Há uma lenda no meio da preparaçaõ de motores que diz que motor preparado, em especial os turbos, precisam de miatrras ar-combustível extremmente ricas ou acabam quebrando. Mas olhando a melhor literatura técnica sobre motores, não se lê uma única observação sobre a necessidade de misturas tão enriquecidas. Essa lenda virou um dogma do setor que ninguém é capaz de se incomodar, desafiar e resolver o paradoxo.
Este é o foco deste conjunto de artigos. O objetivo é dar uma visão diferente de um componente do motor que parece simples, e por tantas vezes sub e mal avaliado porque é uma peça aparentemente simples, fixa, imóvel: o coletor de admissão.
Mas o que poderia ter de tão diferente uma peça que é basicamente um conjunto de “canos” para levar ar da borboleta de aceleração até o cabeçote do motor? É isso que vamos investigar.
Os tipos de coletores
Há dois tiipos de coletores de admissão, os úmidos e os secos. O tipo úmido é aquele que transporta fluxo de ar atmosférico com combustível em suspensão. É o tipo mais antigo, usado nos tempos dos carburadores e da injeção monoponto. Já o tipo seco é aquele que transporta apenas ar atmosférico, usado em motores mais modernos, com injeção nos dutos (multiponto) ou com injeção direta na câmara de combustão.
Esta diferença é tão significativa que coletores seco e úmido são completamente diferentes, mesmo quando aplicados ao mesmo motor. Isso ocorre porque as propriedades dos fluidos são completamente diferentes e mesmo a mecânica ideal de movimento destes fluidos no coletor diferem toalmente.
O fluido seco é apenas ar e se ele se depara com uma bifurcação onde um lado se encontra aberto e o outro fechado e depois o sistema inverte esta condição, o ar é redirecionado sem dificuldade maior por ser um fluxo leve e bastante elástico. Já o fluxo úmido é constituído de dois componentes diferentes, com ar sendo a matriz e o combustível líquido, muito mais denso e pesado, sendo mantido em suspensão nesta matriz. Seu comportametro na bifurcação é bem mais difícil, prejudicando o fluxo em consequência
No Japão, várias construções aparentemente sólidas se perderam após terremotos porque a agitação da areia do solo com água subterrânea gerou um bolsão fluidizado que cedeu com o peso da construção.
Uma observação: preparadores costumam usar bicos injetores suplementares instalados ao longo da linha de alimentação de ar para o motor, onde este fluxo pode sofrer várias curvas até chegar no cabeçote. Considerando o que acabei de explicar, o leitor consegue imaginar o que pode ocorrer na oferta de mistura aos diferentes cilindros do motor? Alguém já viu algum preparador comentar este problema?
A instabilidade KH
Agora que sabemos que tipos de fluxo cada tipo de coletor de admissão transporta, vamos começar a estudar a mecânica destes fluxos dentro do coletor de admissão. Imagine o motor funcionando em condições extremas de funcionamento. Em marcha-lenta o fluxo ocorre a baixa pressão, dada a restrição promovida pela borboleta de aceleração. Além disso, a baixa rotação promove um fluxo muito lento.
Esta condição cria um fluxo praticamente laminar. Na condição oposta, com a borboleta de aceleração completamente aberta e o motor em alta rotação, gerando o máximo de potência, o fluxo não apenas é denso por não sofrer a restrição da borboleta, como é um fluxo de alta velocidade, promovido pela alta rotação do motor. O resultado é um fluxo altamente turbulento.
O interessante é o que ocorre no meio entre estas duas situações. A meia carga, com um fluxo medianamente denso e velocidade intermediária, a borda do fluxo tende a aderir à parede do duto, com velocidade nula, e progredindo em velocidade conforme se afasta da parede. Esse gradiente de velocidades junto à parede do duto é chamado de “camada-limite”. A aderência do ar {aà parede é dependente das irregularidades ou, melhor dizendo, a rugosidade da parede. Uma parede mais áspera prende mais o ar e deixa a camada limite-mais consistente.
A partir de certas velocidades, o fluxo no centro do duto possui um certo valor de velocidade, mas encontrando resistência ao avanço pela camada limite. A tendência de separação (cisalhamento) entre essas duas massas de ar causada pela diferença de velocidade causa uma instabilidade no fluxo, que gera um certo tipo de turbilhonamento, chamado de instabilidade de Kelvin-Helmholtz.
A instabilidade Kelvin-Helmholtz, ou instabilidade KH, é dependente do gradiente de velocidades entre camadas, e pode ser observada em diferentes fenômenos da natureza, como por exemplo, nas nuvens.
Podemos observar na prática este efeito neste vídeo:
https://youtu.be/mf_143gkKSQ?si=_11SbkAto3JRjOD4
Em termos gerais, é importante notar que a turbulência causada pela instabilidade KH demora um tempo para se estabelecer, e precisamos lembrar que o fluxo no duto é pulsante, conforme cada cilindro abre a válvula para admitir. Então, diferente do vídeo, em muitas situações, o fluxo não fica completamente turbulento. Numa condição em que a turbulência não domina completamente o fluxo, os múltiplos torvelinhos formados se tornam a separação entre o fluxo central de alta velocidade e a camada limite.
Considerando que turbulência sempre representa alguma forma de perda de energia, ou, no caso, em dificultar o avanço do fluxo, podemos aplicar em como esta instabilidade interfere nos dois tipos de fluxo. No fluxo seco, quanto menor a resistência ao avanço do fluxo, ou tecnicamente, perda de carga, melhor. Assim, dutos lisos são preferíveis. É daí que surgem os coletores de admissão de plástico, com paredes lisas para a baixa aderência da camada-limite. Já no fluxo úmido, a situação é completamente inversa. Aqui, a instabilidade KH não só não atrapalha, como ela é desejável.
Quando os torvelinhos se formam, eles reduzem a área útil disponível para o fluxo central, e isso acelera este fluxo. Se por um lado o coletor causa uma certa perda de carga pelo turbilhonamento da instabilidade KH, por outro lado, a velocidade do do fluxo principal é significativamente elevada, oferecendo a ela maiores efeitos inerciais que facilitam o enchimento do cilindro lá na frente.
Os torvelinhos também servem de “rolamento” para o fluxo principal. Eles causam perdas de carga, mas menos do que o simples “escorregamento” entre o fluxo principal e a camada-limite. Outra vantagem que os torvelinhos oferecem no caso do fluxo úmido é que eles formam uma barreira de separação bastante consistente entre o fluxo principal e a camada-limite, impedindo que haja maior precipitação do combustível em suspensão no fluxo principal nas paredes do duto.
Voltando ao caso do fluxo seco, não apenas as paredes dos dutos são mais lisas, como os dutos são mais largos, para diminuir a perda de carga por restrição do duto. No entanto, um duto mais largo implica em menor velocidade do fluxo, com perda de efeitos inerciais que ajudam no enchimento do cilindro. Esta perda é compensada usando dutos mais longos, colocando uma coluna maior de fluido em movimento, que por sua vez tem mais inércia que a massa de ar em uma coluna curta.
A rugosidade da parede
A rugosidade da parede, como já vimos, é o fator que determina a intensidade da camada-limite. Quando maior a rugosidade das paredes do duto, mais intensa a camada-limite e mais intensa a instabilidade KH nas mesmas situações. Entretanto, há outros fatores que influenciam a formação da instabilidade KH, mas eles escapam dos objetivos deste texto. Também como já vimos, no caso do fluxo seco, quanto menor a rugosidade, melhor o comportamento do fluxo. Já no caso do fluxo úmido, a situação é mais complexa.
Se a rugosidade for excessiva, haverá turbulência total muito cedo, com grande perda de carga e baixa potência para o motor. Se a rugosidade for muito baixa, a desejável instabilidade KH se forma em condições ideais apenas em regimes mais altos. Isto significa que a rugosidade, que calibra o aparecimento da instabilidade KH e a formação da turbulência total no duto, precisa ser calibrada.
Num motor original, a fábrica controlava a rugosidade originada na própria fundição da peça. Já em motores preparados, a especificidade da rugosidade é maior. Além de gerar de forma calibrada a instabilidade KH, a rugosidade do duto tem a função de reter o combustível precipitado, impedindo que ele chegue líquido no cilindro, e aquecendo-o para que seja totalmente vaporizado antes de ser admitido. Isso é feito usando um esmeril rotativo fino de alta velocidade ou uma pequena lixa axial rotativa, com gramatura controlada.
O efeito é causar marcas de usinagem transversais à direção do fluxo, em oposição direta. Além de mais efetivas na formação controlada da instabilidade KH, as marcas oferecem o máximo de restrição ao avanço de combustível precipitado.
Observação:
– Queira o leitor imaginar o que pode causar um combustível aspergido no ar passante por um bico suplementar antes de um coletor de plástico, pensado para conduzir apenas ar seco;
– Imagine também o caro leitor no que aconteceria se o prepara-a-dor fosse muito “inteligente”, e alargasse os dutos e polisse suas paredes em um coletor que conduz fluxo úmido.
A diferença de desenho
A seguir, temos fotos dos velhos conhecidos coletores do moto VW AP (EA-827). Neles podemos notar que o coletor para carburação possui dutos curtos e o mais retos possível, enquanto o multiponto possui dutos mais longos e curvos.
Estas configurações estão ligadas às relações de compromisso de cada tipo de coletor com a função a que se presta. No carburado, o importante é o arrasto do combustível pelo fluxo de ar pelos dutos. Quanto mais reto e curto, menor a precipitação de combustível nas paredes. Já no multiponto, que conduz apenas ar, os dutos mais longos oferecem maior efeito inercial da massa de ar admitida, melhorando o rendimento volumétrico do motor.
E a bola de golfe?
Existe agora a moda de marcar a superfície dos dutos de admissão com dimples, pequenos e rasos buracos à semelhança da superfície da bola de golfe. Mas será que isso é eficiente nos dutos de admissão?
Esta solução de repente apareceu por todo lado quando começaram a explicar por que eles funcionam numa bola de golfe, e muitos preparadores, sem conhecimento de aerodinâmica, passaram a adotar como remédio milagroso para todos os males. Só que a realidade não é bem assim. A primeira grande diferença é que os dimples são aplicados para a aerodinâmica externa da bola, enquanto nos dutos temos uma condição de aerodinâmica interna ao dispositivo.
Na bola de golfe, os dimples criamr uma turbulência controlada sobre a superfície da bola, retardando a separação entre a camada-limite e a superfície da bola. Numa bola lisa, em alta velocidade o fluxo se descola da superfície, formando um longo cone de baixa pressão atrás da bola. Este cone não só aumenta o arrasto aerodinâmico da bola, reduzindo seu alcance, como também gera instabilidade direcional. Os dimples controlam esse desprendimento da camada limite, aumentando o alcance do arremesso e mantendo a precisão da direção.
Como curiosidade, o efeito dos dimples foi transposto pelos russos para o caça MiG 29. Quando os americanos se apoderaram de um apos a queda da União Soviética em dezembro de 1991 e o avaliaram, viram a superfície ondulada da fuselagem como baixa qualidade. A surpresa veio ao estudarem o avião no túnel de vento, resistência aerodinâmica bem inferior á dos seus próprios caças.
No caso de um duto de admissão, por ser uma aerodinâmica interna, não temos o problema de descolamento da camada-limite. O que os dimples podem promover é o mesmo efeito que as marcas de lixa, mas com menor eficiência por serem irregularidades mais profundas, de maior dimensão longitudinal e menor dimensão transversal para o fluxo, o que limita o efeito.
É bonito e causa muito efeito no cliente que quer uma preparação e dá uma impressão que o preparador tem uma solução mágica que é mais cara do que um acabamento lixado grosseiro. Mas não é que não funciona. A questão é que é muito mais trabalhoso e menos eficiente.
A distribuição de fluxos entre cilindros
Vamos olhar alguns resultados apresentados neste site, onde vários desenhos de coletor de admissão são simulados em fluxo constante:
https://csr200.blogspot.com/2017/03/airbox-static-flow-cfd-analysis.html
Nestes gráficos podemos ver diferentes distribuições de fluxo em diferentes desenhos de coletores de admissão com configurações bastante parecidas. Note que a simulação é sobre fluxo constante e não um fluxo pulsante.
Também é bom notar que os fluxos possuem sua própria massa e sua própria elasticidade, e que os resultados podem mudar significativamente conforme a densidade e a velocidade do fluxo mudem.
O resultado que podemos observar é que, por melhor que seja o projeto do coletor de admissão, sempre há cilindros melhor alimentados que outros em determinados regimes. Há um trabalho intenso da engenharia trabalhando no desenho desses coletores para que essas diferenças sejam minimizadas ao longo de toda a faixa de opração do motor, prática conhecida como equalização do coletor.
Sobre fluxos seco versus multiponto, observe este gráfico:
Ele mostra a diferença da relação ar-combustível entre cilindros num motor com injeção monoponto vesus um multiponto. Vemos que enquanto o multiponto tem diferença de equalização máxima da ordem de 15%, o monoponto chega a absurdos 60%. Além disso, enquanto o gráfico do multiponto é um mapa mais complexo, o do monoponto mostra curvas que ascendem conforme a pressão média efetiva relativa aumenta.
Em grande parte, isto é resultado das diferenças dinâmicas dos tipos de fluxo e de desenho dos respectivos coletores.
Observação:
– Será que o leitor começa a ter uma visão do por que preparadores insistem em misturas absurdamente ricas?
Conclusão
Vimos detalhes que normalmente não se lê normalmente em textos técnicos para leigos. Há muito mais do que expliquei, mas o que coloquei aqui já é suficiente para um conhecimento bem acima da média. Em muitos anos, conhecendo muitos preparadores, nunca ouvi explicação equivalente.
É bem capaz que para eles, o conteúdo deste texto seja tão novidade quanto é para você, leitor. Eu esperaria muito mais deles do que percebo. Espero que eles não vejam nisso uma crítica com intuito de denegrir ninguém. Meu objetivo é bem informar o leitor leigo, e, ao mesmo tempo, puxar o profissional para uma completa revisão de conceitos. Porém, aqui foi explicada a parte mais simples do coletor de admissão.
A segunda parte deste artigo vai falar da parte mais complexa do coletor, que é a parte dos fluxos dinâmicos, uma vez que estes fluxos são pulsados. É nesse regime pulsante que o coletor deixa de ser um simples conduto e passa a atuar como um sistema ressonante.
Falarei de ondas de pressão, ressonâncias, lembrarei um importante nome já descrito aqui, mas com outro enfoque.
AAD
