Escapes 2T

Num motor 2 tempos moderno o escape é um sistema tão importante para o seu funcionamento como o sistema de admissão. Não é só um tubo que leva os gases para fora da câmara de combustão. Na verdade essa é a menor das suas funções. É um elemento activo primeiro na admissão de mistura "fresca" para a câmara e de seguida na contenção dessa mistura à câmara de combustão. Obviamente que o termo "activo" não se refere à recente (no karting) introdução de válvulas de escape, vulgarmente conhecidas por powervalves, pois essas funcionam alterando o tamanho da janela de escape em função da rotação do motor e sendo assim inserem-se no âmbito do design das janelas do cilindro e não directamente do sistema de escape.

Então, sendo o escape um elemento estático como é que é activo? É activo no sentido que utiliza um fenómeno físico de forma a atingir-se um rendimento impossível de atingir sem o escape.

Para quem não tem um conhecimento básico sobre o funcionamento de um motor 2 tempos, é provavelmente melhor ler primeiro isto.

O fenómeno físico de que falei tem a ver com a transmissão de informação ao longo de escoamento de fluidos, mas pode ser explicado da seguinte forma:

Imagine-se um recipiente com pressão alta, ao qual está ligado um tubo com ar à pressão atmosférica, quando o recipiente é aberto, uma onda de pressão viaja através do tubo à velocidade do som, "avisando" o ar à sua frente que a pressão atrás de si é mais elevada e levando-o a gaenhar velocidade em direcção à saída do tubo. Quando esta onda atinge o fim do tubo, a maior parte da sua energia dissipa-se pela atmosfera, mas uma pequena parte volta para trás pelo tubo, desta vez avisando o ar à sua frente que a pressão atrás de si é menor, pode dizer-se que é uma onda de pressão negativa, que viajando em sentido contrário, continua a impelir o ar a deslocar-se no sentido do fim do tubo. Se o topo do tubo estiver fechado em vez de aberto para a atmosfera, a onda reflectida não muda de sinal, viajando em sentido contrário mas levando o ar a parar, visto que existe um obstáculo.

Algo semelhante acontece no motor. Depois da combustão o pistão começa o seu trajecto descendente e assim que a janela de escape se abre uma onda de pressão positiva viaja pelo tubo de escape. Imaginando que este é apenas um tubo de secção constante, a onda atinge a saída do tubo e volta para trás como uma onda negativa. Caso o comprimento do tubo fosse tal que quando a onda regressa a janela de escapa ainda esteja aberta, ela iria ajudar a retirar os gases produtos da combustão de dentro do cilindro. Neste momento ela seria reflectida de volta para a saída do tubo (ainda com sinal negativo), onde seria reflectida novamente, mudando o sinal, e se ao chegar novamente ao cilindro a janela de escape estivesse a fechar, ela ajudaria a empurrar de volta para o cilindro alguma mistura fresca que entretanto estivesse a escapar para o escape.

Teoricamente isto funciona, na prática foi pouco utilizado por três razões: Em primeiro lugar porque é muito difícil acertar o comprimento do escape de forma a conjugar os dois efeitos de evacuação e reenchimento. Em segundo lugar porque quando a onda se reflecte no final do tubo a maior parte da energia é dissipada pela atmosfera, pelo que se quando a onda volta ao cilindro a primeira vez a sua energia já é pequena, à segunda vez o efeito é praticamente inexistente. A terceira razão é simplesmente o facto de se ter descoberto uma solução que funciona melhor.

Esta solução é a que ainda hoje se utiliza e tem o nome de câmara de expansão.

A sua invenção não foi fruto de uma ideia brilhante, mas antes o resultado de duas ideias distintas. A primeira foi um passo lógico: Se a maior parte da energia da onda se dissipa quando chega ao final do tubo o que se pode fazer para contrariar isso? Adicionar um megafone ao final do tubo! A ideia funcionou em parte, porque a onda continuava a ter de passar por várias reflexões até chegar ao cilindro em condições de ajudar a conter a mistura fresca no cilindro. Então surgiu a segunda ideia: adicionar uma contracção que funciona como um topo fechado e que reflecte a onda com o mesmo sinal para trás, ultrapassando assim a necessidade de 3 reflexões para o mesmo efeito! No entanto, continua a ser necessário evacuar os gases de escape, pelo que o diâmetro final do tubo de saída deve ser pequeno para permitir uma boa reflexão na contracção, mas ao mesmo tempo deve ser grande o suficiente para que os gases quentes saiam depressa e o motor não sobreaqueça.

Recapitulando, com o escape tipo "câmara de expansão" o que acontece é que assim que a janela de escape é aberta, a onda de pressão positiva começa a sua viagem pelo tubo de escape até encontrar a expansão, onde parte da energia é reflectida para trás com sinal invertido, chegando ao cilindro a tempo de ajudar a evacuar gases de escape, enquanto o resto da energia continua a viajar ao longo do tubo de escape onde encontra a contracção que a faz reflectir para trás sem mudança de sinal, fazendo-a chegar ao cilindro a tempo de empurrar lá para dentro mistura fresca que entretanto acabou por chegar ao escape.

A ideia está introduzida, parece funcionar bem, mas tem limitações: A onda de pressão viaja sempre à velocidade do som do meio, esta pode ser aproximada por a=sqrt(gama.R.T) onde R é uma constante e gama varia com a temperatura. Conclui-se assim que a velocidade da onda é apenas função da temperatura dos gases de escape, os quais, exceptuando as voltas de aquecimento, podem ser considerados gases a temperatura constante. O problema é que o tempo que passa entre a abertura e o fecho da janela de escape depende da velocidade do pistão, isto é, da rotação do motor. Isto quer dizer que cada escape é desenhado para funcionar melhor a uma dada rotação. Esta é a principal razão para dois escapes diferentes darem mais ponta ou mais saída e também a razão pela qual se encurta ou aumenta o comprimento do escape de forma a dar mais ponta ou mais saída.

Existe uma outra razão devida a um efeito que ainda não expliquei: Quando a onda viaja pelo tubo e encontra a expansão não é reflectida instantaneamente para trás. Ao invés disso vai sendo reflectida progressivamente ao longo da expansão. Isto quer dizer que dois escapes com os mesmos diâmetros podem ser radicalmente diferentes se o ângulo de abertura da expansão e da contracção forem diferentes. Na realidade, escapes com ângulos maiores reflectem ondas com maiores intensidades mas que retornam em intervalos mais pequenos, isto é, estes escapes funcionam melhor, mas numa gama mais restrita de rotações do motor, o que pode ser vantajoso ou não consoante uma enormidade de factores como o tipo de circuito, o piloto ou mesmo a condição da pista ou o tipo de corrida que seja.

Ao longo do tempo tudo isto foi evoluindo de forma que hoje em dia o que existe são escapes com expansões e contracções por degraus de forma a minimizar as perdas de energia nas reflexões.