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Papo de Garagem

Sistemas de escape parte III: tudo sobre abafadores e uma calculadora de coletores

Vamos começar abordando este assunto de forma inversa. Por favor, ponham seus fones de ouvido, aumentem o volume ao máximo, fechem os olhos e preparem-se para se deliciar com essa gravação sonora tridimensional.

E aí, deu pra ficar emocionado? Mesmo sendo delicioso, esse som fez seus ouvidos sofrerem um pouco.  O ouvido humano é sensível a uma ampla faixa de frequências (20 Hz a 20 kHz), porém a maior sensibilidade está compreendida entre dois e cinco quilohertz. O ruído é considerado um agente nocivo à saúde humana pela Organização Mundial da Saúde. O risco é tal, que valores de pressão sonora acima de 75 dB geram perda da capacidade auditiva a longo prazo. Além de reduzir a imunidade e elevar o estresse do indivíduo. Por isso silenciadores são importantes, eles fazem a contenção diretamente na fonte.

Imagem I

A melodia que sai das ponteiras, facilmente ultrapassa os 110 dB em medições de ruído. Só para efeito de comparação, um trovão produz em média 120 dB. Agora imaginem esse nível de ruído nas ruas, você acordando às quatro da manhã porque o trafego começou a aumentar nas avenidas. Veremos então como são construídos os abafadores de ruído do sistema de escape.

 

Atenuação de ruído e tipos de filtros acústicos

Imagem II

O cancelamento de ondas consiste em causar o encontro de ondas da mesma intensidade e frequência. Entretanto, defasadas em 180°. Ou seja, as ondas devem ser opostas. Para tornar o entendimento mais claro, quando uma onda tem pressão sonora de 10 dB, a onda oposta tem pressão de -10 dB. A resultante será de 0 dB. Porém a onda refletida sempre apresentar menor intensidade que a originária. Dessa forma não há o cancelamento em si, mas sim a atenuação da onda. Existem ainda materiais que absorvem as ondas sonoras e assim reduzem o ruído de um determinado meio. São exemplos desse tipo de material a lã de rocha e a lã de vidro.

Imagem III

Os filtros acústicos baseiam-se na variação da impedância acústica (entenda aqui) para causar a reflexão das ondas e com isso a sua atenuação. Existem três tipos de filtros, os passa baixa, passa alta e para banda. Os passa baixa atenuam as frequências acima da frequência determinada em projeto, a qual recebe o nome de frequência de corte. Os passa alta tem o funcionamento inverso, atenuando as frequências abaixo do valor de corte. Os para banda (Jô Soares?) atenuam as frequências circunvizinhas do valor de corte. Os silenciadores automotivos são construídos utilizando apenas um desses modelos ou combinando os três, bem como pode ocorrer à adição de material absorsivo.

 

Tipos de silenciadores e suas características

Imagem IV

Existem basicamente dois tipos de abafadores, os reativos e os dissipativos. Dentro dessas duas classes são criadas diversas variações. Os silenciadores reativos normalmente são formados por câmaras sintonizadas em frequências diferentes, para assim trabalharem com uma gama mais ampla. Os silenciadores dissipativos, como o próprio nome esclarece, são construídos utilizando materiais atenuam a intensidade das ondas absorvendo parte da sua energia.

Silenciador reativo

Imagem V

As câmaras são segmentadas por anteparas de reflexão. Estas definem o volume das câmaras e em conjunto com os dutos determinam a frequência de corte. Os modelos mais tradicionais como o que vemos na foto acima geram uma grande atenuação. Porém, a restrição causada pela grande quantidade de curvas do sistema gera altos níveis de contrapressão. O que é tolerável para os padrões de fábrica, mas não para os que buscam um melhor desempenho. Por esse motivo existem diversas variações da filosófica de um silenciador reativo que visam reduzir ao máximo a resistência ao fluxo de gases. Vejamos alguns exemplos.

Imagem VI

Silenciador delta. Possui um conjunto de anteparas reflexivas com ângulos e espaçamento projetado para a atenuação. Sua nota é determinada pela dimensão e quantidade de anteparas usadas em conjunto com o volume das câmaras. Por serem em sua maioria oblongos este tipo de silenciador permite uma menor altura de rodagem.

Imagem VII

Silenciador tipo parafuso, também conhecido como auger. Formado por um duto central de pequeno diâmetro e um conjunto de fusos que refletem a onda incidente de modo a atenuar sua intensidade sonora. A nota de escape é determinada pelo diâmetro e comprimento do duto central em conjunto com a defasagem e distância dos discos. Este tipo de silenciador normalmente é projetado com o mesmo diâmetro do duto final de escape, tornando-o extremamente compacto e discreto.

Imagem VIII

Silenciador tipo cone. Um dos modelos mais compactos de silenciador, opera refletindo a onda incidente em diversas direções causando assim uma atenuação mais efetiva. A frequência de corte é determinada pela área dos furos.

Imagem IX

Silenciador tipo ressonador de Helmholtz. Este tipo de silenciador opera como um para banda, por isso normalmente é associado a outro silenciador que irá atenuar o restante da faixa não atendida pelo primeiro. É constituído por um ressonador anexado ao duto de escape. Seu corte é determinado pelo volume da câmara em conjunto com o diâmetro e comprimento do pescoço.

Silenciador dissipativo

Imagem X

Como dito mais acima, este silenciador se baseia na utilização de materiais absorventes para a dissipação do ruído. Este tipo de silenciador apresenta bons resultados de atenuação em toda a gama de frequências, porém é mais eficiente na faixa mais alta da gama. A restrição gerada por ele é equivalente à gerada pelo duto de escape. Por este motivo é amplamente empregado por entusiastas que procuram ganhos de desempenho. Mas não pense que somente a troca do silenciador lhe trará ganhos. Como falamos insistentemente, o conjunto deve ser trabalhado e o silenciador é a última peça do conjunto que compõe o sistema de escape.

 

Cálculos, cálculos e cálculos

Imagem XI

No Papo de Garagem procuramos sempre passar informações mais densas, aquelas que ajudem ao leitor que busca um pouco mais de conhecimento. Além de introduzir o leitor aos aspectos do desenvolvimento de peças. Mas certos assuntos dificultam a vida de quem escreve, porque não se encontra facilmente um meio termo. Algo que possa ser entendido com menos dificuldade pelos os leitores. E este meus amigos é o caso nesse momento. Digo sinceramente, não encontrei forma mais simples de explicar o método de desenvolvimento de um filtro acústico. Por isso peço desculpas antecipadamente. Mas vamos nós.

O espectro de frequências do ruído de escape é bastante amplo, porém há nele algumas notas de maior intensidade. Estas são as frequências fundamentais, elas possuem a maior quantidade de energia, pois são geradas diretamente pelo motor (a fonte de ruído). As ondas são geradas pela sequência de “disparos” dos pulsos de escape. Sendo assim a frequência fundamental do motor é determinada pela junção entre a quantidade de cilindros e a rotação de trabalho escolhida.

Imagem XII

Outra questão a ser considerada é a quantidade de cilindros que se ligarão ao abafador. Para um melhor entendimento, vamos imaginar um flat six ligado aos silenciadores por dois dutos que não possuem uma intercessão. Nessa configuração temos três cilindros por abafador, porém se houvesse alguma ligação entre os dutos que saem de cada bancada teríamos os pulsos dos seis cilindros chegando a ambos silenciadores. Conforme dissemos acima, precisamos determinar a frequência fundamental do motor para cada determinada rotação. Então:

Fórmula I

Onde:

Dados I

Conhecendo a frequência fundamental máxima do motor, devemos determinar a perda de transmissão do silenciador. A perda de transmissão é a razão de perda de intensidade da onda incidente, trocando em miúdos e a capacidade de atenuação do silenciador. Para determinar o valor de atenuação necessitamos de alguns dados construtivos, como o diâmetro dos dutos de entrada e da razão e entre a área do duto e a área da câmara de expansão.

Os modelos de cálculo demonstram que quanto maior for a razão de expansão entre as áreas, maior será a atenuação causada. A razão mínima deve ser de um e meio, entretanto normalmente são utilizados valores entre 8 e 12. A mesma filosofia se aplica ao comprimento da câmara de expansão onde a razão mínima também é de um e meio. Porém as razões comumente utilizadas ficam entre 10 e 15 vezes o diâmetro do duto de escape. Para exemplo utilizaremos a razão entre áreas de 8:1 e a razão de comprimento de 10:1.

Além dos dados construtivos é necessário saber o comprimento de onda para cada frequência fundamental gerada durante o aumento de rotação do motor. O comprimento de onda é resultado da divisão da velocidade do som no duto pela frequência. A temperatura média dos gases na chegada do silenciador é de 340°C (613,15 K), vimos aqui como encontrar a velocidade dos gases. Para a temperatura informada, a velocidade do som é de 450,5 m/s e o comprimento de onda varia entre 17 e 1,7 metros para a faixa compreendida 800 e 8000 rotações por minuto.

Gráfico I

As inserções dos dutos de entrada e saída do silenciador também influenciam o perfil de atenuação. Quanto maior a parte dos dutos dentro da câmara, maior o ganho de atenuação e mais estreita será a faixa de trabalho desta câmara. Abaixo temos a fórmula da perda de transmissão para uma câmara simples.

Fórmula II

Onde:

Dados II

Para os silenciadores dissipativos os fatores a serem considerados são o coeficiente de absorção sonora do material absorsivo e o diâmetro dos furos a serem feitos no duto do silenciador. A formula abaixo é usada para determinar a frequência de corte. Os silenciadores dissipativos são filtros do tipo passa baixa. Então o diâmetro dos furos determina a frequência fundamental a partir da qual a atenuação de ruído se inicia. Assim temos que:

Fórmula III

Onde:

Dados III

Abaixo temos uma tabela com os coeficientes de absorção dos dois materiais absorsivos que são normalmente utilizados na fabricação de silenciadores.

Tabela I

A perda de transmissão para silenciadores dissipativos é calculada a partir da seguinte fórmula:

Fórmula IV

Onde:

Dados IV

Gráfico II

O gráfico acima mostra os valores de atenuação para os dois materiais normalmente utilizados nos silenciadores.

 

Calculadora de escape

Finalmente chegamos aqui! Falei sobre essa calculadora por três postagens e nada de apresentar ela a vocês, me desculpem, mas eu precisava reunir todos os dados possíveis para que ela fosse bastante acessível e relativamente simples de entender. A partir daqui eu irei explicar alguns conceitos básicos para que as escolhas possam ser feitas da melhor forma possível. Aproximando o máximo os resultados para os valores reais. Além desses conceitos, vamos fornecer várias tabelas de dados para facilitar a vida de todos. Claro que qualquer valor pode ser inserido, para que você tenha resultados específicos para aquele projeto exclusivo.

Imagem XIII

O objetivo desta calculadora é fornecer o diâmetro e comprimento dos dutos para um coletor de escape usado num motor quatro tempos. Com isso o leitor que estiver fazendo o projeto de um coletor pode levar os dados para uma loja especializada e ficar tranquilo com as medidas corretas para o seu projeto.

O layout da calculadora é do tipo acordeom. Ou seja, esta se elevará quando clicada, e lhe dará acesso as informações da aba seguinte. O botão “Calcular” da primeira aba somente deve ser acionado após o preenchimento de todos os dados, pois o modelo de cálculo acontece em cascata. Então a falta de algum dado gerará discrepâncias de valores ou mesmo erro de cálculo.

Alguns dos dados necessários são fáceis de serem compreendidos. Mas para garantir a facilidade de acesso às informações, temos abaixo uma tabela com dados mecânicos (sei que muitos motores não estão aí pois seria impossível reunir todos os dados dos motores já fabricados), como diâmetro, curso, comprimento de biela e taxa de compressão para vários motores.

 

Aba “Entrada de dados”

Na parte inferior esquerda há quatro campos. Estes são os eventos de válvulas e estão diretamente ligados ao perfil do comando de válvulas. Para a determinação dos eventos são necessários os dados de duração dos lobes de admissão e escape, além do ângulo da linha de centro da admissão e escape. Os ângulos de centro são de suma importância, pois determinam a posição do came de válvulas em relação ao virabrequim. Esses valores sempre se referenciam ao ponto morto superior. Para saber os eventos de válvulas a partir dos dados de um comando qualquer, devemos fazer os seguintes cálculos. Não há referências de valores aqui por conta da diversidade de comandos que podemos encontrar. Desde os originais aos mais nervosos aftermarket.

Fórmula V

Onde:

Dados V

A escolha do tipo de combustível determina a razão estequiométrica, além do poder calorífico e calor específico de cada um. Esta célula trabalha em conjunto com a proporção de mistura, na calculadora chamada de “Raz. Estequiom”. Esta célula informa o quanto a proporção está acima ou abaixo do valor ideal, que também é conhecido como valor de lambda (λ). Os valores vão de 0,8 para a mistura mais rica até 1,2 para a mistura mais pobre. Estes por padrão são considerados os valores seguros para variação de mistura. Valores entre 0,7 e 1,3 são encontrados em algumas literaturas, porém os ganhos de potência e resfriamento da câmara são muito pequenos em comparação aos valores citados acima. Além disso os índices de emissões se eleva significativamente. Se você tem dúvidas sobre combustíveis, falamos extensamente sobre eles aqui.

Imagem XIV

A célula temperatura de admissão determina a temperatura do ar que entra no coletor de admissão. Ou seja, se a preparação for sobrealimentada a temperatura a ser escolhida deve ser a de saída do intercooler pois a perda por condução nos dutos é baixa, devido ao pouco tempo de residência do ar nas tubulações. Caso não haja um intercooler no sistema a temperatura na descarga do compressor deve ser utilizada. Esta temperatura influencia diretamente a potência gerada, o risco de detonação e a temperatura dos gases de escape. Consequentemente o diâmetro e comprimento do coletor são também influenciados.

Imagem XV

Na célula rotação deve ser inserido o valor alvo para a sintonia do coletor (leia aqui), e não a rotação máxima do motor. A não ser que este seja o seu alvo. Porém mesmo os motores mais extremos têm pelo menos uma faixa de 500 rotações além do pico de potência.

 

Aba “Resultados intermediários”

Imagem XVI

Esta aba apresenta valores que podem ser úteis a quem esteja desenvolvendo mapas de injeção e ignição por exemplo. Dados como a vazão mássica de ar e de combustível. A densidade do ar no momento de fechamento da válvula de admissão. Além das temperaturas e pressões de cada fase (ou tempo) do ciclo.

 

Aba “Geometria do coletor”

Finalmente nesta aba você vai encontrar os valores de diâmetro e comprimento para os dutos primários do coletor. Estes determinam as medidas dos trechos seguintes. Se o projeto considera um coletor triple y, o diâmetro dos dutos secundários deve ser resultante de 75% da soma das áreas dos primários que irão se conectar a este secundário. O seu comprimento deve ser de 25%, ou 50% do comprimento dos dutos primários. Para os coletores do tipo 4×1 se aplica a mesma regra, sendo que o número de dutos primários ligados a este será maior.

Imagem XVII

As temperaturas apresentadas na célula “Temp de escap” variam conforme vários fatores, mas principalmente quanto a rotação escolhida. Isso ocorre devido ao tempo de expansão dos gases. Quanto maior a rotação, menor o tempo para a expansão dos gases no coletor e consequentemente menor a queda de temperatura em relação a encontrada no momento de abertura da válvula de escape.

 

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