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

Depois de termos definido o que é 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 é fundamental para o desempenho dos motores dois-tempos.

 

Quando a função encontra a arte

Foto I

Nesse momento eu estou aqui, em frente ao monitor. Tentando traduzir em palavras a mágica que envolve o sistema de escape dos motores dois tempos.  Fabricantes como Yamaha, Bimota, Kawasaki, Husqwarna, Suzuki Honda e Aprilia passaram décadas a fio desenvolvendo o melhor design para os seus sistemas de escape tanto em modelos de rua quanto nos de competição. Um sinal claro da dificuldade em se encontrar a geometria ideal.

Sim, os coletores de escape são de suma importância para esse tipo de motor. Pois o curto circuito entre as janelas de admissão e escape do cilindro ocorre mais facilmente se compararmos este motor a um quatro tempos.  Curto circuito é o nome que se dá ao evento onde o fluxo da mistura ar combustível vinda da admissão atravessa a câmara e segue diretamente para a exaustão. Ou seja, parte da mistura que deveria ficar na câmara é perdida, impactando diretamente a eficiência volumétrica e a potência do motor.

Foto II

 

Enquanto nos motores quatro tempos o maior interesse está no aproveitamento do pulso negativo para induzir a entrar da mistura na câmara antes do início do tempo de admissão em si. Nos motores dois tempos a atenção deve estar voltada para o pulso positivo, pois este minimiza os efeitos do curto circuito. Por esse motivo os engenheiros da Limbach desenvolveram uma câmara de expansão que possuía uma taxa de abertura pequena, para que o casamento de impedância acústica (entenda o que é aqui) entre o volume do duto e o da câmara.

Ao final da câmara há um cone reverso com uma taxa de redução abrupta e um duto final de escape com diâmetro menor que o inicial do coletor. Este conjunto tem por objetivo refletir em dobro o pulso de pressão de volta para a câmara de combustão — que ao ser refletido por uma barreira física (o cone) inverte seu sentido, tornando-se uma onda de compressão que segue em direção a câmara.

Essa onda de compressão encontra parte da mistura ar / combustível no duto de escape e literalmente a empurra de volta para a câmara de combustão. O “empurrão” deve acontecer no fim do tempo de exaustão para que a fração recuperada não retorne para o duto de escape.

Foto III

Da mesma forma que ocorre num motor quatro tempos, devemos determinar o tipo de utilização e onde a powerband deve estar. Por exemplo, motores estacionários que trabalham em médias rotações pedem câmaras de expansão mais longas. Motores de alta performance, como o que equipa a TZ 750 da Yamaha, pede, câmaras mais curtas, pois estes motores trabalham em regimes bem mais altos. A TZ750E produzia 120 cv a 11000 rpm.

Por isso determinar o diâmetro e comprimento de cada estágio desse coletor é tão importante. O primeiro ponto a ser entendido sobre a câmara de expansão é que o comprimento determinado deve ser aplicado da face da janela de escape a metade do cone de reflexão. O segundo, é que a câmara é composta por diversas partes, que vamos tratar abaixo.

Duto primário

Foto IV

Também conhecido como headpipe é o duto que se liga ao cabeçote. A geometria desse duto influencia o torque em baixas e médias rotações. O uso de dutos primários cônicos é um dos artifícios para aumentar os ganhos nas faixas de rotação citadas acima.

Cone de expansão

Foto V

Este é o responsável pelos ganhos nos regimes de trabalho mais altos. Cones curtos e com grande ângulo de abertura geram grandes picos de potência em rotações mais altas. Cones longos e com ângulo de abertura menor geram picos menores em rotações mais baixas. Porém em ambos casos, a faixa de rotação que fica abaixo do pico sofre grandes perdas. Isso torna o motor extremamente agudo. Para contornar essa característica os fabricantes desenvolveram um conjunto com vários corpos de cones Estes possuem ângulos de expansão diferentes e são unidos de forma crescente. Assim a curva de torque se torna mais suave.

Barriga

Foto VI

A seção central da câmara de expansão, não é obrigatória. Normalmente reta, ela tem por objetivo ajustar volume do sistema para que este se aproxime o máximo possível do valor ideal.

Cone de reflexão

Foto VII

Como o próprio nome diz, este é o trecho responsável pela reflexão do pulso originado na abertura da porta de exaustão. Mas além disso é ele quem controla o declínio da potência após o pico. Com isso tem-se o controle do limite de rotação também. Essa característica se deve a reflexão do pulso em si, pois acima da rotação desejada, o pulso refletido irá carregar além da mistura fresca, gases da combustão de volta para a câmara, diminuindo a eficiência volumétrica do motor. Cones longos com ângulo de convergência pequeno criam um declínio suave além do pico de potência e isso faz com que o pico seja menor, assim como a potência nas rotações abaixo do pico.

Duto final

Foto VIII

Também conhecido como Tailpipe, é 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 será o pico de potência do motor, pois maior será a contrapressão gerada dentro da câmara. Porém esta contrapressão também eleva a temperatura dentro da câmara e consequentemente a tendência de perfuração e derretimento do pistão. Este duto muitas vezes é combinado com um silenciador, executando assim duas funções.

 

Dimensionamento da câmara de expansão

Foto IX

O primeiro parâmetro que devemos determinar durante o desenvolvimento do sistema de escape é a velocidade do som dentro dos dutos. Esta depende diretamente da temperatura dos gases quando saem da câmara de combustão.

Para encontrar a velocidade utilizaremos a seguinte equação, baseada na lei dos gases ideais:

formula1

Aproximando os valores teremos:

formula2

Onde:

formula3

A definição exata da temperatura em um determinado ponto da faixa operacional do motor depende de diversos parâmetros. Como, massa de ar admitida pelo cilindro, razão ar/combustível, tipo de combustível, taxa de compressão, fração residual de gases da combustão anterior, dentre outros. O gráfico abaixo mostra a média de temperatura de trabalho para um motor dois tempos e os valores apresentados podem ser usados como referência para o cálculo da velocidade do som dentro da câmara de expansão.

FlatOut 2015-09-28 às 18.33.58

Por exemplo. Um projeto de um motor de rua pede o pico de potência a 7000 rotações por minuto, verificando o gráfico encontramos uma temperatura de 900 K (626,85 ⁰C). Utilizando a fórmula acima encontramos o seguinte resultado:

formula4

Tendo em mãos a velocidade de deslocamento do pulso, devemos agora descobrir o comprimento total do duto em que momento (ângulo) o pulso refletido deve chegar na porta de escape. Sabemos que este evento deve ocorrer nos momentos finais do tempo de exaustão, mas é necessário que tenhamos o ângulo exato onde o evento ocorre. Para isto usamos a seguinte equação:

formula5

Onde:

formula6

Abaixo temos duas tabelas com os valores usuais de duração do enchimento e escape.

FlatOut 2015-09-28 às 18.34.28

Caso vocês tenham um motor um motor em mãos e queriam saber a duração real do escape e enchimento, a medição e cálculo deve ser feito da seguinte forma:

formula7

Onde:

formula8

Então para o motor que está sendo projetado, vamos supor que a duração de escape e enchimento sejam 176⁰ e 122⁰ respectivamente. Então teremos um ângulo de evento:

formula9

Tendo o ângulo de evento, agora podemos encontrar o comprimento total da câmara de expansão. Entretanto, o valor de comprimento encontrado para a rotação alvo pode ser fisicamente inviável para a construção. Caso isso ocorra, devemos utilizar a frequência do terceiro ou sexto harmônico da rotação alvo, para tal multiplica-se o valor de rotação por 3 ou 6 respectivamente. Vamos então através da seguinte equação encontrar o comprimento total:

formula91

Onde:

formula92

Definido o comprimento total vamos analisar cada estágio separadamente. De acordo com o sentido de deslocamento dos gases, vamos verificar o duto primário. Este deve possuir o mesmo diâmetro do duto no cabeçote. O comprimento do duto inclui o trecho interno do cabeçote, então o comprimento real é o valor da diferença do comprimento total menos o comprimento interno.

Foto XI

Caso o duto primário seja divergente o ângulo 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 será lapidado pelos outros componentes da câmara. Sendo assim alguns preparadores, após uma boa quantidade de testes desenvolveram uma série de relações diâmetro x comprimento que nós apresentamos na tabela abaixo.

FlatOut 2015-09-28 às 18.34.46

Por exemplo. Temos um projeto para motocross, sendo um motor bicilindro com 125 cm³ de deslocamento, um flange de escape com 44 mm de diâmetro interno e 70 mm de comprimento. Vamos verificar o comprimento do duto primário para uma câmara multiestágio. Então:

formula93

Onde:

formula94

O próximo estágio é o cone de expansão, o ângulo de divergência do cone deve estar entre 6 e 9 graus. Ângulos abaixo de seis graus criam uma onda de baixa amplitude que praticamente não traz benefícios ao motor, ângulos acima de nove graus criam ondas de curtíssima duração, o que estreia demais a faixa operacional do motor.

Foto XII

Este era o caso das incríveis Suzuki RP 68, três cilindros, 50 cm³ de deslocamento, 19 cv @ 20000 rpm, isso mesmo, vinte mil rotações! Essa beleza tinha uma potência específica de 380 cavalos por litro, porém o motor não conseguia operar corretamente abaixo dos 16000 rpm. O motor era tão agudo, que sua faixa útil era de somente 500 rpm. Então para aproveitar essa powerband tão estreia a Suzuki combinou ao motor uma caixa com quatorze (!!!) marchas. Pobre piloto, reduzir 10 marchas para entrar numa curva…

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 diâmetro do duto primário, consequentemente determinamos o diâmetro inicial do cone. Utilizamos a seguinte equação para chegarmos ao diâmetro final:

FlatOut 2015-09-28 às 18.50.37

Onde:

formula96

Sabendo o diâmetro inicial e final do cone, podemos determinar o comprimento deste:

formula97

Onde:

formula98

Se temos o maior diâmetro da câmara em mãos, o diâmetro final do cone de expansão, vamos buscar agora as dimensões do cone de reflexão. A regra básica é que o ângulo de convergência do cone seja duas vezes maior que o ângulo de divergência do cone de expansão. Porém há um range de 14⁰ a 20⁰ no qual se pode trabalhar, dependendo do perfil desejado para o motor. Cones curtos com ângulo de convergência grande elevam significativamente a amplitude do pico e diminuem abruptamente a potência após o pico.

Foto XIII

O comprimento deste cone é determinado a partir do diâmetro final do cone de expansão. Então utilizaremos a seguinte fórmula:

formula99

Onde:

formula991

Chegamos ao duto final. A função dele é servir como restritor ao fluxo de saída dos gases, reduzindo a característica de curto circuito no cilindro. O diâmetro deste duto normalmente fica entre 0,58 e 0,62 vezes o diâmetro do duto primário . E seu comprimento é de doze vezes o diâmetro encontrado. Então:

formula992

Onde:

formula993

Temos as medidas dos componentes principais, assim como o comprimento total da câmara. Devemos somar os comprimentos dos componentes e subtrair esse resultado para determinarmos se a barriga é necessária nesse caso. Sendo assim:

formula994

Onde:

formula995

Finalizamos aqui um sistema de escape extremamente complexo e que sofre um desenvolvimento contínuo há mais de sete décadas. Inclusive sendo aplicado em outros veículos, como carros e barcos. Tivemos aqui no Brasil os automóveis fabricados pela DKW que utilizavam motores dois tempos, vários fabricantes de motores náuticos ainda produzem motores dois tempos. E ainda há apaixonados loucos que juntam motores de barcos em carros. Vejam o projeto do Volvo Amazon equipado com um motor Evinrude 300XP. O projeto ainda está sendo desenvolvido pela Rudezon e vocês podem acompanhar o andamento aqui.

No texto anterior eu falei sobre uma calculadora de escape e silenciadores que estariam presentes nessa segunda parte e nenhum dos dois está aqui… a questão, meus amigos, é que o assunto abordado aqui foi tão extenso, e ainda sim foi bem resumido, que se tornou mais interessante deixar os silenciadores e a calculadora para a última parte desse assunto. Assim sendo, nos próximos dias (prometo que serão dias mesmo) o post final estará aqui lotado de informações essenciais para o desenvolvimento de silenciadores e o uso da calculadora pelos apaixonados por motores.

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