Este artigo é uma continuação
O primeiro artigo pode ser lido aqui.
Vimos no primeiro artigo desta série que o coletor de admissão, que aos olhos dos leigos parece apenas um componente de conexão entre o corpo de borboleta e o cabeçote do motor, cheio de meros dutos, na verdade esconde toda uma complexidade fundamental para o perfeito funcionamento do motor.
Este é um artigo que não vai abordar diretamente o coletor de admissão, mas vários tópicos da física, os quais explicam diversos comportamentos dinâmicos do coletor de admissão.
A inocência que leva ao pecado
A primeira parte deste artigo focou no coletor de admissão como se ele operasse em fluxo médio constante, estacionário. Mesmo assim já ficou nítido que este não é um componente tão simples. Mas a visão que esta primeira parte oferece é enganosa. Há todo um universo de fenômenos que interferem, ora positiva e ora negativamente no desempenho do coletor e por conseguinte do motor.
Para termos uma rápida noção do tamanho deste engano, vamos imaginar o seguinte exemplo: coloque lado a lado dois carros praticamente idênticos, com a única diferença que o primeiro carro está com amortecedores novos, enquanto o segundo está com amortecedores que já não controlam mais nada.
Parados, não há diferença perceptível. Se os dois carros recebem a mesma carga no porta-malas e as mesmas pessoas entram neles, ambos irão se comportar de forma idêntica. Porém, coloque-os para percorrer uma pista em velocidade, e a diferença dos amortecedores se torna óbvia. O primeiro carro tem comportamento dinâmico exemplar, enquanto o segundo mostra-se instável e até perigoso.
Considerar apenas o funcionamento puramente estático, estacionário num sistema complexo que opera dinamicamente, é um enorme erro e pode levar a resultados inesperados, completamente díspares do esperado.
Um bom exemplo deste tipo de pecado vindo deste pensamento inocente é visto num serviço feito por mecânicos e preparadores nas tão aclamadas bancadas de fluxo.
Este tipo de bancada de testes suga ou sopra ar ar pelo lado da câmara de combustão, como faria o pistão do motor. Porém, ela utiliza uma bomba de ar que suga ou sopra o ar em fluxo constante para avaliar fluxo e possíveis perdas de carga, permitindo assim a perfeita equalização do fluxo constante de cabeçotes e, inclusive de coletores de admissão e escapamento e que sejam montados no cabeçote sob ensaio.
Esta é uma visão inocente sobre o funcionamento do motor, pois a bancada de fluxo mede uma condição de fluxo estacionário, constante, para uma leitura estável. Porém, a realidade do motor é que este fluxo não é constante, mas sim regularmente pulsado, com abertura e fechamento das válvulas de admissão e a sucção promovida por um pistão que desce dentro do cilindro. O resultado é um fluxo de ar que constantemente é bruscamente acelerado e freado, criando diferentes reações dinâmicas.
Um cabeçote pode ser perfeitamente equalizado para um fluxo copnstante numa bancada de fluxo, mas pode trabalhar sob severas condições de assimetria de fluxo durante o funcionamento pulsante do motor. A inocência em acreditar que diferentes cilindros trabalhem iguais apenas porque trabalham iguais na bancada de fluxo pode levar a um motor com danos severos cedo.
Não é questão que equalizar cilindros pela bancada de fluxo seja um procedimento errado, muito pelo contrário. A questão é que a equalização estática feita em bancada de fluxo não é um procedimento completo em si, mas apenas o ponto de partida para um procedimento muito maior e bem mais complexo, até porque a perfeita equalização dos fluxos no motor montado depende dos efeitos estáticos e dinâmicos promovidos pelo coletor de admissão. Então é necessário entender alguns aspectos técnicos sobre a natureza do ar e de como ele se comporta em fluxos dinâmicos.
A natureza do ar
O ar é constituído por uma quantidade quase imensurável de moléculas gasosas que se movem a grandes velocidades. O primeiro efeito perceptível desta natureza é a pressão. A constante colisão dessas moléculas contra superfícies e outras substâncias é a origem da pressão que sentimos macroscopicamente. Outro efeito é o da formação de ondas de pressão.
O ar é um gás composto de 78% de nitrogênio, 21% de oxigênio e 1% de diversos outros gases, portanto, tem dois atributos físicos importantes: inércia e elasticidade. A inércia implica que uma determinada massa de ar precise de uma certa força para ser acelerado ou freado, papel que é desempenhado pela pressão. Porém, como o ar é elástico, ao ser acelerado ou freado, não pode fazê-lo instantaneamente, e o resultado é que ele se comprime e se distende, assim como uma mola.
Quando o ar é comprimido, sua pressão sobe e quando é desacelerado, a pressão é reduzida. Isso cria um diferencial de pressão em relação às massas de ar circundante e ainda não afetadas. O comportamento emergente da interação entre a inércia das massas de ar e os gradientes de pressão fazem com que esses gradientes se propaguem por toda massa de ar na forma de ondas de pressão na velocidade do som.
Ondas de pressão e motor
Não pretendo ir muito fundo ainda nesta exposição teórica sobre suas implicações nos motores, mas basta pensar que quanto a válvula de admissão se abre, ela causa um pulso de pressão negativa, puxando a massa de ar ou mistura para dentro do cilindro, e logo depois, com essa massa em movimento, a válvula se fecha, causando um pulso de pressão positiva. Esta sequência é cíclica e se propaga de volta para o coletor de admissão na forma de ondas de pressão, que oscilam e têm seu comprimento variado.
Quando observamos a propagação de uma onda sonora, o que vemos é uma oscilação da massa de ar para frente e para trás na linha de propagação. A oscilação mostra um um efeito de transporte de material por um espaço determinado, de modo oscilante. Esta oscilação promove um fenômeno de oscilação local desta massa, mas não um fenômeno de transporte a longa distância.
Como esta oscilação possui uma determinada frequência e o som se propaga no ar a uma determinada velocidade, um cálculo que pode ser feito é qual a distância percorrida por uma determinada onda, de determinada frequência, durante uma das suas oscilações. Esta distância é chamada de comprimento de onda, e ela é um fator importante nos fenômenos de ressonância de sistemas.
Harmônicos e sub-harmônicos
Sistemas dinâmicos possuem frequências naturais de ressonância, ou seja, quando são estimulados por um sinal oscilante externo, e este sistema vibra junto, a ressonância ocorre quando a frequência do sinal estimulante é exatamente a mesma da frequência natural do sistema, fazendo o sistema oscilar com o máximo de amplitude.
Entretanto, sistemas dinâmicos podem oscilar naturalmente com uma frequência duas ou três vezes a frequência natural do sistema, causando ressonância. Estas frequências são chamadas de segunda ou terceira harmônica da frequência natural do sistema. Há casos onde o sistema ressona com metade ou um terço da sua frequência natural. Estes são chamados respectivamente de segunda e terceira sub-harmônica.
Veremos na próxima parte mais detalhes, mas por enquanto vale ressaltar que um coletor de admissão é um componente sintonizado, oferecendo rendimento máximo em determinada condição de rotação do motor por causa da ressonância. Entretanto, o motor está constantemente variando sua rotação, e o coletor de admissão pode encontrar uma nova ressonância com melhoria de desempenho quando a rotação do motor proporciona o funcionamento em segunda ou terceira harmônica.
O tubo de Pitot e as duas pressões
O tubo de Pitot é um instrumento usado para medir a velocidade de fluxos, e sua aplicação mais conhecida é em aviões. O acidente do voo Air France 447 na rota Rio-Paris em 1/05/2009 teve ligação com os tubos de Pitot que, devido ao acúmulo de gelo, deixaram o medidor de velocidade do ar inoperante, contribuindo mas não causando a queda do Airbus A330-200 no mar, ceifando a vida de todos os 228 ocupantes.
Ele funciona medindo duas pressões e obtendo a velocidade do fluxo pela diferença entre elas.
A primeira pressão que o Pitot capta é frontal. É a pressão necessária para que o fluxo que vem contra o tubo seja parado em relação ao instrumento. Já a segunda pressão, tomada pela lateral do tubo, é praticamente a pressão barométrica do fluxo.
A primeira pressão é chamada de pressão total do fluxo, que é superior à pressão barométrica local. Isto ocorre porque ela é a soma da pressão barométrica com a pressão dinâmica, vinda da energia de movimento do próprio fluxo. Repare que no motor é esta pressão total a responsável pelo enchimento dos cilindros quando a válvula de admissão abre.
Derrubando muralhas e portões
Na antiguidade, era usada uma ferramenta de guerra chamada aríete, usada para derrubar muralhas e portões de fortificações. Era essencialmente um longo e pesado tronco de madeira que era usado para golpear, e a grande inércia dele causava um impacto tão severo que derrubava qualquer proteção que ali houvesse. Modernamente, há um efeito de fluxo conhecido como “golpe de aríete”.
Imagine uma edificação que tem uma caixa d’água a 8 metros de altura, e um tubo de PVC de 2 polegadas trás água dela até uma válvula de descarga para a privada do banheiro. Quando a pessoa dá a descarga, ela coloca uma massa de água, contida no cano, em movimento. Porém, a válvula de descarga fecha o fluxo subitamente. A água é um fluido incompressível e muito denso e é freada pela válvula ao se fechar. A energia de movimento não pode ser destruída e precisa ir para algum lugar. O resultado é uma forte onda de pressão que se propaga e pode destruir o encanamento. Esta onda de pressão causada pelo efeito inercial do fluxo aliado ao fechamento súbito da passagem do fluxo chama-se “golpe de aríete”.
No motor, o ciclo de aberturas e fechamentos da válvula de admissão e a sucção dos cilindros produzida pelos pistões no seu movimento descendente causam continuamente ondas de pressão que se propagam pelo coletor de admissão, causando vários tipos de efeitos.
Reflexo das ondas
Uma brincadeira de criança é falar alto para ouvir o eco da nossa fala pouco depois. O eco nada mais é que as ondas sonoras da nossa fala que colidem com algum obstáculo grande e são refletidas de volta para nossos ouvidos.
Estes reflexos também ocorrem dentro do coletor de admissão, e geram alguns fenômenos de interferência entre ondas. Quando duas ondas interferem uma com a outra e atingem picos máximos e mínimos juntas, dizemos que elas estão em fase, e geram um sinal cuja amplitude é a soma das amplitudes das duas ondas. Este tipo de interferência é chamado de interferência construtiva.
Já no caso oposto, quando duas ondas interferem e uma encontra-se no seu pico máximo e a outra em seu pico mínimo, temos um sinal que é a diferença entre entre as duas amplitudes. Este tipo de interferência é chamado de interferência destrutiva.
Quando duas ondas de mesma frequência interferem entre si, pode ocorrer o fenômeno da chamada onda estacionária. Os sinais se sobrepõem de forma a criar pontos estacionários, onde em alguns o sinal oscila em amplitude com a soma das amplitudes das duas ondas e em outros ocorre a diferença entre eles. Assim, temos os chamados nós, onde a oscilação é amplificada pela interferência construtiva, enquanto nos chamados anti-nós temos a atenuação da oscilação pela interferência destrutiva.
Revisitando um conhecido
Vimos este nome na primeira parte: Helmholtz. Pois vamos falar novamente sobre ele, mas em outro efeito importante. O leitor já deve ter feito a brincadeira de soprar em uma garrafa de cerveja ou refrigerante e observou que ela soa como um apito. Se o leitor foi uma criança mais criativa, deve ter brincado de ir progressivamente enchendo a garrafa de água e percebeu que, quanto mais água, mais agudo fica o som do apito.
Hermann vo Helmholtz foi um dos primeiros cientistas a pesquisar os efeitos de ressonância, e usava pequenas garrafas com “pescoços” para suas pesquisas. Ele construiu diversas garrafas, variando seu volume interno e no comprimento dos “pescoços” e observando em que frequências elas ressonavam.
Funcionalmente, um ressonador de Helmholtz funciona como um sistema oscilante tipo massa-mola, implicando que ele possui uma ressonância em uma frequência específica. Modernamente, há uma variedade enorme de ressonadores de Helmholtz à nossa volta. Instrumentos musicais como o violã, amplificam os sons das cordas com uma caixa de ressonância que opera pelo princípio de um ressonador duplo de Helmholtz, incluindo o fato desta câmara ser acinturada.
Outro exemplo clássico de um ressonador de Helmholtz foi o motor pulsojato da bomba alemã da 2ª Guerra Mundial. A simplicidade mecânica deste motor se devia à estabilidade ressonante do ressonador. A expansão dos gases queimados na câmara do motor os empurrava pelo longo tubo de descarga, gerando empuxo. Mas os efeitos inerciais geravam uma depressão na câmara, abrindo as válvulas de palheta sensíveis à pressão, permitindo a entrada de ar fresco e combustível na câmara. A ressonância que mantinha este motor em funcionamento é que deu à V1 pelos ingleses o apelido de “bomba zumbidora”.
O fantasma da camada-limite
Toquei no assunto da camada-limite na primeira parte, mas ela é um fenômeno muito importante, ligado ao fenômeno de velocidade de escoamento do ar. A camad- limite é uma parcela do fluxo que adere à superfície de escoamento. Junto da superfície, sua velocidade relativa é zero, mas que progressivamente vai aumentando até a velocidade final do fluxo. Não há um limite físico expresso da camada-limite, mas se adota que ela ocorre entre 0 e 99% da velocidade do fluxo.
O maior problema com a camada limite é que ela pode causar assimetrias de fluxo, comprometendo a equalização dos cilindros. Este controle é feito por uma geometria adequada dos dutos e um controle adequado da rugosidades da superfícies.
Para citar um caso clássico extremo, reparem no duto de ar que alimenta um motor de um caça. Este duto nunca é “colado” na fuselagem. Existe um espaço que separa o duto da fuselagem, criado especialmente sangrar a camada limite. Em casos extremos, como no caso do Gripen e do F4 Phanton, as entradas de ar possuem placas separadoras à frente.
Estas medidas existem para evitar que a camada limite gerada pela fuselagem dianteira da aeronave seja tragada para o duto, causando uma assimetria na pressão total sobre o primeiro fan do motor.
A pressão total flexiona as pás do fan para trás, e quando há alguma diferença significativa da pressão total, isto pode causar uma vibração que pode até destruir o motor. Então, essas assimetrias precisam ser minimizadas ao máximo para o excelente rendimento do conjunto.
O monstro da turbulência
Quando o motor está em marcha lenta, o fluxo principal nos dutos que alimentam os cilindros é praticamente laminar, fluindo com suavidade. Já vimos que, conforme o motor exige mais e mais fluxo, surge o fenômeno da instabilidade KH (Kelvin-Helmholtz). Porém, ao aumentarmos ainda mais este fluxo, ele se torna-se turbulento. A turbulência interna é resultado de propriedades do fluxo, como viscosidade e velocidade, bem como da rugosidade dos dutos.
O fluxo turbulento apresenta várias características nem sempre desejáveis, pois o turbilhonamento consome energia de movimento do próprio fluido, o que o torna mais difícil de escoar e cria separações de fases. Não só o fluxo avança com maior dificuldade pelos dutos, como há muita perda de carga na passagem pela válvula de admissão.
Num equipamento que necessita jogar combustível sobre esse ar turbulento e criar uma mistura homogênea, isso pode ser um problema. Se a turbulência for excessiva, mesmo que o combustível seja aspergido na proporção perfeita para a queima, a separação de fases pode manter porções de mistura extremamente ricas ao lado de porções extremamente pobres. A queima desta mistura apresentará um mistti das falhas de queima características tanto de queima rica como de queima pobre.
A força dos pequenos
Esta é uma questão pertinente ao combustível líquido que é aspergido sobre o fluxo de ar. Existe a chamada “teoria da força dos pequenos”, que é uma referência a muitos processos físicos onde há uma relação entre área e volume de determinado objeto. Um exemplo da força dos pequenos é a comparação entre uma formiga e um elefante.
Uma formiga é pequena e não tem uma força absoluta significativa, porém ela é capaz de transportar dezenas de outras formigas sobre uma folha que ela esteja carregando. Já o elefante, muito mais forte em termos absolutos, não é capaz de carregar outro elefante de mesmo porte. Esta maior força da formiga em relação ao elefante é explicável: a força muscular depende da área dos músculos, enquanto o peso é proporcional ao volume do corpo. E o volume progride uma ordem de grandeza mais rápido que a área.
Já com o combustível a relação se estabelece com as proporções das minúsculas gotículas que são aspergidas no fluxo. Se compararmos duas gotículas de combustível, assumindo que elas são esféricas, de tal sorte que a segunda tem um diâmetro tres vezes maior que a primeira, a segunda então tem uma superfície 9 vezes maior que a primeira, mas um volume 27 vezes maior.
Considere agora que estas gotículas precisam evaporar para seu material ser queimado de acordo. Para evaporar, uma gotícula precisa de energia térmica, e a quantidade de energia depende do volume da gotícula. Porém, para que o calor seja absorvido pela gotícula, ele precisa passar pela sua superfície.
Dentro do nosso exemplo, a segunda gotícula precisa de 27 vezes a energia térmica necessária para a primeira, mas possui apenas 9 vezes a área para receber esse calor. Assim, por este exemplo, podemos especular grosseiramente que a segunda gotícula é três vezes mais difícil de evaporar do que a primeira.
E tem mais outro fenômeno importante. Imagine que aspergimos a mesma quantidade de combustível no ar passante, a primeira vez com gotículas de dimensões idênticas à primeira, e na segunda, com a segunda gotícula. Em relação ao segundo teste, temos uma nuvem com 27 vezes mais gotículas em suspensão. O maior número de gotículas no primeiro teste reduz o espaço para o ar passar por entre as gotículas, enquanto no segundo teste o espaço entre gotículas é significativamente maior, o que dá maior mobilidade ao ar para passar entre as gotículas.
Se lembrarmos da 1ª parte, lembraremos que ar e combustível formam uma emulsão, e essa emulsão é muito mais consistente quanto menor for a dimensão das gotículas. Uma experiência mostra a severidade da dimensão das gotículas. Pegue uma daquelas bobinhas de nebulização, comuns hoje em casa, e faça a aspersão de água na frente do ventilador ligado. Quanto mais finas forem as gotículas, o fluxo do ventilador consegue levar a água mais longe, e se a nebulização for extremamente fina, a água evapora antes de cair.
Veja que no motor o fluxo de ar tem que ser capaz de arrastar o combustível ainda em sua forma líquida, e pode fazer curvas ao longo do caminho. Quanto menores as dimensões das gotículas, não só a capacidade do fluxo de ar em sustentar a massa líquida, evitando precipitações, como também serão menores as precipitações nas curvas dos dutos.
Conclusão
Nesta parte, ainda não estudamos propriamente o coletor de admissão, mas aprendemos os subsídios teóricos para entendermos diversos fenômenos que ocorrem dentro daquele “simples conjunto de tubos” ligado ao motor.
Fazer agora uma análise é a minha missão para a próxima parte.
AAD
