Os gases são admitidos e expelidos dos cilindros através das válvulas, que abrem e fecham nos momentos devidos, havendo muitas variantes de projeto para as válvulas de admissão e de escape e a sua localização, Ferguson e Kirkpatrick (2016) p. 19.
O perfil padrão da came e a temporização fixa do mecanismo de válvulas procuram um compromisso entre a estabilidade do motor ao ralenti e a baixas velocidades, a eficiência em carga parcial e baixas emissões e eficiência volumétrica melhorada a plena carga, para o tipo de utilização do motor, isto é, automóvel em que é utilizado, suas características e especificações de utilização. A variação da temporização da abertura e fecho das válvulas permite otimizar as condições de operação e o processo de troca gasosa para cada regime de velocidade e de carga.
O levantamento variável de válvulas foi introduzido no mercado em motores “downsized”. Mas mesmo para motores de dimensão muito reduzida podem ser conseguidas reduções no consumo de cerca de 2%, Thewes et al. (2015) p. 11.
Os novos conceitos de MCI-IC incluem novos processos de combustão, e.g. HCCI, com temporização e levantamento variáveis de válvulas, tendendo o levantamento contínuo a substituir o clássico controlo por válvula de borboleta, Schulze, et al. (2012).
Os sistemas de levantamento (curso) variável de válvulas permitem ir mais longe no controlo da troca gasosa, podendo considerar-se a variação dos seguintes parâmetros: i) temporização, ii) período de abertura e iii) levantamento (curso) das válvulas, Pischinger et al., (2015). Estas funcionalidades podem ser combinadas entre si, de forma a se obter uma variação total do levantamento, permitindo a supressão da válvula de controlo de admissão e, assim, uma redução nas perdas de bombagem. A sobreposição do levantamento de válvulas (vulgo “cruzamento de válvulas”, valve overlap, na literatura anglo-saxónica) permite o controlo da quantidade de gases residuais que permanece no interior do cilindro para o novo ciclo, ou seja, que são recirculados internamente (IGR).
A tabela 4.1 apresenta um resumo dos sistemas de levantamento variável de válvulas: a) Sistemas de levantamento variável discreto; b) Sistemas de levantamento variável contínuo; c) Sistemas sem cames.
Tabela 4.1: Resumo de alguns sistemas de levantamento variável de válvulas. a) Sistemas de levantamento variável discreto
Tecnologias Descrição Referências
bibliográficas
Sistema “i- VTEC”, da Honda
Este sistema proporciona variação contínua de fase (VVT) e levantamento variável discreto de válvulas (DVVL) usando o conceito de troca de perfis de cames, consistindo em árvore de cames com dois grupos de cames: um de alto perfil e outro de baixo perfil, a que estão associados os respetivos balanceiros com seguidores. Para cargas ligeiras, as válvulas são operadas pelas cames de baixo perfil e, para as cargas elevadas, pelas de alto perfil. A variação de fase é feita com recurso a um sistema hidráulico.
NRC (2015) p. 386
Sistema “Audi Valvelift System (AVS)”, da Audi
Este sistema usa o conceito de troca de perfis de came, com um conjunto de cames com lobo de alto perfil e outro conjunto de baixo perfil. São usados dois lobos diferentes de baixo perfil, um para cada válvula de admissão de cada cilindro, para criar turbulência a baixos regimes. Os dois conjuntos de alto e baixo perfis estão montados numa manga canelada interiormente, que permite o deslocamento axial, no veio de excêntricos. Cada manga está provida de um rasgo espiral. O posicionamento axial da manga é determinado por um pino atuado eletricamente que encaixando no rasgo, faz mover a manga para as posições de alto perfil ou de baixo perfil. A Audi refere que este sistema permite uma economia de combustível de até 7%.
NRC (2015)
Sistema
“Camtronic”, da Mercedes-Benz
O sistema da Mercedes-Benz é similar ao da Audi, exceto no uso que faz, de uma manga deslizante para cada dois cilindros adjacentes,
enquanto que na Audi é utilizada uma para cada cilindro. NRC (2015)
Sistema “IVLC”, da Chevrolet
Este sistema usa igualmente o conceito de troca de perfis de cames, com perfis altos e baixos. Utiliza balanceiros com dois seguidores de roletes, que são eletro-hidraulicamente trancados ao balanceiro para operar. Seja na came de alto perfil, seja na de baixo perfil. A General Motors refere que este sistema confere uma economia de combustível até cerca de 4%.
b) Sistemas de levantamento variável contínuo
Tecnologias Descrição Referências bibliográficas
Sistema “Valvetronic”, da BMW
Este sistema adiciona um balanceiro intermédio entre o veio de excêntricos e o seguidor de rolete que atua a válvula. O centro de rotação do balanceiro intermédio é variado com um veio excêntrico controlado por uma engrenagem de parafuso sem fim. Ao rodar o veio excêntrico em um ou em outro sentido, obtém-se um aumento ou diminuição do levantamento da válvula. Embora o consumo de combustível seja reduzido em carga parcial, a potência máxima não é aumentada, uma vez que o número adicional de componentes resulta em maior atrito e inércia. Este sistema tem a desvantagem de aumentar a altura da cabeça dos cilindros, tornando o motor mais volumoso. Por outro lado, como é permitida a supressão da válvula de controlo de admissão, são reduzidas as perdas de bombagem. A BMW refere que este sistema pode proporcionar uma economia global de até 10% no consumo de combustível.
NRC (2015)
Sistema
“Valvematic”, da Toyota
Este sistema introduz um eixo oscilante adicional entre o veio de excêntricos e o balanceiro de roletes que atua a válvula. O ângulo entre o rolete seguidor e o atuador adicional é controlado por um motor elétrico. Aumentando este ângulo, aumenta o levantamento da válvula. A Toyota anuncia que este sistema proporciona uma economia de combustível de cerca de 5% e um aumento de potência de cerca de 6%.
NRC (2015) Sistema “Multiair” da Fiat Chrysler” / “UniAir”, da Schaeffler
Sistema eletro-hidráulico, de variação total, permitindo a realização de estratégias Miller / Atkinson, com temporização de abertura e fecho de válvula de admissão, para eficiência otimizada, em todo o mapa de carga. O sistema permite a dispensa de variadores de fase e, eventualmente, de uma das árvores de cames. A partir do ajustamento do fecho da válvula de admissão é controlada a taxa de compressão efetiva. O levantamento da válvula é realizado através de um acoplamento hidráulico entre um pistão mestre e um pistão escravo, controlado por uma válvula solenoide, durante o seguimento do flanco de levantamento do perfil da came. É usada EIVC (Miller) até às 3000 rpm e LIVC (Atkinson) acima desta velocidade. Em cargas baixas pode ser obtida elevada economia de combustível, devido ao aumento de taxa de compressão e a supressão de válvula de controlo de admissão, em combinação com tolerância de gases residuais aumentada. A velocidades mais elevadas e cargas elevadas a economia é conseguida pela redução do enriquecimento da mistura. Com baixas velocidades e / ou altas cargas as vantagens provêm pelas menores taxas de lavagem (scavenging) e o evitar de centro de combustão atrasado, como resultado do aumento de compressão, o qual seria inevitável sem o fecho ótimo, em cada caso.
NRC (2015) Mayer et al. (2018) Sistema “UpValve”, da Pierburg GmbH
Este sistema proporciona levantamento variável contínuo, entre zero e o valor máximo. É baseado num seguidor com ponta em rolete de baixo atrito, com ajustador hidráulico. Cada válvula pode ser controlada individualmente. As opções de controlo permitem, por exemplo, intervir no movimento da carga através de levantamento diferencial das válvulas e desativação do cilindro. Um atuador sem escovas e uma engrenagem de parafuso sem fim fazem o ajustamento do veio de cames de controlo, montado em rolamentos de agulhas. O extremo do veio de controlo tem montado um sensor de Hall, de posição.
Breuer et al. (2017)
c) Sistemas sem cames
Tecnologias Descrição Referências bibliográficas
Válvulas com comando eletromecânico
O sistema eletromecânico sem cames utiliza uma combinação de eletroímans e molas para conseguir o desejado movimento das válvulas na temporização requerida. Um disco montado concêntrica e rigidamente e situado simetricamente entre dois eletroímans e duas molas, numa posição neutra, a que corresponde a válvula ligeiramente aberta. Quando ao eletroíman inferior é ativado, a válvula abre completamente; quando este é desativado e o superior atuado, a válvula fecha-se contra a sua sede. Pode ser usada uma pequena touche hidráulica para amortecer o movimento. É em geral usado um circuito de controlo em malha fechada, com sensores de posicionamento, para fiabilidade do controlo do movimento e temporização desejada. Como desvantagens apresentam-se o custo, o consumo energético, o ruído e a magnetização residual de componentes.
Sugimoto et al. (2004) Cope e Wright (2006) Srivastava et al. (2018) Válvulas com comando eletro- hidráulico
Neste sistema, o movimento de um fluido hidráulico é convertido no movimento da válvula, em resposta a um sinal elétrico. Um pistão, fixado à haste da válvula, trabalha dentro de um cilindro hidráulico que recebe a entrada e saída do fluido, com controlo de alta frequência de válvulas solenoides de enchimento e esvaziamento, respetivamente. Foram contruídas diversas variantes, por exemplo, com válvulas de controlo piezoelétricas. O custo apresenta-se como uma das principais desvantagens deste sistema.
Nam e Choi (2012) Zhang et al. (2016) Srivastava et al. (2018) Válvulas com comando eletropneumático
Este sistema utiliza ar pressurizado para atuar um conjunto cilindro- pistão que, por sua vez, atua a válvula. São utilizadas válvulas direcionais de controlo dos fluxos de ar pressurizado, de entrada e saída do cilindro pneumático e, consequentemente, da válvula cujo movimento se pretende controlar. São usados sistemas hidráulicos ou eletromagnéticos adicionais para obter os levantamentos variáveis e velocidades aceitáveis de assentamento das válvulas. A funcionalidade de um sistema destes está limitada fundamentalmente pelo tempo de resposta e pela vida de serviço das válvulas de controlo. É importante que a qualidade do ar seja mantida, de forma a evitar o entupimento das válvulas de controlo. Como inconvenientes foram reportados o ruído e a potência absorvida.
FreeValve Technology Article (2017) Srivastava et al. (2018)