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Papo de Garagem Técnica

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

Quem já ouviu – seja a bordo ou do lado de fora – um carro com sistema de admissão 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 é, o sistema de escape não é (nem de longe) o único elemento a alterar o timbre da música mecânica.

A simples adição de um sistema de captação de ar frio (CAI, cold air intake) deixou o Subaru BRZ do vídeo acima com um ronco muito mais profundo e orgânico. Dá pra ouvir perfeitamente o momento da abertura dos corpos de borboleta. No vídeo abaixo, vocês poderão conferir que mesmo dentro do universo dos carros preparados, uma alteração simples como o comprimento das cornetas de admissão (velocity stacks) pode mudar bastante o som do motor, além é claro, da velocidade de resposta do fluxo de admissão – pense em um canudinho curto e em um comprido.

Por que e como esse fenômeno acontece e quais os seus benefícios técnicos são parte do assunto que iremos tratar hoje. Vamos falar sobre sistemas de admissão.

O sistema de admissão em um motor tem como principais funções:

  • 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 não 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 combustível ao ar antes que a mistura chegue ao cilindro.

Com todas estas funções o sistema de admissão tem grande importância para o motor – e se receber a devida atenção pode trazer ótimos ganhos de performance, de forma análoga ao sistema de escape. Fluxo é a palavra-chave para qualquer motor de alto rendimento que se preze…

 

Começando com o pé direito

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O ponto de captação do ar é onde tudo começa e é extremamente importante, pois a temperatura tem influência direta na densidade do ar. Se a captação for feita dentro do cofre (onde nas melhores condições a temperatura é, ao menos, 15 ˚C mais alta que a ambiente), a densidade do ar será menor. Menor densidade do ar significa menor potência, pois menos combustível poderá ser injetado. Então os fabricantes procuram posicionar a tomada num local onde haja um grande fluxo externo, normalmente na porção inferior interna dos para-lamas, em algum canto do cofre do motor ou atrás das grades frontais.

Porém, a quantidade de curvas, caixas de ar, diâmetro de dutos e localização das tomadas encontradas nos sistemas originais muitas vezes não são ideais quando se busca uma maior performance, pois para boa parte destes veículos há uma série de compromissos, especialmente relacionados à emissão de ruídos, consumo de combustível e respostas do acelerador. Para atender a uma demanda mais esportiva são 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 diâmetro e principalmente um posicionamento que favoreça a captação 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 alumínio. Além de aumentar sensivelmente a pressão nesta região, ela isola boa parte do calor irradiado pelo motor no cofre. Sem esta proteção e sem um mínimo de estudo de posicionamento, o CAI pode performar pior do que um sistema original.

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Indo além neste conceito, e se o ponto de captação de ar frio recebesse uma ajuda da pressão aerodinâmica causada pelo próprio deslocamento do veículo? Eis aí então o sistema Ram Air (veja os sistemas da APR e do Camaro Iroc Z nas fotos abaixo), cuja preocupação principal é captar ar frio num num local onde a pressão seja superior a atmosférica.

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Para entender onde e como esses pontos de maior pressão se formam, temos de conhecer a aerodinâmica do veículo no qual queremos instalar este tipo de sistema. Todo carro possui um coeficiente aerodinâmico e uma determinada área frontal. Esses dois combinados determinam a força de arrasto, que é a força de resistência do ar para o deslocamento deste carro. Quando o veículo se desloca e o ar se opõe a este deslocamento, áreas de junção como as formadas pela grade e capô ou pelo capô e para-brisa tendem a reter o fluxo de ar, comprimindo-o. É o que acontece quando colocamos a cara pra fora do carro – Clarkson que o diga.

Quanto maior for a velocidade de deslocamento maior será a resistência e consequentemente maior será a pressão gerada nesses pontos. E se a pressão é maior, a densidade também será. Sacaram a má intenção? Maior densidade, mais oxigênio, mais combustível e mais pocotós! Veremos mais adiante alguns desdobramentos mais refinados do ramming.

 

Tudo limpo?

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Você leva seu carro por vários lugares, rodovias muito movimentadas, engarrafamentos na cidade, estradinhas de terra e regiões litorâneas. Em todos esses lugares, seu motor respira um ar que é tudo menos puro, com boa quantidade de partículas em suspensão. Caso não haja uma barreira absorvente, todo esse material irá chegar aos cilindros e causar desgaste prematuro (por vezes catastrófico) nas partes móveis. Então é papel do filtro de ar garantir que este material particulado fique retido logo no início do sistema de admissão.

Normalmente os filtros utilizados em carros de passeio são de papel, e estes têm uma determinada porosidade. Quanto menor for a porosidade do papel maior será a quantidade de partículas que este filtro irá reter – entretanto, a resistência ao fluxo deste filtro também será maior. Nos regimes de rotação mais altas o motor sofrerá maiores perdas por bombeamento caso o filtro não esteja bem dimensionado para o sistema. É nesse nicho que os filtros esportivos se encaixam. Como estes filtros utilizam camadas de espuma com diferentes micragens, partículas com dimensões variadas ficam retidas em camadas diferentes, sem que isso gere uma grande resistência ao fluxo. Existe certo debate sobre a capacidade de filtragem destes elementos de alta performance, especialmente acerca de seu decaimento em médio e longo prazo, mas não cabe entrarmos neste assunto agora.

Vale lembrar que parte significativa dos motores de competição nunca ouviu falar de um filtro de ar – muitos utilizam apenas uma trama metálica para evitar a entrada de pedriscos, enquanto alguns não usam nada além da caixa de ar. Questão de aplicação e demanda.

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Controle de carga

Todo motor precisa de um meio para controlar a sua carga. Esse controle acontece por uma válvula que varia a área do duto de acordo com o seu ângulo de abertura. Em carros de rua a válvula deve possuir um bom range de modulação, garantindo a boa dirigibilidade do veículo.

Válvulas do tipo borboleta atendem bem as necessidades de dirigibilidade por terem uma curva de vazão chamada de “igual porcentagem”, na qual a taxa de crescimento da vazão é exponencial. Já válvulas como as esfera e guilhotina, que possuem passagem plena (o diâmetro do orifício de passagem é igual ao diâmetro interno do duto de admissão), apresentam uma curva chamada “abertura rápida”, na qual a vazão tem crescimento logarítmico. Este tipo de válvula é mais indicado para o uso nas pistas pois a maior preocupação de controle se dá no contorno das curvas (momento onde a distribuição de grip entre as forças transversais e longitudinais é mais delicada). Então o compromisso com a aceleração mais progressiva é menor quando comparado às ruas.

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Um dos assuntos bastante abordados em fóruns por todo o mundo é o aumento do diâmetro da borboleta de admissão. Essa mudança é válida, mas somente em determinadas situações. Explico numa análise superficial: o maior diâmetro permite uma maior área e, com isso, a passagem de um maior volume de ar – além de uma menor restrição ao fluxo. Mas para cada ação há uma consequência, e nesse caso é a redução da velocidade do fluxo.

Para explicar como isso acontece, temos de entender (ou relembrar) alguns conceitos. A vazão volumétrica (Q) é a medição da quantidade, em volume (V), de um fluido que atravessa um trecho de tubulação ou duto (s), por um determinado tempo (t). Então ppgaragem-maio1-f1

E o que é o volume para a geometria? Volume de um sólido é a área de sua base (A) multiplicado pela sua altura (h). Como estamos analisando um duto, a altura equivale ao comprimento do duto (s). Então ppgaragem-maio1-f2

Analisando a equação anterior sob o ponto de vista da cinemática, o produto da divisão do espaço pelo tempo é a velocidade, pois ppgaragem-maio1-f3. Então, substituindo, temos ppgaragem-maio1-f4

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Dessa forma encontramos como a velocidade se encaixa no fluxo, e mais que isso. Vemos que ela é inversamente proporcional à área, ou seja, quanto maior a área do duto, menor será a velocidade desse fluxo para uma determinada vazão. Essa menor velocidade impacta a eficiência volumétrica do motor, pois com menor velocidade a massa de ar admitida tem menor energia cinética. Que resulta num menor enchimento dos cilindros e em casos mais extremos pode ocorrer a reversão de fluxo nas rotações mais baixas.

Então aumentar o diâmetro da borboleta só é realmente válido quando outras alterações que venham a melhorar o enchimento do motor também sejam feitas, como a troca do comando de válvulas, a instalação de um coletor de escape corretamente dimensionado ou ainda um coletor de admissão dimensionado.

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Se aumentarmos o diâmetro de uma borboleta de 35 milímetros para 45 milímetros, o que significa um aumento de 28,5% de diâmetro, teremos uma vazão máxima 65% maior. Portanto não se enganem, o que temos na verdade é uma perda na progressividade de aceleração. Temos sim um motor mais arisco aos comandos do acelerador, porém um motor que mantém a mesma potência que já possuía.

 

Distribuição do fluxo

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O coletor de admissão basicamente é um conjunto de dutos interligados por uma câmara principal, que deve distribuir o fluxo de ar de forma igualitária entre os cilindros. Coletores simétricos possuem uma melhor distribuição do fluxo e atenuam a maior parte das pulsações do sistema de admissão. Coletores assimétricos tem a distribuição do fluxo prejudicada pela sua geometria, porém este tipo de coletor tem ótimas respostas às oscilações de pressão.

Existem ainda os coletores híbridos, como os dual plenum e os coletores decrescentes. Estes coletores apresentam uma redução da área de sua secção transversal, para assim manterem a distribuição e velocidade do fluxo a longo de todo o seu comprimento.

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Estima-se que a câmara principal do coletor de admissão (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 distribuição do fluxo de ar. Outra característica dos coletores de admissão direcionados a maior performance é 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 direção ao cilindro. Esta maior velocidade é vital para a formação de uma mistura ar/combustível mais homogênea.

 

Afinando os instrumentos

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Mas porque estamos falando tanto sobre ondas e pulsos? O primeiro movimento da massa de ar no duto se dá quando a válvula de admissão se abre e há um cruzamento com a válvula de exaustão ainda aberta. A inércia da saída dos gases da combustão anterior é tão forte que gera uma grande depressão na câmara. Essa depressão ocorre ainda no Ponto Morto Superior (PMS). O movimento descendente do pistão (associado à depressão gerada pelo escape) suga a mistura fresca para dentro da câmara ao mesmo tempo em que um pulso de rarefação (negativo) sobe e se desloca pelo duto de admissão em direção ao plenum.

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Este pulso possui uma grande quantidade de energia, porém uma baixa capacidade de deslocamento. Então o duto de admissão deve aumentar de diâmetro à medida que se afasta da válvula de admissão e preferencialmente deve terminar em uma boca de sino. Dessa forma haverá o casamento entre a impedância acústica do duto e do plenum (veja o destaque no final do post sobre impedância acústica). Quando o pulso de rarefação chega ao plenum, ele é refletido e retorna para o duto defasado em 180˚, tornando-se um pulso de compressão (positivo).

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Se a chegada deste pulso de compressão coincidir com o momento que antecede o fechamento total da válvula de admissão (frequência de rotação do motor = frequência de ressonância do duto de admissão), uma carga extra de mistura será literalmente comprimida para dentro do cilindro. Mas o grande problema em sintonizar o sistema para frequência principal é que o comprimento do duto torna-se inviável. Se fôssemos ajustar o coletor para que o pico de pressão ocorresse aos 3.000 rpm, o duto de admissão teria 4,90 m de comprimento!

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Estudos mostraram que sintonizando o coletor para as frequências do terceiro, quarto e quinto harmônico da frequência principal, é possível alcançar ganhos muito próximos dos encontrados com a frequência principal. Dessa forma temos uma razão entre as frequências que pode ser encontrada por:

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Fazendo uma análise simples do deslocamento da onda para determinar o comprimento do duto, temos a seguinte fórmula:

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Dessa forma conseguimos rapidamente encontrar o comprimento ideal para a sintonia do sistema. Devemos lembrar que o comprimento total já inclui o comprimento do duto dentro do cabeçote. Como este não pode ser modificado, ele deve ser subtraído do total para chegarmos ao comprimento do duto do coletor de admissão.

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Outro efeito ligado ao fluxo de ar no coletor de admissão é o Ram Induction ou carneiro pneumático. O ram acontece quando o pistão chega ao PMI (ponto morto inferior) e, devido à inércia dos gases, o fluxo não cessa de imediato – pois a massa de ar adquiriu boa quantidade de energia cinética durante seu deslocamento e o movimento continuará até que toda essa energia se dissipe. Esse acúmulo de energia é diretamente proporcional ao comprimento do duto, e inversamente proporcional ao diâmetro. Então dutos extremamente largos e curtos acumulam menos energia e com isso o deslocamento do ar tem menor inércia, o que é benéfico por reduzir as perdas por bombeamento, mas é extremamente prejudicial para os regimes mais baixos de rotação por permitir a reversão do fluxo.

Coletores com dutos longos e estreitos apresentam grandes ganhos com o ram charge em regimes baixos e médios, entretanto aumentam consideravelmente as perdas por bombeamento nas rotações mais altas.

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Tomando conhecimento de todos esses efeitos do sistema de admissão, os fabricantes de veículos procuraram aumentar a flexibilidade de seus motores. Então eles criaram os coletores de admissão de geometria variável. 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 rotação para favorecer os regimes mais altos. A seleção do duto ativo é feita a partir da ECU, que envia um sinal de tensão para uma válvula eletropneumática acionando o conjunto móvel, que pode ser composto por válvulas, dutos ou palhetas.ppgaragem-maio1-foto15

Assim vimos que o ajuste do sistema de admissão deve primeiramente passar pelo objetivo de uso do motor e sua faixa ideal de operação. Para que assim todos os componentes sejam corretamente dimensionados e que sempre tenhamos a melhor performance na faixa de trabalho desejada.

 

Impedância acústica

É a resistência que um determinado volume apresenta para transmitir uma onda sonora. O casamento entre as impedâncias faz com que a perda de energia da onda seja mínima na transição das ondas entre duas áreas diferentes, como é o caso dos coletores de admissão. Trazendo este amplificador acústico para o nosso dia a dia, encontramos exemplos nas cornetas usadas para amplificar o som reproduzido pelos smartphones.

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