Um dos elementos psicológicos mais fortes de quem dirige ou pelo menos aprecia ao ver passar, é o som do escapamento de um carro. Alguns possuem sons agradáveis, outros emocionam, enquanto outros emitem apenas um barulho detestável. Tudo depende do motor e do sistema de escapamento. Inicialmente, na história do automóvel, haviam duas funções do escapamento. A primeira é óbvia: reduzir o barulho natural da descarga direta de gases do motor. A segunda era levar os tóxicos gases queimados para longe do motorista e demais ocupantes do veículo. Somente muitos anos depois é que se compreendeu a importância do projeto do sistema de escapamento para a potência e a economia do motor.
O sistema de escapamento segue as mesmas leis básicas do coletor de admissão que vimos nos artigos anteriores, então, toda base teórica de lá é aproveitável aqui.
Quem quiser revisar, basta reler os artigos sobre o coletor de admissão publicados anteriormente:
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.
O quinto artigo pode ser lido aqui.
Motor de dois tempos
Porém há uma série de adaptações às funções que o sistema de escapamento deve realizar e por isso ele é diferente do coletor de admissão. O escapamento mais elementar que existe é o para motores de 2 tempos monoccilindro.
Observe a imagem a seguir:
A imagem mostra o motor de 2 tempos usando o pistão como válvula de escapamento. Quando o pistão por força da combustão desce e há gases queimados sob alta pressão, a abertura da janela de escapamento libera esses gases. A pessão no interior do cilindro é, evidentemente, berm mais alta do que a no interior do sistema de escapamento. Essa saída de gases queimados ocasiona a propagação de uma onda de pressão no interior do escapamento que avança pelo primeiro elemento do sistema chegando a uma câmara de expansão e, por fim, os gáses queimados são lançados para a atmosfera através do segundo tubo.
Ocorre que tanto os efeitos inerciais do fluxo de gases queimados sendo descarregados pelo escapamento bem como a propagação da onda de pressão deixam para trás uma zona de baixa pressão. Quando o pistão, no seu curso descendente, momentos depois abre as janelas de transferência que permitem a passagem da mistura ar-combustível admitida no cárter para o cilindro, a zona de baixa pressão ajuda essa passagem.
Lembro que no motor 2-tempos básico sua lubrificação é feita mediante óleo misturado com gasolina em porcentagem entre 5% e 2% (20:1 e 50:1, respectivamente) e que nos motores mais modernos o fornecimento do óleo é separado da gasolina.
É visível pela imagem que parte da mistura fresca chega a penetrar no primeiro tubo de descarga antes que o reflexo da onda de pressão passa de negativa a positiva e empurre essa mistura fresca de volta para o cilindro. Há ali alguns elementos aqui que podemos identificar. Os tubos de descarga anterior eposterior, bem como a câmara de expansão, são um ressonador de Helmholtz por excelência. Portanto, é um elemento sintonizado. Este comportamento ressonante auxilia na redução da maior parte do ruido de escapamento do motor.
Já sua frequência de ressonância, com ondas de pressão que vão e vem pelo escapamento, capacita o motor a operar de forma ótima em uma determinada rotação. Nem todos os processos que vemos na imagem ocorrem em velocidade síncrona com a rotação do motor, caso da mistura fresca que sobe do cárter rumo ao cilindro, ou em sintonia com as ondas refletidas pelo escapamento. Sob determinadas condições, o motor pode desperdiçar muita mistura fresca pelo escapamento sem aproveitamento, ou, em outras situações, a onda de pressão pode retornar gases queimado demais para dentro da câmara. Em ambas os casos o motor perde desempenho e/ou consome mais combustível que o deejado. É aí que o bom dimensionamento do ressonador do escapamento beneficia a potência e a economia de combustível.
Assim, motores de 2 tempos com um ajuste para melhor desempenho em baixas e médias rotações normalmente apresentam uma câmara de expansão mais alongada e menos volumosa e o segundo tubo de descarga mais curto e largo. Já se o objetivo é obter um motor com melhor desempenho em altas rotações, obtendo potências elevadas, ele deve usar uma câmara de expansão mais curta e de maior volume, com tubo final de descarga mais longo e de menor diâmetro.
Um dos problemas crônicos dos motores de 2 tempos é que eles tendem a ter seu melhor desempenho num ponto muito específico de rotação. Por este motivo, surgiram tecnologias como a YPVS (Yamaha Power Valve System) da Yamaha, aqui no Brasil famosa por equipar a moto RD-350 tanto arrefecida a ar quanto a líquido. Este sistema era uma válvula rotativa em formato meia-lua que atuava como uma comporta. Quanto mais aberta, permitia a descarga mais prematura de gases no sistema de escapamento. Assim, o motor, que era sintonizado para máximo desempenho em alta rotação, operava nesta condição com a válvula completamente aberta, enquanto que em baixas e médias rotações a válvula operava total ou parcialmente fechada, restringindo o fluxo e otimizando para evitar a perda de mistura fresca pelo escapamento. Isso garantia não apenas economia de combustível, mas também mais potência nestas condições, algo normalmente defficiiente dos motores de 2 tempos clássicos.
Motor de 4 tempos
O motor de 4 tempos possui um funcionamento diferente, e o sistema de escapamento é diferente em função disso. Vimos que, no caso do motor de 2 tempos, há uma fase em que tanto as janelas de escape como as de transferência ficam abertas simultaneamente, e que a baixa pressão causada pelos efeitos inerciais dos gases descarregados e pela onda de pressão ajudam na sucção de mistura fresca para o cilindro, e que isso é fundamental para o desempenho geral do motor.
O mesmo ocorre com o motor de 4 tempos, porém de forma bem mais controlável, pois essa fase em que ambas as válvulas ficam simultaneamente abertas, mesmo que parcialmente, pois estas condições podem ser controladas no desenho dos ressaltos da árvore de comando válvula e mesmo naquelas de fases variáveis.
Outra vantagem dos motores de 4 tempos é possuir um comportamento muito menos “agudo” ou sintonizado em alta rotação como os motores de 2 tempos. É um motor com uma faixa mais elástica de utilização em termos de rotação e carga.
No lugar de ressonadores de Helmholtz simples, como os usados nos motores de 2 tempos, os motores de 4 tempos usam abafadores mais complexos, com múltiplas câmaras de ressonância interligadas por tubos, e um sistema de múltiplos furos nestes dutos permitem uma dinâmica paralela ao dos simples ressonadores, obtendo respostas mais complexas e adequadas a um motor menos sintonizado.
Cilindros múltiplos
A dinâmica mostrada até aqui é a de um motor monocilíndro. Esta avaliação é válida até mesmo para motores 2 tempos multicilíndricos, pois é comum que cada cilindro use um escapamento individual. O mesmo ocorre em algumas motocicletas com motores de 4 tempos bicilíndros, mas mais por uma questão de custo de fabricação.
Já em motores automobilísticos de 4 cilindros, o mais usual é que se utilize um escapamento único enquanto em motores em V (V-6, V-8, V-10), podem tanto utilizar um sistema único como um par de escapamentos. A questão é que as descargas de múltiplos cilindros no mesmo escapamento produz múltiplas ondas de pressão, e ondas de pressão de um cilindro se propaga por todo o sistema de escapamento, incluindo a interferência em outros cilindros.
A complexidade se estabelece pela ordem de ignição do motor. Em motores de 4 cilindros em linha temos sempre uma ignição a cada meia volta, com ordem de ignição 1-3-4-2. Assim, se formarmos a união de pares de cilindros opostos na ordem de ignição, 1-4 e 3- 2, para então juntarmos esses pares mais adiante, teremos o que se chama de escape “4 em 2 em 1”, ou “4x2x1”.
Também há a configuração “4×1” onde todos os tubos individuais de descarga são unidos em um único ponto.
Notem que estes sistemas de escapamento precisam lidar com o comprimento de onda das ondas de pressão, porque estas ondas se propagam na velocidade do som dentro dos tubos. É isto que determina o comprimento ideal destes tubos. Numa configuração 4×1 cada cilindro sofre uma onda de pressão a cada meia volta do virabrequim. Com a mudança contínua de rotação, o cilindro 1 pode começar a descarga no mesmo instante que sente o pulso negativo da onda de pressão do cilindro 3. Conforme a rotação aumenta, ele passa a sentir o pulso negativo do cilindro 4, depois do 2, depois do próprio 1 e assim por diante com o aumento da rotação. O comportamento do 4×1 é mais sintonizado, gerando mais potência em uma condição específica de funcionamento do motor, especialmente em motores de competição.
Já no caso da configuração 4x2x1, o cilindro 1 está ligado ao cilindro 4, que só gerará uma onda de pressão interferente uma volta depois, mas a conexão é curta. Já os cilindros 3 e 2 gerarão ondas de pressão respectivamente a meia volta e a uma volta e meia, sendo que a distâncias são maiores. Assim, variando os comprimentos dos dutos entre uniões, podemos ter interferências ressonantes com a descarga de cada cilindro em diferentes condições.
É um sistema onde há uma menor sintonia nestas interferências positivas, permitindo obter uma resposta mais plana de torque e linear de potência dos motores, algo interessante em veículos convencionais. Já no caso de motores em “V” o caso é mais complexo. Em motores V-8 há dois tipos de virabrequim, o plano e o cruzado. No motor V-8 de virabrequim plano, os munhões (manivelas) das bielas são distribuídos a 180 graus. Ele se assemelha ao virabrequim de um motor de 4 cilindros, porém com os munhões mais largos para a instalação de duas bielas, lado a lado, uma para cada banco de cilindros. Assim, motores V-8 planos operam como dois motores de 4 cilindros interconectados pelo mesmo virabrequim. Desta forma, o mesmo dito para o motor de 4 cilindros em linha vale aqui, apenas que em dobro.
Já o caso do motor V-8 de virabrequim cruzado a ordem de ignição é mais complexa. É um motor onde há uma ignição nos mesmos intervalos de tempo, entre bancos de cilindros o espaçamento entre ignições — e descargas — são irregulares, e isso afeta o bom desempenho de escapamentos duplos.
Enquanto fabricantes como Ferrari adotam motores V-8 planos e oferecem um ronco liso, parecido com o de motocicletas de grande cilindrada, os V-8 cruzados, utilizados por fabricantes americanos oferecem um característico ronco “borbulhante”.
Para minimizar os efeitos negativos da irregularidade das ondas de pressão no sistema de escapamentp dos motores V-8 cruzados, é costume utilizar junções em “H” ou “X” em sistemas de escapme duplos ou em “Y” para um escapamento único; Com estas conexões, ondas de pressão de um banco pode se propagar para outro, ocupando o espaço irregular entre ondas do mesmo banco.
Cada tipo de junção apresenta propriedades características, e outras mais podem ser adicionadas, como um estreitamento no ponto de união dos tubos dos diferentes cilindros para gerar um efeito Venturi, impulsionando ainda mais o fluxo de descarga e gerando mais efeitos inerciais.
Quanta energia há nos fluxos de descarga?
De forma grosseira, costuma-se dizer que no motor a combustão, a energia do combustível é dividida em três terços: um terço seria perdido na forma de calor através do sistema de arrefecimento, outro terço seria perdido pelo escapamento e o último terço viraria energia mecânica útil.
A energia contida no fluxo de descarga é considerável e pode facilmente ser desperdiçada, quando poderia ser bastante útil. Projetar sistemas de escapamento que tiram proveito da energia cinética e efeitos oscilatórios do fluxo para melhorar o rendimento do motor é apenas um passo, mas há outras formas. Na quarta parte dos artigos sobre o coletor de admissão, comentei sobre o Comprex, um tipo de supercarregador que comprime o ar de admissão utilizando diretamente as ondas de pressão do escapamento, sem o uso de componentes mecânicos intermediários, como num turbocarreador. Ele é simplesmente um rotor com palhetas que segregam porções de ar, com entrada e saída de ar fresco de um lado e entrada e saída de gases de escapamento do outro. Estas entradas e saídas acessam os setores do rotor assim como as janelas de um motor de 2 tempos, e um sistema de polias mantém a rotação do rotor do Comprex em sincronismo com a rotação do motor.
O Comprex é um dispositivo supercarregador que funciona sintonizado em determinada frequência de pulsação, e por isso é mais indicado para uso em motores diesel, que normalmente eram usados em grandes caminhões rodoviários, que permaneciam na mesma rotação por muito tempo. Hoje o Comprex está obsoleto devido aos avanços nas tecnologias empregadas nos turbocarregadores. Estes são dispositivos projetados para utilizarem a energia dos fluxos de descarga para oferecer supercaeamento de ar para o motor. Mas há um tipo especial de turbocarregador, classificado como “pulsativo”.
Este caregador possui o duto espiral que impulsiona sua turbina bipartido através de um septo. Na montagem deste tipo de turbo as duas repartições são alimentadas pelas descargas de cilindros alternados na ordem de ignição, de tal sorte que o fluxo destes cilindros fluem com menor amortecimento das vibrações e mais velocidade, impulsionando com maior eficiência a turbina do que na versão com o duto espiral único para todos os cilindros.
Uma evolução importante
Vimos que os coletores de admissão passaram por uma fase onde os dutos de alimentação podiam variar significativamente em comprimento, gerando diferentes sintonias no enchinebti dos cilindros, obtendo assim uma resposta mais plana de torque em toda a faixa de rotações. Vimos que este conceito foi abandonado por gerar desequilíbrios de potência e manter o motor aquém dos seu melhor rendimento. Esta função evoluiu para ser feita pelo sistema de escapamento, com muito mais eficiência e, quando bem projetado, sem os inconvenientes da assimetria de potência dos cilindros.
Em certo sentido, coletores de admissão e sistemas de escapamento formam um par altamente colaborativo em suas propriedades, maximizando o rendimento geral do motor. O sistema de escapamento também complementa significativamente o trabalho do coletor de admissão dadas as diferenças de comprimento dos dutos de ambos. O coletor de admissão é relativamente curto, dado que, para seu comprimento, os efeitos de ressonância ocorrem em harmônicas de maior ordem, que casam seus comprimentos de onda com os diminutos comprimentos dos dutos. Já o sistema de escapamnto possui comprimentos de dutos de vários centímetros a mais de 2 metros. Assim, o sistema de escaapmento pode operar com harmônicas de menor ordem ou mesmo na frequência natural de ressonância. São características que, quando bem casadas, geram maior eficiência do motor.
Outra diferença significativa e complementar entre os dois sistemas, é que, enquanto o coletor de admissão lida com uma massa de ar ou mistura com energia química apenas em fase potencial, os gases descarregados no escapamento são animados de grande energia tanto mecânica como térmica.
Enquanto o coletor de admissão lida com uma massa que precisa receber energia para ser impulsionada e movida para seu destino, a massa de gás queimado e descarregado no escapamento faz isso por conta própria. Notamos isso quando verificamos que as válvulas de admissão são sempre iguais ou preferencialmente maiores que as de escapamento, justamente para facilitar a admissão do fluxo de admissão que é animado passivamente, enquanto os gases queimados não precisam dessa ajuda. Então, nada mais lógico que usar essa energia que seria perdida pelo escapamento em uma forma de auxiliar na movimentação da massa de ar ou mistura ar-combustível para dentro dos cilindros.
Conclusão
O sistema de escapamento é um sistema que opera sob os mesmos princípios do coletor de admissão, porém numa condição completamente diferente, levando a um dimensionamento diferente. Ele oferece uma maior liberdade para o projetista buscar uma harmonia colaborativa com o trabalho do coletor de admissão, quase como se formasse uma continuidade com ele, e ambos operando para um melhor rendimento do motor.
Nos primórdios da história do automóvel, o sistema de escapamento foi desenvolvido para manter os gases queimados tóxicos longe da respiração dos ocupantes do veículo, bem como para não perturbar a paz circundante. No início houve até atritos entre os primeiros motoristas com os donos de carruagens e carroças, pois seu barulho assustava os cavalos e causaram alguns acidentes. Somente com a maior evolução das tecnologias é que a verdadeira importância do sistema de escapamento ficou evidente. Hoje, este é um componente essencial para o bom rendimento do motor aliado a baixo ruído além de baixas emissões.
Ele é mais um componente que se mostra muito mais complexo do que aparenta.
AAD
