SPA Turbo Blog

É quase unânime entre os orgulhosos preparadores da atualidade que se a biela entorta ou quebra, é porque não suportou a potência obtida.

O fabricante da peça declara o limite de potência suportado pelo seu produto. Obviamente, o preparador não irá trabalhar conscientemente acima deste limite. Então, quando consegue tirar 500CV, 600CV de um motor VW AP e uma biela, que promete suportar mais do que isso, entorta ou rompe, ele não tem dúvidas: a biela é de má qualidade.

Em outras palavras, há quem afirme que não existe outra razão para uma biela entortar ou quebrar que não seja a potência. Será?

Se isto é verdade, então por que é comum as retíficas de motor receberem bielas originais deformadas que foram retiradas de motores originais que não receberam nenhum tipo de preparação? Aliás, segundo o estudo de falhas em motores de combustão interna da indústria química Girux, falhas em bielas, mancais e bronzinas encabeçam a lista de ocorrência nas retíficas com 24,4%.

Resumidamente, há dois motivos básicos para o fenômeno popularmente conhecido como “desbielar”: ou a biela não suporta a potência aplicada ou ocorreu alguma força contrária ao movimento livre do conjunto Biela/ Pistão/ Pino/ Virabrequim.

Na década de 80, existiu a copa Shell de marcas e pilotos. Eram motores turbo, carburados, com pistões e bielas originais (por força de regulamento) que, em ritmo de classificação, atingiam 350CV e, em ritmo de corrida, chegavam a 270CV em provas de até 3 horas. Lembrando que os componentes dos motores eram projetados para uma potência de aproximadamente 90CV. Na copa Shell, os motores turbos  eram preparados para gerar  muito mais potência do que as bielas, teoricamente, suportariam. Evidentemente, as quebras eram comuns, mas a grande maioria obtinha bons resultados. Estamos falando de uma época em que coisas como bomba elétrica e  injeção eletrônica, eram um terreno misterioso. Sem falar de sonda de banda larga/ data logger, itens que  não existiam ou eram inacessíveis à grande maioria. Os ajustes eram realizados via multímetro e, mesmo  assim, os preparadores conseguiam bons acertos e os motores produziam potência muito acima do limite da biela, sem quebrar.

Ou seja, a biela deformar por excesso de potência não é uma verdade tão absoluta quanto parece: ocorre, mas nem sempre.

Consultando alguns preparadores  experientes, o consenso foi que a principal causa de falha é falta de lubrificação, que pode ser ocasionada por vários fatores. O principal deles é o que chamamos de “quebra do filme de óleo” entre a bronzina e o munhão do virabrequim. A bronzina, sem lubrificação adequada, sofre desgaste excessivo (contato metal x metal) e perde a dimensão correta de trabalho. A folga criada após a destruição da bronzina é responsável pelo desalinhamento do conjunto, provocando toda a sorte de impactos no bloco/ cilindro, deformando ou quebrando a biela.

Mas, o que provoca esta “quebra do filme de óleo”?

1. Qualquer impacto (calço)  contra o movimento livre do conjunto pode provocar a quebra do filme de óleo. Exemplo: choques ocasionados por objetos estranhos entre o cabeçote e o pistão, quando pequenas partes metálicas ingeridas ou desprendidas de algum componente do motor chega à câmara de combustão; ou, o mais comum, colisão do pistão com a válvula de admissão ou escape por excesso de rotação ou deficiência do trem de válvula.
2. Falha do óleo lubrificante: por excesso de temperatura; por características do lubrificante não adequadas a aplicação; por contaminação, quando o combustível não queimado contamina o lubrificante (excesso de álcool, metanol, etc.).
3. Detonação! Isso mesmo, quem tem experiência com manutenção de motores originais sabe que a detonação é um fator que causa sobrecarga no conjunto. Em motores com bielas forjadas, normalmente a biela suporta esta sobrecarga, mas o filme de óleo não.
4. Excesso de torque nos parafusos pode provocar deformações no alojamento das bronzinas e dificultar a correta lubrificação.
5. Resistência ao livre movimento do pistão no cilindro, por dilatação devido ao excesso de temperatura normalmente ocasionado por razão estequiométrica insuficiente (mistura pobre), detonação, folga inadequada, etc.

Além da quebra do filme de óleo há também as causas diretas. Entre elas destacamos algumas:

1. O tempo de uso. É muito difícil definir vida útil quando falamos de peças de alta performance em ambiente de competição. Por isso, a manutenção preventiva e constante verificação são imprescindíveis.
2. Travamento do pistão. Quando o pistão dilata o suficiente para travar no cilindro provoca uma obstrução total do livre movimento do conjunto.
3. Dimensionamento inadequado da área de trabalho das bielas. Muitos modelos de Bielas fabricadas para  competição tem maior área e necessitam de retrabalho no bloco para que, em funcionamento, com dilatação e vibração, os componentes se movimentem sem obstruções. Caso a biela toque no bloco em funcionamento, por mais leve que seja o impacto, a destruição é certa.

Bem, há também a razão óbvia da quebra generalizada do motor: se um bloco rompe ou o virabrequim oscila dentro do bloco, certamente danifica as bielas.

Entretanto, quando falamos em bielas forjadas, ou seja, as mais resistentes, paradoxalmente todos os motivos expostos parecem não fazer mais sentido e apenas a potência parece ser a responsável pela falha na biela. Como potência nunca pode ser a vilã da história, então sobra para a qualidade da peça. Bem, diante de tantas evidências, parece claro que se trata de um mito: bielas forjadas podem ser vítimas tanto de excesso de potência quanto das inúmeras situações que podem alterar as relações brutais de força dentro de um motor para parâmetros nos quais a biela, mesmo forjada, não foi projetada.

Caso 1

Para exemplificar, vamos relatar um caso – ou para os cosmopolitas: um “case”. Para nós, muito mais um aspecto cultural, quase psicológico, do que propriamente técnico. Mas, ainda assim, parece bem ilustrativo.

Uma equipe de arrancada, a Tomate Racing, publicou a foto de uma das bielas da SPA Turbo – a Super A para 1000CV – acompanhado da seguinte afirmação: “Bielas para 1000cv em um carro de 600 da nisso!! Pelo menos 500cv de pico de potencia”.

Com uma biela torta nas mãos fica a pergunta: a biela quebrou o motor ou o motor quebrou a biela? Em outras palavras, se quisermos detectar a razão de uma biela quebrar/ entortar, precisamos identificar os sinais deixados no motor e descobrir O QUE OCORREU PRIMEIRO. Não é uma tarefa fácil, principalmente porque há interesses conflitantes e, às vezes, o cliente não está disposto a análises mais criteriosas.

Então, a equipe da SPA foi até a oficina da Tomate Racing mesmo não se tratando de um caso de garantia, pois a garantia não foi acionada pelo fato da biela ter sido adquirida em 2011 e ter sido utilizada em várias provas. Mas, mesmo com o intuito legítimo de entender o que aconteceu, a peça não foi concedida para análises laboratoriais. Tudo o que conseguimos foram fotos. Mas que dizem muito: se não dizem o que aconteceu, certamente dizem o que NÃO ACONTECEU.

Aqui está a biela:

A alegação da equipe foi que a biela não suportou a potência. Esta hipótese é plausível, mas carece de uma investigação mais profunda.

Se repararem bem na foto abaixo, verão uma marca, indiscutível, da válvula estampada no pistão. Para isso ter ocorrido, o pistão bateu na válvula. Como disse, a questão é saber o que ocorreu primeiro. Como sabemos, uma pequena colisão do pistão com a válvula já é suficiente para quebrar o filme de óleo e provocar um decisivo desbalanceamento no conjunto.

Se a biela não deformou instantaneamente, certamente a lubrificação foi afetada. Observe que as bronzinas estão fundidas contra a superfície da biela. Ou seja, foram “prensadas” sem lubrificação adequada, resultado da quebra do filme de óleo. Aqui o detalhe das bronzinas destruídas:

Embora a foto abaixo esteja um tanto desfocada, dá para perceber a cor azulada da biela, mais um indicativo da temperatura excessiva por falta de lubrificação:

Ainda há mais um detalhe que pode indicar outra razão para a biela ter entortado. Vejam esta foto:

É visível que nenhum retrabalho foi feito no bloco, pois o vinco no bloco acima é o original. Devido as características do motor, talvez a biela não tocasse no bloco, mas certamente passava muito perto – um “fio de cabelo”, como se costuma dizer. Em um carro de competição isso pode ser considerado um descuido, pois a vibrações são bem mais intensas.

Trata-se de um caso típico. A maior parte dos problemas mecânicos provém de falta de lubrificação. O que nem todos sabem é que a falta de lubrificação nem sempre é causada por óleo vencido, vazamento ou descuido do preparador.

De qualquer forma, é muito difícil afirmar o que aconteceu dentro do motor no momento da falha. Tudo o que podemos fazer é levantar hipóteses, analisar as mais prováveis e descartar as improváveis. Mas, com certeza, é preciso muito cuidado com a afirmação “a biela não aguentou” sem uma boa análise.

Caso 2

Um outro cliente chegou até a garantia da SPA Turbo com uma biela – a Super Light 144 para 500CV – alegando que não suportou a potência.

Levando o caso até o departamento de engenharia, a desconfiança sobre o apressado diagnóstico do problema é geral: todos conhecem muito bem o projeto e a liga que o material é fabricado. A falha na biela ser causada por potência é, no mínimo, estranha.

Veja a foto abaixo:

Bem, não há muito o que analisar com esta imagem. Mas analisando a foto da outra biela abaixo, que não quebrou, o departamento de garantia da SPA pode tirar conclusões interessantes.

Reparem que a marca na lateral da biela é inequívoca: tocou o bloco. Ou seja, o preparador não conferiu corretamente se há espaço para a biela no bloco e deveria ter providenciado um retrabalho, prática corriqueira entre boas equipes, ou, se providenciou, foi insuficiente. Lembramos que “tocar no bloco” que causa a impressão de se tratar de uma só ocorrência foi um “pouco” mais do que isso: se consideramos um motor girando a 7000rpm em uma competição, o choque se repetiu mais de 110 vezes em apenas um segundo!

Informação: o motor foi utilizado em seis provas. A biela estava tocando o bloco durante todo esse tempo. Se fizermos uma estimativa, teremos algumas milhares de pancadas no bloco.

Conclusão: a desconfiança do departamento de engenharia da SPA não era para menos, pois a SuperLight é uma excelente biela. A surpresa foi que a biela também realiza alguns “milagres”: suportou milhares de marteladas no bloco sem deformar. É claro que uma delas encontrou o seu limite, mas é como o pessoal da engenharia da SPA costuma dizer: “projetamos bielas para suportar potência, não pancada no bloco, na válvula, superaquecimento, falta de lubrificação, etc., etc….”

O que nos chama atenção de tudo isso, não é o fato de uma peça aparecer quebrada, mas o diagnóstico precoce de alguns. O preparador que se apressa em anunciar a causa da falha da biela olhando somente para o seu efeito, perde uma preciosa chance de realizar outros ajustes, melhorar a performance do seu motor e evitar futuras quebras. Portanto, quando observar uma biela torta ser erguida como troféu, considere que há ali bem mais chances de erros do que méritos.

“Toc-toc-toc… Quem é?” Quem não conhece essa brincadeira? Mas cuidado! Se estivermos falando de motores a resposta pode ser “Seu motor quebrando!” Mas o que é? Como ocorre? O que ocasiona o “toc-toc-toc” (ou, se preferir, “tic-tic-tic”) também conhecido como detonação?

Esse fenômeno acontece dentro do motor. A detonação ou a famosa batida de pino pode ser identificada com um ruído característico que é semelhante ao som de pinos de aço batendo um contra o outro pela perda momentânea de potência e torque em condições de carga parcial ou plena.

A detonação é a combustão que ocorre em pontos de alta pressão e temperatura após a ignição da centelha, em um momento diferente da frente de chama principal. Assim, uma nova frente de chama é criada com velocidade superior a combustão principal ignitada pela vela. Ao se encontrarem, criam uma onda de choque que gera o ruído conhecido como batida de pino.

Um motor de ciclo Otto sempre irá trabalhar com algumas detonações. Isso é comum e o que gera quebra ou falhas sensíveis são a intensidade e a amplitude de onda que a detonação ocasiona. Caso a detonação seja de intensidade muito forte, ou seja, for ocasionada antes do pistão atingir o ponto morto superior, a pressão será tão forte que criará forças sobre a cabeça do pistão impulsionando o virabrequim no sentido contrário de rotação do motor. Isto incide muito stress ou tensões sobre o conjunto móvel e que em regra geral, ocasiona falhas e quebras. Existe a possibilidade ainda de a válvula de admissão estar aberta ou na iminência do fechamento: a frente de chama sempre irá procurar o local de menor pressão para se deslocar e, neste caso, seria para dentro do coletor de admissão. Isso é muito ruim, pois ocasiona quebras no sistema de admissão que não está projetado para suportar combustão.

As causas de detonação são muito variadas. Podemos citar dentre eles: ponto de ignição excessivamente adiantado, relação de compressão alta ou taxa alta, combustível insuficiente, temperaturas internas elevadas, pressão de turbo alta, temperatura do ar de admissão elevada, combustível de baixa octanagem, pontos quentes dentro do cilindro e etc. Todas as causas citadas e algumas outras são possíveis ocorrer em qualquer motor, principalmente motores de competição, em que a pressão final de combustão buscada é sempre a máxima possível. Os pontos quentes dentro do cilindro que também podem ocasionar detonações podem ocorrer por causa de depósito de carbono que se formam por combustão incompleta, cantos “vivos” que ficam incandescentes após algumas combustões, eletrodos de velas de má qualidade, etc.

Aproveitar um combustível de baixo custo às vezes é tentador. Mas, na melhor das hipóteses, você estará levando um combustível com baixa octanagem.

A octanagem é definida como um índice de detonação de um determinado combustível comparado com a detonação de um combustível de referência formado por uma mistura de n-heptano (C7H16), como referência de octanagem zero (0) e o 2-2-4-trimetil pentano (iso-octano) como referência cem (100). Por exemplo, um combustível de octanagem 85 indica que esse produto tem a mesma tendência de detonar no motor padrão de testes sob as mesmas condições de uma mistura de combustível formada por 85% de iso-octano e 15% de n-heptano. Há combustíveis, tais como gasolina de competição usada na Formula 1 e o etanol que possuem número de octanagem acima de 100. O etanol, por exemplo, possui número igual a 110. Para determinar esses valores, são usados outros combustíveis de referência que atingem 120 de octanagem. Combustíveis de alta octanagem previnem detonações “fora-de-hora” e os combustíveis baratos e de baixa octanagem as facilita.

Outro fator que aumenta as chances de detonação é a alta taxa de compressão nos motores modernos. Com a disseminação dos veículos “FLEX” e o constante aumento da rigidez de regras internacionais para a redução de emissão de gases tóxicos, a saída encontrada pelos fabricantes de motores foi o aumento da relação de compressão ou taxa de compressão. Aumentando-se a taxa de compressão, é possível ter motores de menor volume, gerando a mesma potência que antigamente só poderia ser atingida por motores de volume maior. Um exemplo são os motores de 1,4 litros que hoje geram a mesma potência que um motor antigo de 1,8 litros. Os motores 2,0 litros hoje têm a potência de um 2,5 litros com um consumo de combustível bem inferior que antigamente e com emissões incrivelmente inferiores. Com o aumento da taxa de compressão, a emissão de gases como CO (monóxido de carbono) e hidrocarbonetos é reduzida drasticamente. É claro que em contrapartida a emissão de NOx é aumentada, porém a grande parte é quebrada no catalisador. Em outras palavras, o aumento da taxa de compressão é algo para se comemorar quando falamos de rendimento do motor e redução das emissões de gases, mas é preciso ter dispositivos e ajustes considerando o fato de que taxas de compressão altas aumentam a probabilidade de detonações.

No caso de motores turbo-alimentados a ocorrência deste fenômeno é ainda mais frequente. O turbo-compressor envia ao motor o ar muito mais denso mas, em contrapartida, também muito mais quente. O ar quente ao entrar no cilindro passa pelo processo de compressão e a sua temperatura que já estava alta se eleva ainda mais. Caso a temperatura de ignição do combustível seja atingida durante a compressão, certamente teremos uma detonação e danos ao motor.

Hoje, os motores já estão equipados com sensores de detonação calibrados para detectarem as freqüências exatas de detonação crítica. Atrasam o ângulo de ignição da centelha e reduzem a demanda de combustível diminuindo potência e torque poupando o motor de uma conseqüente quebra. Em outros casos a solução encontrada é o aumento da injeção de combustível visando a diminuição da temperatura do cilindro. Há também outra medida: a utilização de intercooler, para reduzir a temperatura do ar enviado pelo compressor; trabalhar com relação de ar/ combustível mais baixa (valores de sonda lambda baixo: 0,80 – 0,75 dependendo do preparador); utilização de combustível de alta octanagem ou série Premium, preferencialmente etanol por ter um poder antidetonante alto e ter grande coeficiente de transferência térmica, o que reduz a temperatura na câmara de combustão.

A detonação pode não quebrar o motor em uma única ocorrência, mas sempre causará algum dano. O dano mais comum é a retirada de material onde ocorre a onda de choque e, nos próximos ciclos, a detonação passará a ocorrer no mesmo local, causando assim a quebra da peça onde a detonação foi mais reincidente.
Nos veículos de competição, a vulnerabilidade a detonações é maior por conta da proximidade aos limites do motor. As medidas a serem tomadas ficam por conta do preparador: todas as variáveis na calibração devem ser equilibradas para que o máximo seja atingido sem problemas. Mas, ainda assim, os mais experientes preparadores se surpreendem. Ócios do ofício.

Um forte aliado para a prevenção das detonações são equipamentos de detecção de detonação, como o “Knock Sensor” que literalmente “escuta” até as mais fracas detonações o que torna possível prever detonações mais graves (veja o video abaixo).

A ferramenta mais utilizada até pouco tempo, na verdade, não era exatamente uma ferramenta de detecção de detonações: são os condicionadores de sonda de banda larga que informam a quantidade de oxigênio no escape e, portanto, a proporção de ar/combustível no momento da combustão. Com essa informação é possível supor – apenas supor – a probabilidade de uma detonação.

Frederico Falcão Weissinger
Engenharia SPA Turbo