Este artigo é uma continuação;
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Na parte anterior, vimos a importante função de amortecimento e estabilização da massa de ar admitida promovida pelo plenum. Sem ele, o ar ou a mistura podem não ser admitidos em quantidade equilibrada e equalizada para um trabalho homogêneo dos cilindros e causando assimetria de potência entre eles.
Já os dutos são projetados para uma alimentação otimizada de ar ou mistura dos cilindros. Embora sejam peças separadas, os dutos do coletor de admissão e do cabeçote trabalham em continuidade, e o ideal é que sejam entendidos como um componente único, sem a separação mecânica entre peças diferentes. Assim, veremos os dutos como um componente contínuo, desde sua abertura no plenum até a cabeça da válvula de admissão.
O duto de admissão não é apenas um cano conduzindo ar ao motor. Ele funciona como um sistema oscilatório, ressonante e inercial capaz de aumentar — ou reduzir — significativamente o enchimento dos cilindros.
O fluxo pulsado
O fluxo pulsado é uma sobreposição de dois fenômenos distintos: os fenômenos inerciais sobre um movimento não contínuo, e outro bastante diferente, referente ao comportamento ondulatório gerado pela pulsação do fluxo. Inicialmente iremos explorar os efeitos inerciais e elásticos do fluxo pulsado.
O ar é um gás, e portanto, não pode ser puxado ou empurrado como um objeto sólido para que possa se movimentar. O que movimenta um gás é a diferença de pressões. Um gás também oferece outras propriedades dinâmicas, como a massa, a elasticidade e a viscosidade.
Antes de continuar é importante saber que a abertura e o fechamento das válvulas não ocorrem nos pontos mortos superior e inferior (PMS e PMI), como dita o ciclo Otto 4-tempos teórico. Por razões de inércia dos gases, a válvula de admissão abre momentos antes de o pistão atingir o PMSr, chamado Avanço de Abertura de Admissão (AAA), e fecha algum tempo depois do PMI, chamado Retardo do Fechamento da Admissão (RFA).
Já a válvula de escapamento abre algum tempo antes do PMI, chamado Avanço de Abertura do Escapamento (AAE) e fecha instantes depois do PMS, chamado Retardo de Fechamento do Escapamento (RFE). Com essa descrição dos eventos fica claro que entre o RFE e o AAA as duas válvulas (admissão e escapamento) ficam abertas.
Quando a válvula de admissão abre, existe uma diferença de pressão entre o cilindro e o duto de carregamento. Em certas situações, a pressão do cilindro naquele preciso instante pode ser superior ao de duto, causando um certo refluxo no sentido contrário ao desejado. Este refluxo, em contato com um ambiente mais frio e de menor turbulência que a interna do cilindro causa, por exemplo, a deposição de carvão na cabeça das válvulas e outras contaminações no interior do duto.
Outro efeito importante deste refluxo é causar uma onda de pressão que caminha da válvula para o plenum através do duto. É a primeira agitação da massa de ar no duto antes de ele encher o cilindro. Porém, a situação no interior do cilindro não é estática. Ao mesmo tempo em que o pistão atinge o PMS, a válvula de escapamento ainda aberta propicia a descarga dos gases queimados e quentes. E a válvula de admissão abre num instante anterior ao pistão chegar ao PMS.
Próximo ao PMS o volume entre a câmara de combustão e a cabeça do pistão é bastante reduzido, e qualquer mínimo deslocamento do pistão naquela condição implica numa grande variação proporcional deste volume, o que confere ao pistão em movimento uma grande capacidade de bombeamento.
No instante da abertura da válvula de admissão, a capacidade de bombeamento do pistão é minimizada pela válvula de escapamento aberta. Quando a válvula de escapamento abre antes du pistão chegar ao PMI, ela libera o gás queimado, então sob alta temperatura e alta pressão, para o duto de escapamento sob uma pressão e temperatura menores. A diferença de pressão empurra os gases queimados através da abertura da válvula de escapamento e estes adquirem alta velocidade, enquanto o pistão sobe e reduz ainda mais o volume para este gás, num esforço que facilita ainda mais a evacuação dos gases queimados.
No instante em que a válvula de admissão abre, os gases queimados estão em alta velocidade pelo duto de escapamento, e o colapso do volume do cilindro tende a frear estes gases de escapamento. O efeito inercial dos gases quentes em movimento tendem então a criar uma depressão no cilindro, fenômeno que é aproveitado pela abertura antecipada da válvula de admissão (AAA) para impulsionar o ar ou mistura ae-ombutóvel frescos para dentro do cilindro.
É um fenômeno tanto dinâmico como oscilatório. Do ponto de vista dinâmico, as diferenças de pressão impulsionam a massa de ar dentro do duto em direção à válvula de admissão. O ar dentro do duto não se comporta como uma barra rígida sendo empurrada. Ele se comporta como uma massa elástica. Quando uma região do gás é acelerada, ela comprime e traciona as regiões adjacentes, propagando oscilações de pressão ao longo do duto. Elasticidade e inércia causam oscilações de forma sintonizada.
Observando este comportamento apenas do ponto de vista dinâmico, vemos que a diferença de pressão impulsiona a massa de ar, e esta começa a se mover. Em determinado instante a válvula de escapamento se fecha, e o ar ou mistura ar-combustível é admitido no cilindro pelo aumento do seu volume promovido pelo pistão (que diminui a pressão lá dentro) e pela inércia do ar ou da mistura ar-combustível.
Conforme o pistão desce no cilindro (curso de aspiração), isto aumenta a velocidade da massa de ar ou de mistura ar-combustível. No entanto, conforme o pistão desce o volume dentro do cilindro aumenta, e o deslocamento do pistão diminui significativamente a sua capacidade de bombeamento. No final do curso do pistão, junto ao PMI, o efeito inercial do ar ou mistura dentro do duto é que continua enchendo o volume para a próxima queima. Esse é o motivo do Retardo do Fechamento da Admissão, o RFA.
A importância do comprimento dos dutos
Num duto longo, a massa de ar ou de mistura ar-combusívdl é maior. É, portanto, uma massa mais difícil de movimentar, mas que no fim da fase de admissão possui bastante efeito inercial para continuar enchendo o cilindro.
Já num duto mais curto, a massa é menor, sendo colocada em movimento com menor esforço, mas com menor capacidade inercial para encher o cilindro no fim da fase da admissão.
Num motor, quanto maior a rotação, menor é o tempo para acelerar uma determinada quantidade de massa no interior do duto. Dutos longos possuem maior massa de ar, exigindo mais tempo para acelerar o fluxo, porém oferecendo maior efeito inercial ao final da fase de admissão. Dutos curtos respondem mais rapidamente, mas com menor capacidade de sustentação do enchimento.
Já em alta rotação ocorre o oposto. Num duto longo, o tempo de abertura da válvula de admissão e os efeitos de sucção pelo movimento do pistão e pela onda de pressão da fase de escapamento não são suficientes para colocar a massa de ar do duto em movimento, prejudicando o enchimento do cilindro ao fim da fase de admissão. Já o duto curto tem massa reduzida, permitindo que essa massa seja acelerada mais rapidamente e permitindo melhor enchimento do cilindro.
Assim, dutos mais longos beneficiam as rotações mais baixas, enquanto dutos curtos beneficiam as rotações mais altas.
O coletor variável
Na maioria dos motores de produção os coletores de admissão são fixos, tendo em vista a utilização média em condições urbanas e de estrada. No entanto, em alguns veículos de alto padrão e desempenho, coletores com dutos variáveis podem ser utilizados. Isso permite que estender as curvas de torque e potência dos motores, livrando-os da sintonia restrita dos coletores de comprimento único.
Alguns sistemas de coletores variáveis utilizam extensões telescópicas continuamente variáveis, enquanto outros sistemas utilizam labirintos de dutos, onde vãlvulas-borboleta semelhantes às usadas para aceleração, desviam o fluxo entre dutos mais curtos ou mais longos, conforme o regime de rotação e carga.
São sistemas volumosos e inadequados para a maioria dos veículos normais, além do custo de fabricação, e por isso, destinados apenas a modelos especiais, embora a tecnologia para controle da variabilidade destes coletores já não seja um grande mistério.
Cornetas
Os entusiastas já devem ter notado entradas de dutos em formato de corneta.
Estes apêndices existem para compatibilizar a passagem do fluxo e um ambiente relativamente aberto, com fluxos de baixa velocidade para o consistente e rápido fluxo no interior do duto. O formato da corneta reduz progressivamente o diâmetro do duto conforme o ar penetra no seu âmago, diminuindo perturbações negativas no fluxo que possam surgir com a variação contínua da velocidade.
Em princípio, o uso de cornetas parece lógico, tanto que existe a dedução teórica do seu formato (hiperbólico), porém a complexidade oferecida pela turbulência do fluxo em certas conições já mostrou situações exóticas em testes de dinamômetro. Há casos extremos onde a melhor solução é o tubo com corte seco. Assim, não existe uma regra absoluta para a escolha das cornetas, permitindo diversas geometrias.
Uma curiosidade é que para motores de alto desempenho os dutos podem avançar com cornetas que se abrem no âmago do plenum. Os projetistas destes coletores buscam evitar duas situações negativas características de coletores onde os dutos se originam das paredes do plenum:
– Dutos que se originam junto das paredes do plenum podem sofrer com a camada-limite formada pelo fluxo aderida à parede. As cornetas tomariam ar livre de camada- limites;
– As paredes do plenum é onde as ondas de pressão são refletidas e imediatamente interferem com as ondas originais. As cornetas montadas no centro do volume do plenum afastam-se dessas interferências indesejadas.
Ondas de pressão
O fenômeno oscilatório do fluxo dentro do duto é tão importante para o enchimento do cilindeo quanto o fluxo inercial. São dois fenômenos diferentes, que se sobrepõem e que cada um pode ajudar ou atrapalhar enchimento do cilindfo.
Uma onda de pressão refletida que retorne para a válvula de admissão, em perfeito sincronismo temporal, tem significativos efeitos sobre o enchimento do cilindro. Se a fase da onda for tal que o pulso de sobrepressão chegue à válvula aberta, haverá uma chegada adicional de ar ou mistura mais denso ao cilindro, gerando mais potência, e, caso contrário, com um pulso de depressão chegando, ar ou mistura menos denso é admitido pelo cilindro.
Poderosas ondas de pressão é o que não faltam:
– Existe o refluxo de gases queimados na abertura da válvula;
– O fluxo em movimento colide subitamente com a válvula quando ela se fecha, criando um golpe de aríete;
– O duto terminado em uma válvula fechada se comporta como um elemento ressonante, ou seja, ele vai promover ondas de pressão em sua frequência de ressonância, ondas essas que percorrem o duto nos dois sentidos, conforme elas se refletem;
– O duto junto com o plenum se comporta como um ressonador de Helmholtz, amplificando ondas de pressão em sua frequência de ressonância e harmônicas dela, e filtrando ondas com outras frequências.
É natural que os comportamentos de ressonância do duto isolado e dele em conjunto com o plenum se sobreponham. Então cabe ao projetista decidir ele faz o casamento das frequências de ressonância ou não.
Este aproveitamento de ondas de pressão funciona como um supercarregamento passivo do motor, porém ele é limitado a questões como frequências de ressonância e comprimentos de onda característicos do sistema de enchimento. Este é outro aspecto da importância dos coletores variáveis, pois ao modificarem dinamicamente o comprimento dos dutos, conseguem manter um sincronismo entre as frequências de ressonância do coletor com os pulsos de pressão gerados pelo motor, e assim otimizando o supercarregamento passivo do motor.
O potencial das ondas: o carneiro hidráulico e o Comprex
Embora pareça algo exclusivo de motores de combustão, o aproveitamento de ondas de pressão aparece em vários sistemas hidráulicos e pneumáticos. Vou usar dois exemplos que evidenciam o aproveitamento útil das ondas de pressão. Uma boa ilustração do poder destas ondas de pressão é um sistema de bomba hidráulica chamada de “carneiro hidráulico”, muito usado em fazendas e sem o uso de energia elétrica ou combustível. Ele utiliza os mesmos princípios de inércia, elasticidade, golpe de aríete e ondas de pressão para bombear a mistura à distância.
O vídeo a seguir mostra o funcionamento teórico do carneiro hidráulico
Outro bom exemplo de como as ondas de pressão podem ser aproveitadas é um supercarregador para motores, chamado “Pressure Wave Supercharger”, ou meramente “Comprex”.
Ele oferecia diversas vantagens à primeira vista sobre o turbocarregador:
– Ele praticamente não oferece um atraso de resposta ao acelerador, como o turbo lag (demora) do turbocarregador;
– Explorava diretamente as ondas de pressão, utilizando um mecanismo muito mais simples, (na época) mais fácil de fabricar e mais barato que o turbo;
– Foi visto por muitos anos como uma alternativa real sobre ao turbocarregdor.
Diferente do turbocaredor, o Comprex não usa uma turbina para girar compressor. Em vez disso, ele usa um rotor com canais que permite o contato dos gases de escapamento com o ar de admissão, e que se comunica com partes do motor através de um sistema de janelas, como um motor de 2 tempos.
O rotor é girado em sincronismo com o motor, de tal sorte que se alinha com o final do escapamento, que está na fase de depressão da onda de descarga, com o lado de aspiração de ar, e de outra parte, liga-se o coletor de escapamento com a parte do coletor de admissão.
Ele funciona com a depressão da onda do escapamento sugando ar fresco para o canal om que está alinhado. Progressivamente o rotor gira até que se alinha com os coletores de admissão e escapamento. Neste ponto, a sobrepressão do gases descarregados empurra o ar fresco para o motor, conseguindo significativa supercaregamento de ar para o motor sem grande consumo de potência.
A Ferrari experimentou este tipo de supercarregador no começo da era turbo, com o modelo 126 CX de 1981. Foi usado por Gilles Villeneuve nos treinos para o GP do Oeste dos EUA, em Long Beach.
Ali as desvantagens do Comprex apareceram e inviabilizaram seu uso. O sistema apresentava resposta imediata ao acelerador (sem o turbo lag) e com significativo incremento de torque. Porém era pesado, volumoso, barulhento, de instalação complexa, extremamente quente ao ponto de aquecer o ar admitido, muito sensível à altitude e sua correia era um ponto crítico para falhas.
No final, a Ferrari optou por turboccarregadores para o resto da temporada, usados no modelo 126CK, por serem mais simples de caber no chassi e montar, além de não ter as desvantagens do Comprex. Ainda assim, o Comprex teve bastante utilização em caminhões com motores Diesel.
Conclusão
O coletor de admissão deixa então de ser apenas um conjunto de tubos. Ele passa a ser um sistema acústico, dinâmico e ressonante cuidadosamente sincronizado com os pulsos produzidos pelo próprio motor. Enquanto o plenum é um componente ressonante que amortece oscilações indesejáveis que podem atrapalhar o fluxo de carregamento do motor, e incrementar oscilações numa frequência desejável, os dutos existem para não apenas carregá-lo da melhor forma possível o motor, como tiram proveito das ondas de pressão para carregá-lo ainda mais.
Este trabalho em conjunto permite, entre outras coisas, que as ondas de pressão de outros cilindros acabem interferindo entre si de forma negativa ao funcionamento do motor. Se for para haver a interferência, que seja de forma positiva.
Na próxima parte veremos como isso interage com a formação da mistura e os sistemas de injeção.
AAD
