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6 de setembro de 2008

Coletores: os instrumentos de sopro da Orquetra Motor.

Há anos escrevo comparando um motor com uma orquestra. Muitas são as sutilezas que passam despercebidas das pessoas, e até dos profissionais da área.

Numa orquestra, mudar a configuração e a distribuição dos instrumentos faz a música soar diferente, embora a orquestra siga a mesma partitura. É o que ocorre quando ouvimos a mesma música executada por um quarteto de cordas e depois por uma orquestra sinfônica.

Um motor é muito similar. Ele não é um componente único. Ao contrário, é um ajuntamento de componentes que operam em conjunto para realizar uma tarefa complexa. Como numa orquestra, se trocarmos estes componentes ou os modificarmos, o motor responderá de uma forma diferente.

Ao contrário do que muita gente pensa, os coletores de admissão e de escapamento não são meros canos que alimentam o motor de mistura fresca e o descarregam dos gases quentes queimados. Num paralelo com os instrumentos de uma orquestra, os coletores seriam os instrumentos de sopro pela sua similaridade de funcionamento.

Comecemos pelo básico.

Vamos imaginar um longo tubo. Pode ser até mesmo um de PVC, usado em tubulações caseiras.
Pegue este tubo e dê um tapa numa das extremidades dele. Ouviremos um "tum!" vindo do outro lado. Esse "tum!" é um som resultante da mecânica do ar dentro do tubo.

O ar tem duas propriedades importantes: ele tem massa (portanto tem inércia) e é um meio bastante elástico.
Quando damos o tapa na ponta do cano, comprimimos o ar nessa ponta, e geramos uma região de alta pressão por conta da elasticidade do ar. Este ar sob alta pressão tende a se deslocar para a região vizinha dentro do tubo, onde a pressão é mais baixa. Ele demora para se deslocar por causa de sua inércia. Quando essa massa de ar finalmente se destendeu, o deslocamento dela cessa. Porém, como a massa de ar seguinte também possui elasticidade e inércia, agora é ela que fica sob alta pressão. Como ela não pode sair imediatamente do lugar, fica comprimida, e por inércia irá trasnferir essa pressão positiva para a massa de ar seguinte, e assim prosseguirá até que a zona de alta pressão saia pelo outro lado do tubo.
Ao sair a frente de alta pressão, o ar dentro do tubo está rarefeito, e o ar circundante irá entrar, criando uma frente de pressão no sentido contrário.

São essas idas e voltas da frente de pressão que geram o "tum!" que ouvimos no tubo.

Voltando a falar da orquestra, lembremos da tuba e do flautim. A tuba é enorme, e o flautim bem pequeno. Enquanto a tuba toca notas musicais graves, o flautim toca notas agudas. Mas o que relaciona uma coisa com a outra?

A física do ar mostra que há uma relação entre a inércia do ar e sua elasticidade, e esta relação cria uma propriedade importante: a velocidade do som no ar é por volta de 340 metros por segundo, e não importa se o som é grave ou agudo.

Dentro de cada instrumento, o som é gerado criando frentes de pressão que vão e voltam à velocidade do som. A tuba, sendo grande, possui um comprimento grande de tubo e o flautim possui um comprimento muito reduzido. Como a velocidade do som é constante, as frentes de pressão atravessam o flautim várias vezes no mesmo tempo em que uma frente de pressão leva para atravessar o longo tubo da tuba. Assim a frequência do flautim é muito mais alta que a da tuba. A frequência com que cada instrumento toca é a frequência de ressonância do tubo daquele instrumento.

No caso dos motores, essa questão é ainda mais delicada.
Os coletores possuem a função de transportar a vazão de fluidos (mistura fresca no coletor de admissão e gases quentes no coletor de escapamento), porém, como o funcionamento do motor é intermitente pela abertura e fechamento das válvulas, o fluxo torna-se intermitente e os dutos acabam servindo também de guias para ondas de pressão.

Em geral, os comprimentos dos dutos desses coletores são fixos, enquanto a frequência da intermitência de vazão varia conforme a rotação do motor.

Se uma válvula de admissão se abre junto quando uma frente de alta pressão está chegando, a propagação dessa frente de chama para dentro da câmara ajuda a entrada de mistura fresca, mas em outra situação, a válvula de admissão pode abrir no instante em que uma frente de baixa pressão está presente, e isto irá dificultar a entrada de mistura na câmara.
Fenômeno similar ocorre do lado do coletor de escapamento. Isto pode facilitar ou dificultar a descarga dos gases queimados pelo coletor de escapamento.

Assim como nos instrumentos musicais, os dutos de comprimento fixo dos coletores possuem uma determinada frequência de ressonância (tocam numa determinada "nota"), porém a frequência de pulsação de fluxo a que são submetidos varia conforme a rotação do motor. Numa determinada rotação, a válvula de admissão sempre encontrará um pulso de pressão positiva, propiciando maior potência para o motor. Em outra rotação específica, encontrará sempre uma frente de pressão negativa em prejuízo à potência do motor. Em outras rotações, a cada nova abertura uma condição diferente de pressão surgirá, fazendo com que a potência do motor oscile em torno de um valor médio.
Tudo isto dependendo do casamento entre as frequências de ressonância do coletor e a rotação do motor.

Como um sistema integrado, as respostas do coletor de admissão e as do coletor de escapamento interferem mutuamente.
Se o escapamento tem dificuldades para descarregar os gases queimados, a admissão terá dificuldades para encher a câmara de combustão com mistura. Se a admissão tiver dificuldades de encher a câmara, menor quantidade mistura fresca entrará para tomar o lugar dos gases queimados, e o motor terá dificuldade em descarregá-los.

Podemos projetar o que pensamos ser o ideal: casar a ressonância da admissão com a de escapamento. Isto criaria um motor excelente em determinado regime de rotação, onde é fácil admitir junto com uma grande facilidade de descarregar, e teremos alta potência neste ponto. Porém este motor teria enormes dificuldades nas demais rotações. Criamos assim um motor com uma resposta "aguda", localizada numa faixa estreita de rotações, e ruim no restante das rotações.

Para o carro que usamos no dia-a-dia, precisamos de um motor mais elástico, com uma resposta mais plana. Assim desenhamos coletores de admissão com ressonância diferente dos coletores de escapamento. Desta forma, quando o motor tiver facilidade em uma situação terá dificuldade em outra e o comportamento médio é mantido ao longo de toda faixa de rotações.

Como os motores automotivos são multi-cilíndricos, podemos também criar tubos de admissão e/ou de descarga com comprimentos variados, para que as respostas dos varios cilindros não sejam exatamente iguais, uniformizando ainda mais a resposta do motor.

Este é um assunto fascinante, o qual apenas arranhamos a superfície, e ao qual poderemos observar em maior profundidade nas próximas explorações.

3 comentários:

  1. Um dos melhores exemplos da afinação desses "instrumentos" é o motor 4-válvulas 1,6-litro Renault. Sem nenhuma muleta tipo coletor de admissão de dois comprimentos ou fase variável de comando de válvulas o motor é exuberante em toda a faixa de rotação.

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  2. Bob, as possibilidades de regulagem de qualquer motor são astronômicas. Há caminhos já conhecidos para acertos gerais, mas cada motor tem seu próprio ajuste fino.
    A Renault certamente só conseguiu os resultados que você descreve porque ela foi muito feliz "na afinação de sua orquestra".
    Trabalhos como estes fazem muitas outras "orquestras" originais parecerem "desafinadas". Para estas, nada melhor que novos "ensaios" para determinar se são necessárias novas afinações, a troca de alguns de seus "instrumentos" ou até mesmo a substituição da "orquestra" inteira.

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  3. Realmente nada melhor do que um ronco afinado.

    abs

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