Sistemas de escape: câmaras de expansão e motores dois-tempos

depois de termos definido o que e a sintonia e como ela se aplica aos motores quatro tempos  veja aqui a primeira parte   nesse texto vamos tratar de coletores com uma geometria bastante complexa que e fundamental para o desempenho dos motores dois tempos     quando a funçao encontra a arte   nesse momento eu estou aqui  em frente ao monitor  tentando traduzir em palavras a magica que envolve o sistema de escape dos motores dois tempos   fabricantes como yamaha  bimota  kawasaki  husqwarna  suzuki honda e aprilia passaram decadas a fio desenvolvendo o melhor design para os seus sistemas de escape tanto em modelos de rua quanto nos de competiçao  um sinal claro da dificuldade em se encontrar a geometria ideal   sim  os coletores de escape sao de suma importancia para esse tipo de motor  pois o curto circuito entre as janelas de admissao e escape do cilindro ocorre mais facilmente se compararmos este motor a um quatro tempos   curto circuito e o nome que se da ao evento onde o fluxo da mistura ar combustivel vinda da admissao atravessa a camara e segue diretamente para a exaustao  ou seja  parte da mistura que deveria ficar na camara e perdida  impactando diretamente a eficiencia volumetrica e a potencia do motor     enquanto nos motores quatro tempos o maior interesse esta no aproveitamento do pulso negativo para induzir a entrar da mistura na camara antes do inicio do tempo de admissao em si  nos motores dois tempos a atençao deve estar voltada para o pulso positivo  pois este minimiza os efeitos do curto circuito  por esse motivo os engenheiros da limbach desenvolveram uma camara de expansao que possuia uma taxa de abertura pequena  para que o casamento de impedancia acustica  entenda o que e aqui  entre o volume do duto e o da camara   ao final da camara ha um cone reverso com uma taxa de reduçao abrupta e um duto final de escape com diametro menor que o inicial do coletor  este conjunto tem por objetivo refletir em dobro o pulso de pressao de volta para a camara de combustao — que ao ser refletido por uma barreira fisica  o cone  inverte seu sentido  tornando se uma onda de compressao que segue em direçao a camara   essa onda de compressao encontra parte da mistura ar / combustivel no duto de escape e literalmente a empurra de volta para a camara de combustao  o  empurrao  deve acontecer no fim do tempo de exaustao para que a fraçao recuperada nao retorne para o duto de escape     da mesma forma que ocorre num motor quatro tempos  devemos determinar o tipo de utilizaçao e onde a powerband deve estar  por exemplo  motores estacionarios que trabalham em medias rotaçoes pedem camaras de expansao mais longas  motores de alta performance  como o que equipa a tz 750 da yamaha  pede  camaras mais curtas  pois estes motores trabalham em regimes bem mais altos  a tz750e produzia 120 cv a 11000 rpm   por isso determinar o diametro e comprimento de cada estagio desse coletor e tao importante  o primeiro ponto a ser entendido sobre a camara de expansao e que o comprimento determinado deve ser aplicado da face da janela de escape a metade do cone de reflexao  o segundo  e que a camara e composta por diversas partes  que vamos tratar abaixo   duto primario    tambem conhecido como headpipe e o duto que se liga ao cabeçote  a geometria desse duto influencia o torque em baixas e medias rotaçoes  o uso de dutos primarios conicos e um dos artificios para aumentar os ganhos nas faixas de rotaçao citadas acima   cone de expansao    este e o responsavel pelos ganhos nos regimes de trabalho mais altos  cones curtos e com grande angulo de abertura geram grandes picos de potencia em rotaçoes mais altas  cones longos e com angulo de abertura menor geram picos menores em rotaçoes mais baixas  porem em ambos casos  a faixa de rotaçao que fica abaixo do pico sofre grandes perdas  isso torna o motor extremamente agudo  para contornar essa caracteristica os fabricantes desenvolveram um conjunto com varios corpos de cones estes possuem angulos de expansao diferentes e sao unidos de forma crescente  assim a curva de torque se torna mais suave   barriga    a seçao central da camara de expansao  nao e obrigatoria  normalmente reta  ela tem por objetivo ajustar volume do sistema para que este se aproxime o maximo possivel do valor ideal   cone de reflexao    como o proprio nome diz  este e o trecho responsavel pela reflexao do pulso originado na abertura da porta de exaustao  mas alem disso e ele quem controla o declinio da potencia apos o pico  com isso tem se o controle do limite de rotaçao tambem  essa caracteristica se deve a reflexao do pulso em si  pois acima da rotaçao desejada  o pulso refletido ira carregar alem da mistura fresca  gases da combustao de volta para a camara  diminuindo a eficiencia volumetrica do motor  cones longos com angulo de convergencia pequeno criam um declinio suave alem do pico de potencia e isso faz com que o pico seja menor  assim como a potencia nas rotaçoes abaixo do pico   duto final    tambem conhecido como tailpipe  e o duto que conecta o sistema de escape a atmosfera  assim como em todos os outros componentes a sua geometria influencia a performance do motor  quanto mais estreito for o duto maior sera o pico de potencia do motor  pois maior sera a contrapressao gerada dentro da camara  porem esta contrapressao tambem eleva a temperatura dentro da camara e consequentemente a tendencia de perfuraçao e derretimento do pistao  este duto muitas vezes e combinado com um silenciador  executando assim duas funçoes     dimensionamento da camara de expansao   o primeiro parametro que devemos determinar durante o desenvolvimento do sistema de escape e a velocidade do som dentro dos dutos  esta depende diretamente da temperatura dos gases quando saem da camara de combustao   para encontrar a velocidade utilizaremos a seguinte equaçao  baseada na lei dos gases ideais     aproximando os valores teremos     onde     a definiçao exata da temperatura em um determinado ponto da faixa operacional do motor depende de diversos parametros  como  massa de ar admitida pelo cilindro  razao ar/combustivel  tipo de combustivel  taxa de compressao  fraçao residual de gases da combustao anterior  dentre outros  o grafico abaixo mostra a media de temperatura de trabalho para um motor dois tempos e os valores apresentados podem ser usados como referencia para o calculo da velocidade do som dentro da camara de expansao     por exemplo  um projeto de um motor de rua pede o pico de potencia a 7000 rotaçoes por minuto  verificando o grafico encontramos uma temperatura de 900 k  626 85 ⁰c   utilizando a formula acima encontramos o seguinte resultado     tendo em maos a velocidade de deslocamento do pulso  devemos agora descobrir o comprimento total do duto em que momento  angulo  o pulso refletido deve chegar na porta de escape  sabemos que este evento deve ocorrer nos momentos finais do tempo de exaustao  mas e necessario que tenhamos o angulo exato onde o evento ocorre  para isto usamos a seguinte equaçao     onde     abaixo temos duas tabelas com os valores usuais de duraçao do enchimento e escape     caso voces tenham um motor um motor em maos e queriam saber a duraçao real do escape e enchimento  a mediçao e calculo deve ser feito da seguinte forma     onde     entao para o motor que esta sendo projetado  vamos supor que a duraçao de escape e enchimento sejam 176⁰ e 122⁰ respectivamente  entao teremos um angulo de evento     tendo o angulo de evento  agora podemos encontrar o comprimento total da camara de expansao  entretanto  o valor de comprimento encontrado para a rotaçao alvo pode ser fisicamente inviavel para a construçao  caso isso ocorra  devemos utilizar a frequencia do terceiro ou sexto harmonico da rotaçao alvo  para tal multiplica se o valor de rotaçao por 3 ou 6 respectivamente  vamos entao atraves da seguinte equaçao encontrar o comprimento total     onde     definido o comprimento total vamos analisar cada estagio separadamente  de acordo com o sentido de deslocamento dos gases  vamos verificar o duto primario  este deve possuir o mesmo diametro do duto no cabeçote  o comprimento do duto inclui o trecho interno do cabeçote  entao o comprimento real e o valor da diferença do comprimento total menos o comprimento interno     caso o duto primario seja divergente o angulo incluso deve estar entre 2⁰ e 3⁰  o comprimento sempre foi um segredo extremamente bem guardado pelos fabricantes  pois ele acaba traçando o perfil da powerband que sera lapidado pelos outros componentes da camara  sendo assim alguns preparadores  apos uma boa quantidade de testes desenvolveram uma serie de relaçoes diametro x comprimento que nos apresentamos na tabela abaixo     por exemplo  temos um projeto para motocross  sendo um motor bicilindro com 125 cm³ de deslocamento  um flange de escape com 44 mm de diametro interno e 70 mm de comprimento  vamos verificar o comprimento do duto primario para uma camara multiestagio  entao     onde     o proximo estagio e o cone de expansao  o angulo de divergencia do cone deve estar entre 6 e 9 graus  angulos abaixo de seis graus criam uma onda de baixa amplitude que praticamente nao traz beneficios ao motor  angulos acima de nove graus criam ondas de curtissima duraçao  o que estreia demais a faixa operacional do motor     este era o caso das incriveis suzuki rp 68  tres cilindros  50 cm³ de deslocamento  19 cv @ 20000 rpm  isso mesmo  vinte mil rotaçoes  essa beleza tinha uma potencia especifica de 380 cavalos por litro  porem o motor nao conseguia operar corretamente abaixo dos 16000 rpm  o motor era tao agudo  que sua faixa util era de somente 500 rpm  entao para aproveitar essa powerband tao estreia a suzuki combinou ao motor uma caixa com quatorze       marchas  pobre piloto  reduzir 10 marchas para entrar numa curva     [youtube id= l 0ah79my2e  width= 620  height= 350 ]  aumentem o volume e ouçam vinte mil vespas do apocalipse que eram capazes de chegar aos 200 km/h  bom  vamos voltar ao assunto principal  determinado o diametro do duto primario  consequentemente determinamos o diametro inicial do cone  utilizamos a seguinte equaçao para chegarmos ao diametro final     onde     sabendo o diametro inicial e final do cone  podemos determinar o comprimento deste     onde     se temos o maior diametro da camara em maos  o diametro final do cone de expansao  vamos buscar agora as dimensoes do cone de reflexao  a regra basica e que o angulo de convergencia do cone seja duas vezes maior que o angulo de divergencia do cone de expansao  porem ha um range de 14⁰ a 20⁰ no qual se pode trabalhar  dependendo do perfil desejado para o motor  cones curtos com angulo de convergencia grande elevam significativamente a amplitude do pico e diminuem abruptamente a potencia apos o pico     o comprimento deste cone e determinado a partir do diametro final do cone de expansao  entao utilizaremos a seguinte formula     onde     chegamos ao duto final  a funçao dele e servir como restritor ao fluxo de saida dos gases  reduzindo a caracteristica de curto circuito no cilindro  o diametro deste duto normalmente fica entre 0 58 e 0 62 vezes o diametro do duto primario   e seu comprimento e de doze vezes o diametro encontrado  entao     onde     temos as medidas dos componentes principais  assim como o comprimento total da camara  devemos somar os comprimentos dos componentes e subtrair esse resultado para determinarmos se a barriga e necessaria nesse caso  sendo assim     onde     finalizamos aqui um sistema de escape extremamente complexo e que sofre um desenvolvimento continuo ha mais de sete decadas  inclusive sendo aplicado em outros veiculos  como carros e barcos  tivemos aqui no brasil os automoveis fabricados pela dkw que utilizavam motores dois tempos  varios fabricantes de motores nauticos ainda produzem motores dois tempos  e ainda ha apaixonados loucos que juntam motores de barcos em carros  vejam o projeto do volvo amazon equipado com um motor evinrude 300xp  o projeto ainda esta sendo desenvolvido pela rudezon e voces podem acompanhar o andamento aqui   [youtube id= wblru3t5p14  width= 620  height= 350 ]  no texto anterior eu falei sobre uma calculadora de escape e silenciadores que estariam presentes nessa segunda parte e nenhum dos dois esta aqui    a questao  meus amigos  e que o assunto abordado aqui foi tao extenso  e ainda sim foi bem resumido  que se tornou mais interessante deixar os silenciadores e a calculadora para a ultima parte desse assunto  assim sendo  nos proximos dias  prometo que serao dias mesmo  o post final estara aqui lotado de informaçoes essenciais para o desenvolvimento de silenciadores e o uso da calculadora pelos apaixonados por motores