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Dinâmica do ar– Fenômenos do escoamento do ar em motores aspirados

Os motores de combustão interna necessitam de ar para seu funcionamento, este é um dos principais elementos para o bom funcionamento do motor, sua mistura homogênea com o combustível aliado com a ignição proporciona combustão, transformando este processo em energia mecânica, gerando movimento angular no virabrequim e proporcionando torque nas rodas.

 

Segundo Franco Brunetti para um bom rendimento do motor, quanto mais ar admitido e retido dentro do cilindro melhor será sua eficiência, quanto mais ar dentro do motor mais combustível será injetado. A capacidade máxima de um motor aspirado em admitir ar é limitado pela pressão atmosférica ambiente, a eficiência volumétrica de um cilindro se dá pela capacidade de admitir ar atmosférico em seu interior. O fluxo do ar no motor se dá pela entrada da tubulação em local estratégico para a captura do ar, este passara por um filtro de ar, corpo de borboleta, coletor de admissão, cilindro, e em sequência coletor de escape. Para que a dinâmica do ar seja possível, necessita-se de diferentes pressões entre o interior do cilindro e coletor de admissão, provocando um arraste de ar devido as diferentes pressões entre eles.Para o ar entrar com velocidade alta no cilindro é necessária uma perda de carga por resistência de passagem de ar pela válvula de admissão, pois se a válvula abrisse de forma que o ar escoasse com facilidade a velocidade do ar seria baixa assim como sua turbulência, ou seja menor número de Mach. (Fig1)




Inercia do Gás

Nos condutos do coletor de admissão o fluxo de ar contém energia cinética, esta energia de modo que seja bem aproveitada, pode melhorar a eficiência volumétrica do cilindro, bem como a compressão do ar. A geometria construtiva de um coletor de admissão busca melhorar e garantir o aproveitamento da inercia dos gases e das ondas de pulsos que se propagam no coletor em velocidades sônicas. Como o gás admitido pelo motor possui massa “peso”, este está sujeito a lei da inercia, logo se a massa de ar está em movimento ela tende a permanecer em movimento. Devido o fenômeno da inercia, o ar tende a permanecer em movimento, quando o motor está em fase de aspiração e o pistão chega em PMI, a válvula de admissão fecha com atraso, de acordo como o diagrama de válvulas entre 40° a 60° DPMI (Depois do ponto motor inferior), com o intuito de aproveitar o enchimento do cilindro. O momento ideal para a válvula de admissão se fechar ocorre quando toda a inercia do gás seja aproveitada para dentro do cilindro. Em rotações elevadas do motor a válvula se fecha antes dos gases se propagarem por completo causando perda de carga, já em rotações mais baixas do motor a válvula de admissão se fecha quando já ocorreu a reflexão da inercia dos gases. Coletores de admissão com comprimentos diferentes, são construídos para o melhor aproveitamento da inercia dos gases. (Fig2)




Efeito RAM

O coletor de admissão possui pressão interna, esta pressão quando o motor está desligado é a pressão atmosférica local, a nivel do mar 1 Bar, porém quando o motor está em regime de marcha lenta entre 900 RPM em média, a pressão interna do coletor de admissão oscila abaixo da pressão atmosférica a cada ciclo de aspiração do motor, operando na faixa de 300 a 400 mBar aproximadamente, 30% a 40% da pressão atmosférica. O motor em altas rotações aumenta a inércia do gás elevando assim a pressão do ar sobre a cabeça de válvula de admissão. Quando o pistão em curso de aspiração está chegando em PMI a velocidade do pistão é reduzida, nesta posição a válvula de admissão ainda está aberta, devido a inercia do gás a pressão sobre a válvula de admissão aumenta. À medida que a válvula vai se fechando o fluxo dos gases ganha mais velocidade podendo ultrapassar a velocidade do som, ajudando assim o preenchimento do cilindro. O efeito RAM aumenta à medida que a rotação do motor cresce. A existência do efeito RAM, se dá graças a inercia do gás, devido ao gás possuir massa e este em movimento gera energia, ajudando o motor com uma sobre alimentação natural. (Fig3)




Princípio de Bernoulli

A velocidade do ar em motores de combustão está proporcionalmente atrelada a pressão do fluido. Segundo Bernoulli (1738) o fluxo dos gases, em um sistema na horizontal, em determinados pontos com a velocidade do ar mais alta terá menos pressão do que pontos com menor velocidade. O deslocamento do ar no motor desde sua entrada no tubo de admissão até sua saída consiste em energia do movimento do fluido e essa energia é determinada por 3 fatores: (Fig4)




• Energia Cinética: É a energia acumulada com a velocidade do ar, ou seja, é a energia adquirida de um corpo em movimento. A palavra cinética vem do grego “Kinesis”. O estudo da energia cinética começou a ser desenvolvido por Leibniz e Johann Bernoulli, eles notam em seus estudos que existia uma proporção entre a energia e o produto da massa pelo quadrado da velocidade mv², sua unidade de medida se dá por Joule.

• Energia Potencial Gravitacional: Considerando a nivel do mar como ponto zero, um objeto que está acima do ponto zero é atraído para a terra devido a gravidade, quanto mais alto este objeto estiver do solo maior será a energia gravitacional, algumas hidrelétricas aproveitam a queda de água de cachoeiras para produzir energia.

• Energia da pressão: Energia do fluido devido à pressão, de uma região com maior pressão para uma região com menor.

 

A equação de Bernoulli, é constituída pelas seguintes variáveis:

E1 = ρ.V (gh1 + 1v12 ) e E2 = ρ.V(gh2 + 1v22 )

2 2

Onde:

V = Velocidade do fluido.

g = Aceleração gravitacional.

h = altura do objeto em relação ao ponto zero.

P = Pressão do fluido

ρ = Densidade

 

Os motores aspirados de combustão interna, trabalham com diferentes regimes de pressões, desde a entrada do ar até a saída pelas tubulações de escapamento. Estas diferenças de pressões ocasionam o arrasto do ar para dentro do cilindro, de forma a preencher o máximo possível o volume do cilindro com objetivo de buscar a melhor eficiência volumétrica, como consequência melhor aproveitamento de energia.

O delta de pressão é fundamental para a eficiência volumétrica. A pressão é uma grandeza escalar, que mede a força de um fluido seja ele gasoso ou líquido sobre uma determinada superfície.

Escoamento do ar

 

O escoamento do ar pode ser compressível ou incompressível, um fluido que se desloca com a velocidade próxima da velocidade do som podemos dizer que este escoamento é compressível, e sua massa específica é variável. Os critérios para definir se o escoamento é compressível ou incompressível é o número de Mach, se este for maior que 0,3 podemos dizer que o fluido pode ser compressível, logo se for menor do que 0,3 este fluido é incompressível, o número de Mach é definido pela razão entre a velocidade de escoamento sobre a velocidade do som. (Fig5)




A fórmula para definir o critério de Mach é constituída pelas seguintes variáveis:

 

𝑀=𝑈𝐶 

Onde:

U – Velocidade de escoamento

C – Velocidade do som

M - Número de Mach

 

Velocidade do som

 

A velocidade do som pode ser considerada como um deslocamento de ar em uma função do tempo, ao emitir um som uma pressão é gerada e essa pressão se propaga em forma de onda ou pulsos. O ar é constituído de moléculas e essas moléculas se deslocam devido à pressão sobre elas exercidas. A velocidade do som a nivel do mar está próximo de 340 m/s a 20ºC, mas a sua velocidade sofre variações conforme a mudança de temperatura e altitude, como podemos verificar na tabela . (Fig6)





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