Teoria

Qual a melhor forma de se obter potência de um motor? Neste artigo vamos saber como funciona um motor a combstão, e conhecer de que forma é possível aumentar ao máximo o rendimento de um motor ciclo Otto (4 tempos)

 Conceitos Básicos

      Um dos fatores limitantes mais importantes para o desempenho de um motor de combustão interna é a massa de oxigênio que os cilindros podem admitir. Melhorando-se a capacidade de admissão de oxigênio melhora-se o desempenho do motor, pois se consegue queimar uma massa maior de combustível e liberar uma quantidade maior de energia que posteriormente será convertida em trabalho (movimento) pelo motor.

Existem algumas formas de se admitir uma maior massa de oxigênio, entre elas:

Turbo compressor ou Turbo Charger, Blower ou Supercharger ou a Injeção de uma substância chamada Óxido Nitroso de fórmula molecular N2O, que através do aquecimento pelo calor existente dentro da câmara de combustão quebram suas moléculas liberando nitrogênio e oxigênio na forma livre que posteriormente poderá reagir com mais combustível. Porém todas estas formas exigem a adição de equipamentos externos ao motor.

No caso de um motor NATURALMENTE ASPIRADO os únicos meios de se obter um aumento de torque e potência são:

  • Diminuição do Atrito entre as Partes Móveis
  • Aumento do Rendimento Térmico
  • Aumento da sua Eficiência Volumétrica.

Análise dos processos.

Diminuição de Atrito:

A diminuição de atrito pode ser conseguida aumentando-se as folgas das partes móveis do motor, que é uma prática bem limitada. O uso de lubrificantes mais avançados é uma boa opção. E por último, mudando o coeficiente de atrito das superfícies de contato dos componentes móveis. Para isto devemos ter acesso a outros matérias com coeficientes de atrito menor como por exemplo: Ligas de Berílio, Cerâmica. Esta é a opção pouco viável.

Aumento do Rendimento Térmico:

O aumento do rendimento térmico pode ser obtido com o aumento da taxa de compressão, no entanto também é uma modificação bem limitada. Outra maneira seria o uso de materiais que são designados “adiabáticos”, ou que tem uma baixa capacidade de troca de calor, como exemplo a cerâmica. Também é uma opção pouco viável.

Aumento da Eficiência Volumétrica:

É neste processo que vamos nos fixar. Portanto é necessário conhecer o conceito de Eficiência Volumétrica, no qual muitos tem uma percepção errônea.

Eficiência Volumétrica

Segundo Prof. Eng. Oswaldo Garcia em conjunto com o Engenheiro Franco Brunetti no livro Motores de Combustão Interna, diz-se:

“O rendimento volumétrico é a relação entre a massa de ar realmente admitida no motor e a massa de ar que poderia ser admitida nas condições de entrada do motor.”

“O rendimento volumétrico representa a eficiência do enchimento do cilindro, em relação àquilo que poderia ser admitido com a mesma densidade do ambiente circunstante”

         Fazendo uma analogia para se entender este conceito imagine um motor 4 tempos ciclo Otto de 2.0L e 4 cilindros. Cada cilindro terá um volume de 0,5L entre o ponto morto inferior e o ponto morto superior, Se considerarmos um cilindro que esteja no final do processo de admissão, ou seja quando a válvula de admissão fecha e o pistão está um pouco acima do ponto morto inferior, o pistão terá deslocado um volume um pouco inferior a 0,5L. Imagine este motor completamente submerso na água. No final do processo de admissão o pistão terá deslocado um volume um pouco inferior a 0,5 litro de água e preenchido completamente o cilindro. Isto ocorre por que a água é um fluido incompressível. Como este volume de água tem uma massa igual tanto fora do motor como dentro do cilindro, a eficiência volumétrica que é representada pela razão entre as massas será: 1 ou percentualmente 100%.

         Na realidade sabemos que o motor funciona com uma mistura de ar + combustível. O ar é uma mistura de gases, que por sua vez, são fluidos compressíveis e tem um comportamento diferente dos fluidos incompressíveis, ou seja, a densidade deles varia muito com a pressão e a temperatura. Devido a estas diferenças, e as diferenças que são geradas pelas perdas de carga do sistema de admissão, alta temperatura da câmara de combustão, e dos gases remanescentes do ciclo de escapamento, a densidade de ar fora do motor é diferente da densidade de ar dentro do cilindro após o término do ciclo de admissão. Portanto para calcularmos a eficiência volumétrica do nosso motor, teríamos que medir a massa de ar que ocupa o volume dentro do cilindro após o encerramento do ciclo de admissão, e determinarmos a massa deste mesmo volume nas condições de temperatura e pressão local fora do motor.

Comparação do estado do ar na entrada do motor o estado do ar no cilindro no final do processo de admissão:

 

Pode parecer um processo difícil de executar, mas isto é perfeitamente possível, de forma relativamente simples. Podemos medir a vazão em massa de ar para o motor por meio de qualquer medidor de fluxo como bocal, desde que o mesmo esteja protegido das pulsações no escoamento, por meio de reservatório localizado entre o motor e o medidor de ar.

Disposição esquemática para a medida do consumo de ar para o motor, sem cuidados com detalhes construtivos:

 

         Segundo Mike Urich, engenheiro, vice presidente da Holley e autor do livro “Holley, Carburators, Manifolds & Fuel Injection” – Diz que:

         “VE is really an incorrect description of what is measured. But the term is established, so it’s futile to try to change it to the correct term, mass efficiency.

         VE is the ratio of the actual mass of air taken into the engine, to the mass the engine displacement consume if there were no looses. This ratio is expressed as a percentage.”

“EV (Eficiência Volumétrica) é realmente uma descrição incorreta do que está sendo medido. Mas o termo usado já está estabelecido e seria fútil tentar mudar para o termo correto, eficiência de massa.

EV (Eficiência volumétrica) é a razão entre a massa real de ar tomada para dentro do motor, em relação a massa que o deslocamento do motor consumiria se não houvessem perdas. Esta razão é expressa em porcentagem.”

         “An ordinary low-performance engine has a VE of about 75% at maximum speed; about 80% at maximum torque. A high-performance engine has a VE of about 80% at maximum speed; about 85% at maximum torque. An all-out racing engine has a VE of about 90% at maximum speed; about 95% at maximum torqe.

         A highly tuned intake and exhaust system with efficient cylinder-head porting, and a camshaft ground to take a full advantage of the engines other equipment, can provide such complete cylinder filling that a VE of 100% (or slightly higher) is obtained at the speed at which the system is tuned”

“Um motor ordinário de baixo desempenho tem uma VE (eficiência volumétrica) em torno de 75% a velocidade máxima; em torno de 80% a torque máximo. Um motor de alto desempenho tem uma VE em torno de 80% a velocidade máxima; em torno de 85% a torque máximo. Um motor de competição tem uma VE em torno de 90% a velocidade máxima; em torno de 95% a máximo torque.

         Um sistema de admissão e escape bem dimensionado com um trabalho eficiente no cabeçote, e um comando de válvulas dimensionado para obter toda vantagem dos outros equipamentos do motor, pode prover um enchimento completo do cilindro na qual a eficiência volumétrica de 100% ( ou um pouco maior) é obtida na velocidade para qual o sistema foi dimensionado.”

Existem alguns métodos para se aumentar a eficiência volumétrica de um motor ciclo Otto naturalmente aspirado, entre eles:

  1. A substituição do comando de válvulas.
  2. Modificações no Sistema de Admissão e Escape.
  3. “Intake Supercharge Effect”.

1) A simples substituição do comando de válvulas poderá aumentar a eficiência volumétrica, pelo menos em um determinado regime de rotação, porém, prejudicará em outro. Caso a escolha do comando de válvulas em conjunto com o cabeçote seja errônea, você poderá prejudicar a eficiência volumétrica em todo regime de giro do motor, causando uma perda de torque e potência desde a marcha lenta até a rotação de máxima potência.

2) Usando técnicas de modificações no sistema composto pelo carburador ou corpo de borboleta, cabeçote e coletores de admissão e escape, melhorando assim o fluxo através destes componentes. Neste caso tudo tem que ser trabalhado como um sistema único, não adianta usar um cabeçote preparado com um coletor de admissão original, quase todo o trabalho será perdido.

É importante observar que os dutos de escape no cabeçote e o conjunto dos tubos de escapamento tem uma grande influência sobre a admissão pois os cilindros do motor somente poderão ser devidamente “enchidos” se forem anteriormente a fase de admissão devidamente “esvaziados”.

3) “Intake Suprcharge Effect” ou Efeito de Sobrealimentação na Admissão. Trata-se de um modelo matemático através do qual calculamos o comprimento dos coletores e dutos de escape e admissão, como também o momento exato da abertura da válvula de admissão para que as ondas de pressão que são criadas nestes caminhos devido ao “Abre e Fecha” das válvulas e a Inércia dos gases, trabalhem em sinergia, fazendo com que os ciclos de admissão e escape sejam mais eficientes. Rendimentos volumétricos acima de 100% são atingidos com o uso deste modelo. A contrapartida deste método é que você terá que fabricar os coletores de admissão e escape com o comprimento determinado nos cálculos, uma vez que os coletores originais provavelmente não terão as dimensões requeridas.

O Banco de Fluxo

Para existir fluxo de ar atravéz de um duto ou orifício qualquer, é necessário haver uma diferença de pressão entre eles.

Quando um orifício é separado por duas pressões iguais, não há fluxo.

Se este mesmo orifício estiver separado pelas pressões P1 e P sendo que a pressão P1 é maior que a pressão P, teremos fluxo no sentido da esquerda para a direita.

P1>P

                                        

Se este mesmo orifício estiver separado pelas pressões P2 e P sendo que P2 é maior que P1 o fluxo através do orifício será maior do que o fluxo do exemplo anterior, mesmo que orifício não seja alterado.

É importante observar que o fluxo atravéz de um duto irá variar conforme a diferença de pressão que ele estiver exposto, isto quer dizer que, quanto maior a diferença de pressão maior será o fluxo, mesmo que o cabeçote permaneça inalterado. O banco de fluxo nos permite fixar um diferencial de presssão que, por sua vez, irá gerar um fluxo atravéz de qualquer dispositivo que ali estiver convenientemente acoplado, exemplo: cabeçote, coletores de admissão e escape, intercooler, carburadores, filtros de ar, etc… . Então pode-se efetuar uma mudança neste dispositivo e expô-lo novamente ao mesmo diferencial de pressão previamente determinado, e assim verificar se o fluxo aumentou ou diminuiu.

Portanto quando o fluxo de um cabeçote for medido é importante saber qual foi o diferencial de pressão usado. Um cabeçote medido com um diferencial de pressão de 20 polegadas de coluna de H2O terá um fluxo maior do que o mesmo cabeçote medido com um diferencial de pressão de 10 polegadas de H2O.

O banco de Fluxo nos informa o fluxo em – cfm – cubic feet per minute, ou pés cúbicos por minuto. Estamos mais acostumados com as unidades do sistema métrico, e fica mais fácil visualizar o fluxo se ele for expresso em – l/s – Litros por Segundo.

Existe uma relação muito importante entre estas duas unidades.

1 cfm é igual a 0,472 litros/segundo.

1 cfm= 0,5 l/s

Portanto caso se deseje converter os cfm’s em litros por segundo para se ter uma melhor idéia do fluxo, basta dividir os cfm’s pela metade. Ou seja, se tivermos um fluxo de 100 cfm’s, o fluxo equivalente em l/s é de aproximadamente 50 l/s.

         E qual seria o diferencial de pressão mais conveniente para se medir o fluxo de um cabeçote?

         No catálogo de cabeçotes da Edelbrock existe uma nota que diz:

         “ All Edelbrock heads are flowed at 28 inches of water, which more closely represents what an engine will see ”

         “ Todos os cabeçotes Edelbrock são medidos com 28 polegadas de coluna de água, que representa o mais de perto aquilo que o motor verá ”

Smokey Yunick, um dos pioneiros a trabalhar com banco de fluxo no mundo, agora com mais de 35 anos de experiência, autor do livro “POWER SECRETS” descreve:

“Quando nós começamos nossa pesquisa, percebemos que a maioria dos testes em outros lugares estavam sendo feitos com uma diferença de pressão de 10 – 12 polegadas de coluna de H2O. Então no início nós medimos como todos os outros, mas depois de um tempo mudamos nossas mentes sobre isto. O balanço de fluxo entre todos os cilindros é importante. Nós queriamos que cada duto de admissão tivesse a mesma eficiência operacional de modo que cada cilindro recebe-se a mesma quantidade e qualidade de mistura. Quando nós testávamos os dutos com 10 polegadas de H2O nós percebemos que poderiamos fazer modificações drásticas entre dois dutos e o fluxo medido não alterava significativamente.

Decidimos então realizar uma série de testes para determinar uma técnica que detectaria diferenças válidas entre dois dutos. Nós começamos os testes com 10pol. H2O e checamos a variação de fluxo entre os dutos que obviamente seriam diferentes. Então, aumentamos a diferença de pressão em 2 pol. H2O e o mesmo teste era executado. Este procedimento foi repetido até uma diferença de pressão de 34pol. H2O.

Quando a série de testes foi completada nós percebemos que a qualquer diferencial de pressão inferior a 26pol. H2O não havia uma variação dicernível no balanço dos dutos, mas a níveis acima de 28pol. H2O as diferenças realmente começaram a aparecer. Em adição nós verificamos que conforme a diferença de pressão aumenta-se além de 28pol. H2O, a percentagem de mudança pelo aumento da diferença de pressão era muito pequena. Então selecionamos 28pol. H2O como pressão padrão para todos os nossos testes e desenvolvimentos.”

Infelizmente nem todos os bancos de fluxo tem a capacidade de gerar diferenciais de pressão iguais ou superiores a 28pol. H2O. No caso do meu equipamento o Super Flow SF-110 Flow Bench a máxima diferença gerada é de 16pol. H2O. Portanto eu conduzo muitos dos meus testes com 15pol. H2O.

Dimensionamento das Válvulas

Grandes válvulas não necessariamente significam grandes fluxos. Dutos com um alto volume (dutos abertos) podem indicar um alto fluxo, porém nem sempre são desejáveis, pois a velocidade e a turbulência dos gases podem diminuir a ponto de prejudicar o desempenho do motor por não permitir que o combustível se misture corretamente com o ar e tenha uma queima eficiente na câmara de combustão. Este efeito é menos pronunciado nos motores equipados com injeção eletrônica devido aos bicos injetores pulverizarem o combustível no ar.

         Existem vários modelos matemáticos e empíricos para se determinar as dimensões de uma válvula e o fluxo necessário no cabeçote para uma determinada potência desejada. Mas, uma vez que nós não iremos criar um motor novo, e sim trabalhar com cabeçotes já existentes, estes modelos algumas vezes não podem ser usados devido a restrições como configuração da câmara de combustão, diâmetro dos cilindros, desenho dos dutos, etc.

O modelo matemático mais simples usado para ilustrar o cálculo do diâmetro da válvula é baseado na velocidade dos gases atravéz da área de secção transversal mínima do duto no cabeçote. Considera-se que a área da secção mínima transversal será o orificio localizado ½ polegada antes da válvula e terá um diâmetro igual a 85% do diâmetro da válvula. Conforme ilustração:

 

Empiricamente sabe-se que para obter uma ótima eficiência volumétrica de um cabeçote a velocidade máxima dos gases na área de secção transversal mínima do duto tem que estar em torno de 700 ft/s (pés por segundo) na rotação de máxima potência. Acima deste valor a eficiência volumétrica começa a cair, e velocidades muito inferiores a esta provocam uma atomização incorreta entre o combustível e o ar causando perda de potência.

No livro “How to Build and Modifiy CHEVROLET Small Block CYLINDER HEADS” da Motorbooks International Powerpro Series, escrito pelo preparador americano e estudioso no assunto DAVID VIZARD, ele sugere a seguinte fórmula para o cálculo da rotação limite do motor que irá causar a velocidade de 690 ft/s (pés por segundo) dos fluidos na área de secção transversal mínima do duto para rotação de máxima potência:

 “Power-Limiting Port Area”

RPM Limite = A x 177.780 / S x D2

Onde:

Constante = 177.780

RPM Limite = rotação de potência máxima do motor.

A = Área de menor secção transversal (pol. quadradas)

S = Curso (pol.)

D2 = Diâmetro do pistão ao quadrado (pol. quadradas)

Se considerarmos a área de secção transversal mínima do duto como sendo a garganta localizada ½ polegada atrás da válvula com 85% de seu diâmetro, para uma válvula de 38 mm nossa área limite seria de 1,27 pol.2 (polegadas quadradas). Portanto segundo este modelo matemático este motor terá o limite de potência máxima na seguinte rotação:

RPM Limite = 1.27 x 177.780 / 3.39 x 10.17

RPM Limite = 6550 rpm

 A partir dessa rotação a eficiência volumétrica do cabeçote começa a ser prejudicada . Neste caso não se deve adotar um comando de válvulas que gere potência máxima acima de 6.550 rpm.

Caso uma válvula de 40,0mm seja instalada no cabeçote deste motor, qual seria a RPM Limite? Considerando a área de secção mínima transversal como sendo 85% do diâmetro da válvula teremos:

RPM Limite = 1.41 x 177.780 / 3.39 x 10.17

RPM Limite = 7.255 rpm. Portanto este motor poderá ser beneficiado com um comando desenhado para potência máxima de 7.255 rpm.