Primeiro, provavelmente é importante revisar o que as válvulas fazem e como elas devem funcionar em um motor de combustão interna a quatro tempos.
O que as válvulas fazem
Basicamente, existem válvulas de admissão e de escape com no mínimo uma de cada por pistão, mas os carros de F1 (e muitos carros modernos de estrada) usam dois de cada. A descrição a seguir utilizará "válvula" singular, mas deve-se entender que em motores com múltiplas válvulas, as válvulas operam em sincronia - ou seja, se o motor possui uma ou duas válvulas de admissão, elas estão na mesma posição em cada instante no tempo.
A válvula de admissão permite que a mistura combustível / ar entre no cilindro conforme o pistão se move para baixo (para longe da válvula) e depois fecha para que a mistura possa ser comprimida pelo pistão ascendente. É então aceso por uma faísca e a mini-explosão resultante empurra o pistão de volta para baixo. Esse é o golpe de poder. Finalmente, o pistão volta a subir quando a válvula de escape se abre e o gás de escape é empurrado para fora do cilindro.
Como eles trabalham
Como deve ser óbvio na descrição acima, as válvulas devem estar exatamente sincronizadas com a operação dos pistões que se movem para cima e para baixo. Se eles saíssem da sincronização, o motor teria menos energia (se estiver um pouco fora do tempo) ou não funcionaria (se estiver muito fora do tempo) ou destruiria o motor, causando a colisão dos pistões. as válvulas, dobrando ou quebrando as válvulas (em alguns modelos). Por muitas décadas e até o tempo atual, a maioria dos motores usa cames para empurrar a válvula para baixo (abri-la) e molas para fechar a válvula novamente. É barato, confiável, eficiente e com um design comprovado, mas existem limitações.
Vamos correr!
Quando a velocidade do motor aumenta, as válvulas precisam acelerar mais. Um carro de F1 foi projetado para girar até 15.000 RPM, de acordo com os regulamentos atuais; os carros das temporadas anteriores aceleraram ainda mais. Os carros de rua típicos têm "linha vermelha" em cerca de metade disso. ("Linha vermelha" refere-se a uma linha vermelha real no tacômetro, cujo objetivo é indicar "se você ultrapassar esse ponto, é provável que haja danos graves ao motor!") Quando um motor está girando tão rápido, a mola se torna um problema. Primeiro, ele precisa agir muito rapidamente. Podemos fazer com que ela feche a válvula mais rapidamente usando uma mola mais rígida, mas precisamos gastar mais energia comprimindo a mola cada vez que o came gira para fechar a válvula. Além disso, verificou-se que, em certas velocidades do motor próximas à frequência ressonante da mola, as válvulas não fecham tão rapidamente quanto deveriam; portanto, alguns motores de corrida usam duas ou três molas concêntricas com diferentes frequências ressonantes para superar isso.
Primavera em Paris
Uma abordagem que foi usada com sucesso pela Renault originalmente (sim, eu sei que eles não são realmente baseados em Paris, mas eu não pude resistir a usar o cabeçalho) e logo depois por todos os fabricantes de motores de F1 era uma válvula pneumática. Essencialmente, é apenas um diafragma preenchido com um gás inerte, como o nitrogênio, que age como uma mola, mas mais rápido. Eles também têm a vantagem de um peso menor, o que é sempre de interesse dos engenheiros de corrida. Lembre-se de que, embora as válvulas pneumáticas possam ser usadas em RPMs mais baixas, o problema que elas devem resolver é em RPMs tão altas, muito acima daquelas que o sedan familiar pode suportar, por isso é que elas ainda não são usadas na estrada carros. Há também um sistema chamado " desmodrômico"que essencialmente usa dois lóbulos de came - um para abrir a válvula e outro para fechá-la. Pelo que sei, nunca foi usado na F1 ( Perdoe-me, Fangio, pois pequei! O Mercedes-Benz W196 de 1954 empregava desmodrômica válvulas.), e o usuário principal é a Ducati em suas motocicletas. Isso já é longo o suficiente, então não vou descrever essa aqui.
Podemos fazer ainda melhor?
O sistema de câmera que descrevi funciona bem, mas é um compromisso. O tempo e a duração dos períodos em que cada válvula está aberta são fixados pelo formato dos lóbulos da árvore de cames e pela velocidade do motor. Em algum momento da faixa de RPM do motor, um eixo de came específico fornece a duração e o tempo ideais, mas apenas nesse ponto. Para todas as outras rotações, o motor será subótimo em termos de eficiência, potência ou ambos. Idealmente, queremos um melhor controle das válvulas para garantir configurações ideais em mais de um valor RPM específico.
Como podemos melhorar o controle de válvulas?
Existem várias maneiras de resolver isso. Uma maneira simples de fazer isso é ter dois lóbulos de came por válvula e usar um atuador que muda qual deles realmente abre a válvula. Isso é essencialmente exatamente o que o sistema VTEC da Honda faz. Podemos melhorar ainda mais, variando continuamente o tempo da came, que é o que os sistemas VVT-i da Toyota, VANOS da BMW e Variocam da Porsche fazem. Todos eles têm a capacidade de variar ligeiramente o tempo da came, para que o motor esteja operando com potência máxima em uma faixa muito mais ampla de rotações do motor.
Isso é bom, mas podemos imaginar ir ainda mais longe. Melhor ainda seria eliminar completamente a câmera e usar, por exemplo, um solenóide sob controle do computador. Obviamente, o solenóide e o computador que o controlam precisariam duplicar com precisão o tempo que atualmente está sendo fornecido mecanicamente pelas câmeras, mas possui uma vantagem potencial significativa na economia de peso e no controle extremamente flexível, permitindo ajustes dinâmicos momento a momento do tempo da válvula. No entanto, isso provou ser muito difícil de ser alcançado de maneira confiável, portanto ainda não foram produzidos motores de produção que usem esse tipo de tecnologia. Há boatos de que Koenigsegg está próximo, mas poucos de nós poderão pagar por um deles.
Qual sistema de válvula variável é usado em F1?
A resposta pode surpreendê-lo: nenhum deles . Se você ler os regulamentos técnicos da Fórmula 1 de 2016 (e quem não lê ?!), verá o seguinte:
5.9.2 Sistemas de temporização variável e perfil de elevação de válvula variável não são permitidos.
Conduza com orgulho!
Então aí está. Embora exista muita tecnologia interessante nos motores de F1, incluindo as "molas" das válvulas pneumáticas, você pode percorrer a rua presunçosamente em seu Honda Prelude 1999 cinza-primer com o pára-choque e capota amassados ausentes, sabendo que seu motor realmente incorpora tecnologia que não o carro atual de F1 tem - tempo variável da válvula.