Sistemas de admissão: coletores, CAIs, filtros e roncos!

quem ja ouviu   seja a bordo ou do lado de fora   um carro com sistema de admissao modificado sabe muito bem o quanto que o ronco do bicho muda  o sopro do ar sendo tragado  o timbre mais encorpado e rouco  um grande barato  pois e  o sistema de escape nao e  nem de longe  o unico elemento a alterar o timbre da musica mecanica   [youtube id= 7sfx_ldeph8  width= 620  height= 349 ]  a simples adiçao de um sistema de captaçao de ar frio  cai  cold air intake  deixou o subaru brz do video acima com um ronco muito mais profundo e organico  da pra ouvir perfeitamente o momento da abertura dos corpos de borboleta  no video abaixo  voces poderao conferir que mesmo dentro do universo dos carros preparados  uma alteraçao simples como o comprimento das cornetas de admissao  velocity stacks  pode mudar bastante o som do motor  alem e claro  da velocidade de resposta do fluxo de admissao   pense em um canudinho curto e em um comprido   [youtube id= miadjvwxoys  width= 620  height= 349 ]  por que e como esse fenomeno acontece e quais os seus beneficios tecnicos sao parte do assunto que iremos tratar hoje  vamos falar sobre sistemas de admissao   o sistema de admissao em um motor tem como principais funçoes    captar o ar num ponto de temperatura mais baixa que a encontrada dentro do cofre do motor;  filtrar o ar que entra no motor para que impurezas nao causem danos;  controlar a quantidade de ar admitida pelo motor  ajustando assim a carga;  distribuir igualmente o volume de ar entre os cilindros;  homogeneizar o combustivel ao ar antes que a mistura chegue ao cilindro   com todas estas funçoes o sistema de admissao tem grande importancia para o motor   e se receber a devida atençao pode trazer otimos ganhos de performance  de forma analoga ao sistema de escape  fluxo e a palavra chave para qualquer motor de alto rendimento que se preze       começando com o pe direito   o ponto de captaçao do ar e onde tudo começa e e extremamente importante  pois a temperatura tem influencia direta na densidade do ar  se a captaçao for feita dentro do cofre  onde nas melhores condiçoes a temperatura e  ao menos  15 ˚c mais alta que a ambiente   a densidade do ar sera menor  menor densidade do ar significa menor potencia  pois menos combustivel podera ser injetado  entao os fabricantes procuram posicionar a tomada num local onde haja um grande fluxo externo  normalmente na porçao inferior interna dos para lamas  em algum canto do cofre do motor ou atras das grades frontais   porem  a quantidade de curvas  caixas de ar  diametro de dutos e localizaçao das tomadas encontradas nos sistemas originais muitas vezes nao sao ideais quando se busca uma maior performance  pois para boa parte destes veiculos ha uma serie de compromissos  especialmente relacionados a emissao de ruidos  consumo de combustivel e respostas do acelerador  para atender a uma demanda mais esportiva sao utilizados os cold air intake  cai   leia mais sobre estes sistemas aqui  de performance  como o que vimos no subaru brz do começo deste post  visando maior desempenho  utilizam dutos com maior diametro e principalmente um posicionamento que favoreça a captaçao do ar mais frio e mais denso  more powah   abaixo temos um cai da steeda instalado num ford mustang 2009 4 6  note a caixa de isolamento de aluminio  alem de aumentar sensivelmente a pressao nesta regiao  ela isola boa parte do calor irradiado pelo motor no cofre  sem esta proteçao e sem um minimo de estudo de posicionamento  o cai pode performar pior do que um sistema original     indo alem neste conceito  e se o ponto de captaçao de ar frio recebesse uma ajuda da pressao aerodinamica causada pelo proprio deslocamento do veiculo  eis ai entao o sistema ram air  veja os sistemas da apr e do camaro iroc z nas fotos abaixo   cuja preocupaçao principal e captar ar frio num num local onde a pressao seja superior a atmosferica      para entender onde e como esses pontos de maior pressao se formam  temos de conhecer a aerodinamica do veiculo no qual queremos instalar este tipo de sistema  todo carro possui um coeficiente aerodinamico e uma determinada area frontal  esses dois combinados determinam a força de arrasto  que e a força de resistencia do ar para o deslocamento deste carro  quando o veiculo se desloca e o ar se opoe a este deslocamento  areas de junçao como as formadas pela grade e capo ou pelo capo e para brisa tendem a reter o fluxo de ar  comprimindo o  e o que acontece quando colocamos a cara pra fora do carro   clarkson que o diga   quanto maior for a velocidade de deslocamento maior sera a resistencia e consequentemente maior sera a pressao gerada nesses pontos  e se a pressao e maior  a densidade tambem sera  sacaram a ma intençao  maior densidade  mais oxigenio  mais combustivel e mais pocotos  veremos mais adiante alguns desdobramentos mais refinados do ramming     tudo limpo    voce leva seu carro por varios lugares  rodovias muito movimentadas  engarrafamentos na cidade  estradinhas de terra e regioes litoraneas  em todos esses lugares  seu motor respira um ar que e tudo menos puro  com boa quantidade de particulas em suspensao  caso nao haja uma barreira absorvente  todo esse material ira chegar aos cilindros e causar desgaste prematuro  por vezes catastrofico  nas partes moveis  entao e papel do filtro de ar garantir que este material particulado fique retido logo no inicio do sistema de admissao   normalmente os filtros utilizados em carros de passeio sao de papel  e estes tem uma determinada porosidade  quanto menor for a porosidade do papel maior sera a quantidade de particulas que este filtro ira reter   entretanto  a resistencia ao fluxo deste filtro tambem sera maior  nos regimes de rotaçao mais altas o motor sofrera maiores perdas por bombeamento caso o filtro nao esteja bem dimensionado para o sistema  e nesse nicho que os filtros esportivos se encaixam  como estes filtros utilizam camadas de espuma com diferentes micragens  particulas com dimensoes variadas ficam retidas em camadas diferentes  sem que isso gere uma grande resistencia ao fluxo  existe certo debate sobre a capacidade de filtragem destes elementos de alta performance  especialmente acerca de seu decaimento em medio e longo prazo  mas nao cabe entrarmos neste assunto agora   vale lembrar que parte significativa dos motores de competiçao nunca ouviu falar de um filtro de ar   muitos utilizam apenas uma trama metalica para evitar a entrada de pedriscos  enquanto alguns nao usam nada alem da caixa de ar  questao de aplicaçao e demanda       controle de carga todo motor precisa de um meio para controlar a sua carga  esse controle acontece por uma valvula que varia a area do duto de acordo com o seu angulo de abertura  em carros de rua a valvula deve possuir um bom range de modulaçao  garantindo a boa dirigibilidade do veiculo   valvulas do tipo borboleta atendem bem as necessidades de dirigibilidade por terem uma curva de vazao chamada de  igual porcentagem   na qual a taxa de crescimento da vazao e exponencial  ja valvulas como as esfera e guilhotina  que possuem passagem plena  o diametro do orificio de passagem e igual ao diametro interno do duto de admissao   apresentam uma curva chamada  abertura rapida   na qual a vazao tem crescimento logaritmico  este tipo de valvula e mais indicado para o uso nas pistas pois a maior preocupaçao de controle se da no contorno das curvas  momento onde a distribuiçao de grip entre as forças transversais e longitudinais e mais delicada   entao o compromisso com a aceleraçao mais progressiva e menor quando comparado as ruas     um dos assuntos bastante abordados em foruns por todo o mundo e o aumento do diametro da borboleta de admissao  essa mudança e valida  mas somente em determinadas situaçoes  explico numa analise superficial  o maior diametro permite uma maior area e  com isso  a passagem de um maior volume de ar   alem de uma menor restriçao ao fluxo  mas para cada açao ha uma consequencia  e nesse caso e a reduçao da velocidade do fluxo   para explicar como isso acontece  temos de entender  ou relembrar  alguns conceitos  a vazao volumetrica  q  e a mediçao da quantidade  em volume  v   de um fluido que atravessa um trecho de tubulaçao ou duto  s   por um determinado tempo  t   entao   e o que e o volume para a geometria  volume de um solido e a area de sua base  a  multiplicado pela sua altura  h   como estamos analisando um duto  a altura equivale ao comprimento do duto  s   entao   analisando a equaçao anterior sob o ponto de vista da cinematica  o produto da divisao do espaço pelo tempo e a velocidade  pois   entao  substituindo  temos     dessa forma encontramos como a velocidade se encaixa no fluxo  e mais que isso  vemos que ela e inversamente proporcional a area  ou seja  quanto maior a area do duto  menor sera a velocidade desse fluxo para uma determinada vazao  essa menor velocidade impacta a eficiencia volumetrica do motor  pois com menor velocidade a massa de ar admitida tem menor energia cinetica  que resulta num menor enchimento dos cilindros e em casos mais extremos pode ocorrer a reversao de fluxo nas rotaçoes mais baixas   entao aumentar o diametro da borboleta so e realmente valido quando outras alteraçoes que venham a melhorar o enchimento do motor tambem sejam feitas  como a troca do comando de valvulas  a instalaçao de um coletor de escape corretamente dimensionado ou ainda um coletor de admissao dimensionado     se aumentarmos o diametro de uma borboleta de 35 milimetros para 45 milimetros  o que significa um aumento de 28 5% de diametro  teremos uma vazao maxima 65% maior  portanto nao se enganem  o que temos na verdade e uma perda na progressividade de aceleraçao  temos sim um motor mais arisco aos comandos do acelerador  porem um motor que mantem a mesma potencia que ja possuia     distribuiçao do fluxo   o coletor de admissao basicamente e um conjunto de dutos interligados por uma camara principal  que deve distribuir o fluxo de ar de forma igualitaria entre os cilindros  coletores simetricos possuem uma melhor distribuiçao do fluxo e atenuam a maior parte das pulsaçoes do sistema de admissao  coletores assimetricos tem a distribuiçao do fluxo prejudicada pela sua geometria  porem este tipo de coletor tem otimas respostas as oscilaçoes de pressao   existem ainda os coletores hibridos  como os dual plenum e os coletores decrescentes  estes coletores apresentam uma reduçao da area de sua secçao transversal  para assim manterem a distribuiçao e velocidade do fluxo a longo de todo o seu comprimento     estima se que a camara principal do coletor de admissao  mais conhecida como plenum  deve ter um volume entre 70% e 95% do deslocamento total do motor  ou seja  num motor de 2 litros  o plenum deve ter um volume ente 1 4 e 1 9 litro  garantindo assim a boa distribuiçao do fluxo de ar  outra caracteristica dos coletores de admissao direcionados a maior performance e o uso de cornetas nas tomadas dos dutos  essas cornetas possuem taxa de abertura exponencial  isso faz com que o ar admitido seja acelerado rapidamente em direçao ao cilindro  esta maior velocidade e vital para a formaçao de uma mistura ar/combustivel mais homogenea     afinando os instrumentos   mas porque estamos falando tanto sobre ondas e pulsos  o primeiro movimento da massa de ar no duto se da quando a valvula de admissao se abre e ha um cruzamento com a valvula de exaustao ainda aberta  a inercia da saida dos gases da combustao anterior e tao forte que gera uma grande depressao na camara  essa depressao ocorre ainda no ponto morto superior  pms   o movimento descendente do pistao  associado a depressao gerada pelo escape  suga a mistura fresca para dentro da camara ao mesmo tempo em que um pulso de rarefaçao  negativo  sobe e se desloca pelo duto de admissao em direçao ao plenum     este pulso possui uma grande quantidade de energia  porem uma baixa capacidade de deslocamento  entao o duto de admissao deve aumentar de diametro a medida que se afasta da valvula de admissao e preferencialmente deve terminar em uma boca de sino  dessa forma havera o casamento entre a impedancia acustica do duto e do plenum  veja o destaque no final do post sobre impedancia acustica   quando o pulso de rarefaçao chega ao plenum  ele e refletido e retorna para o duto defasado em 180˚  tornando se um pulso de compressao  positivo      se a chegada deste pulso de compressao coincidir com o momento que antecede o fechamento total da valvula de admissao  frequencia de rotaçao do motor = frequencia de ressonancia do duto de admissao   uma carga extra de mistura sera literalmente comprimida para dentro do cilindro  mas o grande problema em sintonizar o sistema para frequencia principal e que o comprimento do duto torna se inviavel  se fossemos ajustar o coletor para que o pico de pressao ocorresse aos 3 000 rpm  o duto de admissao teria 4 90 m de comprimento     estudos mostraram que sintonizando o coletor para as frequencias do terceiro  quarto e quinto harmonico da frequencia principal  e possivel alcançar ganhos muito proximos dos encontrados com a frequencia principal  dessa forma temos uma razao entre as frequencias que pode ser encontrada por     fazendo uma analise simples do deslocamento da onda para determinar o comprimento do duto  temos a seguinte formula     dessa forma conseguimos rapidamente encontrar o comprimento ideal para a sintonia do sistema  devemos lembrar que o comprimento total ja inclui o comprimento do duto dentro do cabeçote  como este nao pode ser modificado  ele deve ser subtraido do total para chegarmos ao comprimento do duto do coletor de admissao     outro efeito ligado ao fluxo de ar no coletor de admissao e o ram induction ou carneiro pneumatico  o ram acontece quando o pistao chega ao pmi  ponto morto inferior  e  devido a inercia dos gases  o fluxo nao cessa de imediato   pois a massa de ar adquiriu boa quantidade de energia cinetica durante seu deslocamento e o movimento continuara ate que toda essa energia se dissipe  esse acumulo de energia e diretamente proporcional ao comprimento do duto  e inversamente proporcional ao diametro  entao dutos extremamente largos e curtos acumulam menos energia e com isso o deslocamento do ar tem menor inercia  o que e benefico por reduzir as perdas por bombeamento  mas e extremamente prejudicial para os regimes mais baixos de rotaçao por permitir a reversao do fluxo   coletores com dutos longos e estreitos apresentam grandes ganhos com o ram charge em regimes baixos e medios  entretanto aumentam consideravelmente as perdas por bombeamento nas rotaçoes mais altas     tomando conhecimento de todos esses efeitos do sistema de admissao  os fabricantes de veiculos procuraram aumentar a flexibilidade de seus motores  entao eles criaram os coletores de admissao de geometria variavel  este modelo de coletor normalmente consiste um plenum ligado a um ou dois conjuntos de dutos com diferentes comprimentos  os dutos inicialmente mais longos para favorecer os regimes mais baixos  tornam se curtos a uma dada rotaçao para favorecer os regimes mais altos  a seleçao do duto ativo e feita a partir da ecu  que envia um sinal de tensao para uma valvula eletropneumatica acionando o conjunto movel  que pode ser composto por valvulas  dutos ou palhetas   assim vimos que o ajuste do sistema de admissao deve primeiramente passar pelo objetivo de uso do motor e sua faixa ideal de operaçao  para que assim todos os componentes sejam corretamente dimensionados e que sempre tenhamos a melhor performance na faixa de trabalho desejada     impedancia acustica e a resistencia que um determinado volume apresenta para transmitir uma onda sonora  o casamento entre as impedancias faz com que a perda de energia da onda seja minima na transiçao das ondas entre duas areas diferentes  como e o caso dos coletores de admissao  trazendo este amplificador acustico para o nosso dia a dia  encontramos exemplos nas cornetas usadas para amplificar o som reproduzido pelos smartphones   [youtube id= rdgt9yipntq  width= 620  height= 349 ]