Guinguette Marais Poitevin

TA É UMA VERSÃO EXPANDIDA DE UM ARTIGO
POR Jack Kane QUE APELADA EM ISSUME 029 de
MAGAZINA DE TECNOLOGIA DE MOTORES DE RAÇA

NOTE: Este artigo foi originalmente publicado em 2008, e descreveu os motores de Fórmula 1 e NASCAR CUP que estavam em uso no final da temporada de 2006. Desde essa altura, houve grandes mudanças em F1, e algumas (NOTADAS dentro do artigo) na NASCAR. Contudo, os conhecimentos tecnológicos permanecem válidos no que respeita aos motores actuais.

INTRODUÇÃO

No final da época de competição de 2006, tanto os motores da NASCAR Cup como da FIA Formula One tinham atingido o auge da velocidade da cambota para as suas respectivas classes de desporto motorizado: 10.000 e 20.000 RPM, respectivamente. Embora o funcionamento a estes níveis de RPM tenha sido desde então ultrapassado pela regulamentação (a utilização cada vez mais rigorosa da NASCAR da sua “regra da engrenagem” e o limite de 19.000 RPM de rotação da FIA introduzido em 2007, reduzido para 18.000 RPM para 2009), pareceu interessante comparar estes motores muito diferentes para ver quais, se é que existem, as áreas de uniformização que podem existir.

ANTECEDENTES

A fim de estabelecer um pano de fundo para este artigo, os parágrafos seguintes dão um breve esboço dos destaques de ambos os motores.

Um motor de Fórmula 1 é certamente uma das peças de maquinaria mais refinadas, desenvolvidas e sofisticadas do planeta. É um motor de corrida puro, construído de propósito, que, para a temporada 2006, é uma configuração V8 de 90°, com 2,4 litros (146,4 polegadas cúbicas) de volume varrido. Existem fundamentalmente poucas restrições à sua implementação. Essas poucas restrições incluem a configuração de 2,4 litros, 90° V8 com um virabrequim de 180°, espaçamento do furo de 106,5 mm, furo máximo de 98 mm, sem tubos de entrada de comprimento variável, sem materiais compostos metal-matrix, altura mínima do virabrequim de 58 mm, e um bico de injecção por cilindro. Os motores são DOHC, de quatro válvulas por cilindro com seguidores de dedos e válvulas pneumáticas, com os sistemas de ignição e injecção de combustível controlados por um sofisticado sistema informático digital de gestão de motores. O peso do motor é de um mínimo de 95 kg (209 lbs) e uma restrição da altura do centro de gravidade influencia ainda mais as características do pacote global.

A FIA exigia que cada automóvel utilizasse o mesmo motor em duas corridas consecutivas de qualificação prática ou que fosse penalizado, pelo que a vida útil de concepção de um motor de 2006 foi na região de 1350 km (840 milhas).

No final da temporada de 2006, os motores de Fórmula 1 utilizavam normalmente uma linha vermelha de 20.000 RPM (por vezes até ao longo de um Grande Prémio), e produziram uma potência de pico de cerca de 755 BHP a mais de 19.000 RPM, com um binário de pico de cerca de 214 lb-ft (290 nm) a 17.000 RPM. Esses níveis de potência e torque são 315 BHP/litro e 15,2 bar de BMEP respectivamente.

NASCAR “Cup” motores, por comparação, são o extremo oposto do espectro de regulação. Não só são mais restritos no que diz respeito a peças, materiais, dimensões, pesos mínimos dos componentes, etc., como também devem ser derivados de um bloco de ferro (nominalmente) baseado na produção, 90° V8 com accionamento de válvula de haste de pressão, duas cabeças de cunha de válvula e um único carburador de quatro barris. Estes motores estão sujeitos a vários parâmetros impostos pela NASCAR aos quatro fabricantes concorrentes, para além dos do livro de regras publicado.

De nota particular, o Cup V8 está limitado a um diâmetro máximo de 106,3 mm (4,185 polegadas), um volume máximo de varrimento de 5,86 litros (358 polegadas cúbicas), uma cambota de 90°, bielas de aço, um único eixo de cames localizado no vale, seguidores de cames de tucho plano de não mais de 22.2 mm (0,875 polegadas) de diâmetro, haste de empurrar & accionamento de válvulas de balancins com haste de aço e balancins de alumínio ou aço, cabeças de cilindros (aprovadas) em alumínio com duas válvulas por cilindro utilizando molas de válvulas helicoidais em aço, um único carburador de quatro cilindros baseado num modelo Holley especificado e uma única ignição, controlada pelo distribuidor. O peso do motor é aproximadamente 260 kg (575 lbs).

Cada carro deve, por regulamento, utilizar o mesmo motor para uma corrida completa (treino, qualificação e a corrida) ou ser penalizado. As corridas têm normalmente 300 – 500 milhas de comprimento, pelo que a vida útil de concepção de um motor é de até 800 milhas.

No final da temporada de 2006, os motores Cup fizeram uma potência máxima de cerca de 820-830 BHP a cerca de 9000 RPM, e um torque máximo de cerca de 520 lb-ft a cerca de 7500 RPM. Durante uma típica corrida oval, estes motores rodam continuamente entre cerca de 7000 e 10.000 RPM. Tenho a certeza de que, se não fosse a regra da engrenagem final, os motores Cup de hoje (2014) estariam a funcionar perto das 11.000 RPM.

UPDATE (e outra curta rpm):

Como no final da época NASCAR 2014, os motores CUP (358 CI, single 4-barrel, em GAS) tinham atingido a proximidade de 890 HP a cerca de 9000 RPM, e a regra da engrenagem limitou a sua velocidade na pista a cerca de 9500 RPM. O torque de pico era superior a 540 lb-ft (BMEP de 227,5, relação de torque de 1,51).

(NOTA que a tabela de comparação no final deste artigo se baseia em níveis de desempenho de 2006 de cerca de 825 HP e 481 lb-ft.)

A título de comparação, muitos dos construtores de motores de corrida de hoje (2020) ficam entusiasmados e gabam-se de fazer 890 CV a partir de um motor de 410 polegadas cúbicas com injecção de combustível individual de 8 corredores, funcionando com combustível METANOL.

É extremamente frustrante para mim que esta incrível configuração do motor CUP tenha sido legislada pelo braintrust da NASCAR. Para a época de 2015, no alegado interesse de “custo reduzido” e “melhor corrida”, estes génios decretaram que os motores CUP serão equipados com um “Espaçador Cónico” localizado entre o corpo do acelerador e o plenum de admissão. Este espaçador é pouco mais do que uma placa restritora, o que limita a quantidade de ar que o motor pode ingerir. Esta alteração de regra reduziu imediatamente a potência do motor para cerca de 725 CV.

E enquanto os burocratas da NASCAR se queixam de “reduzir o custo das corridas”, esta alteração de regra exigiu mais uma vasta despesa de R&D dinheiro para desenvolver um novo pacote de motor (câmara de combustão, portas, colectores, configuração de plenum, perfis de came, molas de válvulas, etc. etc. etc.) para optimizar o desempenho deste novo pacote de motor (diferente).

As empresas de motores, utilizando camiões basculantes-cheios de dinheiro e competências espantosas, desenvolveram-no desde a região de 725 CV de volta até cerca de 750 CV.

THEN, como se isso não reduzisse suficientemente a qualidade das corridas, para a época de 2019, os feiticeiros governantes legislaram um espaçador cónico ainda mais pequeno que permite apenas cerca de 550 CV. —— HEY GUYS, já TEM os carros XFINITY.

h4>GOOD GRIEF, posso ir ao concessionário de carros de canto e comprar um STREET CAR com mais potência que isso.

“Brain-Dead-Brian” ataca novamente! (Ainda bem que já não tenho carta de condução NASCAR)

COMPARISTAS

Na base da relação entre BHP e deslocamento, pode-se argumentar que o motor de Fórmula 1 é vastamente superior (315 BHP por litro versus 140 BHP por litro). Contudo, dada a latitude do desenho, que permite que o motor de Fórmula Um funcione bem a 20.000 RPM, talvez haja melhores critérios para comparar estes motores.

O resto deste artigo examina vários outros critérios para comparar o desempenho destes dois motores.

O quadro no final deste artigo lista esses critérios e outros números relevantes num formato lado a lado, com números de linha para cada item, a fim de tornar mais fácil a localização de referências frequentes no texto.

As dimensões básicas, peso, potência e números de torque foram obtidos de engenheiros que operam nos respectivos campos e fornecidos sob condição de anonimato.

BMEP e MPS

Dois dos parâmetros de comparação de desempenho mais aceites são Pressão Média Efectiva de Travagem (BMEP, explicado AQUI) e Velocidade Média de Pistão (MPS, explicado AQUI).

O BMEP do motor de Fórmula 1 no torque de pico (linha de tabela 13) é de 15,17 bar enquanto o motor Cup produz um torque de pico BMEP de 15,12 bar (0,3% menos).

Na potência de pico, o valor BMEP de Fórmula 1 (linha de tabela 22) é de 14,6 bar enquanto o valor Cup é de 14,0 bar (4,1% menos).

É evidente que produzir 15,17 bar BMEP a 17.000 RPM e 14,6 bar a 19.250 RPM são resultados notáveis, dado que a relação entre a Pressão Média Efectiva de Atrito (FMEP) e BMEP é muito mais elevada na Fórmula Um do que na RPM da Taça.

No entanto, é espantoso que o BMEP da Taça (lembre-se, came de taco plano, haste de empurrar / balancim, duas válvulas por cilindro, carburador único) seja apenas 0.3% menos que o valor da Fórmula 1 no pico de binário, e apenas 4,1% menos que a Fórmula 1 no pico de potência.

Even mais revelador, no pico de potência RPM (linha de tabela 19) o motor MPS de Fórmula 1 (linha de tabela 23) é 25,5 m/s (5025 pés/min), enquanto que o do motor Cup é menos de 3% mais baixo a 24,8 m/s (4875 pés/min). Na linha vermelha, o Fórmula 1 MPS é 26,5 m/s, enquanto o Cup MPS é um impressionante 27,5 m/seg. Para colocar esses números em perspectiva, o Professor Gordon Blair escreveu (Race Engine Technology, número 27) que 26,5 m/s era o mais alto que tinha visto.

p>Embora seja prudente com empirismos, é interessante comparar os valores não-dimensionais de BMEP x MPS (barra x m/s) na potência de pico (linha de tabela 24) e no torque de pico (linha de tabela 15).

No pico de potência, o valor do motor Cup é apenas 7% inferior ao do motor de Fórmula 1, mostrando novamente o notável desempenho extraído deste V8 baseado na produção. Há uma maior disparidade no binário de pico (quase 9%), em grande parte devido à maior dispersão entre a potência de pico e o binário de pico no motor Cup (15% da linha vermelha versus 11% da linha vermelha para o motor de Fórmula 1).

MOÇÃO DE PISTÃO

A aceleração líquida imposta a um pistão é na realidade a soma de duas curvas independentes: acelerações primárias e secundárias, mostradas na Figura 1 abaixo e explicadas de forma mais completa AQUI.

Figure 1 – Componentes de Aceleração do Pistão

A aceleração primária (a linha azul na Figura 1) é uma curva de primeira ordem, baseada na velocidade angular da cambota ao quadrado, ângulo da manivela e comprimento do curso, enquanto a aceleração secundária (a linha verde na Figura 1) é uma curva de segunda ordem, baseada na velocidade angular da cambota ao quadrado, o dobro do ângulo da manivela, e a relação haste/curso.

Enquanto a componente primária da aceleração do pistão tem igual magnitude mas sinal oposto em cima e em baixo, a componente secundária (aquela que é gerada em virtude do movimento lateral do biela) tem um sinal positivo em cima e em baixo, como mostra a linha verde. Portanto, no TDC, o pico secundário adiciona ao pico primário, enquanto que no BDC, o pico secundário subtrai do primário, como mostra a linha magenta.

Figure 2 abaixo é um gráfico de perfis de velocidade e aceleração do pistão para ambos os motores na linha vermelha (linha da tabela 28), 20.000 e 10.000 RPM respectivamente.

Figure 2 – Comparação de Velocidade e Aceleração do Pistão

Existem vários itens de interesse aqui. O primeiro (talvez surpreendente) é que embora a velocidade da cambota da Fórmula 1 na linha vermelha seja o dobro da do motor Cup, a velocidade máxima do pistão (linha de tabela 30) para o motor Cup é na realidade 5% maior do que a do motor Fórmula 1 na linha vermelha (44,6 m/seg. vs. 42,4 m/seg.), como mostrado graficamente pelas linhas amarela (CUP) e teal (F1) na Figura 2.

A relação vareta/curso afecta visivelmente a forma da curva de aceleração na região do BDC. Note-se que a curva da Fórmula 1 atinge o pico da aceleração negativa no BDC, enquanto a curva Cup é essencialmente plana para 26° de cada lado do BDC.

P>Even, embora a distância centro-centro da haste da Fórmula 1 seja apenas 102 mm (4,016 in), a grande relação haste/curso (2,56) produz uma componente de aceleração secundária relativamente pequena. Isto é útil, uma vez que com uma cambota plana, as acelerações secundárias produzem um abanão horizontal considerável.

Assumindo que não há deslocamento do pistão, a aceleração máxima positiva do pistão ocorre no TDC. O conjunto alternativo exerce a maior força de tracção sobre a haste no ciclo de sobreposição TDC porque praticamente não há pressão do cilindro para compensar a força de aceleração, enquanto que no TDC-combustão, a pressão do cilindro aproxima-se do seu valor máximo de cerca de 85 – 90 bar, o que irá cancelar completamente a força de aceleração de tracção e produzir uma grande carga compressiva sobre a haste.

A grande diferença na Aceleração do Pistão de Pico (PPA) entre a Fórmula 1 e a Virabrequim está na direcção que seria de esperar dados os valores de velocidade da cambota. Na linha vermelha, o PPA de Fórmula Um é 10.622 g em comparação com o valor Cup de 5821 g. Note-se que o PPA na linha vermelha (linha 31 da tabela) para o motor de Fórmula Um é 82% maior do que o do Cup, enquanto que tanto a velocidade de pico como a velocidade média do pistão (linhas 29 & 30) são bastante semelhantes para ambos os motores.

No entanto, comparar os níveis de força que esses valores de aceleração produzem é revelador. O pacote de pistão da Fórmula 1 (pistões, anéis, pino de pistão, circlips) pesa cerca de 295 gramas (linhas 33-35). A 20.000 RPM, o PPA provoca uma carga de tracção no furo do pistão do biela (linha 41 da tabela) de 10622 g x 0,295 kg = 3133 kg (6894 lb), e o pacote do pistão mais a parte recíproca da biela exerce uma carga de tracção de 4036 kg (8880 lb) na secção transversal da viga da haste (linha 42 da tabela) no CG (aproximadamente 1.23 polegadas a partir do centro da extremidade grande).

Em comparação, o pacote de pistão da Taça (pistões, anéis, pino de pistão, circlips) pesa cerca de 500 gramas (linhas 33-35). A 10.000 RPM, a PPA provoca uma carga de tracção no furo do pistão da biela (linha 41 da tabela) de 5821 g x 0,50 kg = 2911 kg (6403 lb), apenas 7% menos do que o valor da Fórmula 1. Da mesma forma, o pacote do pistão mais a parte recíproca da biela exerce uma carga de tracção de 3725 kg (8196 lb) na secção transversal da viga da biela (linha da tabela 42) no CG (aproximadamente 1,66 polegadas do centro da extremidade grande), apenas 8% menos que o motor da Fórmula Um.

COMPARAÇÃO DA HASTE CONEXAÇÃO

A fim de fazer uma comparação aproximada dos níveis de tensão e deflexão da biela, gerei modelos estimados das duas bielas. Uma vez que não tive o privilégio de ver bielas de nenhum dos motores, utilizei alguns dados conhecidos sobre as hastes Cup e Fórmula 1 (comprimento, peso, material, diâmetros de manivela, e diâmetros de pistão) mais alguns palpites educados.

O material da haste Cup é necessário ser aço, e foi-me dito que a liga 300 ksi, de muito alta tenacidade 300-M é utilizada frequentemente, embora se tenha insinuado a utilização de uma liga maraging de níquel elevado, cobalto elevado, muito baixo carbono 350 ksi. Tem uma configuração “H’-beam”, um comprimento de linha central de 157,5 mm (6,2 polegadas), diâmetro da manivela de 47 mm (1,85 polegadas) , diâmetro do pistão de 20 mm (0,787 polegadas) , e um peso mínimo especificado de 525 gramas.

Foi declarado publicamente por um fornecedor bem conhecido de tais hastes que uma haste suficientemente forte e rígida pode ser fabricada a um peso bem inferior ao peso mínimo. Portanto, é seguro considerar que o material foi adicionado à vara onde pode ser de maior benefício.

Uma das áreas de maior deformação sob carga é a ovalização do furo do pistão sob carga de tracção, que belisca o pistão e assim aumenta as perdas por fricção. Uma secção de viga mais leve é adequada para as cargas de tracção, compressão e encurvadura aplicadas. Portanto, para atingir o peso mínimo de 525 gramas, adivinhei a existência de costelas de endurecimento à volta do furo do pistão.

O mesmo raciocínio foi aplicado à haste de Fórmula 1. Foi-me dito que a haste da Fórmula 1 é uma disposição de viga “H” em titânio, com um comprimento de linha central de 102 mm (4,016 polegadas), 34 mm (1,34 polegadas) de diâmetro da manivela, 18 mm (0,709 polegadas) de diâmetro do pistão, e um peso declarado na proximidade de 285 gramas.

Desde que a rigidez das ligas de titânio é aproximadamente metade da do aço, assumi a utilização da liga de titânio 6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0.25Si Alpha-Beta para projectar a nossa haste de Fórmula 1 estimada. Esse material tem um alto módulo Young (17,7 milhões) em comparação com outras ligas de titânio, e uma densidade média da estrada, o que permite muito material (boa rigidez) mantendo ao mesmo tempo um baixo peso. A existência de costelas de endurecimento dos pinos de pistão foi também assumida para esta vara, pelas mesmas razões que para a vara da Taça.

Os desenhos estimados resultantes são mostrados na figura seguinte (Figura 3). A existência destes modelos estimados permite a estimativa dos componentes de peso recíprocos (extremidade pequena) e rotativos (extremidade grande) de cada haste, levando a uma comparação das cargas aplicadas à viga da haste e à manivela pelos dois motores.

Figure 3 – F1 estimada e Vara de Chuva

P>Embora as cargas de tracção aplicadas sejam maiores no motor de Fórmula 1 (linha de tabela 42), a tensão de tracção calculada sobre a barra de haste (linha de tabela 44) é substancialmente menor na barra de Fórmula 1 devido à sua maior área de secção transversal (0,429 in² vs. 0,299 in² nos modelos CAD). O nível de tensão mais baixo na haste de Fórmula 1 reduz o alongamento TDC do titânio menos rígido, e ajuda a haste a viver com o limite máximo, rendimento e resistência muito mais baixos do material de titânio também.

No entanto, as tensões de tracção e compressão da viga em ambas as hastes não são tão grandes como as tensões em torno do olho do pino e das costelas da tampa. Dentro dos limites de tempo impostos à geração deste artigo, pude fazer alguns estudos da FEA sobre ambas as hastes. Todos os estudos assumiram extrema resistência, parafusos de haste de 8 mm e utilizaram 8000 libras de pré-carga em cada parafuso, para proporcionar uma margem substancial de aperto de tampa a haste.

Estes estudos mostraram que

1. Em carga compressiva máxima, as tensões e margens de encurvadura em ambas as hastes são aceitáveis (embora as hastes de viga “I” tenham consideravelmente mais margem de encurvadura com as mesmas cargas do que as hastes de viga “H” de secção transversal semelhante),
2. Em carga de tracção máxima, as tensões são aceitáveis e têm margens dos respectivos limites de resistência adequadas para as suas vidas de concepção, e
3. As tensões nos parafusos de barra são muito elevadas (mais de 180.000 psi), mas com uma pré-carga tão elevada, são não cicláveis, pelo que provavelmente não estão sujeitas a falhas de fadiga.

Os estudos também mostraram que com ambas as hastes, uma maior optimização em termos de movimentação de material de áreas de menor tensão para áreas de maior tensão produziria maior rigidez e menores tensões em áreas críticas. As duas imagens de FEA (Figuras 4 e 5) mostram as tensões para as configurações assumidas de Fórmula 1 e de hastes de Copo.

Figure 4 – F1 Rod FEA

Figure 5 – Cup Rod FEA

IN SUMMARY

Stepping back to fundamentals for a moment, sabemos que a potência potencial que qualquer motor pode produzir depende directamente de dois factores:

1. A massa de ar que pode ingerir por segundo, e
2. O BSFC que pode coaxar a partir do combustível.

O parâmetro de fluxo de ar de massa abrange elementos incluindo desenho de fundo (capacidade RPM), rotor, porta, desenho de válvula e câmara, perfil de came e desenho de valvetrain, e outros.

O parâmetro BSFC engloba elementos incluindo o conteúdo térmico do combustível, a relação ar-combustível de melhor potência, eficiência térmica, eficiência mecânica, homogeneidade da mistura, movimento da mistura, concepção da câmara, qualidade de combustão, e outros.

Fluxo de ar de massa depende de:

1. Densidade do ar e
2. Eficiência volumétrica (VE).

A 100% VE, o volume de ar que um motor a quatro tempos pode ingerir é proporcional: RPM x Deslocamento ÷ 2. Para expressar esse fluxo de ar potencial, vou definir o termo Número de Fluxo de Ar Potencial (PAN) como:

É revelador examinar a relação entre a potência produzida e o fluxo de ar potencial. Usando o fluxo de ar potencial expresso pelo PAN, posso gerar um empirismo que exprime claramente essa relação. Chamemos-lhe Coeficiente de Desempenho do Motor (EPC) porque fornece outra base (para além de BMEP, BSFC, MPS e BHP/Cubic-Inch) para comparar um motor com outro. Esse factor (EPC, linha 9 da tabela) engloba todas as variáveis de concepção do motor.

Combinação de termos e rearranjo da equação produz:

No pico da potência, o EPC do motor de Fórmula 1 é:

Likewise no pico da potência, o motor EPC de Fórmula 1 EPC é:

É muito revelador considerar que o valor EPC para o motor de Fórmula 1 EPC é apenas 4,3% inferior ao do motor de F1. Mais uma vez, lembrar as limitações impostas ao motor Cup. Algumas das mais severas são a haste de empurrar / braço basculante, duas válvulas por cilindro, e o carburador único.

Sem dúvida, mas muito significativas são limitações tais como o diâmetro do tapete plano de 0,875. Esta restrição limita severamente a velocidade de elevação (polegadas/grau) que pode ser atingida. No entanto, uma vez que o verdadeiro objectivo é atingir a velocidade na válvula, o pessoal do motor Cup desviou-se claramente dessa limitação com grandes lóbulos de came de círculo de base, imensos rácios de rocker, e empurrões e balancins muito rígidos.

Considerando as restrições, a pequena diferença de 4,3% em EPC entre a Fórmula 1 e Cup dá uma ideia real de quão inteligente o pessoal do motor Cup é realmente.