Este artigo é uma continuação;
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O segundo artigo pode ser lido aqui.
A função do coletor de admissão sempre foi a de conectar o sistema de alimentação de ar e, na maioria das vezes, de combustível para os cilindros e enchê-los com a máxima eficiência possível. Porém, o coletor de admissão, assim como o coletor de escapamento, passou por uma grande evolução, conforme os efeitos fluidodinâmicos que ele promovia eram melhor entendidos e processados. Hoje, este componente, que fisicamente parece simples, envolve aspectos técnicos de alta tecnologia para maximizar a potência e a eficiência dos motores.
Um pouco de história
Até a década de 1940, época da Segunda Guerra Mundial, o coletor de admissão era completamente subestimado. Era visto apenas como uma simples ligação entre o carburador e a válvula de admissão do cilindro. Ele precisava ser o mais curto possível para evitar a precipitação do combustível nebulizado em suas paredes e reduzir perdas de carga (termo técnico para a resistência ao avanço do fluxo), e mais nada.
Fato parecido acontecia com os coletores de escapamento, algo que podemos ver em motores como o Rolls-Royce Merlin, usado no caça inglês Supermarine Spitfire, e no seu arqui-inimigo, o Daimler Benz DB605 que equipava o caça Messerschmitt BF-109. Ali é bem visível o quão curtos eram os tubos de escapamento e que basicamente eram direcionadores de fluxo, que desviavam as chamas e fumaça da descarga para longe da vista do piloto e ainda auxiliavam na propulsão com um pequeno empuxo auxiliar.
Porém, a partir da década de 1950, os engenheiros começaram a compreender que havia diversos fenômenos associados ao fluxo dentro do coletor de admissão e que poderiam beneficiar seu funcionamento. Eram tempos onde os recursos técnicos eram escassos, com engenheiros utilizando ainda analógicas réguas de cálculo. Então não se podia pedir muito no projeto de componentes complexos.
Um exemplo desta fase é o coletor de admissão para o motor Chrysler Slant Six (seis cilindros em limha inclinado), lançado em 1964. Ele continha um coletor de seis dutos, com dois centrais bastante curtos e os demais progressivamente mais longos, numa configuração que lembra muito um dos símbolos do judaísmo, o candelabro de sete braços, o memorá.
O coletor de admissão deste motor um bom exemplo de como algumas ideias amadurecem na engenharia. dutos curtos beneficiam a potência em alta rotação, enquanto dutos longos proporcionam mais potencia com menos rotação (e menos com alta). Com três tamanhos diferentes de dutos, a ideia dos engenheiros da Chrysker era obter um motor com resposta mais plana, com cada par de cilindros trabalhando melhor em três regimes diferentes. Porém, este tipo de arranjo causou tantos problemas com má distribuição de concentração de mistura e precipitação de combustível nas paredes dos dutos que logo partiram para projetos com outros tipos de proposta.
Além disso, a ideia de um motor onde apenas pares de cilindros operando na condição ideal causava um motor que nunca liberava seu potencial total, tanto em potência como em consumo de combustível, que levou ao abandono desta filosofia em favor de um motor que pudesse operar a maior parte do tempo com cilindros em equilíbrio de potência.
Desde então, não só houve uma evolução nas relações de compromisso com as quais os coletores de admissão precisavam ser projetados, como se passou a reconhecer um espectro maior de fenômenos que ocorrem dentro do coletor e também as ferramentas computacionais com as quais tais fenômenos podem ser estudados e novos coletores projetados.
O plenum
Um elemento importante na constituição do coletor de admissão é o plenum. Ele é essencialmente uma câmara que fica posicionada logo após a borboleta de aceleração e a partir do qual seguem os dutos em direção ao cabeçote para então encher os cilindros. Originalmente, o plenum surgiu como uma forma de receber a mistura ar-combustível formada pelo carburador e direcioná-la para cada duto. No entanto, logo os engenheiros perceberam que o volume do plenum era importante para filtrar os fortes pulsos de pressão causados pela aspiração de cada cilindro.
O carburador precisa emulsionar combustível líquido, bastante denso, num fluxo de ar. Se esse fluxo for extremamente pulsante, o carburador enfrenta problemas com a inércia do combustível e não consegue fazer uma dosagem adequada no processo de formação da mistura. Com a estabilização do fluxo proporcionada pelo plenum o carburador passa a lidar com um fluxo menos variável, conseguindo oferecer uma mistura mais estável.
O plenum é um ressonador de Hemlholtz por excelência. Como elemento ressonante altamente seletivo, se sua ressonância estiver fora da faixa de frequências dos pulsos de pressão, ele cria para o carburador um fluxo estabilizado, além de reduzir significativamente o ruído característico da aspiração do ar pela borboleta de aceleração.
Porém, em ressonâncias, que podem ocorrer na frequência natural ou em alguma harmônica, ele pode até amplificar a oscilação.
A inércia versus o plenum
Como vimos na primeira parte, a inércia e a elasticidade do ar possuem papel importante na distribuição de ar ou de mistura entre cilindros. O ar precisa fazer curvas, contra a tendência da inércia do fluxo de seguir em linha reta. A mistura, um sistema bifásico, aparentado com um colóide, possui propriedades inerciais ainda mais acentuadas, e menor elasticidade. Daí motores com carburadores ou injeções mono ponto apresentarem piores distribuições de mistura que motores multiponto ou com injeção direta.
Em coletores onde o eixo do fluxo está disposto a 90 graus do eixo dos dutos, uma distribuição bastante comum, quanto maior a velocidade do fluxo, a inércia gera a tendência de alimentar melhor os cilindros opostos à borboleta em detrimento dos mais próximos. Isso é um efeito típico de momento linear do escoamento com separação parcial de fluxo.
Um projeto mais adequado do plenum, reduzindo sua seção no sentido do fluxo, tende a compensar esta tendência.
Temos também o fantasma da camada-limite, assim como vimos na segunda parte, que pode ser capturada ou arrancada junto com o fluxo principal de alimentação, prejudicando a alimentação do cilindro. Mas sua análise é mais complexa, pois depende do desenho do plenum e das entradas dos dutos.
Reflexão de ondas
Já foi possível perceber que o projeto do plenum segue critérios com objetivos bem diferentes:
- Seu volume é parte de um ressonador de Helmholtz, dimensionado para estabilizar os pulsos de pressão causados pela aspiração dos cilindros;
- Seu projeto geométrico deve, dentro do possível, evitar o desequilíbrio de potência entre cilindros ao longo de toda faixa de operação do motor;
- Seu desenho também deve evitar que em grandes fluxos, cilindros possam admitir significativa camada-limite, que reduz a quantidade de ar absorvido pelo cilindro.
Porém, há uma situação ainda mais complexa, relacionada à reflexão de ondas dentro do plenum. O eco que ouvimos é um bom exemplo de reflexão de onda. Falamos a uma certa distância de um grande obstáculo, como um muro, e segundos depois, ouvimos o eco do que dissemos. A onda da nossa fala se propagou da nossa boca até o muro, refletiu e voltou até nossos ouvidos. Como o som se propaga à velocidade 343 metros por segundo, ele demora um certo tempo para refletir no muro e retornar aos nossos ouvidos. Ele também percorre o mesmo caminho de volta que o som fez para ir até o muro. Se o som for contínuo e de frequência constante, o som que retorna irá interferir com o som original, gerando ondas estacionárias.
Estudo de caso: a câmara do sussurro
Um caso bastante comentado no ensino da física é o da câmara elíptica. Duas pessoas são colocadas dentro de uma câmara de formato elíptico, cada uma num dos focos geométricos da elipse. Quando uma fala, mesmo em tom muito baixo, a outra ouve perfeitamente, mesmo que haja muito ruído em volta.
É comum a explicação que isso ocorre porque todos os sons originados de um dos focos convergem para o outro foco, por uma propriedade matemática da curva elíptica. Porém, há ainda uma outra propriedade matemática importante que normalmente não é explicada: na elipse, qualquer que seja a trajetória de um som que sai de um foco, reflete nas paredes e se direciona para o outro foco, a distância percorrida é exatamente o mesmo. Como consequência, os múltiplos sons que convergem para o segundo foco se mantém em fase naquele ponto, criando um nó construtivo, transmitindo o máximo de potência sonora para o ouvido do segundo participante da conversa.
Outros fenômenos de reflexão
Quando temos o encontro de três superfícies planas exatamente a 90 graus entre elas, temos o que se costuma chamar de “canto de cubo” (cube corner). Este conjunto de superfícies possuem a propriedade de, qualquer onda incidente que incida sob qualquer orientação retornará por uma trajetória paralela à da onda original.
Refletores, formados por dezenas de cantos de cubos foram deixados na Lua pelos astronautas da missão Apollo 11 e até hoje são usados para medir com precisão a distância entre a Terra e a Lua, mediante reflexão de pulsos de raios laser.
Refletores tipo “olho de gato”, usados em automóveis, motos e bicicletas, fazem uso do mesmo princípio para aumentar sua visibilidade.
De uma forma mais ampla, podemos dizer que superfícies planas colocadas a 90 graus tendem a refletir sinais em direções paralelas. Já superfícies planas que formem ângulos agudos ou curvas côncavas tendem a concentrar estas ondas em um foco, enquanto superfícies planas em ângulos obtusos ou superfícies convexas tendem a dispersar as ondas refletidas.
Já superfícies paralelas tendem manter as ondas se propagando continuamente, contidas no espaço entre essas superfícies. É o que chamamos tecnicamente de “guia de onda”.
Já uma guia de onda que interponha um obstáculo, gerará a reflexão da onda, e esta retornará em sentido contrário, também contida e interferindo com a onda original. Este fenômeno cria a chamada “câmara de ressonância”.
Um bom exemplo destas propriedades é a caixa acústica, feita de pranchas de madeira.
A caixa possui formato de paralelepípedo, oferecendo 8 cantos de cubo para reflexão e 3 pares de superfícies paralelas. É a peça ideal para a formação de interferência de ondas, ondas estacionárias e nós construtivos e destrutivos, comprometendo a qualidade e o desempenho da caixa acústica.
É por isso que estas caixas recebem revestimentos de lã de vidro junto das suas paredes. Este material cria propriedades de amortecimento das ondas refletidas internamente, mas sem comprometer o comportamento desejado.
Efeitos de reflexão no plenum
No plenum temos todos os efeitos de ondas de pressão geradas pela aspiração dos cilindros que entram no plenum e ficam refletindo em suas paredes. O plenum é uma câmara, portanto, na média, oferece superfícies côncavas, concentrando as ondas refletidas e originais, causando interferências e ondas estacionárias.
A tábua de Galton
A tábua de Galton, embora seja um experimento mecânico de cunho essencialmente estatístico, ilustra perfeitamente o problema de formação de ondas estacionárias dentro do plenum.
Ondas de mesma frequência, quando interferem entre si, formam conjuntos de nós construtivos e destrutivos alternados e igualmente espaçados.
Um fluxo é movido por diferenças de pressão, e quando ela tem de passar por um campo cheio de nós de interferência, reage de forma parecida com a das esferas na tábua de Galton. O fluxo responde a gradientes instantâneos de pressão. Os nós destrutivos oferecem baixas oscilações de pressão e quase não afetam o deslocamento do fluxo. Porém os nós construtivos alternadamente oferecem oscilações locais de pressão, atraindo e depois repulsando o fluxo, aumentando a impedância dinâmica de escoamento e, portanto, dificultando seu avanço.
É nítido que este é um efeito indesejável, tanto quanto numa caixa acústica, porém a solução para este problema passa pela geometria do plenum e não pela aplicação de qualquer material absorvente. Formatos tradicionais, como paralelepípedos e cilindros, devem ser evitados. Ângulos de 90 graus e formatos alongados e paralelos favorecem a concentração de ondas refletidas e formação de interferências. Geometrias mais arredondadas favorecem a reflexão das ondas com diferentes fases, evitando que elas se concentrem com a mesma fase, e com isso evitando a formação de nós construtivos suficientemente potentes para atrapalhar o fluxo.
É por esta razão que coletores de admissão como os usados nos motores VW AP e GM Família II possuem um formato de “batata”, arredondado e irregular.
Uma complicação a mais
Toda essa explicação não tocou num ponto fundamental para evitar complicações, mas ela pode ser citada aqui, de tal forma que o leitor pode voltar a ler todo este artigo com esta ideia em mente e verá como é uma situação difícil de conciliar para os engenheiros. O agravante é que falamos muito em ondas originais e refletidas, mas não tocamos no que tange a frequências de ressonância, frequências harmônicas e comprimentos de onda.
Um motor opera variando continuamente sua rotação, motivo gerador básico de todas as ondas de pressão que ocorrem dentro do coletor de admissão. Assim, a frequência dessas ondas de pressão também variam continuamente com a rotação. Em frequências fora da ressonância (que tem tudo a ver com o comprimento de onda) do plenum, o problema é mínimo. Porém o problema aparece nas condições de ressonância. Esta ressonância pode ocorrer tanto com harmônicas da frequência principal do plenum, como em ressonâncias localizadas, causadas pela geometria irregular do próprio plenum.
Esta condição pode complicar em algumas situações, porque a boa filtragem pelo formato do plenum pode funcionar bem com algumas harmônicas e em outras não. Tudo depende da fase das diferentes ondas de pressão que se interferem no mesmo ponto. Este fator precisa ser levado em conta em todos os demais aspectos já mencionados, pois dificuldades de fluidez do fluxo de ar ou mistura, ocasionadas por ondas estacionárias, podem gerar “buracos de carburação” naqueles pontos.
Conclusão
Vimos nesta parte a importante função do plenum, de minimizar e manter sob controle as vibrações na massa de ar e combustível que atravessam seu interior. Como se percebe, é um componente bastante complexo quando se exige o máximo de tecnologia e desempenho do motor. Como em tudo na engenharia, o plenum possui compromissos diversos que precisam de alguma forma convergir para um funcionamento harmonioso:
- Estabilidade da alimentação de ar ou de mistura;
- Distribuição de ar ou de mistura entre cilindros;
- Ter bom comportamento dinâmico sob diferentes condições de uso.
Há de se entender que, por conta da contínua variação da frequência das ondas vindas dos cilindros, haverá momentos em que o funcionamento do plenum favorecerá ou degradará o funcionamento geral do sistema, incluindo o maior ou menor enchimento dos cilindros. Este é um dos motivos das curvas de torque e potência nunca serem uma curva perfeitamente lisa, mas sim com ondulações.
Há ainda a exploração dos fenômenos dos dutos onde, em vez de desejarmos amortecer e até anular vibrações, queremos que elas ocorram.
É o que veremos na próxima parte.
AAD
