Numa pista de arrancada, alinham dois carros com apenas uma diferença: um possui motor de 300 cv enquanto o outro tem um motor de 600 cv. Quem ganha essa disputa? O de 600 cv? Certeza? Pode não ser bem assim. E se o carro de 300 cv produzir mais potência instantânea por mais tempo que o de 600 cv ao longo da reta?
Potência máxima é uma condição muito específica de funcionamento do motor. Ela ocorre num ponto muito restrito de funcionamento e é uma condição extremamente rara para ser aproveitada plenamente. Há muitas outras considerações que possuem seu peso para decidir essa disputa.
Acabamos de estudar os intrincados fenômenos que ocorrem nos coletores de admissão e de escapamento, mas existe um ponto ali que foi tocado de forma tão específica que, para o leitor, pode passar despercebido que este é um princípio muito mais amplo na engenharia de motores, e de vital importância. Trata-se do equilíbrio do dimensionamento de cada componente.
Em engenharia existe o conceito do “ganha-perde”, já que o “ganha-ganha” na área técnica nunca existe. Existe também o conceito que as vantagens de qualquer solução são sempre imediatas e óbvias, mas as desvantagens permanecem ocultas na penumbra e só são percebidas tempos depois, muitas vezes apenas quando o prejuízo já é grande.
Se alguém encontra uma solução pela qual se consegue enorme vantagem e nenhuma desvantagem aparente, é melhor revisar todo o projeto. A solução muitas vezes é buscar compromissos que não ofereçam grandes vantagens de uma vez, pois podem existir grandes desvantagens ocultas.
Porém, em oposição a este racionalismo da engenharia, é popular o velho pensamento de que “mais é sempre melhor”. Então se chuta todos os ajustes para o máximo, imaginando que estes ajustes trarão o máximo de desempenho. Este pensamento é um canto das sereias. Agradável aos ouvidos e à lógica rasa, mas uma armadilha letal para quem se vê atraído por ele.
Numa fábrica, com todo um corpo de engenharia com décadas de conhecimento adquirido, este não é um problema. Os consumidores recebem motores o mais equilibrado possível. Mas o “equilibrado” a que me refiro significa uma extensa lista de requisitos dos quais a maioria destes consumidores desconhece. Estes requisitos não se fixam apenas em fazer o motor mais potente. Sim, um motor mais potente é importante, e um dos principais elementos que vendem carros. Porém, há muitos outros compromissos.
Um motor mais potente consome mais combustível, e economia é importante. Um motor mais potente pode emitir mais poluentes, e carros modernos precisam atender normas de emissões. Um motor mais potente pode se desgastar mais rapidamente, e o consumidor espera que esse motor tenha boa durabilidade. Um motor também deve oferecer uma boa dirigibilidade, proporcionando bom desempenho sob quaisquer condições de uso para o usuário e fazer o veículo que propulsiona ser agradável de dirigir.
O problema é que estes requisitos são sempre conflitantes entre si, e os fabricantes sofrem bastante ao tentar equilibrar cada especificação e cada requisito para que cada compromisso seja atendido da melhor forma possível. Isso conduz a milhares de horas-homem de pessoal altamente qualificado antes do produto ser lançado no mercado, gerando milhares de modificações do projeto inicial. E este sofrimento é sentido pelo fabricante entre as quatro paredes dos escritórios de projeto e dos laboratórios de ensaio. E é uma situação que o consumidor leigo sequer imagina, mas usufrui plenamente dos resultados.
A questão muda bastante quando a conversa sobre modificações ocorre no meio leigo. Há muitos grupos em redes sociais que conversam sobre preparação, por exemplo. Há francos entusiastas nesse assunto. Entretanto, há muito desconhecimento dos mínimos detalhes sobre os componentes que estão discutindo. E é aqui onde começa o problema.
É comum ouvir nos grupos que alguém vai “melhorar” o automóvel fazendo um “remap” — remapeamento — da injeção. Para quem tem a sensação de dirigibilidade, os resultados são óbvios. O carro fica mais “esperto”, mais ágil e mais responsivo ao acelerador.
Frequentemente uma das primeiras vítimas de um remapeamento são as emissões de poluentes. Será que o dono do carro sabe disso? Muitos até sabem, mas não se importam tanto com os danpos ao meio ambiente. Mas há consequências, mesmo que o dono do carro não admita. Mas se para ele o problema ambiental é desprezível, o mesmo não pode ser dito sobre a lubrificação do motor.
Misturas ar-combustível mais ricas oferecem maior desempenho, o que agrada o motorista. Porém, o maior fluxo de combustível para o motor para a mesma quantidade de ar afeta a formação de mistura, que imperfeita, rica, pode resultar nacontaminação do óleo lubrificante, comprometendo severamente a durabilidade do motor.
Motores modernos possuem tecnologias bem mais sofisticadas que os de décadas atrás, e além de mais sensíveis, são muito menos tolerantes a descasos e abusos que os motores antigos. Óleos de baixíssima viscosidade sustentando filmes lubrificantes extremamente finos oferecidos pelas exíguas folgas entre componentes ligados ao virabrequim, por exemplo, não toleram qualquer contaminação por borra ou que afetem a viscosidade. Isso sem falar se o motor tiver correia dentada de comando banhada a óleo.
Abusar do remapeamento é pedir para ter problemas de motor bem cedo.
A preparação
Ver as conversas de preparação nestes grupos muitas vezes mostra que muitas pequenas verdades se somam para afirmar um grande engano. No fim, torna-se uma grande falácia e que se perpetua ao longo do tempo. Mas a discussão não fica apenas no âmbito dos dutos de alimentação. Logo o pessoal está falando de comando de válvulas mais “bravo” (de maiores duração e levantamento de válvulas), corpo de borboleta gigante, partes móveis (virabrequim, bielas, pistões e, volante extremamente aliviadas. Parece que todas as soluções são lógicas, até óbvias, mas o resultado final, na prática, pode estar muito longe do que se espera.
Vamos observar o que acontece com o volante. Ele é um disco metálico pesado e com a maior parte da sua massa bem afastada do seu centro. Assim o acúmulo de energia cinética rotacional é máximo. Ela é fundamental porque no motor de 4 tempos só um deles é ativo, eleresulta da combustão e imediata impulsão do pistão. Os demais tempos — admissão, compressão e escapamento — por serem passivos dependem de energia cinética rotacional para existirem. Esse é o papel do volante, possibilitar o ciclo de funcionamento do motor.
Só que a energia cinética rotacional é acumulada por outras peças além do volante, embreagem ou conversor de torque: o proprio virabrequim e sua polia que aciona órgãos auxiliares. É por isso que quanto maior a rotação do motor, menos ele depende da energia cinética rotacional. Menos depende também quanto maior for o número de cilindros.
O que diz a lógica do pessoal inexperiente? “Ora, se o volante é pesado, ele exige muito torque para acelerar. Este torque poderia ser transferido para a transmissão e chegar às rodas. Quanto mais leve o volante, mais rápido o carro acelera.”
O conceito ou a dedução acima parecem lógicos, mas é incompleto. A massa rotativa do volante é importante para manter o funcionamento do motor após a “muleta” do motor de partida. Os impulsos que cada cilindro oferece ocorre num intervalo de tempo muito restrito, e o mecanismo móvel do motor precisa acumular energia cinética rotacional para usá-la na compressão de mistura ou do ar do próximo cilindro estando o motor funcionando em baixas rotações. Um volante aliviado demais não oferece capacidade de compressão nos cilindros em baixas rotações. Isso exige que o motorista fique acelerando até uma rotação tal que permita que haja torque suficiente para o carro arrancar.
Num carro original de fábrica, o volante pode até possuir um certo excesso de peso para tornar a condução mais agradável e suave e este pequeno excesso pode ser removido sem impacto significativo no funcionamento do motor, mas numa intervenção exagerada o motor perde potência em baixa rotação e pode ficar deficiente para funcionar e permitir que o veículo arranque.
É interessante notar que os volantes para motores multicilindro (como os V-8) possuem volantes muito mais leves que motores de 4 cilindros como eu disse mais acima. Ocorre que os motores multicilíndro possuem mais massas rotativas e oscilantes trocando energia cinética, além dos intervalos menores entre ignições e cursos motores dos pistões. Assim, há menor necessidade de um grande e pesado volante.
Já o caso do comando de válvulas é mais complicado. Existe um tênue equilíbrio entre ele e o sistema de alimentação. Se você coloca um comando muito bravo, não pode colocar uma carburação ou um corpo de borboleta muito restritivos. Se um comando bravo melhora a potência em alta rotação e prejudica a baixa, um sistema de alimentação menos restritivo faz a mesma coisa, e isso vai puxando o comportamento do motor para o extremo de rotação.
Embora eu tenha falado de subsistemas do motor isoladamente ou em pares, a verdade é que no motor tudo está intimamente ligado. Se você mexer radicalmente num componente é provável que tenha que mexer em outro que aparentemente não tem nada a ver, como mexer com o comando de válvulas e em seguida ter de reforçar bomba de óleo.
O desequilíbrio do radicalismo
Todas as grandes modificações que o pessoal desses grupos de preparação discutem levam ao mesmo acerto: melhor potência de alta e menor em baixa. O resultado é um motor extremamente agudo. A potência máxima é significativamente maior, mas ela não é efetiva. Assim, dois carros preparados, um com 300 cv e outro com 600 cv, é bem possível que o de 300 cv, desde que bem acertado, pode vencer o carro com o dobro da potência.
Vamos entender a razão disso. A imagem a seguir mostra dois pares de curva do mesmo tipo de motor, o azul original ou com pouca preparação e o vermelho com uma preparação pesada.
Estas curvas são meramente ilustrativas, sem escala, utilizadas apenas para demonstrar a diferença entre potência máxima e área útil sob as curvas. Há algumas relações interessantes nestes gráficos.
Quando o motor apresenta numa faixa de rotações uma rampa linear de subida ou descida do torque no gráfico, a mesma faixa para potência sobe ou desce em um arco de parábola. Se o torque se estabiliza num valor em outra faixa, a potência respectiva sobe linearmente.
Há uma leitura importante que precisamos fazer destes gráficos. Se a curva de torque é nivelada, a força de tração que acelera o carro é constante, e a potência aumenta na mesma proporção com que o carro ganha velocidade. Já no caso de uma rampa ascendente na curva de torque implica que a força impulsora crescerá progressivamente. Com isso, a velocidade e a potência começam a aumentar de forma lenta, talvez até “preguiçosa”, para depois se animar.
E, no ramo descendente da curva de torque, inicialmente a potência ainda sobe, graças ao aumento da rotação ser proporcionalmente maior que a perda de torque naqueles instantes. Porém, conforme o torque continua a cair, o aumento de rotação não compensa a perda e a potência cai.
Em termos do comportamento do carro, o que isso significa? Vamos imaginar dois carros em um circuito, onde cada carro é equipado com um dos motores vistos. No carro com motor original, ele parte com pouco torque, mas esse torque aumenta de forma significativa com o aumento da rotação, acelerando rapidamente. Logo ele chega no seu torque máximo, garantindo a máxima aceleração porque a força de tração é máxima. Quando ele alcança a rampa descendente, logo ele perde o impulso e deixa de acelerar.
Já no carro com motor muito preparado, há uma grande falta de torque em baixa rotação. O torque cresce lentamente, e o carro mostra-se “preguiçoso” para ganhar velocidade. Porém, conforme o motor ganha rotação, o torque vai aumentando e o carro se mostra cada vez mais ágil. O carro atinge rapidamente sua potência máxima, quando então ela decai rapidamente.
Este carro preparado possui um comportamento dinâmico mais “agudo”, “sintonizado” em uma determinada faixa de rotações. Nesta faixa, ele é superior ao carro original. Porém, fora dela ele perde completamente a vantagem.
Num circuito, estes carros estarão a todo instante acelerando, freando e saindo de curvas reacelerando.
Aqui entra o jogo de marchas. Se os dois carros possuírem as mesmas relações de marcha, o carro original pode se mostrar tão mais competitivo que o preparado, na medida em que a cada troca de marchas o preparado entra em um regime de rotações em que se vê em desvantagem frente ao original. Quanto mais agudo for o carro preparado e maior a diferença de relações entre marchas, mais ele pode sofrer em desvantagem.
Daí a importância do número de marchas. Quanto mais marchas um carro tiver, mais tempo ele pode operar na sua faixa ótima de potência. Menor número de marchas implica em maior variação de rotação a cada troca de marchas, e o carro preparado se vê em maior desvantagem sobre o carro original.
Esta questão explica por que carros com câmbios automáticos dos anos 1980 e 1990 usavam câmbios automáticos com 3 ou 4 marchas e atualmente existem tantos com até 9 marchas. Os motores modernos trabalham dentro de faixas de eficiência cada vez mais específicas e dependem mais da escolha correta da relação de transmissão. E isso vale para tudo: potência, economia, durabilidade, dirigibilidade, emissões…
Outro fato é que conforme a velocidade aumenta, aumentam ainda mais as perdas, como o arrasto aerodinâmico, que grosseiramente se assume como aumentando com o quadrado da velocidade. Esse aumento não linear indica que o carro pode alcançar rapidamente um equilíbrio entre a potência gerada pelo motor e a potência perdida pelo arrasto. Assim, perto deste limite, fica cada vez mais pesado para o carro acelerar, e se torna cada vez mais difícil acelerar. Um ajuste do câmbio para esta situação é que as diferenças entre marchas consecutivas são cada vez menores entre marchas cada vez mais altas.
Voltando ao exemplo dos dois carros num circuito, ambos saem das curvas, escolhem a marcha ideal e aceleram. Quanto mais o carro preparado conseguir se manter nas condições de torque e potência que lhe forem mais favoráveis, mais ele ganha terreno sobre o carro original. Se ocorre o contrário, o carro original se sobressai sobre o preparado.
Isso podemos observar passo a passo quem ganha e quem perde comparando rotação a rotação torque e potência de cara um dos carros naquela situação. Mas há uma forma mais ampla de perceber quem é superior a quem em cada parte do circuito.
Observemos as duas figuras a seguir. Na primeira, temos o preenchimento da área sob as curvas de torque e potência do carro original, enquanto na segunda temos o mesmo para o carro preparado.
Na imagem a seguir, vemos a comparação das áreas sobrepostas dos dois carros.
Se calcularmos estas áreas e as dividirmos pela faixa de rotação (diferença entre a rotação máxima e mínima), teremos o torque e a potência efetivos naquela faixa de rotação. Podemos fazer isso para toda a faixa de rotação, ou podemos fazer isso apenas para a faixa de rotações utilizada pelo carro durante cada marcha utilizada. Quanto maior o torque e a potência efetivos, maior a vantagem para aquele determinado carro naquela situação.
Aqui vai, então, uma crítica aos sistemas de dinamômetro. Eles oferecem sempre os valores do torque e da potência máximos, que são, provavelmente, a informação menos útil para quem quer preparar um carro, justamente por ser uma informação pontual que dificilmente é realizada, e quando ocorre é de forma tão rápida que dificilmente realiza um trabalho útil. Ao invés disso, seria melhor se o dinamômetro informasse o torque e a potência máximos efetivos a cada 1000 ou 2000 rpm. Estes sim são valores realmente úteis para entusiastas.
Mas verdade seja dita: potência máxima vende, e muito, enquanto potência efetiva é mais complicado de entender, e quem oferece o serviço quer mais é vender e não ensinar engenharia de motores. É por isso que alguns carros se mostram mais rápidos em retas, onde a aceleração é plena por um longo período, enquanto outros se mostram mais rápidos nos miolos, onde fazem muitas recuperações de velocidade.
Aqui também está a resposta do por que às vezes carros turbo de menor potência vencem carros de maior potência em provas de arrancada. A potência é um dado pontual, enquanto o que vale é o comportamento ao longo de todo o percurso.
Radicalizar na preparação pode oferecer o resultado contrário do desejado. Para isso é necessário um bom conhecimento técnico do tipo de transformação que se pretende fazer.
Este foi apenas um exemplo para maximizar o desempenho em função das curvas de torque e potência, mas há muitas outras relações de compromisso como esta. Se esta já é uma relação complexa de compromisso, imaginem como é lidar simultaneamente com várias relações de compromisso que se interrelacionam e nem todas mudam positivamente no mesmo sentido.
Conclusão
Não existe carro bom sem um bom ajuste geral, e isso nos leva a diversas relações de compromisso. E essa relação depende da aplicação que é feita do veículo. Então, quer seja um modelo de alta produção, quer seja um carro para competições para alto desempenho, o equilíbrio de todos os recursos é fundamental. Não é simplesmente sair radicalizando todas as transformações como tantos pensam nas redes sociais. Todos os ajustes do motor precisam ser dimensionados para a aplicação que se fará dele.
Relações de compromisso existem e precisam ser observadas. Um motor e um automóvel são como instrumentos musicais, onde cada componente é um elemento de afinação. Um bom instrumento toca a música sem desafinar e para isso ele precisa que cada ponto de afinação esteja em equilíbrio com os demais.
AAD
