Localizado na parte superior do motor, o cabeçote é conhecido como tampão, por vedar o cilindro e junto a cabeça do pistão formar a câmara de combustão, sendo esta sua principal função. O cabeçote possui também a função de alojar válvulas, sedes de válvulas, guias de válvulas, suporte roscado para as velas de ignição e os bicos injetores. Como todos estes componentes possuem funções de grande influência no fluxo de ar para dentro do cilindro, o cabeçote torna-se um dispositivo de controle do fluxo de ar, determinando o momento de entrar e sair do cilindro. Por essa razão, tem uma papel importante no desempenho do motor.

Fabricação

Por alojar e formar a câmara de combustão, o cabeçote é quem recebe a maior quantidade de calor que o motor produz. Sendo assim, sua fabricação é feita atualmente por ligas de alumínio (duralumínio ou alpax) ou ferro fundido. Com o crescimento da eficiência dos motores e a diminuição da cilindrada, o cabeçote passou a ser submetido a pressões ainda mais altas, e claro, a temperatura também cresceu. Isto fez a utilização de fundições vermiculares (microestrutura em que a maior parte do carbono encontra-se na forma de grafita vermicular) mais frequente. No entanto, o alumínio tornou-se o principal composto para fabricação de cabeçotes.

Montagem

Tanto o bloco como o cabeçote devem ter suas superfícies de assentamento perfeitamente planas. A montagem do cabeçote no bloco é realizada sobre uma junta metaloplástica. A junta possui uma posição de montagem que deve ser obedecida (indicada na junta pela marcação TOP), mas geralmente estas permitem montagem em posição única. Além disso, o bloco possui um pino guia para sua montagem. A função da junta do cabeçote é vedar o cabeçote impedindo que os demais sistemas que naquele local funcionam percam sua vedação e deixem de funcionar.

O cabeçote é aparafusado no bloco por parafusos ou porcas e prisioneiros, possui torques específicos e sequências de aperto determinadas. Basicamente para apertos, se segue a sequência do centro para a extremidades do cabeçote alternando de um lado para o seu lado oposto até alcançar as extremidades. Na desmontagem segue o processo inverso, os parafusos são afrouxados em uma sequência de fora para o centro, alternando de um lado para o seu oposto até chegar ao centro.

Muitos fabricantes além de utilizar torque especificados, utilizam também ângulos de aperto após o torque dos parafusos. Primeiro se aperta todos os parafusos a mão, então é aplicado o procedimento de aperto com torque na sequência especificada, e finalmente o ângulo de aperto final. O ângulo geralmente varia de 30 a 180°. Não seguir as sequências e o torques de aperto pode empenar o cabeçote ou no mínimo comprometer a junta, que não resiste a apertos excessivos.

Tipos

Os cabeçotes variam quanto:

• Ao fluxo do gás;
• Ao tipo de sistema de distribuição

As variações do cabeçote quanto ao fluxo, são as seguintes:

• Cabeçotes de contrafluxo;
• Cabeçotes de fluxo cruzado.

As variações do cabeçote quanto tipo ou presença do sistema de distribuição, são as seguintes:

• Cabeçotes com conjunto de balancins, sem árvore de comando de válvulas (OHV);
• Cabeçotes com árvore de comando de válvulas e demais dispositivos de distribuição;
• Cabeçote sem dispositivos de distribuição;
• Cabeçotes aletados.

Cabeçotes de contrafluxo

São cabeçotes em que os dutos de admissão e escape encontram-se do mesmo lado, os dutos de admissão e escape são mais curtos e limitados devido sua configuração. Representam uma boa opção para motores que utilizam sobrealimentação ou que são montados na transversal.

Cabeçotes de fluxo cruzado

Esta configuração visa garantir uma maior liberdade no desenvolvimento dos coletores de admissão e escape e garantir o fluxo diagonal de gases, pois os dutos de admissão e escape estão em lados opostos do motor.

Cabeçotes com conjunto de balancins, sem árvore de comando de válvulas (OHV)

Cabeçote provido apenas do eixo dos balancins, fica implícito que a árvore de comando de válvulas localiza-se no bloco do motor. O acionamento das válvulas é obtido por intermédio das varetas de acionamento, que por sua vez acionam os balancins e então as válvulas.

Cabeçotes com árvore de comando de válvulas e demais dispositivos de distribuição

Possui ambos eixo dos balancins e árvore de comando de válvulas, ou no caso de motores em que o acionamento de válvula é direto, apenas a árvore de comando de válvulas no cabeçote.

Cabeçote sem dispositivos de distribuição

Tipo de cabeçote destinado a motores com configuração Ricardo, ou seja, árvore de comando no bloco e válvulas laterais.

Cabeçotes aletados

Configuração de cabeçote destinada a motores arrefecidos a ar, as aletas aumentam a área de contato do cabeçote com o ar externo, e geralmente tem sua ventilação auxiliada por uma ventoinha.

Câmara de combustão

Quando montado no bloco do motor, o cabeçote forma, com a superfície de topo pistão e o as paredes do cabeçote, a câmara de combustão. Para que esta tenha a mais rápida e progressiva combustão da mistura, a forma da câmara deve ter dimensões compactas e ser o mais próximo possível de uma esfera. A disposição das válvulas no motor influência no formato da câmara de combustão. Existem duas disposições tradicionais:

• Câmara de combustão com válvulas laterais – Ricardo;
• Câmara de combustão com válvulas no cabeçote.

Câmara de combustão com válvulas laterais – Ricardo

Concepção antiga e que não atende aos exigentes níveis de eficiência impostos aos motores atuais. Conhecida também com câmara de combustão ricardo, esta disposição desempenha uma fraca compressão da mistura, cerca 6:1 resultando em pouco aproveitamento do combustível. As válvulas são dispostas lateralmente. Quando o pistão encontra-se no PMS ele comprime a mistura em uma câmara de combustão que aumenta em direção as válvulas. Contudo, seu formato proporciona uma boa turbulência da mistura dentro da câmara.

Câmara de combustão com válvulas no cabeçote

Motores com válvulas no cabeçote predominaram o mercado, e mesmo sendo uma configuração comum a todos os automóveis existem pequenas diferenças com relação a forma da câmara de combustão. Existem três tipos mais utilizados:

• Câmaras hemisféricas;
• Câmara de banheira invertida;
• Câmara de cunha.

Câmara de combustão hemisférica

Podem comportar árvores de comando no cabeçote ou no bloco com eixo de balancins no cabeçote. Sua forma facilita amplamente o dimensionamento dos dutos de admissão e escape, que possuem fluxo cruzado. Essa configuração possui excelente rendimento devido ao tamanho dos dutos e das válvulas facilitarem o enchimento dos cilindros.

Câmara de combustão em forma de banheira invertida

O objetivo desta configuração é encurtar o trajeto de propagação da chama dentro da câmara, e então a diminuição da detonação do motor. Esta câmara possui formato de uma banheira invertida se vista lateralmente, as válvulas se localizam na sua parte superior e a vela de ignição na parte inclinada, isto garante a diminuição da turbulência da mistura dentro da câmara.

Câmara de combustão em forma de cunha

Também com o objetivo de reduzir o trajeto de propagação da chama, esta possui o formato de uma cunha, e as válvulas estão alojadas na parte inclinada maior, enquanto que a vela de ignição está na parte de menor inclinação. Isto garante os mesmos efeitos da câmara de banheira invertida, mais a medida que a chama se propaga, devido ao formato da câmara, a temperatura da combustão reduz, reduzindo também as chances de ocorrer a detonação.

Taxa de compressão/Relação Volumétrica

Definido de acordo com o projeto do motor, a sua relação volúmica ou volumétrica, ou simplesmente taxa de compressão, tem fator determinante na eficiência do motor. Para determinar a taxa de compressão, basta sabermos o valor do volume admitido pelo cilindro e o volume da mistura comprimida. Então utilizamos a seguinte fórmula matemática:

Tc = (Va+Ve)/Ve

Logo:

Tc = (Va/Ve) + 1

Onde:

• Tc é a taxa de compressão;
• Va é o volume do cilindro;
• Ve é o volume da mistura comprimida, ou também chamado volume de explosão.

Componentes do cabeçote

Os componentes fundamentais de um cabeçote são:

• Corpo;
• Guias de válvulas;
• Sedes de válvulas.

Corpo

Cada parte do corpo do cabeçote tem um propósito em seu funcionamento, são elas:

• Sua superfície plana e usinada objetiva manter o perfeito assentamento sobre a junta e o bloco do motor, garantindo a vedação dos sistemas;
• Formação da câmara de combustão em conjunto com os cilindros e seus respectivos pistões;
• Canais do circuito de arrefecimento do motor pelo cabeçote, através do qual o fluído de arrefecimento percorre seu caminho e garantindo a temperatura ideal de funcionamento do veículo;
• Canais de lubrificação para os componentes do cabeçote: Tuchos, árvore de cames e eixo de dos balancins;
• Canais de admissão e escape por a onde a mistura entra para a câmara de combustão e por onde escapa para os coletores de escape;
• Alojamento das guias e sedes de válvulas;
• Orifício roscado para montagem das velas de ignição nas câmaras de combustão;
• Mancais de apoio do eixo dos balancins e árvore de cames.

Guias de válvula

Sua forma alongada se estende da extremidade superior até a extremidade inferior da haste da válvula, são fabricadas em ligas de cobre, fundição ou bronze, garantindo o mínimo de fricção com a válvula. São isentas de lubrificação, e para evitar o acúmulo de óleo é comum que sua ponta superior seja cônica, além de contar com os retentores de válvula nas hastes das válvulas. Devem apresentar boa condutividade térmica e boas propriedades antifricção.

Sede de válvulas

Com sua forma cônica, sobre a sede é assentada a contra-sede das válvulas. É encaixada sobre pressão e sua fabricação é de fundição dura, aço estelitado ou temperado, pois são componentes submetidos a temperaturas elevadas, e sua remoção em caso de desgaste será um custo a mais para a reparação do motor, por isso devem ser bastante resistentes. O perfeito assentamento é garantido através do ângulo de inclinação das sedes e contra-sedes, que são iguais.

Peças montadas no cabeçote

O cabeçote, como visto acima, serve de alojamento para outros componentes do motor não menos importantes para o seu funcionamento, são eles:

• Árvore do comando de válvulas;
• Válvulas(e seus dispositivos);
• Tuchos;
• Balancins;
• Molas de válvulas;
• Coletor de admissão;
• Coletor de escape.

Coletor de admissão

É um conjunto de dutos que canalizam o ar atmosférico para dentro dos cilindros, a passagem de ar é controlada pela válvula borboleta que é instalada sobre o coletor.

Antigamente, o carburador era instalado sobre o coletor de admissão, e com isso a mistura ar/combustível era injetada logo no início do coletor. Contudo por ser um componente mecânico, o carburador precisava ser periodicamente revisado e regulado. A condensação do combustível nas frias paredes do coletor também foi um grande problema que perdurou dos carburadores até os sistemas de injeção eletrônica monoponto.

Com o fim do carburador e o progresso dos sistemas de injeção eletrônica, a injeção de combustível, que antes era no início do coletor de admissão, passou para a ser o mais próximo possível das válvulas de admissão, com os bicos injetores montados no final do coletor. Isto reduziu as perdas por condensação do combustível, e contribuiu para o aumento da eficiência dos motores.

Os principais materiais de construção dos coletores de admissão são o alumínio e o plástico. Coletores inteiramente de alumínio eram comuns em motores carburados, mas atualmente o plástico é mais utilizado devido a sua superfície ser mais lisa e reduzir o atrito do ar com as paredes do coletor, além de ser mais leve. Também há casos em que o coletor de admissão é uma peça combinada de duas partes, sendo uma de plástico e a outro aluminio.

É fixado no cabeçote com parafusos ou porcas (com torque especificado), e possui juntas de borracha para garantir a vedação no cabeçote e do corpo de borboleta.

Para entrar no coletor de admissão, o ar precisa ser filtrado para reter as partículas sólidas (poeira) que podem reduzir a vida útil do motor. O elemento filtrante é o filtro de ar do motor, e está localizado logo acima do coletor e antes do corpo de borboleta.

Coletor de Escapamento

Trata-se de um conjunto de dutos que canalizam os gases de escapamento para a tubulação de escape. O coletor de escapamento possui uma tubulação para cada cilindro do motor, que resulta em um único tubo que se liga a tubulação de escapamento. Para suportar as altas temperaturas dos gases de escape, o coletor de escapamento é feito inteiramente em ferro fundido. Entretanto, materiais como aço inoxidável e cerâmica também são utilizados, tudo depende do projeto do motor.

Geralmente, o coletor é protegido por uma capa metálica, que aquece devido ao contato com o coletor, mas também troca de calor mais rapidamente com o ar envolta. Assim a alta temperatura do coletor de escapamento não prejudica (tanto) os demais componentes dentro do cofre do motor.

No coletor de escapamento, dos motores com injeção eletrônica, é instalada a primeira sonda lambda do sistema, a sonda pré-catalisador, que tem a função de identificar o nível de oxigênio nos gases de escape. O coletor de admissão possui três tipos básicos:

• Coletor Simples: Neste, todos os dutos provenientes de cada cilindro encontram-se no coletor, possuem apenas uma saída central dos gases para a tubulação de escape;
• Coletor Duplo: Também possui uma saída para todos os dutos, porém os dutos são formados em pares (como se fossem dois coletores);
• Coletor Múltiplo: Cada cilindro possui um coletor próprio, mas que também desembocam em uma saída comum que o liga a tubulação de escapamento.

A diferença entre os três tipos de coletores de escapamento, é o quanto eles reduzem a contra pressão dentro da tubulação de escape, e com isso, aumentando eficiência volumétrica do motor. Justificando o aumento de potência quando se utiliza um coletor de escape alto desempenho.

Árvore do Comando de Válvulas

Também conhecido como eixo de cames, a árvore do comando de válvulas controla a entrada de ar (injeção direta) ou da mistura ar/combustível (injeção no coletor) e saída dos gases de escapamento. A fabricação da árvore do comando de válvulas utiliza-se de aço cementado, temperado e retificado ou de fundição de níquel-cromo-molibdênio tendo seu excêntricos temperados em coquilhas (processo no qual o metal líquido vaza por gravidade em molde de duas ou mais partes).

A árvore do comando de válvulas, quando montada no cabeçote, é suportada por mancais lubrificados, estes podem ser de ferro fundido ou de bronze. O aperto de cada capa do mancal possui uma sequência que deve ser obedecida a fim de impedir o empenamento da árvore.

A árvore do comando de válvulas é acionada pela árvore de manivelas (virabrequim), o acionamento pode ser feito por uma correia de borracha, corrente ou por engrenagens. A correia de borracha, são mais silenciosas, baratas e possuem prazo de validade, ou seja requerem troca. Enquanto que correntes não requerem manutenções, estão imersas no óleo lubrificante e não possuem necessidade de troca, mas caso seja necessária, sua mão-de-obra é onerosa. O acionamento por engrenagem é utilizado quando se requer um maior controle sobre o movimento das mesmas, correntes e correias devem ser tensionadas, e exigem dispositivos para garantir isso, além de sua resistência ao torque do motor ser limitada, nesse ponto as engrenagens possuem grande vantagem, mas custam muito mais caro.

A relação de transmissão entre a árvore do comando de válvulas e o virabrequim é 1:2, ou seja, a cada duas voltas do virabrequim, a árvore do comando de válvulas completa apenas 1 volta.

O came é um ressalto usinado no eixo, possui elevada dureza, e mesmo sendo do mesmo material que a árvore do comando de válvulas, é comum este passar por processos de nitretação e cementação. Sua função é transformar o movimento giratório da árvore do comando de válvulas em movimento retilíneo da válvula. O perfil do came varia com o projeto, é ele quem determina o quanto a válvula ficará aberta e fechada. Além disso o came não aciona a válvula diretamente, pois é necessário que entre o came e a válvula exista uma tolerância que considere a dilatação térmica do came. Portanto, o came sempre aciona tucho (mecânico ou hidráulico) ou uma haste impulsora, ou um conjunto de balancins. Em todos esses componentes, deve haver uma folga entre eles e a árvore do comando de válvulas. Essa folga pode ser ajustada mecanicamente (tucho mecânico) ou hidraulicamente (tucho hidráulico), além disso o came pode acionar também tucho com roletes, estes são utilizados para reduzir o atrito no came, e consequentemente seu desgaste.

Válvulas

Os motores de combustão interna automotivos possuem pelo menos 2 duas válvulas, sendo uma de admissão e outra de escape. Ambas são feitas em aço ao níquel, cromo, cromo-níquel ou tungstênio. Entretanto, ambas estão expostas a situações distintas, ou seja, as válvulas de admissão estão em contato com o ar fresco admitido pelo motor, e assim possuem uma temperatura moderada (250 – 300 ˚C), não necessitando de um tratamento para intensas cargas térmicas. Enquanto as válvulas de escape devem suportar as altas temperaturas dos gases de escapamento, temperatura essa que somada ao ataque químico dos gases aceleram a oxidação das válvulas. Por isso são utilizados cromo, que funciona com um antioxidante (aço inoxidável), tungstênio e níquel que concebem resistência térmica à válvula. Quando o motor está funcionando a regimes plenos e constantes, as válvulas de escape trabalham com textura vermelho-escuro.

As válvulas são montadas no cabeçote pela parte inferior, após alojadas em suas respectivas sedes e guias de válvulas, são travadas pelas travas de válvulas, estas fazem com que as válvulas permaneçam fixadas aos pratos de válvulas. Os pratos estão sobre as molas de válvulas. A cada passagem do ressalto do came pela válvula, a força da mola é vencida e a válvula (seja de admissão ou escape) desce, a válvula volta a subir pressionada pela força da mola após o came desacionar a válvula.

Por estarem em contato direto com câmara de combustão e os processos que lá ocorrem, as válvulas devem trocar de calor eficientemente, esta troca ocorre através das sedes e guias de válvula, que promovem a troca de calor por contato com as válvulas. O calor adquirido por sedes e guias são passados ao fluído de arrefecimento. Além disso, as sedes de válvulas desempenham uma excelente vedação da câmara de combustão, e nestas as válvulas devem assentar perfeitamente. As sedes de válvulas são superfícies de apoio inclinadas, o seu ângulo de inclinação varia entre 45˚ e 60˚. Sedes com ângulo de 45˚ conseguem assentar melhor as válvulas, garantindo uma posição totalmente centralizada, mas prejudicando a passagem da mistura ou dos gases queimados. Enquanto que sedes com 60˚ promovem um fluxo maior de ar ou gases em relação a sedes com 45˚. Outro fator influente é o diâmetro das sedes, que deve ser o maior possível, desde que o diâmetro da válvula seja até 0,8 mm maior que o da sede. A largura das sedes também influi na eficiência de vedação, varia de 1 a 2 mm, quando estreitas garantem melhor vedação mas sacrificam um pouco a troca de calor entre sede e válvula e sua vida útil, quando largas melhoram a troca de calor, mas perdem um pouco de eficiência em sua vedação.

Tuchos

São pequenos componentes que intermediam o acionamento do balancim ou da própria válvula pelo cames da árvore do comando de válvulas, garantindo as folgas entre os mesmos de forma a obter o funcionamento adequado. Os tuchos possuem dois tipos, os tuchos mecânicos e os tuchos hidráulicos.

Tuchos mecânicos são feitos de aço nitrado. São instalados logo acima das válvulas ou das hastes de acionamento dos balancins, dependendo do tipo de sistema de distribuição. O controle da folga entre árvore do comando de válvulas e tuchos mecânicos é realizado através de pastilhas. Cada pastilha possui uma medida e vão sendo substituídas de acordo com o desgaste do conjunto.

A folga entre o tucho e a válvula é necessária para que a válvula possua uma posição de repouso completa em seu assento, também para que a dilatação tanto da válvula, como da árvore do comando de válvulas, aconteça livremente. Os valores de folga variam de acordo com o projeto do motor, mas o padrão é que os valores de folga para válvulas de escape sejam mais generosos. A regulagem da folga é realizada com o motor em posição de ponto morto superior de escapamento.

O ponto fraco deste tipo de tucho é sua predisposição ao desgaste, embora em alguns casos o tucho seja acionado pelos balancins, o desgaste ocorre ou no próprio tucho ou no balancim, com a formação de uma cavidade na superfície de ambos. A reparação é feita através da troca das pastilhas dos tuchos ou pela retificação dos balancins.

Os tuchos hidráulicos funcionam a partir da pressão do sistema de lubrificação do motor, trata-se de pequenos cilindros alojados no cabeçote. Os alojamentos dos tuchos possuem um orifício de entrada de óleo lubrificante pressurizado, este orifício coincide o orifício de entrada de óleo contido no tucho, é o óleo que possibilita o funcionamento do tucho hidráulico.

O cilindro é oco, e dentro dele encontra-se um mergulhador, uma peça que desloca livremente dentro do tucho. O mergulhador divide o tucho em duas câmaras, a câmara de alimentação e a câmara de compressão. Entretanto o mergulhador dispõe de um canal que comunica a câmara de alimentação com a câmara de compressão, neste canal e dentro da câmara de compressão encontra-se a válvula de esfera.

Durante o funcionamento do motor, quando a válvula (de admissão ou escape) está fechada, a força da mola da válvula de esfera empurra o mergulhador de encontro a haste da válvula ou da haste de acionamento. A partir do furo calibrado contido no tucho hidráulico, o óleo lubrificante entra no tucho e preenche toda a câmara de alimentação, como a válvula esfera encontra-se aberta, todo óleo que entra preenche também a câmara de compressão. No momento que o ressalto do came passa sobre o tucho, ele fecha a válvula de esfera, ou seja, o ressalto vence a força da mola e empurra a esfera contra o canal de passagem de óleo, comprimindo o óleo contido na câmara de compressão. Este empurra o mergulhador que, fecha o orifício de alimentação de óleo e está ligado em sua extremidade à válvula, e então a válvula é acionada. No momento em que o came desaciona o tucho, a válvula de esfera abre (a esfera desobstrui) o canal e o óleo contido na câmara de alimentação passa para a câmara de compressão de novo. Isso previne o tucho hidráulico de adquirir bolhas de ar e compensa desgastes e a dilatação térmica na haste da válvula. O tucho hidráulico deve funcionar com uma pressão de 1 a 1,5 bar.

Balancins

Nos motores em que o acionamento das válvulas é feito de forma indireta, o componente intermediário entre a árvore do comando de válvulas e as válvulas é o balancim. Cada válvula possui um balancim, e este está disposto em um eixo feito de aço com alta durabilidade. O balancim é fabricado em ferro fundido, aço ou ligas leves, seu formato alongado possui uma grande perfuração no meio do balancim, esta permite que o balancim seja alocado no eixo. Internamente, no balancim exigem rasgos helicoidais com a função de fazer o óleo circular entre balancim e o eixo dos balancins. Nas extremidades dos balancins encontram-se uma sapata, que aciona a válvula, e um parafuso regulador de folga da haste da válvula e do balancim. No eixo dos balancins também encontram-se molas de ajuste, estas pressionam os balancins em seus suportes preservando sua posição de funcionamento.

O eixo dos balancins é alojado nos mancais de apoio, estes são parafusados no cabeçote, e além de suportar o eixo, limitam o movimento dos balancins quando pressionados pelas molas de ajuste, além disso nas extremidades dos eixos são colocados grampos de retenção, também para limitar o movimento dos balancins.

Mola de Válvulas

Sua função é garantir o retorno da válvula (fechamento), e manter esta assentada em sua sede. A válvula é travada na mola de válvula por meio do prato e da trava em forma de meia-lua tronco-cônicas, ambas as peças são fabricadas em aço, no prato existe um furo central no qual o objetivo é centralizar a haste da válvula na mola. Neste ponto são colocadas as travas, que se encaixam em um rebaixo na haste e formam uma espécie de chaveta, travando a válvula na mola de válvula.

A mola de válvula é fabricada em aço silício ou níquel-glucínio, materiais que garantem a resistência adequada ao nível de exigência do projeto, ou seja, cargas elevadas e repetitivas. Mesmo assim, as molas de válvulas são componentes que fadigam consideravelmente, como as cargas são repetitivas, e além disso há exigências com relação a altas temperaturas, a partir de determinada rotação a mola pode entrar em ressonância e sofrer uma modificação molecular, consequentemente um enfraquecimento e quebra.

Referências

• SENAI, Série Metódica Ocupacional;
• CHOLLET, H. M., Curso Prático e Profissional para Mecânicos de Automóveis: O motor e seus acessórios, Lausanne, Hemus, 1996. 402;
• B. HEYWOOD, John, Internal Combustion Engine Fundamentals, United States of America, McGraw-Hill, 1988. 930p.