Este artigo é uma continuação:
O primeiro artigo pode ser lido aqui.
O segundo artigo pode ser lido aqui.
O terceiro artigo pode ser lido aqui.
O quarto artigo pode ser lido aqui.
Nos artigos anteriores avançamos muito no estudo das características estacionárias e dinâmicas do coletor de admissão, bem como a evolução histórica de como a engenharia interpretava este importante componente do motor. Mas ainda falta um último estágio evolutivo a ser visto, e sua importância tem crescido nas décadas mais recentes, em especial com a introdução da injeção eletrônica e a imposição de normas de emissões cada vez mais rigorosas. Este último estágio marca a evolução técnica dos sistemas de carregamento focados na busca da perfeição da formação de mistura de ar e combustível para uma queima eficiente. Esta busca ofereceu ganhos em relações que normalmente são paradoxais, como ganhos significativos de potência concomitante com menor consumo e menores emissões de poluentes.
O quanto essa evolução representa? Um bom exemplo do quanto ela significa pode ser dada pela comparação de potências dos motores do Corsa Wind com motor de 1 litro e injeção multiponto contra o motor do Onix com motor também de 1 litro, ambos de aspiração natural. O motor 4-cilindros deste Corsa oferecia potência máxima de 60 cv a 6.000 rpm e torque máximo de 8,3 m·kgf a 3.000 rpm, um ganho significativo sobre o mesmo motor com injeção monoponto de 50 cv e 7,7 m·kgf. Já o motor do Onix 4-cilindros oferecia 78 cv (gasolina) a 6.400 rpm ou 80 cv (álcool) e torque máximo de 9,5/9,8 m·kgf, enquanto a versão mais recente, de 3 cilindros, oferece 80 cv (gasolina) a 6.400 rpm ou 82 cv (álcool) e torque máximo de 10,2 m·kgf (gasolina) a 4.000 rpm ou 10,6 m·kgf (álcool) a 4.100 rpm.
Em 25 anos houve um ganho da ordem de 20 cv sobre uma plataforma semelhante em configuração (4 cilindros e multiponto), com várias evoluções mecânicas (4 válvulas por cilindro, por exemplo) na dinâmica de fluxos e, em especial, na evolução dos sistemas de alimentação de combustível e injeção, todas beneficiando a melhor formação de mistura. Se considerarmos a configuração atual de 3 cilindros, há um ganho adicional de mais 2 cv. Estes ganhos são ainda mais significativos quando observamos que o motor do Onix hoje precisa obedecer uma legislação de emissões muito mais restritiva que a do antigo Corsa Wind.
A formação de mistura em foco
A formação de mistura lida com um problema técnico importante: o combustível é líquido, enquanto a mistura de ar e combustível só pode ser queimada quando o combustível está vaporizado. É preciso que o combustível receba calor suficiente para evaporar, e isso toma um certo tempo, sendo que tempo em motores é medido em milisegundos.
O processo de formação de mistura é bastante complexo, pois ele é influenciado por muitos fatores, como temperatura, pressão, turbulência, viscosidade dos fluidos, entre outros fatores. A mudança de cada um destes fatores afeta significativamente a formação de mistura, e o motor oferece muita variação destas condições, algumas muito rapidamente. Do ponto de vista do combustível, além das suas propriedades físicas, como se observa na comparação entre gasolina e álcool, existe o problema do tamanho da gota com que ele é nebulizado no fluxo de ar passante.Como explicado na segunda parte destes textos, se compararmos duas gotas, sendo que a segunda tem 3 vezes o diâmetro da primeira, então a área da segunda gota é 9 vezes maior, e o volume 27 vezes maior. Uma gota maior precipita mais facilmente nos dutos do coletor por ser menos sustentável no meio gasoso, oferece mais inércia enquanto piora as propriedades inerciais da emulsão, mas sua pior característica é que “a energia necessária para evaporá-la cresce com seu peso, enquanto a transferência de calor ocorre através de sua superfície.
Assim, a evaporação de uma gota maior é muito mais difícil e lenta do que com o mesmo volume de combustível quebrado em várias gotas de menor tamanho. Sistemas de alimentação progressivamente melhores oferecem gotas nebulizadas cada vez menores. Os carburadores usavam um tubo de emulsão para, entre outras coisas, gerar gotas pequenas o bastante para facilitar o funcionamento do motor.Tenho um antigo texto que explica este dispositivo aqui:
https://www.autoentusiastasclassic.com.br/2009/11/carburacao-quase-todos-os-segredos-do.html?m=0
Já sistemas de injeção de combustível utilizam bicos injetores onde há, inclusive, o uso da cavitação, que normalmente é danosa em equipamentos, como um recurso para a formação de gotas ainda menores.
Rastro de tinta
A boa formação de mistura implica também numa perfeita homogeneização desta. Normalmente, o combustível é aspergido nebulizado num ponto ao longo do trajeto do fluxo de ar, e vai progressivamente se misturando ao ar. A questão é que ao ser nebulizado, o combustível em suspenso forma junto com o ar circundante uma emulsão consistente que pode configurar uma separação de fases com o ar seco, e há uma tendência natural dessas fases em se manterem separadas.
É a presença de forte turbulência no coletor de admissão e na câmara que consegue homogeneizar as duas fases a tempo de se realizar a queima desta mistura. Este processo de mistura progressiva se dá de forma parecida quando se misturam tintas e é usado um agitador.
Quando a mistura não é eficiente o suficiente, dentro da câmara formam-se linhas de fases alternadamente ricas e pobres, e a queima desta massa não uniforme causa, lado a lado, efeitos de queima de misturas rica e pobre simultaneamente, afetando a qualidade da queima, prejudicando a geração de potência, o consumo e a emissão de poluentes. É aqui onde o projeto de coletores de admissão tem avançado. É a dinâmica de fluxo dos coletores de admissão e escapamento os responsáveis pela formação de uma turbulência adequada na câmara de combustão, e, no caso do coletor de admissão em colaboração com o sistema de alimentação de combustível, da perfeita formação de mistura.
Carburador e injeção monoponto
Para entender o que foi o carburador diante da precisão da injeção eletrônica que o sucedeu, é preciso entender dois princípios:
- O motor a combustão lembra a imagem de um avestruz, capaz de engolir qualquer coisa e continuar vivendo tranquilamente;
- O velho ditado que diz “o bom é inimigo do ótimo”.
Há muita confusão aqui. Os motores automobilísticos surgiram carburados. Ao longo de quase um século, houve grandes avanços no projeto de carburadores, mas nem tanto no que toca os coletores de admissão. Os coletores eram desenhados para compensar diversas deficiências dos carburadores e ainda assim oferecer boa potência, dirigibilidade, alguma economia. Assim, estavam longe de serem perfeitos em seus papéis dentro do conjunto.
Carburadores operam por fluxo de ar e são equipamentos mecânicos de precisão. Eles normalmente trabalham distantes das cabeças de válvula, e seu melhor desempenho ocorre com coletores com plenuns e dutos pequenos para maximizar a capacidade de sucção conforme as demandas do motor. O tamanho de gota do combustível nebulizado pelo carburador era exageradamente grande e havia muita precipitação de combustível nas paredes do coletor, e era necessário que os dutos do coletor, além de curtos, fossem estreitos para que houvesse arrasto de mistura suficiente para uma marcha-lenta regular, mesmo que isso comprometesse a potência máxima. E, como vimos na primeira parte, carburadores e injeções monoponto apresentam péssimas propriedades na distribuição de mistura, causando desequilíbrios de potência entre cilindros.
Ainda assim, se faziam carros com potência razoável, agradáveis de dirigir e relativamente econômicos. Porém, esta sensação longe do verdadeiro potencial desses motores, que não eram percebidos pela simples falta de uma base de comparação. Já as injeções monoponto foram uma transição de uma indústria que saía de motores carburados rumo à injeção eletrônica. Elas traziam muitas das características das injeções mais evoluídas, multiponto, mas ainda estavam presas a muitas das limitações dos carburadores, e praticamente, por isso, usavam coletores úmidos dos motores carburados com certas adaptações.
A injeção multiponto
A injeção multiponto foi um salto tecnológico na engenharia de motores, mas não da forma como se pensava a princípio. Inicialmente, a injeção multiponto foi vista como um sistema de transição entre os sistemas carburados e a injeção direta de combustível na câmara de combustão.Entretanto, avanços posteriores mostraram que o seu verdadeiro potencial. Agora, ao invés de apenas uma tecnologia tampão, ela é vista como do mesmo nível que a injeção direta, tanto que carros de alto padrão possuem motores com os dois tipos de injeção simultaneamente, usando uma ou outra conforme as condições sejam mais favoráveis.A injeção multiponto evoluiu mostrando que tão importante o quanto é injetado, também é o onde, o como e o quando.
Injeção multiponto – o onde
O normal em motores urbanos é vermos os bicos injetores multiponto na extremidade dos dutos dos coletores de injeção, apontados diretamente para a cabeça da válvula de admissão. Observe que o ângulo é tal que sirva para injetar o combustível nebulizado no âmago do fluxo de ar, e achamos que este é o correto.
Vejam que tudo ali segue uma geometria precisa e que depende do projeto do motor: a conformação dos dutos, a distância da abertura do bico até a cabeça da válvula, a abertura do cone de aspersão do combustível e assim por diante. Da mesma forma, é estabelecida a pressão da linha de combustível que alimenta o bico e a geometria interna do mesmo para a formação da nuvem de nebulização. Nada ali é “chutado”. Tudo segue critérios técnicos precisos, detalhe a detalhe. Porém, esta não é toda a verdade. Veja na imagem a seguir a vista em corte de um motor Ferrari de Fórmula 1. Reparem onde está instalado o bico injetor.
Ele fica fora do duto do coletor, dentro do plenum. Há uma indicação precisa para essa localização, que se refere ao tempo de formação de mistura.
O bico injetor dos carros convencionais fica próximo ao fim do duto para evitar ao máximo a precipitação de combustível nas paredes do duto e para melhorar a resposta do motor a solicitações bruscas de aceleração, tudo ao contrário ao motor de F-1. A explicação para isso está na rotação do motor. Um motor convencional a 6.000 rpm está em alta rotação para os padrões deste motor. Já o motor de Fórmula 1 desta geração operava regularmente a 18.000 rpm, ou 1/3 do tempo entre aspirações do mesmo cilindro. O tempo para formação de mistura é muito restrito e o bico precisa ser afastado para que ar e combustível tenham tempo para se mesclar e evaporar completamente.
Um detalhe importante desta configuração é que o duto de admissão termina em uma configuração de afunilamento em direção ao motor. Este afunilamento obriga o fluxo de ar a acelerar continuamente até a admissão. Além do ganho em velocidade gerar um fluxo de ar mais estável em alta potência, a aceleração contínua do fluxo gera uma baixa pressão que auxilia na evaporação progressiva do combustível. Também é possível observar que no caso do motor de F1 o duto é o mais reto possível, evitando jogar o combustível em direção da parede e aumentando a perda de carga, apesar do sistema de alimentação se mostrar extremamente volumoso e pouco prático fora da F-1. O bico injetor não está centralizado com o duto. Ele está posicionado mais para o lado da borboleta de aceleração que se abre para o lado mais interno do duto, caminho mais favorável para o fluxo de ar admitido.
Injeção multiponto – o como e o quando
Sistemas modernos de injeção multiponto utilizam técnicas diferenciadas de injeção que variam conforme o projeto e a condição momentânea de uso do motor. Estas técnicas são chamadas de forma ampla como “estratégias de injeção”. As estratégias mais básicas de injeção são as de válvula de admissão aberta e válvula fechada.
A diferença entre elas é que se o pulso de injeção ocorre com a válvula aberta, combustível líquido nebulizado é admitido dentro da câmara, e fica a cargo da turbulência, pressão e temperatura da câmara vaporizar e homogeneizar a mistura para ela ser queimada. A grande vantagem desta estratégia é que o combustível sendo admitido na sua fase líquida toma pouco espaço e com isso mais ar consegue ser admitido a cada aspiração e isso pode resultar em maior potência. Entretanto, há menos tempo para a formação e homogeneização de mistura. Geralmente a mistura nestas condições precisa ser mais rica para compensar a as deficiências de homogeneização e evaporação precárias, prejudicando o consumo e as emissões e até mesmo contaminando o óleo lubrificante.
Já a estratégia de válvula fechada, implica que há mais tempo para o combustível absorver o calor presente no duto e comece a formar mistura antes do início da admissão. Quando a válvula de admissão é aberta, pelo menos uma parte do combustível já foi vaporizado e homogeneizado, conseguindo desta forma uma mistura mais homogênea. Em contrapartida, a estratégia de válvula fechada gera mais precipitação nas paredes do duto e na cabeça de válvula. Se por um lado o combustível precipitado nas paredes do duto dificultam a formação de mistura, exigindo aquecimento de coletor para evaporar, por outro ajuda a manter o duto e a válvula limpos, um problema comum nos motores com injeção direta.
A diferença entre as estratégias de válvula aberta versus a de válvula fechada leva a uma estratégia ainda maior: a estratégia de fase de injeção. Se o bico injetor precisa de um tempo para injetar uma certa quantidade de combustível, não é incomum que o pulso de injeção dure mais que a abertura da válvula de admissão. Assim, o pulso de injeção nestas condições deve começar antes da abertura da válvula, geralmente numa estratégia mista entre válvula fechada e aberta. A questão é quando o pulso deve começar.
Se o pulso de injeção começa em uma certa posição do virabrequim de tal sorte que ele termine no instante que a válvula de admissão termina de abrir, encerrando a fase de admissão, então o máximo de combustível nebulizado entrou na câmara de combustão, em benefício à potência. Porém, se o mesmo pulso é constantemente adiantado, cada vez menos há combustível líquido sendo admitido na câmara e mais combustível vaporizado se mesclando com o ar do duto passa a ocorrer. Há uma melhor qualidade de mistura, em benefício à economia e às emissões, além de maior suavidade de funcionamento. Porém, quanto mais combustível evapora nos dutos, menos ar com oxigênio ocorre ali, comprometendo a potência. Outro inconveniente é que, em sistemas de injeção onde o cálculo do combustível ocorre em função da pressão absoluta do coletor, a vaporização do combustível faz a pressão no coletor se elevar. A ECU se engana, sentindo mais pressão, como se houvesse mais ar dentro do coletor quando na verdade há menos, e a ECU precisa de uma tabela de correção que compense este fator.
A conclusão é que uma fase mais atrasada é benéfica para a geração de potência do motor, e deve ser aplicada nos regimes mais intensos de uso. Já fases de carga parcial, onde realmente não se exige o máximo do motor, se beneficia de uma fase mais adiantada, gerando maior economia, menos emissões, prazer de dirigir. Há estratégias ainda mais sofisticadas, estas ligadas diretamente ao projeto dinâmico do coletor de admissão.
Um caso “misterioso” que os mecânicos contavam era que, colocando um osciloscópio para ver o pulso do bico único da injeção EFI usada no Monza e no Kadett, sincronizada com a ignição, esporadicamente apareciam pulsos fantasmas, fora de sincronismo e ninguém sabia o que significava aquele pulso. A resposta é que, por ser uma injeção pulsada, com os pulsos em sincronismo com a ignição, ao invés do carburador que libera combustível continuamente, o resultado é que o coletor de admissão fica seco sob determinadas situações. Se o motorista der um golpe de aceleração nestas condições, a injeção até gera um enriquecimento da mistura, mas com o afastamento do corpo de borboleta das válvulas de admissão, o primeiro cilindro tenta sugar mistura e só consegue ar puro, falhando por mistura pobre logo em seguida. Para evitar este problema, a injeção libera sob determinadas condições pulsos extras, fora de sincronismo com a ignição, para que o combustível injetado entre e decante nas paredes dos dutos. É esse excedente de combustível que enriquece a mistura em acelerações rápidas e evita o solavanco do motor por mistura pobre.
Ainda existem motores multiponto que usam esta estratégia.,
Há casos como o da Triumph Daytona 675R que possui dois bicos injetores por cilindro.
Muitos leitores imediatamente pensarão “é um bico suplementar!”, mas não é este o caso. A questão é que os bicos da Triumph são estagiados. Em baixa rotação funcionam os bicos próximos ao da válvula, enquanto em alta rotação funcionam os bicos na entrada do duto. Mas, quer seja um sistema de bicos suplementares, quer seja de bancos de bicos biestagiados, a questão é que cada banco de bicos possui uma tabela separada de fases de injeção, compensando a distância do bico injetor à cabeça da válvula.
Se o bico injetor for injetar num instante preciso onde uma onda de pressão causa uma depressão naquele exato instante, então a menor pressão do lado de saída do bico o fará injetar mais combustível justo quando a massa de ar é mais rarefeita, fazendo o bico criar uma mistura mais rica. O contrário ocorre quando o bico precisa abrir quando há uma sobrepressão causada pelas ondas de pressão. Assim, algumas ECU precisam de fatores tabelados que compensem esta situação, principalmente agora que as normas de emissões são extremamente rigorosas. É uma correção relativamente pequena, mas significativa na atualidade.
Nos anos 90, houve uma “moda” em torno de uma nova estratégia.
Os bicos injetores, em certas condições de carga e rotação intermediárias, eram pulsados sob certas condições de modulação. Assim, antes do pulso principal de injeção, o bico realizava um ou mais pulsos “piloto”, com um certo intervalo entre eles. As razões para estes pulsos piloto eram bastante variadas, indo de resfriamento do ar dentro do duto para aumento de sua densidade a até mesmo a modulação fina da frequência de ressonância do duto, uma vez que o ar nebulizado, formando uma emulsão, apresenta uma velocidade de propagação do som diferente da do ar livre. Isso altera o comportamento das ondas de pressão dentro do coletor e permitindo uma sintonia do mesmo para aquela situação.
Era uma estratégia complexa e de difícil controle, mas com ganhos significativos em torque nas condições de rotação intermediárias.
Note que as condições do motor estão continuamente mudando. Uma certa hora o motor é ligado a frio. Em marcha lenta, a evaporação do combustível não é equivalente ao do motor a quente. Nela também, o fluxo de ar pelos dutos é pouco mais que uma brisa, enquanto em alta rotação e potência o o motor está mais aquecido e com fluxo mais rápido, denso e consistente. Então, a cada condição de temperatura, carga e rotação do motor, as condições de formação de mistura mudam, e geralmente o fazem de forma contínua, de tal sorte que a fase de injeção, assim como outras estratégias, esteja continuamente sendo reajustada.
Injeção direta
O caso da injeção direta é mais simples. Como neste tipo de motor o coletor lida exclusivamente com ar e o combustível é injetado exclusivamente dentro da câmara de combustão, sem transporte de combustível em suspensão, então vale o que foi dito sobre a dinâmica destes componentes nas partes anteriores.
Jogo dos 7 ou mais erros
Faço agora o seguinte desafio ao leitor: baseado no que aprendemos ao longo desta série, consegue encontrar os erros nas adaptações mostradas nas fotos a seguir?
Conclusão
Este é o fim de uma longa série explorando um componente que parece tão simples e na verdade é extremamente complexo, um componente sem partes móveis mas com ampla variedade de fenômenos dinâmicos associados e seu funcionamento casado com o sistema de alimentação de combustível do motor. Observamos que alimentar um motor é muito mais que jogar ar e combustível numa determinada proporção. Há geometrias, texturas e tempos precisos para a formação de uma mistura ar-combustível que queimará perfeitamente na câmara de combustão.
Porém, entendemos que o motor a combustão não surgiu perfeito. Ele nasceu bastante primitivo e mesmo assim impulsionou a humanidade por mais de um século, e que justamente o primitivismo dos primeiros automóveis mostra o quanto o motor a combustão engole qualquer coisa e continua andando, tal e qual um avestruz, e que a suavidade ou a potência de um motor não significa que ele esteja no máximo de seu desenvolvimento.
O coletor de admissão talvez seja o melhor exemplo de como a engenharia evolui: um componente aparentemente simples, sem partes móveis, mas que revelou esconder um universo inteiro de acústica, termodinâmica, dinâmica dos fluidos e formação de mistura.
AAD
