Princípio e Funcionamento do Motor de um Carro

mci1Motor é toda e qualquer máquina que transforma uma energia qualquer em energia mecânica. Dentro dessa definição existem diversos tipos de motores, são eles:

  • Motores a ar;
  • Motores a água;
  • Motores elétricos;
  • Motores térmicos;
  • Motores nucleares.

Os automóveis atuais se utilizam dos motores elétricos e térmicos para prover seu deslocamento, e embora o motor térmico seja de longe o mais utilizado, o motor elétrico cresceu em tecnologia e começa a atingir os níveis necessários de eficiência. Contudo, esta matéria abordará apenas os motores térmicos.
Na categoria de motores térmicos, dois motores se destacam:

  • Motores a vapor;
  • Motores de combustão interna.

Os motores a vapor foram utilizados nos primeiros automóveis, sua principal característica era o fato da combustão ser realizada em um local fora do motor, ou seja, a combustão era externa. Contudo, por inúmeros fatores, este foi superado pelos motores de combustão interna.

Motor de combustão interna:

A aspiração do ar atmosférico acontece quando o pistão se desloca da extremidade superior até a extremidade inferior do cilindro no qual está contido. Estas extremidades são chamadas de ponto morto superior (PMS) e ponto morto inferior (PMI). O ar é sugado para dentro do motor e canalizado pelo coletor de admissão, a mistura do ar com o combustível pulverizado forma a mistura ar/combustível.
A entrada da mistura ar/combustível e a saída dos gases e resíduos de combustão é possibilitada pelas válvulas de admissão e escape respectivamente. As válvulas se abrem e se fecham acionadas pelas árvores de comando de admissão e de escape(ou eixo de cames). Engrenagens aparafusadas aos eixos de cames e virabrequim são sincronizadas por correia dentada ou corrente.
A combustão da mistura é realizada sobre pressão, e acontece sucessivas vezes enquanto o motor estiver em funcionamento. A mistura é comprimida pelo pistão quando este se desloca em direção ao ponto morto superior, resultando em um grande aumento de temperatura e pressão sobre as paredes da câmara de combustão. Uma centelha proveniente da vela de ignição desencadeia a combustão da mistura, esta golpeia fortemente o pistão em direção ao ponto morto inferior. Este movimento longitudinal é transmitido a biela, que tem seu pé ligado ao pistão e sua cabeça ligada ao virabrequim, sua ação sobre o virabrequim faz com que este transforme o movimento longitudinal em movimento rotativo. Os gases e resíduos da combustão são direcionados para a tubulação de escapamento e silenciador pelo coletor de escape.
O virabrequim gira sobre mancais e é envolto pelo cárter, que armazena o óleo lubrificante do motor.
O movimento mecânico do pistão é resultado da combustão sobre ele, ou seja, é a forma como a energia da combustão se manifesta.

Ciclos:

Todo motor de combustão interna possuí fases de funcionamento que são seguidas rigorosamente, a esse conjunto de fases chamamos ciclo, então o ciclo é um conjunto de fases que transforma a energia calorífica em movimento do pistão.

Existem dois tipos de ciclos que são aplicados aos motores de combustão interna:

  • Ciclo mecânico;
  • Ciclo térmico.

O ciclo mecânico é definido de acordo com as características do motor, e determinam a forma como a mistura e os gases da combustão são distribuídos no cilindro e liberados do motor. Todo esse processo segue de acordo com os tempos.
O ciclo térmico caracteriza toda a preparação e combustão da mistura ar/combustível, assim como o funcionamento do motor, este pode ser aplicado a todos os tipos de motores térmicos.

Ciclo mecânico a 4 tempos:

Este ciclo tem seu início quando o pistão se encontra no pms, as válvulas de admissão e escape coordenam a entrada de ar e saída dos gases de escapamento.

4t11° Fase – Admissão: O pistão encontra-se no pms e começa a descer rumo ao pmi criando uma depressão, neste momento apenas válvula de admissão se abre e uma certa quantidade de mistura ar/combustível entra no cilindro. O virabrequim efetuou um rotação de 180°.

4t22° Fase – Compressão: O pistão já no pmi, inicia o movimento rumo ao pms comprimindo a mistura ar/combustível, neste momento a válvula de admissão se fecha, e ambas as válvulas permanecem fechadas. Ao chegar no pms, o pistão comprimiu a mistura ar/combustível e formou com o cabeçote a câmara de combustão. O virabrequim completou 1 volta(360°).

4t33° Fase – Combustão: A combustão é efetuada quando pistão chega ao pms, neste momento uma vela de ignição faz saltar entre seus eletrodos uma faísca que da início ao processo de combustão da mistura quente e pressurizada. A combustão gera uma grande quantidade de energia, o gás se expande e empurra o pistão fortemente em direção ao pmi, ou seja, a favor do movimento, este é o tempo motor. O virabrequim efetuou mais 180° de rotação, totalizando 540°.

4t44° Fase – Escape: Após descer ao pmi, o pistão inicia novamente um movimento rumo ao pms para expulsar os gases da combustão, a válvula de escape se abre, e os gases e resíduos da combustão são expulsos. No pms, a válvula de escape se fecha e a de admissão se abre, iniciando um novo ciclo. O virabrequim completou 2 voltas(720°).

Características do ciclo mecânico a 4 tempos:

O virabrequim efetua duas voltas completas a cada ciclo (720°) e para cada tempo, este completa ¼ de volta, ou seja 180°. O pistão sobe duas vezes ao pms em diferentes momentos, o primeiro deles é o pms de compressão, onde as válvulas de admissão e escape encontram-se fechadas, neste momento o pistão forma com o cabeçote(e as válvulas fechadas) a câmara de combustão. O segundo pms é o pms de lavagem, encavalamento ou balanceamento das válvulas, e é muito comum também ser chamado de 5° tempo do motor. Trata-se na verdade de um breve momento em que as válvulas de admissão e escape encontram-se abertas, esta característica é muito utilizada para regulagem do ponto dos motores.

Ciclo mecânico a 2 tempos:

O ciclo 2 tempos tem seu início quando o pistão encontra-se no pmi, o virabrequim efetua uma rotação 360°. A entrada de ar e saída dos gases de escape é controlada pelo pistão quando este destapa as janelas de admissão e escape.

Admissão e compressão da mistura

Admissão e compressão da mistura

1 – Admissão/Compressão: Após a combustão o pistão começa a descer rumo ao pmi, neste momento a janela de escape e de transvasamento são destapadas, a mistura de ar, combustível e óleo lubrificante pré comprimida no cárter passa pelo transvasamento e empurra os gases de escape para fora da câmara de combustão. O virabrequim efetuou um rotação de 180°.

Continuação da admissão e o inicio da combustão da mistura ar/combustível.

Continuação da admissão e o inicio da combustão da mistura ar/combustível.

2 – Combustão/Escape: O pistão começa a subir rumo ao pms fechando a janela de escape, mas abrindo a de admissão, a mistura ar/combustível entra para o cárter aonde também mistura-se ao óleo lubrificante. O pistão comprime a mistura que entrou na câmara de combustão e a vela de ignição efetua a centelha e então ocorre a combustão que empurra o pistão de volta ao pmi, sendo então o tempo motor. Momentos antes de atingir o pmi, o pistão destapa a janela de escape e transvazamento, e então uma nova carga de ar adentra na câmara. Começa um novo ciclo.

Pistão desce ao pmi com a explosão, os gases pre-comprimidos no cárter passam pelo canal de lavagem.

Pistão desce ao pmi com a explosão, os gases pre-comprimidos no cárter passam pelo canal de lavagem.

Lavagem, a mistura pre-comprimidos no cárter expulsam os gases da combustão, dando início a um novo ciclo

Lavagem, a mistura pre-comprimidos no cárter expulsam os gases da combustão, dando início a um novo ciclo

O virabrequim efetuou 1 volta completa(360°).

Características do ciclo mecânico a 2 tempos:

Este ciclo possui dois tempos, mas apenas um produz força motriz. Devido a isso é necessário o emprego de um volante aparafusado ao virabrequim. Neste a admissão de ar deve ser grande o suficiente para expulsar completamente os gases de escape. A mistura ar/combustível também se mistura ao óleo contido no cárter com o objetivo de lubrificar as partes móveis do motor, e chega a câmara de combustão por intermédio do canal de transvazamento.
Para o transvazamento ocorrer a mistura deve estar previamente comprimida, esta pré-compressão pode ser realizada de três formas diferentes:

1 – Pré-compressão no cárter: O pistão além de comprimir a mistura na câmara de combustão, realiza também a pré-compressão da mesma antes, quando esta se encontra no cárter, o pistão aspira no primeiro tempo e comprime no segundo tempo. O canal de transvazamento assegura a passagem da mistura para a câmara de combustão, assim é possível lubrificar todo o interior do motor, pois a mistura ar/combustível em contato com o óleo no cárter arrasta parte do óleo consigo, e assim lubrifica os componentes internos do motor. Por esse motivo é possível observar a fumaça branca de óleo saindo do escapamento de carros, motos e karts com motor 2 tempos.

2 – Pistão: Por intermédio de um pistão especial, ou seja, não sendo o pistão motriz, pois este possui apenas a função de aspirar a mistura ar/combustível e depois recalca-la para o canal de transvazamento no momento em que o pistão motor destapa-lo. Para isso este pistão é acionado pelo virabrequim do motor e ajustado para garantir o maior recalque de mistura ar/combustível possível para o canal de transvazamento. Esta foi uma solução muito utilizada em motores diesel 2 tempos.

3 – Compressor: Nesta configuração, um compressor é utilizado para alimentar cada canal de transvazamento, provendo então a carga ar para todos os cilindros do motor no instante em que o canal de transvazamento é destapado pelo pistão. Não é necessário mais de um compressor, pois este alimenta uma câmara próxima a cada canal de transvazamento, assim a carga de ar necessária é direcionada para o respectivo cilindro a medida que os canais são destapados.

Embora o motor 2 tempos tenha um funcionamento muito mais rápido que o motor 4 tempos, este possui algumas fraquezas que o fizeram entrar em desuso. No ciclo 2 tempos, um tempo é produtivo, e o ciclo é efetuado com 1 volta do virabrequim, a velocidade do motor e sua própria configuração contribuem para a entrada debilitada de ar. Neste ciclo a admissão e o escape ocorrem em um curtíssimo espaço de tempo, a fase de transvazamento é simultânea ao escapamento e isso prejudica o motor quando este trabalha em regimes muito elevados ou em baixos regimes, pois ou a mistura não é queimada completamente, ou parte dela passa diretamente para o escape, devido a isso a combustão produz menos energia que um motor com ciclo 4 tempos. Contudo, a rotação de um motor 2 tempos é maior, e isso garante uma potência específica cerca de 1,2 a 1,5 vezes mais alta do que um motor 4 tempos de mesma cilindrada e regime.

Ciclos térmicos:

Estes ciclos caracterizam o fenômeno de transformação da combustão em energia mecânica para o veículo se deslocar, também é divido em fases, mas estas descrevem como é realizada a preparação da mistura para a combustão, bem como as variação de pressão, expansão e escape dos gases da combustão.

Existem diversos ciclos térmicos, mas apenas dois são amplamente utilizados na industria automotiva:

  1. Beau de rochas/Otto*;
  2. Diesel.

Ciclo Beau de Rochas:

1° fase: Admissão de mistura ar/combustível na proporção exata;

2° fase: A mistura é comprimida a uma pressão determinada, tendo um limite, caso contrário esta poderá entrar em combustão espontânea(auto-ignição) antes da centelha da vela de ignição;

3° fase: Ignição da mistura através da centelha da vela de ignição;

4° fase: Combustão progressiva da mistura ar/combustível;

5° fase: Expansão dos gases;

6° fase: Escape dos gases e resíduos da combustão, sendo eles:

  • Vapor de água;
  • Gás carbônico;
  • Óxido de carbono;
  • Óxido nítrico.

Ciclo Diesel:

1° fase: Admissão de ar em quantidade máxima;
2° fase: Compressão do ar admitido;
3° fase: Injeção de combustível no ar comprimido;
4° fase: Combustão espontânea da mistura ar/combustível;
5° fase: Expansão dos gases;
6° fase: Escape dos gases e resíduos de escapamento, sendo eles:

  • Vapor de água;
  • Gás carbônico;
  • Fuligem;
  • Excesso de ar.

Embora atualmente os motores sejam ditos “flexíveis”, os mesmos ainda conservam o princípio de funcionamento do ciclo Beau de Rochas(ou simplesmente Otto). Neste a mistura ar/combustível é quem determina a potência do motor, a mistura do combustível com o ar deve estar na proporção correta. O motor não pode extrapolar o limite de pressão que o combustível suporta, caso contrário o mesmo entrará em combustão espontânea antes da centelha da vela de ignição, a pressão varia de acordo com a octanagem do combustível.
Após a combustão os gases se expandem a cerca de 20m/s a uma pressão máxima de 40 bar(40kg/cm2), esse pico de pressão não é atingido com o pistão rigorosamente no pms, para melhor aproveitamento da expansão e devido a progressão da combustão ser a favor da rotação do virabrequim e do curso do pistão(para baixo), a expansão ocorre a uma certa inclinação do virabrequim.
Para diferentes combustíveis, se adota diferentes proporções na mistura ar/combustível(relação estequiométrica).
A motorização sobre o princípio do ciclo diesel apresenta algumas particularidades em relação ao ciclo otto. Não há regulagem sobre a quantidade de ar que entra para o motor, sendo sempre máxima, e controle da potência é feito pela quantidade de combustível injetado no ar após sua compressão, que ocorre a uma pressão de cerca de 35 Bar ou superior. A combustão da mistura é espontânea, não sendo necessário a utilização de velas de ignição, após a combustão, a expansão dos gases também é superior em pressão se comparado ao motor de ciclo otto, obtém entre 80-100bar(80-100kg/cm2) de pressão no momento da expansão dos gases.
O motivo dos motores de ciclo diesel possuírem rendimento superior ao ciclo otto em determinados regimes, é devido ao fato de sua grande quantidade de ar admitido, sendo esta máxima, e embora nem todo ar seja aproveitado na combustão, a quantidade suplementar de ar também atua sobre o pistão durante a expansão dos gases, pois o contato com os gases queimados aquece o ar, gerando então um trabalho mecânico a mais sobre o pistão. 

Partes do Motor:

O motor de um automóvel é divido em três partes fundamentais:

  1. Cabeçote;
  2. Bloco;
  3. Conjunto Móvel.

mci3Cabeçote: Também chamado de tampão, o cabeçote é responsável por alojar, comandos de válvulas, válvulas, sedes e guias de válvulas, além de formar com a superfície do pistão a câmara de combustão. No cabeçote é feito o controle da entrada de ar e saída dos gases de escapamento.

mci2Bloco: É a principal parte de um motor, dentro dele estão os cilindros onde os pistões movem-se ligados a bielas e estas conectadas também ao virabrequim. O bloco também presta suporte ao conjunto móvel e seus mancais.

mci4Conjunto móvel: Responsável por produzir a energia mecânica e transforma-la em movimento rotativo do motor. É composto pelo pistão(ou êmbolo), biela e virabrequim. O conjunto móvel gira em mancais do bloco.

Para funcionar adequadamente e por longos períodos, o motor possui sistemas vitais para o seu funcionamento:

 

Auto entusiasta, piloto virtual, técnico em Manutenção e Mecânica Automotiva, estudante de Engenharia Mecânica. Automobilista nato!

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