PORQUE O SACO DE CIMENTO NÃO FUNCIONA (COMO OS PNEUS FUNCIONAM-parte1)

Ah! Essa é clássica: “Tive um Opala, e sabe como é... tinha q colocar um (já chegou a 3) saco de cimento no porta malas pra segurar a traseira dele, senão ia embora”.

Bom, como já comentei no post da suspensão traseira esse fato no caso especifico do Opala acaba colocando a suspensão traseira em uma posição mais baixa, levando ela de volta para a posição para a qual ela foi projetada na Alemanha, corrigindo a geometria quando o carro entra em curva. Mas tirando o caso especifico do Opala e essa peculiaridade, também já ouvi essa mesma lógica com outros carros e com o saco de cimento variando de posição, mas aqui vale uma explicação de como o pneu funciona.

Conforme pode ser visto no gráfico (retirado do livro Race Car Vehicle Dynamics – MUITO bom, recomendo! Comprem! Ou não, vc é que sabe), a força lateral que o pneu é capaz de gerar depende da força que age em cima dele. Cada linha representa uma força atuando em cima do pneu. Em outras palavras, quanto mais “peso” em cima, mais força de atrito ele tem. Ué! Mas então o saco de cimento deveria funcionar....

Então, não. O grande lance é que (como o próprio gráfico mostra), o ganho não é linear, ou seja a medida que se coloca peso, o ganho em aderência não é proporcional. Por exemplo, se em um primeiro momento tínhamos 500kgf de peso em cima do pneu e ele tinha capacidade de gerar 500kgf de força de atrito, quando passamos esse peso para 600kg por exemplo, a força de atrito vai ser de 580kgf (isso é um exemplo chutado da minha cabeça). O atrito aumentou, mas não acompanhou o peso na mesma proporção.

Isso faz com que o carro atinja uma força G menor, já que antes, força exercida pela massa era de 500kgf, e a aderência, também de 500kgf, ou seja ele suporta 1G de aceleração. Já no 2° caso, a força de atrito é menor que a massa, então ela suporta só uma fração da aceleração, no caso 0,966 G.

Como calcular um bico injetor (do jeito certo)

Muito se fala na internet sobre calculo de bico injetor para fazer esse ou aquele projeto, desde motores que simplesmente foram convertidos  para injeção eletrônica, até o mais audacioso projeto com 1milhão de cavalos.

Para cada um deles basta entrar na calculadora de algum site, especificar a potencia do motor, o combustível utilizado, e o numero de bicos e pronto! E quem for nóia como eu, e baixar o catalogo de bicos injetores e suas vazões, e colocar os dados de um modelo de carro qualquer, vai perceber que a maioria deles resulta em um valor próximo. Isso significa que o calculo funciona, mas não indica COMO o motor funciona, ou então, porque um carro fica mais bem regulado que outro, ou porque um é mais econômico que outro, ou ainda porque geralmente um carro de fabrica não comporta mais potencia.

O calculo feito normalmente é feito considerando que o bico injetor se mantenha aberto 100% do tempo. Isso funciona muito bem quando há alguma restrição no numero e tamanho dos bicos injetores que se tem disponível. Entretanto, o motor não admite esse combustível 100% do tempo. O motor só tem como admitir o combustível quando a válvula de admissão esta aberta (lógico!), e é ai que vem o problema: O que acontece com o combustível injetado enquanto a válvula fica fechada?

Bom, na verdade não é um grande problema, esse combustível acaba entrando no motor na próxima vez que a válvula abrir. O que acontece é que ele tem que esperar um ciclo para entrar, e como o combustível é líquido, a mistura com o ar é uma suspensão de partículas de combustível, e que logo se condensa. O combustível, agora em forma de gotas, e não mais em “spray” entra na câmara de combustão, só que agora sua queima é mais ineficiente, é muito mais lenta porque há muito menos área de contato entre as moléculas de combustível e de ar (não vou explicar isso, apenas pense em como o combustível queima ao ar livre... o vapor faz quase uma bola de fogo e queima bem rápido, enquanto a parte liquida demora bem mais).

Esse processo é imperceptível, tanto pra quem dirige o carro quanto pra quem afina o motor (não vem com essa, É imperceptível! Mistura incorreta e ponto fora são OUTRAS coisas). Aliás, isso quase não afeta a potencia final do carro. Mas se reflete no consumo, uma vez que para a mistura queimar de maneira correta, é preciso de um pouco (muito pouco) a mais de combustível, só que esse pouco, 3000 vezes por minuto, em 4 cilindros durante duas horas... VAI dar diferença.

Então, como calcular o bico? O bico deve ser calculado tendo em mente o quanto de tempo a válvula de admissão fica aberta. Na verdade o IDEAL é calcular com base no quanto ela fica aberta com mais de 1mm de levante, que é quando ela pode realmente admitir bastante ar e carregar o combustível, e isso fica em torno de 200° para um motor de fábrica.

O calculo então deve ser feito calculando a massa de ar que o motor deve admitir (PV=mRT de química básica – pressão volume e temperatura do ar do motor). Com a massa de ar, pela razão estequiométrica do combustível, a massa de combustível pode ser calculada (13,5:1 para gasolina brasileira, e 8,0:1 para álcool) com a massa de combustível, é hora de calcular quanto de volume isso representa, usando as densidades dos combustíveis (0,756 g/ml para gasolina brasileira, e 0,789 g/ml para álcool).

Agora que se sabe o volume de combustível, com a vazão do bico injetor, da pra saber o tempo que ele tem que ficar aberto para injetar a quantidade de combustível que seu motor precisa. E esse tempo tem que ser menor que o tempo que seu motor fica com a válvula aberta na rotação máxima.

Dito isso, esse é o jeito de se calcular um bico injetor de maneira que em todas as condições de funcionamento o motor consegue injetar tudo o que precisa dentro do tempo que a válvula fica aberta (modo de funcionamento sequencial).

Alguns já devem ter notado que o bico especificado assim é BEM maior que o normal, e que em condições de pouca carga onde a quantidade de combustível requerida é pequena, esse bico será difícil de controlar. Na verdade tudo depende da precisão com que o sistema de injeção faz os cálculos e da precisão com que se calibra o motor. Algumas montadoras já perceberam isso, e para simplificar as coisas, escolhem um bico de tamanho intermediário, mantendo o motor em modo sequencial por uma gama maior de condições de funcionamento; e como em condições onde se exige o máximo de potencia, o consumo não é o foco, o motor não precisa mais trabalhar de maneira sequencial.

PS: se o sistema de injeção é monoponto, ou mesmo multiponto, mas atua os bicos de maneira simultânea (vários bicos ligados juntos), não há como o motor trabalhar de modo sequencial, mesmo que 1 deles trabalhe corretamente, todos os outros não conseguirão.

A Injeção - parte1

Já a algum tempo ando projetando e fazendo o sistema de injeção eletrônica do Opala. Como já disse antes no post sobre o kart, o sistema é uma evolução do que foi desenvolvido no lá. Então vamos a uma pequena(essa é boa!) introdução:

Há 3 tipos de funcionamento básico para o sistema de injeção: “speed-density” (velocidade-densidade), “mass flow” (vazão em massa), e “alpha-N”.

   -speed-density:  faz o cálculo da quantidade de combustível com base em uma tabela armazenada na memória da central eletrônica cujos eixos são a velocidade do motor, e a pressão do ar de entrada no motor, dai o nome do sistema: velocidade(do motor) e densidade (do ar).

   -mass flow: utiliza um sensor de vazão mássica de ar conectado a entrada de ar do motor, enviando à central diretamente a informação da quantidade de ar aspirada pelo motor, e também com a rotação do motor, é possível calcular a quantidade de combustível requerida.

   -alpha-N:  é um método de cálculos que até o momento da pesquisa só era encontrado em motocicletas de alto desempenho, e foi proposto em vista da necessidade de respostas mais rápidas do sistema de injeção, e funciona da mesma maneira que o sistema “speed-density” com uma tabela armazenada na memoria, entretanto, os eixos são alpha (percentual de abertura da borboleta de aceleração), e N (rotação do motor).

Em todos os sistemas, transientes, e outras variáveis como temperatura do motor, leitura das sondas e outros sensores são tratados como correções em relação ao calculo principal, havendo inúmeras variações de métodos e funcionamentos.

Bom, para instalar o sistema no Opala, a primeira coisa de que precisei foi colocar um sensor de rotação, já que o motor original não dispõe de um. Optei por fazer toda a adaptação dentro do distribuidor, e isso vc pode ver aqui!

O sistema no caso utiliza um tipo de configuração speed-density, mas com algumas diferenças a respeito de como os mapas são utilizados, além de que ela é auto-adaptativa, o que significa que não haverá nenhum post a respeito de como esta a injeção do motor, pois isso é feito automaticamente pelo programa. (não haverá comentários sobre o funcionamento especifico dessa parte pois isso é segredo comercial, apesar de a empresa que tem os direitos não ter lançado produto, isso não vem ao caso).

O Hardware:

Para o sistema de injeção (qualquer que seja) funcionar, há algumas coisas que ele precisa ter, e vou colocar aqui como qualquer um poderia fazer, ou seja é um “DIY Fuel Injection”.

Seguindo o caminho que o combustível tem que percorrer do tanque até finalmente explodir no motor, o combustível precisa ser bombeado por uma bomba de combustível que deve conseguir manter uma certa vazão (requerida pelo sistema) a uma pressão regulada (geralmente 3bar). Aqui uma dica importante: Não importa se uma bomba suporta até 12-18bar ou qq coisa, o que interessa é quanto de vazão ela consegue na pressão de trabalho, por exemplo, a 3bar.

Para regular essa pressão é necessário um regulador de pressão, ou chamado de vez em quando de dosador, mas é a mesma coisa. Todo carro tem, mesmo os sistemas sem retorno, a diferença é que nos sistemas sem retorno ele fica instalado no tanque. Ele funciona ligado a linha de pressão da bomba, e quando a pressão atinge o valor para o qual ele foi especificado para regular a pressão, ele permite que o excesso de combustível retorne ao tanque. Simples assim. Há casos onde ele é regulável, mas o funcionamento é o mesmo.

Com a linha de combustível regulada, ela pode chegar ao bico injetor, que é quem realmente controla o combustível que vai para o motor. Ao contrario do que muita gente pensa o bico não consegue abrir muito nem pouco, ou ele abre ou não. Então a injeção vai controlar simplesmente o quanto de tempo ela quer que o bico fique aberto. Só isso!

Funciona assim: Com base nos sensores e nos dados armazenados na injeção, ela sabe quanto de combustível o motor vai precisar a cada momento. Para injetar a quantidade desejada, a injeção sabe que o bico injetor instalado tem vazão X quando regulado a pressão Y. Então ela calcula quanto tempo esse bico tem que ficar aberto para que ele jogue no motor a quantidade desejada de combustível. Por isso é tão importante manter a pressão na linha estável, porque de ouro jeito, a central não tem como saber a vazão do bico.

É isso!

ACHE O CG

Qualquer um que quer ser minimamente sério projetando um carro, moto, bicicleta, ou qualquer coisa desse tipo vai, e eu disse VAI ter que descobrir (no caso de algo já feito) ou estipular onde está o centro de gravidade (ou centro de massa) do veiculo. E por CG eu nem ainda comentei sobre momento de inércia, pq isso fica para outra discussão.

Porque é tão importante?

Ora, é porque é de lá que vem todas as forças que atuam no carro (estou tomando o carro como exemplo pq é sobre isso que o site trata: MEU carro)!

Vamos a um exemplo: Imagine o carro acelerando. Ao acelerar, o carro “joga peso para trás”. Isso é o efeito da inércia, inércia da massa do carro que não quer sair do lugar. Ao acelerar a massa do carro para frente, por inércia ela responde então com uma força igual, mas de sentido oposto (f=m*a). Como o CG tem uma altura em relação ao chão e o carro apoia essa massa por 2 rodas (visto lateralmente), isso faz com que surja uma força vertical de cima para baixo na roda traseira, o que faz a suspensão comprimir, e uma força de baixo para cima na dianteira, que faz o exato oposto. (não vou descrever os cálculos, são chatos, mas é física e geometria do colegial, mas para nota, quanto menor o entreeixos e mais alto o cg, maior o efeito).

Mas oq isso tem a ver?

Se vc só quer dirigir o carro, nada. Mas se vc for alterar ele ou construir um, é fundamental!

Seguindo o exemplo do carro acelerando, se ele for um carro de tração traseira, o efeito é benéfico! Porque quanto mais transferência de peso houver, mais força estará sobre os pneus traseiros e consequentemente mais atrito (força de atrito... lá da escola), e se há mais atrito, é possível colocar mais potência sem perder aderência! SHOW! Ou.... até ele virar (e isso acontece direto com as motos). Então é trabalho do engenheiro que esta projetando, colocar o CG em relação às rodas de maneira que se consiga o máximo de aderência, sem que ele vire para trás.

No caso de um carro de tração dianteira, o efeito é péssimo, pois retira aderência das rodas de tração, então o efeito deve ser reduzido ao máximo (para os donos de carros de arrancada, o recado esta dado: erguer a traseira de um tração dianteira.... provavelmente não esta te dando vantagem (pelo menos do ponto de vista do CG).

É isso!