Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

0
63
Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Cabeçote, culata, tapa de cilindros, cylinder head, testata, zylinderkopf. São várias as designações para esta mesma peça que concentra diversas funções. Desde suporte para partes móveis até contentor da combustão. O cabeçote é peça essencial para o controle de fluxo no motor. Como dizia Lampredi: “Motores não bebem, eles respiram.” Essa frase não só sintetiza a filosofia de que permeia os motores, como também revela um dos principais segredos para uma boa performance: o fluxo de ar. Quer saber mais sobre o fluxo, detalhes de construção e muito mais? É sobre isso que iremos falar em nosso papo de garagem de hoje.

 

Construção

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

A necessidade do grande volume de produção, complexidade geométrica e a necessidade de redução custos direcionou todos os fabricantes de motores para produzir os cabeçotes pelo método de fundição, deixando a usinagem somente para acabamento em áreas específicas. Inicialmente os cabeçotes eram fundidos em aço carbono, mas hoje são produzidos em ligas de alumínio. Essa mudança promoveu uma redução drástica da massa, melhor condutibilidade térmica e, consequentemente, uma melhor refrigeração do motor.

As carcaças são fundidas a partir de moldes negativos da peça originalmente projetada. A areia utilizada nos moldes da fundição, bem como os aditivos da liga, são determinantes para a qualidade de acabamento superficial das peças — algo que afeta diretamente o fluxo de ar no cabeçote do motor.

Métodos mais modernos de fundição permitem a criação de peças com maior complexidade e maior simetria. O método de espuma perdida (lost foam para os gringos) está sendo cada vez mais utilizado pela sua grande qualidade de produção. É criado um molde positivo de espuma (em casos de menor produtividade pode ser usada a cera de parafina) que é consumida durante a fundição. Este método permite um menor tempo de produção e maior qualidade de acabamento superficial.

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Porém qualquer método de fundição com alimentação por gravidade corre o risco de gerar porosidade nas faces da peça (foto acima). A porosidade é a formação de micro dutos que tornam aquela área permeável. Fatores como a velocidade de enchimento do molde, temperatura, tempo de cura do molde antes da fundição e reações químicas dos aditivos podem levar a formação das bolhas.

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

A General Motors, por exemplo, já enfrentou sérios problemas de porosidade, tanto em cabeçotes quanto nos blocos. Os casos iam desde vazamento de óleo pelas juntas das tampas até a formação de emulsão no sistema de resfriamento por óleo lubrificante. Na Europa com os motores da família II, mais especificamente os 20XE. Para solucionar essa falha a Vauxhall trocou de fornecedor, substituindo a KolbenSchimidt pela Cosworth. Estes cabeçotes são identificados pelo logotipo “Coscast” (de “Cosworth casting”, ou “fundição Cosworth”).

A Coscast, divisão de fundição da Cossie desenvolveu um método baseado em die casting que é a fundição de peças por injeção. A alta pressão de injeção é mantida até a solidificação da peça. Isso evita a porosidade, além de garantir um melhor direcionamento dos cristais e maior qualidade de acabamento superficial para as carcaças.

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Nos EUA estas falhas ocorreram com os motores LS2, LS3 e LS4 entre 2004 e 2011, apresentando vazamentos no selo traseiro do virabrequim e tampa traseira do sistema de óleo. A solução só veio com o recall para os selos e tampas.

 

Geometria

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

O desenho dos dutos, bem como das câmaras é essencial para um bom desempenho da combustão como um todo. Uma câmara mal desenhada pode gerar pontos quentes, fator que aumenta a tendência à detonação espontânea. Dutos ruins geram restrições ao fluxo, e muito mais que isso, não favorecem o movimento rotacional da mistura que está sendo admitida. O movimento pode ser horizontal (swirl) ou vertical (tumble).

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Mas para entendermos as funções associadas a força rotacional e as características das câmaras temos antes que sabem um pouco sobre a combustão em si. Ao contrário do que alguns pensam, a combustão não é instantânea. Na verdade, a queima passa por três fases. Vamos observar o gráfico abaixo para entendermos estas fases:

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

– I: A área entre o ponto de centelhamento e o desvio entre as curvas de combustão e de compressão do motor é chamada de delay. Esse período tende a ser constante durante toda a faixa operacional do motor. Mas esse tempo de resposta sofre influência de fatores como, mistura ar combustível e proximidade da temperatura de autocombustão no momento de centelhamento.

– II: Após o delay nós entramos na fase de combustão rápida. É nesta área onde a frente de chama se desenvolve. Inicia-se no momento do desvio das curvas e se estende até o pico de pressão. A velocidade da frente de chama não é constante, pois está é influenciada pelo nível de turbulência dentro da câmara.

– III: Então após a frente de chama alcançar as paredes do cilindro ainda restam por volta de 25% de mistura não queimada. Mas a chama perde velocidade devido a menor quantidade de oxigênio restante. A essa fase chamamos pós-combustão. Ela também é influenciada pelo nível de turbulência encontrada no cilindro.

 

Swirl

Conhecida por aqui como Fluxo Rotacional Horizontal (FRH) o swirl ocorre em cilindros de apenas uma válvula de admissão. Devido ao posicionamento desta válvula na câmara, o fluido que é sugado pelo movimento do pistão encontra resistência na parede do cilindro e passa a tangenciá-la, tomando assim um movimento helicoide que acompanha o deslocamento do pistão.

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Por aqui s cabeçotes normalmente possuem dutos de fluxo direto, onde as paredes são paralelas. Assim o fluxo ao encontrar a tulipa da desloca-se radialmente em relação a válvula, mas pela proximidade da parede do cilindro parte do fluxo é direcionado para iniciar o giro. Esse tipo de duto gera menos swirl, mas não causa grandes restrições ao fluxo.

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Outro tipo de duto normalmente encontrado possui paredes semicirculares. Estes são ligeiramente deslocados em relação ao eixo da válvula de admissão. Assim é criado um caminho preferencial para o fluxo, que já inicia a sua entrada na câmara em rotação. Por isso o nível de turbulência é alto desde o início da faixa de trabalho. Mas esse mesmo nível alto de turbulência pode gerar perdas nas rotações mais altas pela restrição causada.

 

Tumble

O Fluxo Rotacional Vertical (FRV) ocorre em cilindros que possuem mais de duas válvulas de admissão. Ao entrar no cilindro o fluxo, como um acrobata, dá uma cambalhota. O giro vertical é induzido pelo ângulo de inclinação dos dutos e válvulas de admissão.

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Para o melhor aproveitamento das características do tumble normalmente são utilizadas câmaras do tipo pentroof. Na fase final de compressão a turbulência se divide em diversas outras menores formando micro vórtices que que aumentam a interação entre as partículas na frente de chama.

 

Área de compressão e resfriamento

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Durante alguns estudos sobre o deslocamento da frente de chama, as equipes de desenvolvimento perceberam que os pistões com menor gap entre suas coroas e a câmara de combustão apresentaram maior resistência à detonação. Com isso um motor “pedia” um combustível com menor octanagem para operar em condição segura. Por outro ponto de vista, para um combustível com octanagem “X” esse mesmo motor poderia operar com uma taxa de compressão maior sem “bater pino”. Mas como uma mudança tão simples criou esses resultados?

A magia acontece em três fases. A primeira ocorre no estágio final da compressão. O movimento da coroa se aproximando do o cabeçote expele os gases dessa região, provocando um sopro que aumenta a turbulência, equalizando ainda mais a mistura e a interação entre as moléculas. Este sopro é chamado de fluxo radial de compressão, ou simplesmente squish.

O segundo evento é o resfriamento da mistura que fica espremida entre a coroa e o cabeçote. Devido à grande superfície em relação ao pequeno volume de mistura fresca disponível nesta área, a troca térmica acontece de forma muito rápida e a queda de temperatura ajuda a diminuir a quebra das cadeias de carbono.

O último evento é o aumento da velocidade da chama quando o pistão inicia seu movimento descendente. Com a proximidade, ao se deslocar o pistão acaba criando uma zona de baixa pressão relativa. Tudo acontece num piscar de olhos, mas é tempo suficiente para fazer a frente de chama avançar mais rápido e evitar a detonação. Todos esses fatores fazem o pico de pressão aparecer antes do que seria observado numa câmara sem essas características. Assim o ponto de ignição pode se aproximar ainda mais do ideal o Maximum Break Torque (MTB), tornando o motor mais eficiente.

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Há ainda as áreas de compressão inclinadas (slant squish), que propiciam ganhos ainda maiores em câmaras hemisféricas ou do tipo pent roof.

 

Localização da vela

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Outro fator que influencia diretamente a eficiência da combustão é a posição da vela na câmara. O tempo que a frente de chama leva para alcançar as paredes do cilindro é determinante para que o ponto também se aproxime mais do MTB. Além disso, o tempo de deslocamento também influencia o risco de autoignição, pois a onda de choque criada pela ignição leva mais tempo para alcançar as extremidades, o que permite às cadeias de carbono dissociarem-se em conjuntos menores. Abrindo assim o caminho para a autoignição.

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Por tratar-se de um cilindro a posição ideal para qualquer é no centro do cabeçote, pois a frente de chama atingirá as paredes ao mesmo tempo. Na imagem mais acima podemos ver o deslocamento da frente de chama medido em ângulo do virabrequim. Quanto maior o tempo de deslocamento, mais cedo o ponto de ignição deve ocorrer e mais energia é desperdiçada, pois o pistão ainda está em movimento ascendente quando a mistura começa a queimar e a pressão dentro da câmara se eleva. Assim temos um momento em que a força de combustão se opõe a força do virabrequim para mover o pistão.

Então quanto mais cedo a centelha ocorre, menor é o pico de pressão na câmara e menos potência o motor gera. Há exemplos de câmaras com mais de uma vela. Esse artifício também reduz significativamente o tempo de queima, além de permitir o uso de misturas ar/combustível mais pobres.

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Fatores como, número e dimensões das válvulas interferem no posicionamento da vela. Então o desenho da câmara deve ser feito de modo que o fluxo turbulento passe pela vela. Mas este não deve ter grande velocidade neste ponto, caso a turbulência seja forte demais a fase de delay pode se propagar mais um pouco.

 

Tipos de câmaras de combustão

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Já perceberam como é complicado desenhar uma câmara, não? Todos estes vários pontos devem ser considerados, mas não podem ser isolados pois todos interferem no conjunto. Estes fatores associados as diversas características e aplicações dos motores levam a uma quantidade enorme de desenhos para câmaras. Então vamos ver aqui alguns destes desenhos e suas principais características.

Câmaras “L”

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Motores como os Ford Flathead usam cabeçotes com câmaras do tipo “L”. As válvulas são instaladas no bloco e ficam lado a lado. A vela é posicionada próxima à válvula de escape pois a mistura nessa região normalmente está mais quente, e isso gera uma maior velocidade de queima.

 

Câmara “Coração”

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

O nome é engraçado sim, mas se deve ao formato da área de maior volume. Essas câmaras geram um swirl de grande intensidade, além de possuirem uma grande área de compressão. Essa área de compressão aumenta a turbulência de forma linear em relação à rotação. Com isso o ponto de ignição é quase constante.

 

Câmara “Cunha”

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

São câmaras com área de combustão inclinada, em formato de cunha (que coincidência não?). As válvulas são instaladas na face com menor inclinação, enquanto a mais inclinada abriga a vela. O squish é muito forte nesse tipo de câmara e direciona o todo fluxo para a vela. Por isso o ponto de ignição varia pouco, da mesma forma que vimos com a câmara coração.

 

Câmara hemisférica

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Talvez uma das mais conhecidas, pois nomeia motores míticos produzidos por uma das grandes de Detroit. Os Hemi recebem esse nome por utilizarem câmaras em semicírculo. Nesse tipo de câmara as válvulas ficam diametralmente opostas e inclinadas, enquanto a vela ocupa a posição central. Os pistões são hipereutéticos (ou se você preferir pode chamá-los de cabeçudos) para controlar a taxa de compressão da câmara, assim como a velocidade da chama. Com esse desenho as câmaras hemisféricas conseguem reter melhor o calor gerado na combustão, aumentando assim a eficiência do motor.

 

Câmara pentroof

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Quando falamos em hemisféricas a configuração clássica com apenas duas válvulas é o que mais nos vem à cabeça. Mas saibam que as câmaras tipo telhado nada mais são que uma versão aperfeiçoada das clássicas hemisféricas. Normalmente encontradas com quatro válvulas, elas podem chegar a ter seis válvulas. O VAG utilizou amplamente cabeçotes com cinco válvulas por cilindro, mas a sua complexidade e custo acabaram os tirando das linhas de montagem. Essas câmaras trazem vantagens pela possibilidade do uso das áreas de compressão, característica de difícil aplicação nas hemisféricas clássicas. Além disso o tumble acaba sendo uma das assinaturas desse tipo de câmara.

 

Câmaras para injeção direta Diesel

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Motores Diesel utilizam a injeção direta há muito tempo, até mesmo pela sua característica de combustão. Com desenhos mais complexos onde a cabeça do pistão desempenha papel essencial, as câmaras são projetadas de modo a receber o jato de combustível disparado no último momento e distribuí-lo por igual. A turbulência deve ser alta o suficiente para permitir a dispersão do combustível em frações de segundo. Caso isso não ocorra a mistura entrará em combustão antes de tornar-se homogênea. Assim a frente de chama perderá muita velocidade em sua fase final e o motor não será eficiente. Em substituição a vela, um bico injetor é posicionado no centro da câmara.

 

Câmara GDI

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Os princípios de injeção direta aplicados em ciclo Otto diferem no modo de injeção, pois esta acontece enquanto o cilindro admite o ar. Podendo a injeção ser homogênea ou estratificada. O bico injetor normalmente é posicionado na lateral da câmara enquanto a vela volta à posição central. Com isso os requisitos de turbulência, dissipação térmica, e controle de detonação muda.

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

Agora sabemos de toda a magia negra que acontece quando o ar entra no cabeçote certo? Também conhecemos alguns dos desenhos mais usados no país. Que tal começarmos a falar sobre melhorias? Modificações que arranquem mais alguns pôneis e lascas de torque?

Esse é o foco do nosso próximo papo. Ele já está no forno e não vai deixar vocês na espera por muito tempo. Então até lá!

Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes

The post Tudo o que você precisa saber sobre fluxo de cabeçotes appeared first on FlatOut!.