Perguntas Coletores de escape, conceito e cálculos.

Olá galera!
Tenho um tempo aqui no forum e em outros também e percebi que o pessoal muitas vezes tem dúvidas sobre coletores de escape, então resolvi compartilhar um pouco do que eu conheço.
Espero poder ajudar.

A sintonia de um coletor de escape é um item considerado básico em uma boa preparação, podemos apontar as seguintes vantagens:

• Redução da perda de carga gerada pela grande velocidade e pressão do fluxo de gases;
• Ajuste fino das curvas de Torque e Potência;
• Auxílio no controle da temperatura da câmara de combustão;
• Redução da perda de energia por esforços parasitas;
• Elevação da eficiência volumétrica do motor.[\list]
  O sistema de escape deve ser analisado da mesma forma que a feita para o sistema de admissão, pois este sistema também se comporta como um Ressonador de Helmortz, entretanto este é um Ressonador ao ar livre.
  Simplificando, o sistema de exaustão apresenta dois momentos de energia, o primeiro no qual é liberada a energia térmica residual da combustão e o segundo com a expulsão dos gases a partir da energia cinética do pistão.
  A primeira liberação de energia aparece em forma de um pulso ultra-sônico sendo resultado da pressão e temperatura residuais da combustão, este pulso apresenta velocidades entre 396 e 518 m/s possui comportamento similar a uma onda de choque gerada pelo disparo de uma arma de fogo:
  
  
  
  A seqüência destes pulsos disparados pelos cilindros são os responsáveis pelas onda sonora que caracteriza cada motor e quando não tem sua freqüência principal e harmônicas atenuadas, geram o som característico de um estrondo sônico de pequenas proporções, como é característico deste tipo de fenômeno o pulso carregado de energia possui um ciclo positivo (pressão manométrica) e um ciclo negativo (pressão vacuométrica) esta senóide é de baixa freqüência e portanto um longo comprimento de onda.
  Quando encontra uma área de maior impedância acústica (menor pressão e maior volume) como o ar livre (ou um trecho de maior diâmetro a depender do projeto) a onda é refletida de volta para o duto de escape e ainda mantém pelo menos 70% da energia original e vai de encontro as válvulas de escape do motor, caso o comprimento do sistema não tenha sido corretamente projetado para o regime alvo este pulso encontrará uma das válvulas de escape aberta e irá se opor ao escoamento dos gases de combustão e consequentemente a eficiência volumétrica daquele cilindro, mas quando corretamente sintonizado o pulso encontrará as válvulas de admissão fechadas entretanto uma delas estará a poucos momentos de se abrir, o pulso será refletido pela válvula mudando de sentido, a válvula se abrirá e o pulso deste cilindro somar-se-á ao pulso refletido, gerando assim um pulso componente com maior quantidade de energia que o pulso original.
  Ou seja a sintonia do sistema de escape com a freqüência de pulsação alvo é feita a partir do comprimento dos dutos, mas este comprimento sofre interferência direta do diâmetro do duto.
  Vamos tratar disso no próximo post.

Segunda parte do design de coletores de exaustão, agora vamos tratar dos cálculos de sintonia e escoamento dos gases de combustão.

Após a liberação de energia em forma de pulso os gases de escape passam a ser escoado em um fluxo contínuo, a velocidade de escoamento é a força resultante da pressão, temperatura e energia cinética do pistão.
Para um resultado apurado faz- se necessário leva o motor a uma banda de testes, instalar sensores de pressão e temperatura nas câmaras e monitoras os valores por um período de amostragem razoavelmente longo, o que gera custos que a maioria de nós muito provavelmente não poderia arcar. Mas podemos utilizar o modelo de aproximação teórica através da analise do ciclo Otto, inserindo os dados desejados no modelamento.
O ciclo Otto representado pelo modelo ideal abaixo, apresenta a admissão isobárica, a compressão adiabática, a ignição isocórica, a expansão adiabática e a exaustão isobárica.



Ou seja equalizamos as pressões durante admissão, elevamos a pressão e temperatura durante a compressão, liberamos a energia do combustível através da combustão, convertemos a energia térmica em energia cinética reduzindo a pressão e temperatura durante a expansão e finalmente liberamos a energia residual equalizando novamente as pressões.
Então vamos iniciar o modelamento utilizando dados do meu projeto, pois são os únicos que eu tenho…

[*]Temperatura de admissão 40ºC (convertendo 563,67ºR)
[*]Pressão absoluta de admissão 2,2 bar (pressão manométrica de admissão 1,2 bar)
[*]Calor específico de combustão do Etanol 12800 cal/g (12800 BTU/lb)
[*]Razão ar/combustível 7,7 para o Etanol (equivale à lambda 0,85)
[*]Taxa de compressão 9,8:1
[*]Taxa de capacidade de aquecimento do ar (k) 1,4
[*]Calor específico do ar 1 J/g (0,24 BTU/lbm)
[*]Limite de giro 8000 RPM
[*]Velocidade alvo 260 ft/s (79,248 m/s)

Durante o ciclo de compressão o volume é reduzido, portanto a pressão e temperatura da câmara irão se elevar;

P2 = P1•(V1/V2)^k = 2,2•9,8^1,4 = 53,7 atm (54,4 bar)

T2 = T1•(V1/V2)^k-1 = 563,67•9,8^0,4 = 1404,5 ºR = 507,3ºC

Durante a ignição a energia contida no combustível é liberada em um processo de oxidação rápida (combustão), elevando instantaneamente a temperatura do gás e consequentemente a pressão;

T3 = T2+(k•Ccomb)/(AFR•cp)
T3 = 1404,5+(1,4•12800)/(7,7•0,24) 
T3 = 11101,47ºR = 5894,33ºC

P3 = P2•(T3/T2) = 53,7•(11101,47/1404,5)
P3 = 424,45 atm = 430,074 bar

Durante a expansão, o volume aumenta e consequentemente a temperatura e a pressão se reduzem;

T4 = T3/CR^k-1 = 11101,47/9,8^0,4 = 4455,44ºR = 2201,85ºC

P4 = P3/CR^k = 282,08/9,8^1,4 = 11,552 atm = 11,705 bar

Entrando no ciclo de exaustão, a pressão tende a equalizar-se à pressão atmosférica, haverá então uma grande expansão do volume dos gases pois no modelo ideal não haverá força contrária a esta expansão;

P1•V1•T2 = P2•V2•T1
1,034•249,7•2201,85 = 11,93•V2•26
V2 = 1830,5 cm3
A partir dos dados obtidos acima iremos calcular o diâmetro dos dutos primários. Este cálculo, como dito antes é determinante para o ajuste da velocidade de fluxo para um determinado regime de rotação, neste caso o projeto idealiza um motor com pico de Torque a aproximadamente 75% do limite de giro.
Tendo sido calculado o volume a ser exaurido, precisamos agora descobrir o tempo disponível para que os gases sejam escoados através do duto.
A velocidade angular do Virabrequim é o dobro da velocidade do comando de válvulas, pois a cada 720° percorridos pelo Virabrequim o comando de válvulas percorre 360°. Utilizando como base de calculo de duração do lobe de escape o comando Carlini FOR1,5 (270°) temos 75% do tempo de trabalho do lobe em regime abertura e fechamento da válvula de escape, ou seja:

8000•0,75 = 6000 RPM (rotação do pico de Torque)
6000/2 = 3000 RPM = 50 Hz (velocidade angular do comando)
Período = 1/f = 1/50 = 0,02 s

Encontrado o período de trabalho do lobe de escape devemos calcular agora a duração da válvula aberta;

360° - 0,02 s
270° - x
x = 270•0,02/360
x = 0,015

Tendo os dados de volume a ser escoado (1830,5 cm3) e o tempo de escoamento (0,015 s), calculamos a vazão;

Q = v/t = 1830,5 / 0,015 = 122033,3 cm3/s = 0,1220333 m3/s

A partir desta vazão utilizaremos outra fórmula para calcular o diâmetro do duto;

Q = Pi/4•D²•V = 0,1220333 = 0,785• D²•79,248
D² = 0,1220333/62,241
D = (0,001960)^0,5
D = 0,004428 m = 4,428 cm = 44,3 mm

Assim encontramos o diâmetro ideal dos dutos primários, basta agora procurar os valores de diâmetros comerciais equivalentes.

No próximo post (havia prometido só 2) tratarei do cálculo de comprimento do duto para sintonia de freqüência de pulsação.

Peço desculpas pelo texto "mínimo" mas achei bom demonstrar cada etapa de calculo para desmistificar a caixa preta sobre coletores de escape.

8O 8O

Bela explicação, estarei acompanhando assiduamente, pois o meu coletor precisa ser refeito, está tudo errado, kkkkkkkkkkkkkkkk. (y)

Parabéns (y)

bom galera... esse coutinho ai é o que eu me referi algumas vezes em uns posts, nao sei se vcs lembram!
mas eu sempre digo que ele eh meu professor, posso dizer que 99% do que eu sei foi tudo ele quem me ajudou!!


ps.: teve um topico que muita gente me pediu p/ eu mandar uma formula p q calculo do diametro da tbi... quem me passou essa formula foi ele! caso ele queira postar ele manda em outro topico. Nao postei pois ele me pediu pra guardar isso ehuheuehu

:eek: