AUTOentusiastas Classic (2008-2014): Três pontos essenciais

Desta vez nossa viagem pelo mundo da engenharia do automóvel será mais profunda que as anteriores. E não menos divertida.
Hoje vamos ver os três pontos essenciais para a mistura entre ar e combustível para que tenhamos uma combustão de qualidade, que aproveite da melhor maneira possível a energia disponível e emita o mínimo de poluentes.

Todo motor de ciclo Otto passa pelo tempo de admissão. Durante esse tempo, uma mistura ar-combustível é aspirada para dentro do cilindro. A maioria dos textos sobre motores não dão atenção especial para este instante crucial para o bom desempenho do motor, mas ali se escondem três pontos essenciais para obtermos um motor realmente eficiente.

Estes três pontos são:

- A proporção da mistura ar-combustível;
- A fina nebulização do combustível em sua fase líquida;
- A formação de uma mistura homogênea de ar-combustível.

Estudaremos cada um destes pontos em separado, para que sejam bem entendidos.

O químico francês Antoine-Laurent de Lavoisier é hoje considerado o pai da química moderna. Ele identificou o oxigênio e mostrou como ele é parte dos processos de combustão. É dele também a demonstração da lei da preservação da matéria, bem como a demonstração de que as reações químicas ocorrem em proporções precisas.

É por causa de Lavoisier que sabemos hoje que a água é um composto formado por um átomo de oxigênio e dois átomos de hidrogênio. Se as reações químicas ocorrem fora desta proporção precisa, o reagente que estiver em excesso sobrará ao final da reação. Para reações onde os reagentes são adicionados na proporção precisa foi dado o nome de reações estequiométricas.

Lavoisier, no entanto, nunca compreeendeu com perfeição as próprias leis que enunciara. Foram necessários vários anos de muito trabalho de outros que continuaram seu caminho para que alguns fatos observáveis pudessem ser explicados.

Conforme a tecnologia dos laboratórios de química foi se sofisticando e novos instrumentos passaram a medir os resultados das reações químicas com grande precisão, começou-se a perceber que, mesmo colocando reagentes em proporções estequiométricas, haviam sobras de todos os reagentes, mesmo que em proporções mínimas. Algo não funcionava na teoria de Lavoisier.

Os anos de pesquisa mostraram que as leis de Lavoisier não eram exatamente determinísticas, mas sim estatísticas.

Para entendermos como isso acontece, precisamos de um exemplo mais palpável.

Vamos imaginar que haja uma cidade com 2 milhões de homens solteiros e 2 milhões de mulheres solteiras. Em tese, cada homem e cada mulher teriam todas as condições de casar sem que sobrasse qualquer solteiro na cidade. Mas as coisas não são bem assim.
Quando o processo começa, há muitos homens e mulheres disponíveis e dispostos a se casar, o que facilita os casamentos. Porém, conforme os casamentos vão se realizando, o número de homens e mulheres disponíveis reduz-se drasticamente e fica cada vez mais difícil para cada um deles encontrar seu complemento em meio a uma multidão de casados. Além disso, muitos dos que não casaram não o fizeram porque não estavam tão motivados para isto. Assim, sempre haverá solteiros de ambos os sexos nestas condições.

Para que o máximo de mulheres possam se casar é necessário que haja um excesso de homens disponíveis na cidade, e para que os homens tenham a maior chance possível de se casarem é necessário que haja um excesso de mulheres. Apesar destas condições, por maiores que sejam os excessos, sempe haverão solteiros.

Os motores de combustão interna retiram energia para seu funcionamento através de uma reação de queima de combustível e, portanto, estão sujeitos às mesmas leis de reação propostas por Lavoisier.

A mistura estequiométrica ar-combustível para motores a gasolina é de 14,7 partes em massa de ar para uma de gasolina. Entretanto, a sobra de oxigênio e de gasolina nesta proporção estequiométrica é muito grande.

Se enriquecermos a quantidade de gasolina para a mesma massa de ar até compormos uma mistura aproximada de 12,5:1 obteremos a melhor chance do máximo de oxigênio do ar admitido ser queimado. É nesta condição que o motor oferece a 'máxima potência'.

Se, ao contrário, reduzirmos a proporção de gasolina até obtermos uma mistura de 16,5:1 a 18:1 (dependendo do projeto do motor), teremos um excesso de oxigênio favorecendo a máxima queima da gasolina admitida. É quando o motor oferece a máxima economia de combustível.

As injeções de combustível incorporam um sensor chamado de lambda que "cheira" os gases de escapamento à procura de oxigênio livre. Quando há oxigênio livre num determinado nível, a sonda indica mistura estequiométrica. Alterações nessa proporção fazem a sonda indicar para o módulo de injeção que a mistura está pobre ou rica em combustível.

O segundo ponto essencial refere-se a quão fina é a nebulização do combustível líquido.

No motor, não se queima combustível em sua fase líquida. Todo combustível tem que ser transformado em vapor para que se consiga queimá-lo.

Em tese, seria possível aquecer o combustível líquido até transformá-lo em vapor para então ele ser adicionado ao ar admitido para a queima. Teríamos uma queima muito suave e progressiva, porém teríamos também uma redução significativa de potência.

É que a maior parte dos líquidos, quando transformados em vapor, acabam ocupando um volume da ordem de 1.000 vezes o volume do líquido original. Assim, se transformássemos todo combustível em vapor, este vapor tomaria um volume que deveria ser ocupado por ar. Menos ar implica em menos combustível proporcionalmente e o motor perde potência.

A suavidade da queima proporcionada pela mistura com vapor de combustível é interessante sob condições de cargas parciais. Significa um motor de funcionamento suave e progressivo para o motorista, mas a limitação de potência é severa para aplicações práticas.

O ideal, especialmente nas condições que exigem potência máxima, o máximo de combustível ter de ser admitido em sua fase líquida e ser transformado em vapor durante a fase de compressão e durante a queima da mistura.

Isto é consguido através da nebulização mais fina possível do combustível.
Nebulizar siginifica transformar o líquido em uma névoa com gotas muito pequenas, mas ainda assim ainda na fase líquida.

Lembram quando falei sobre a teoria da força dos pequenos? Pois ela vale aqui.
Gotas menores e mais numerosas significam muito mais área de troca de calor para o mesmo volume de combustível, tornando muito mais fácil evaporar esse volume. Gotas grandes significam dificuldade para evaporar o mesmo combustível, e em situações extremas pode até mesmo não evaporar totalmente mesmo depois de feita a queima da mistura. Nestas condições extremas o motor joga combustível fora junto com gases de uma queima pobre. Puro desperdício de combustível.

O terceiro ponto é o da homogeneidade da mistura. Antes de mais nada, preciso mostrar um fenômeno característico dos fluidos.

Muita gente fala da beleza do "mistério" no encontro das águas escuras do Rio Negro das águas barrentas do Rio Solimões para formar o Rio Amazonas. As águas se encontram e fluem lado a lado sem se misturar ao longo de muitos quilômetros.

O que parece um "milagre" nada mais é que uma propriedade comum dos fluidos. Se duas massas do mesmo tipo de fluido apresentarem diferenças físicas sensíveis (temperatura, densidade, salinidade, ph etc.) forem postas em contato, elas não se misturam imediatamente, criando uma separação de fases. Só depois de algum tempo e esforço é que ambas vão se misturar numa fase única.

Além do caso dos rios Negro e Solimões, esse fenômeno explica as frentes quentes e frias que vemos na meteorologia, nas correntes marinhas e até mesmo no consistente anel de fumaça expelido por um fumante.

A separação de fases é algo problemático nos motores. O ar que passa pelo coletor de admissão é pulverizado com combustível. Esse combustível rouba calor do ar mais próximo e ainda aumenta muito a visosidade dessa massa de ar. Se a pulverização não for homogênea, haverá uma separação de fases entre o ar com pouco combustível com o ar com muito combustível por causa da diferença de temperatura e viscosidade.

Essas duas massas de ar entram no cilindro e se enrolam de forma parecida com duas cores de tinta que começam a ser misturadas com uma espátula. A queima pode ocorrer antes que essas duas massas tenham a oportunidade de se misturar, e o resultado é a queima de filetes com mistura rica ao lado de filetes com mistura pobre. É uma queima deficiente, diferente de uma queima com mistura homogênea.

O pior desta situação é que ela não é percebida pela sonda lambda, que opera pela média. Assim, podemos ter uma leitura em determinado instante da sonda lambda de uma mistura estequiométrica ao mesmo tempo em que o motor tem rendimento baixo e emite muitos poluentes.

O sistema de injeção de combustível se mostra muito superior ao velho carburador, entre outras coisas, por contemplar mais amplamente esses três princípios.