cada uma com a sua junta e coletores
• Mais árvores de cames e uma distribuição de válvulas mais complexa
• Maior largura (especialmente nos motores planos), o que limita os locais onde podem ser instalados
• Custo de fabrico mais elevado e manutenção mais complexa

Devido a estas desvantagens, os motores planos são utilizados apenas por um pequeno número de fabricantes — sendo a Porsche e a Subaru os mais notáveis atualmente.

E tornar um motor em V ainda mais compacto reduzindo o ângulo de abertura abaixo dos 60°? Já foi feito — o Lancia Fulvia da década de 1970 montava um motor V4 com um ângulo de apenas 23°. Mas há um senão: quanto mais estreito for o ângulo, mais difícil é equilibrar o motor. O que nos leva a um dos desafios mais críticos no design de motores.

Vibração do Motor: Forças, Binários e Como Controlá-los

Nenhum motor de combustão interna de êmbolo está completamente livre de vibrações — é algo inerente ao design. Mas controlar a vibração é fundamental, não só para o conforto dos passageiros. Vibrações graves e desequilibradas podem destruir fisicamente componentes do motor, com todas as consequências catastróficas que advêm de peças a soltar-se a alta velocidade.

De onde vem a vibração do motor? Existem três fontes principais:

• Intervalos de explosão irregulares — em algumas configurações de motores, as explosões não ocorrem em intervalos perfeitamente iguais, criando oscilações no binário. Um volante de inércia mais pesado pode ajudar a suavizar este efeito.
• Forças de inércia dos êmbolos — à medida que os êmbolos aceleram para cima e desaceleram no ponto morto superior (e vice-versa no ponto morto inferior), geram forças de inércia semelhantes ao que se sente quando um carro trava ou acelera.
• Geometria da biela — a biela não percorre uma trajetória em linha reta, e o movimento do êmbolo não é um sinusoide perfeito, o que introduz componentes de força adicionais em múltiplos da velocidade do virabrequim.

Estas forças de inércia de ordem superior são geralmente negligenciáveis — exceto as forças de segunda ordem, que atuam ao dobro da frequência do virabrequim e devem ser sempre consideradas. Quando as forças de inércia em cilindros adjacentes atuam em sentidos opostos a uma distância fixa entre si, geram também binários de torsão, acrescentando mais uma camada de complexidade.

Os engenheiros dispõem de dois principais meios para combater estas forças:

• Escolher uma configuração intrinsecamente equilibrada — dispor os cilindros e as manivelas do virabrequim de modo a que as forças e os binários se anulem naturalmente.
• Adicionar árvores de equilíbrio — árvores secundárias com contrapesos que rodam em sentido contrário ao virabrequim, gerando forças iguais e opostas. Acrescentam custo e complexidade mecânica, mas podem neutralizar completamente os modos de vibração problemáticos.

De todas as configurações de motores comuns, apenas duas são teoricamente perfeitamente equilibradas: o motor em linha de seis cilindros e o motor plano de seis cilindros. É precisamente por isso que a BMW e a Porsche mantiveram estas configurações com tanta determinação — e por que outros fabricantes relutaram em abandoná-las apesar dos desafios de instalação.

Equilíbrio do Motor por Configuração: Um Guia Prático

Vejamos como cada configuração principal de motor se comporta na prática no que respeita a vibração e equilíbrio.

Os motores em linha de dois cilindros (manivelas na mesma direção) comportam-se de forma semelhante a um monocilíndrico em termos de equilíbrio — ambos os êmbolos sobem e descem em fase. O russo Oka utilizava duas árvores de equilíbrio com rotação contrária para lidar com as forças de inércia de primeira ordem, mas as de segunda ordem ficavam por tratar. Adicionar mais duas árvores de equilíbrio teria sido completamente impraticável num automóvel tão pequeno e económico. Muitos motores de dois cilindros — como o original Fiat 500 de 1957 e o indiano Tata Nano — simplesmente funcionavam sem árvores de equilíbrio, recorrendo a apoios de motor flexíveis para absorver as vibrações. Barato, simples e aceitável para aplicações de baixo custo.

Os motores de dois cilindros com manivelas a 180° (êmbolos em contrafase) oferecem um melhor equilíbrio primário, mas só conseguem intervalos de explosão regulares em versões de dois tempos — como as utilizadas nos DKW do pré-guerra e nos seus descendentes, o Trabant da Alemanha Oriental.

Os motores V-twin sobrevivem hoje quase exclusivamente nas motociclas — a Harley-Davidson e os seus imitadores japoneses sendo os exemplos mais óbvios. O NAMI-1 é praticamente o único automóvel a ter utilizado esta configuração. Os contrapesos no virabrequim podem aproximá-lo de um equilíbrio total, mas intervalos de explosão regulares permanecem fora do alcance.

Os motores de três cilindros estão pior equilibrados do que um motor em linha de quatro. Fabricantes como a Subaru e a Daihatsu montam árvores de equilíbrio de série; a decisão da Opel de prescindir de uma no motor Ecotec de três cilindros para a segunda geração do Corsa reduziu custos, mas valeu ao automóvel uma reputação de funcionamento pouco refinado na imprensa automóvel alemã após a sua estreia em 1996 — foi descrito como “absolutamente impossível de conduzir na cidade em modos variáveis.”

Os motores em linha de quatro cilindros — a configuração mais comum no mundo — possuem uma força de inércia livre de segunda ordem que só pode ser neutralizada por uma árvore de equilíbrio a girar ao dobro da velocidade do virabrequim. Para anular o binário resultante, é necessária uma segunda árvore com rotação contrária. Caro, certamente — mas a Mitsubishi, a Saab, a Ford, a Fiat e marcas do Grupo Volkswagen utilizaram esta solução quando o refinamento assim o exigiu.

Os motores planos de quatro cilindros apresentam um desempenho ligeiramente melhor do que os seus homólogos em linha — resta apenas um binário de torsão de segunda ordem, com tendência para causar guiagem do motor em torno do seu eixo vertical. Ainda assim, tanto o motor do Beetle arrefecido a ar como os motores boxer da Subaru funcionaram sem árvores de equilíbrio durante décadas.

Os motores em linha de cinco cilindros têm forças de inércia primárias compensadas, mas sofrem de um binário de flexão rolante que percorre constantemente o bloco — exigindo uma estrutura excecionalmente rígida. A Mercedes-Benz, a Audi e a Volvo resolveram este problema através de apoios de motor refinados e contrapesos (como o 2.5 TFSI sobrealimentado do Audi TT RS), enquanto os engenheiros da Fiat foram mais longe e utilizaram uma árvore de equilíbrio completa.

Uma nota curiosa: quase todos os motores de cinco cilindros são essencialmente motores de quatro cilindros com um cilindro adicional. Esta abordagem modular permite partilhar êmbolos, bielas e componentes da distribuição — sendo apenas necessário alterar o bloco, a cabeça e o virabrequim (com manivelas a intervalos de 72°).

Os motores V6 que substituíram os motores em linha de seis cilindros partilham as mesmas características de equilíbrio de um motor de três cilindros — o que não é ideal. O primeiro motor V6 da Mercedes-Benz (o M112, com três válvulas por cilindro) resolveu este problema com uma árvore de equilíbrio montada na galeria entre os blocos. O motor de seis cilindros e três litros do Grupo PSA colocou-a numa cabeça de cilindros. Outros fabricantes optaram por um desfasamento cuidadoso dos pinos de manivela — como no V6 da Audi — para minimizar as vibrações sem a complexidade adicional. Os motores V6 com um ângulo de abertura de 90° acrescentam outro problema: intervalos de explosão intrinsecamente irregulares que um volante de inércia mais pesado apenas consegue atenuar parcialmente.

Os motores V8 com ângulo de abertura de 90° e manivelas do virabrequim em dois planos mutuamente perpendiculares estão muito bem equilibrados. Os intervalos de explosão regulares são alcançáveis, e apenas dois binários de torsão residuais permanecem — facilmente resolvidos por contrapesos nos mancais extremos do virabrequim. Este é um dos principais motivos pelos quais os engenheiros norte-americanos abraçaram o V8 com tanto entusiasmo: simplesmente não toleram vibrações.

Os motores V4 eram raros e estão hoje praticamente extintos nos automóveis. O Ford V4 europeu (utilizado no Taunus, Capri e Saab 96) e o peculiar V4 do Zaporozhets requeriam ambos uma árvore de equilíbrio para os binários de torsão de primeira ordem. A compacidade e o custo eram os fatores determinantes — o equilíbrio era secundário.

Os motores V10 partilham as mesmas características de equilíbrio de um motor em linha de cinco cilindros. Tal não impediu os projectistas dos motores de Fórmula 1, do Dodge Viper ou do Dodge RAM de os utilizarem — quando se precisa de potência, gere-se a vibração.

Quanto às configurações mais exóticas: o motor plano de oito cilindros (como o utilizado nos carros de corrida Porsche 917) é efetivamente dois motores planos de quatro cilindros num virabrequim comum, enquanto os motores V12 e os motores planos de doze cilindros se reduzem a dois motores em linha de seis — o que explica a sua suavidade excecional.

VR6, VR5 e Motores W: A Solução Genial da Volkswagen para o Espaço

Referimos anteriormente os motores em V de ângulo estreito, como o do Lancia Fulvia. Durante décadas, estes foram evitados — mais difíceis de equilibrar do que as configurações de 60° ou 90°, com ganhos de compacidade que não pareciam compensar o esforço. Depois, as prioridades mudaram.

Dois desenvolvimentos alteraram o panorama:

• Os apoios de motor hidráulicos tornaram-se amplamente disponíveis, suprimindo drasticamente a transmissão de vibrações independentemente do equilíbrio teórico do motor.
• O espaço no compartimento do motor tornou-se cada vez mais escasso, tornando a compacidade uma característica valiosa. Quem imaginaria um simples automóvel de cinco portas a esconder um motor de seis cilindros e 2,8 litros? A Volkswagen conseguiu-o.

O Volkswagen VR6 — em que “VR” significa V-Reihen (V em linha) — leva o conceito de ângulo estreito mais longe do que a Lancia alguma vez tentou, utilizando apenas um ângulo de 15° entre os blocos. O resultado é tão compacto que funciona efetivamente como um motor em linha desfasado e, notavelmente, utiliza uma única cabeça de cilindros para ambos os blocos. Um motor de seis cilindros e 2,8 litros que cabe onde um V6 convencional não caberia — estreou-se na terceira geração do Volkswagen Golf.

A partir daí, os engenheiros da Volkswagen desenvolveram ainda mais o conceito:

• O VR5 surgiu como o VR6 com um cilindro removido.
• O W8 combinou duas unidades VR encurtadas (quatro cilindros cada) num único virabrequim — instalado na berlina Passat de topo de gama.
• O W12 estreou-se em 1998 no concept W12 Roadster: dois motores VR6 acoplados a um ângulo de 72° num único virabrequim.
• O W16 — com quatro turbocompressores — impulsiona o Bugatti Veyron até 431 km/h, tornando-o a aplicação de série mais extrema desta arquitetura.

Por que não existiam estas configurações antes? O design assistido por computador moderno tornou-as possíveis. Otimizar o ângulo de abertura, as posições dos pinos de manivela, a ordem de ignição e as características de equilíbrio em geometrias tão complexas teria sido praticamente impossível sem a capacidade de cálculo disponível a partir da década de 1990. O virabrequim de um W12, por si só, é um pesadelo para o maquinista — o tipo de peça que só faz sentido quando um computador verificou todas as tolerâncias.

O Que Realmente Importa no Design de Motores no Mundo Real

Se há uma conclusão a retirar de tudo isto, é que o equilíbrio teórico raramente é o fator decisivo quando um engenheiro escolhe uma configuração de motor. As prioridades reais são:

• Instalação — cabe no compartimento do motor?
• Peso e densidade de potência — qual é a melhor relação para a aplicação?
• Custo de produção — pode partilhar componentes com outros modelos da gama?
• Modularidade — cada vez mais, os fabricantes constroem famílias inteiras de motores a partir de uma arquitetura comum de êmbolo e furo, desde unidades económicas de três cilindros até motores de doze cilindros de topo de gama

A gama de motores atual da Mercedes-Benz é um exemplo exemplar da abordagem modular: uma arquitetura partilhada sustenta motores com potências e números de cilindros muito diferentes.

Quanto à vibração — vale a pena recordar que o equilíbrio teórico e o equilíbrio real são duas coisas muito diferentes. Mesmo um motor em linha de seis cilindros perfeitamente equilibrado tremerá se o conjunto do virabrequim não estiver devidamente equilibrado ou se os seus êmbolos e bielas apresentarem diferenças de peso apreciáveis. As tolerâncias de fabrico no mundo real e a deformação dos componentes sob carga significam que nenhum motor é tão suave na prática como as equações sugerem. É por isso que o design dos apoios do motor — a forma como o grupo motopropulsor é isolado do resto do automóvel — é tão importante como a própria configuração. Por vezes, até mais.

Este é um artigo traduzido. Pode ler o original aqui: https://www.drive.ru/technic/4efb337600f11713001e54e1.html