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 passará 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 às 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.
Inércia 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 inércia 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 à lei da inércia, logo se a massa de ar está em movimento ela tende a permanecer em movimento. Devido o fenômeno da inércia, 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 inércia 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 inércia dos gases. Coletores de admissão com comprimentos diferentes são construídos para o melhor aproveitamento da inércia dos gases.
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 à inércia 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 a este possuir massa e este em movimento gerar energia, ajudando o motor com uma sobrealimentação natural.
Princípio De Bernoulli
A velocidade do ar em motores de combustão está proporcionalmente atrelada à 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:
• 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 nível do mar como ponto zero, um objeto que está acima do ponto zero é atraído para a terra devido à gravidade, quanto mais alto este objeto estiver do solo maior será a energia gravitacional, é assim que 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 )
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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. O critério 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.
A fórmula para definir o critério de Mach é constituída pelas seguintes variáveis: