pistonudos.com

Técnica: Quanto mais cilindros, melhor?


Mas vou começar com a conclusão final antes de dar o raciocínio por trás dos porquês e onde. Se você quiser projetar um motor muito potente, é melhor usar o máximo de cilindros possível. Se você quer um motor eficiente, é melhor usar uma configuração com o menor número de cilindros possível, tudo para um deslocamento fixo.

Relação entre o diâmetro e o curso

O primeiro passo para o engenheiro é selecionar o deslocamento da unidade e a relação entre o furo e o curso.

Mas porque é que um motor com mais cilindros é melhor para mais potência? Vamos começar com um factor fixo: Estamos a comparar motores com um deslocamento total idêntico.


Ao projetar um motor, a primeira coisa que você tem que determinar é o diâmetro dos cilindros e o curso que você quer dar aos pistões. Você pode alcançar o mesmo deslocamento total do motor de muitas maneiras. Por exemplo, pode conseguir dois litros e meio de deslocamento entre quatro cilindros (com cilindros de 625 centímetros cúbicos cada), ou pode consegui-lo com dez cilindros (com cilindros de 250 centímetros cúbicos cada).

Determinando o deslocamento unitário de cada cilindro, você terá que escolher a relação entre furo e curso que você deseja para cada cilindro.

Originalmente, o desenho típico dos motores de combustão interna, após a sua invenção, era ter um curso (o deslocamento vertical total do pistão) consideravelmente maior do que o diâmetro do pistão. Mas pouco a pouco essa proporção mudou.

Ao longo dos anos foi atingida uma proporção igual (motores quadrados) e o outro extremo foi atingido, os chamados motores superquadrados, onde o diâmetro do pistão é maior que o curso vertical do pistão (o curso).


Há infinitas combinações possíveis entre diâmetro e curso, mas há extremos que limitam tudo isso. Por um lado, o curso não deve exceder 2,2 vezes o diâmetro do pistão (este é o limite para um motor diesel marítimo, os camiões utilizam cerca de 1,3 vezes o curso por unidade de diâmetro). No outro extremo, o diâmetro do pistão nunca deve ser superior a 2,2 vezes o curso em um motor super quadrado (este é o extremo usado pela Fórmula 1).

As vantagens de um motor quadrado ou super quadrado são que, para um mesmo deslocamento da unidade, oferece mais superfície disponível para a colocação das válvulas. Também oferece menos fricção ao deslocamento do pistão no seu movimento de curso. Estes dois fatores ajudam estes motores a girar em rotações muito altas.

Por outro lado, eles têm uma desvantagem. Por terem tanto diâmetro, esses cilindros quadrados ou superquadrados oferecem maiores perdas térmicas (menos da energia da explosão do combustível é convertida em movimento de virabrequim), e também pioram o tempo total necessário para a combustão (a frente de chama quando a gasolina começa a queimar tem que percorrer mais distância para completar a queima de toda a mistura). A extremidade da haste e o rolamento da extremidade da haste também sofrem mais com estas versões.

Os motores a longo curso, por outro lado, oferecem uma câmara de combustão mais compacta. Isto significa menos perdas térmicas, maior eficiência, mas também mais atrito (mais curso do pistão), e não é possível instalar válvulas tão grandes, o que limita a velocidade de rotação do motor.


Em última análise, é preciso encontrar um meio termo nos motores, ditado pelo cliente alvo que vai usar o carro. Os motores quadrados ou superquadrados são destinados a carros de performance, enquanto os motores de longo curso encaixam melhor em carros onde o cliente procura mais binário, mais eficiência e menos resposta do acelerador.

E agora passamos a contar os cilindros...

A questão é que quando você está procurando a máxima potência possível, você tem que ir, como já explicamos, para um motor de curto curso, um motor de design super-quadrado. Isto prioriza o tamanho do cabeçote, a fim de fazer o cilindro respirar melhor e reduzir o atrito.

Como há uma limitação para o diâmetro máximo que pode ser assumido por um pistão por razões de tempo que leva para queimar a mistura em um pistão muito grande, a menos que seja fixado usando várias velas por cilindro, para encontrar a potência máxima para um determinado deslocamento os engenheiros são forçados a manter a relação entre o diâmetro e o curso, sem cair em um motor de curso longo, para não perder potência usando todo o deslocamento disponível.

Isto leva-os a ter de adicionar mais cilindros. No caso do exemplo que coloquei na mesa, o engenheiro de design que quer fazer um motor ultra potente de 2,5 litros, procurará usar a relação ideal de furo para o curso em busca de potência (1,2 vezes maior que o curso, para motores comerciais movidos a gasolina comum). Limitado pelo diâmetro máximo admissível para um pistão (cerca de 92 milímetros aproximadamente), o engenheiro optará por cilindros de cerca de meio litro (o tamanho padrão, digamos, assumindo um curso de cerca de 76,6 milímetros), o que o levaria a optar por cinco cilindros como a melhor solução para um motor de 2,5 litros.


Com esta abordagem, o design deste suposto motor já estaria definido, e focado na potência. Mas e se mudarmos o número de cilindros?

Se este engenheiro quisesse optar por um motor mais potente, a melhor solução para encontrar essa potência extra é fazer o motor girar mais rápido. Lembre-se, desde quando explicamos que potência era (aqui) e que torque era (aqui), que a potência é o resultado do torque do motor multiplicado pelo número de rotações do virabrequim por unidade de tempo (rotações por minuto, por exemplo).

A limitação física para fazer um motor girar rápido está na inércia dos elementos que se movem dentro dele. Ou seja, a limitação para que este motor de cinco cilindros gire mais rápido que cerca de 8.000 rotações (a olho nu) estará na inércia do enorme pistão de 92 milímetros.

Há números na engenharia que são conhecidos como os limites práticos em que as coisas começam a dar errado. Como regra geral, sabemos que um pistão nunca deve exceder uma velocidade linear máxima de 25 metros por segundo. Se você for além disso, as coisas começam a dar errado, a cambota, a biela e o pistão começam a se deformar, eles podem tocar a cabeça do cilindro, as válvulas... Em resumo, é um desastre.

Para ficar abaixo de 25 metros por segundo, o que você tem que limitar é a quantidade de curso que os pistões têm. Como você já pode pensar, se reduzirmos o curso, como o diâmetro do pistão está diretamente relacionado a ele (pela figura de 1,2 no nosso caso exemplo), teremos que reduzir o deslocamento unitário de cada cilindro.

Um motor com muitos cilindros e um furo grande em relação a um curso curto oferece uma alta velocidade de rotação, e isso significa mais potência.

Portanto, se reduzirmos o deslocamento da unidade, isso nos levará a ter mais cilindros para chegarmos a 2,5 litros. No final, o que ganhamos com isto? Bem, temos todos os pistões em movimento a menos de 25 metros por segundo, mas com o motor a girar mais vezes a cada minuto.

Como temos, em teoria, o mesmo torque para a soma das combustões de todos os cilindros do que tínhamos antes, obtemos mais potência para um determinado deslocamento.

Mas tem cuidado, tem um truque. Você pode pensar que isso é uma panacéia, mas ter mais cilindros implica outros aspectos negativos, relacionados à eficiência. Quanto mais cilindros você tiver para um determinado deslocamento, mais fricção e perda de calor o motor tem, então o torque extraído desse deslocamento é menor do que seria obtido com menos cilindros. O ar e o combustível queimado é utilizado menos bem.

Claro que, quando você está procurando por energia isto é secundário: você não se importa se você recebe menos torque por rotação do virabrequim, se em troca você é capaz de obter mais rotações do virabrequim por minuto. Por exemplo, é melhor tirar apenas 100 Nm de torque do motor mas ter 800 hp de potência máxima, do que ter 400 Nm de torque mas apenas 150 hp se você estiver procurando por potência.

Se girarmos a tortilha, e o que procuramos é a máxima eficiência energética possível, o que nos interessa é queimar melhor a gasolina que colocamos nos cilindros. Isto implica então optar por um motor que tenha menos fricção. E menos fricção significa menos cilindros.

Como explicamos acima, além disso, motores de curso longo, ou pelo menos de curso quadrado, e não super-quadrado, oferecem, neste sentido, um melhor compromisso em eficiência. Assim, mistura-se a rotação lenta do motor de longo curso, com a rotação lenta do motor com menos cilindros.

Mais uma vez, há um limite para tudo isto. Você pode pensar que então o motor de dois litros e meio de um cilindro seria o motor mais eficiente possível para 2,5 litros de deslocamento, e não é. As limitações a este respeito estão em áreas como a vibração e inércias derivadas. Quanto mais cilindros um motor tiver, mais explosões ocorrem por rotação do virabrequim, mas de menor intensidade.

Se você dividir as explosões que ocorrem por rotação do virabrequim em uma quantidade maior, mesmo que sejam de menor intensidade, você faz com que o motor vibre menos, seja mais equilibrado, seja mais suave em seu funcionamento.

Um motor com muita vibração, além de ser grosseiro e desagradável de dirigir, também tem uma vida útil mais limitada, e tem uma resposta mais comprometida. Além disso, criar motores com poucos cilindros significa criar motores com pistões grandes, o que cria motores com maior inércia, desinteressados em mudar a velocidade sob as nossas ordens.

Moral e conclusões

Como em quase tudo na vida, a virtude está no meio e, para encontrá-la, há uma série de figuras bem conhecidas dos engenheiros

Como tudo nesta vida, ser eclético é a virtude. Não devemos ir a extremos. Há uma série de regras de "conhecimento comum" para engenheiros que eventualmente acabam por ser aplicadas.

Por exemplo, todo bom projetista de motores sabe que ir além dos 92 milímetros de diâmetro do pistão não é uma boa idéia. Ele também conhece a velocidade linear máxima do pistão (25 metros por segundo), a relação ideal entre furo e curso para um motor de desempenho (1,2) e a de um motor focado no torque (0,8, para os de coração fraco). Os deslocamentos de cilindros unitários (entre 0,4 e 0,5 litros) são também um padrão industrial bem conhecido.

Tudo isto faz com que os motores de produção pareçam quase sempre "cópias a carbono" em certas dimensões. Então, quando as coisas são levadas a extremos, como nas corridas, você pode ver verdadeiros trabalhos de engenharia, como os motores de três cilindros de doze cilindros, ou os motores de seis cilindros usados pela Honda em motocicletas, em busca de limites de desempenho, em detrimento do consumo de combustível.

A propósito, se este engenheiro tivesse que fazer um motor de dois litros e meio de desempenho, aspirado naturalmente amanhã, ele iria para um motor de cinco cilindros. E agora que leu as razões, você também o faria, não é verdade?

  • Foram atingidas velocidades de pistão de até 36 metros por segundo na F1.
  • Os motores V8 F1 de 2,4 litros naturalmente aspirados eram cerca de 290 Nm de binário de pico, o que lhe dará uma ideia de quão extremo é ir para a potência máxima de rotação, sacrificando o binário para rotações mais rápidas.
  • O motor V8 no Audi RS4 B7 e Audi R8 tinha uma velocidade de pistão de 25,7 metros por segundo.
  • Esse mesmo motor foi utilizado como base para o desenvolvimento do V10, que por sua vez serviu de base para a criação dos cinco cilindros de dois litros e meio do TT-RS e RS3, que curiosamente utiliza o design que oferecemos como exemplo: cinco cilindros para 2,5 litros de deslocamento.
  • Ao mesmo tempo, muitos motores 0 da Audi são de curso longo, ao contrário dos seus rivais.
  • A Honda desenvolveu uma bicicleta de corrida de 125 centímetros cúbicos com cinco cilindros! O RC149 tinha um redutor de nove relações para multiplicar o seu torque esfomeado, mas atingiu as 20.500 rpm!
Artigo originalmente publicado em Janeiro de 2015, recuperado para Pistonudos
Adicione um comentário a partir de Técnica: Quanto mais cilindros, melhor?
Comentário enviado com sucesso! Vamos revisá-lo nas próximas horas.