Princípio e funcionamento do motor de um carro

Motor 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. 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. Os motores de combustão interna utilizados nos automóveis são caracterizados pela forma como provocam a combustão da mistura ar e combustível na câmara de combustão. Sendo assim, três tipos de motores de combustão interna para aplicações automobilísticas:

  • Motores otto;
  • Motores diesel;
  • Motores wankel.

Desses três tipos de motores, os motores otto e diesel são os mais populares, enquanto o motor wankel foi descontinuado em 2009 devido a sua incompatibilidade às novas regulamentações de emissões. Portanto, este artigo abordará o funcionamento dos motores de ciclo otto e diesel.

Componentes

Para compreender o funcionamento dos motores de combustão interna utilizado nos automóveis, é interessante dividi-lo em três partes fundamentais:

  • Cabeçote;
  • Bloco;
  • Conjunto móvel.

Cabeçote

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

Bloco

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.

Conjunto móvel

Abaixo dos comandos de válvulas e válvulas, está o conjunto móvel, composto por virabrequim, pistões e bielas.

É parte do motor responsável por transformar energia da queima da mistura ar e combustível em dos pistões, enquanto que as bielas rotativo do motor. É composto pelo pistão(ou êmbolo), biela e árvore de manivelas (ou virabrequim). O conjunto móvel gira sobre mancais do bloco.

Sistemas

Quando estes componentes estão montados, formam o motor de combustão interna e seus sistemas necessários para funcionamento. Um motor de combustão interna do ciclo otto ou diesel possui os seguintes sistemas:

  • Sistema de arrefecimento;
  • Sistema de lubrificação;
  • Sistema de alimentação;
  • Sistema de distribuição;
  • Sistema elétrico.

Ciclos

Existem várias formas de se classificar os motores de combustão interna (mci), mas abordaremos as classificações mais importantes, que de fato determinam o princípio de funcionamento desses motores.

Todo motor de combustão interna possui fases de funcionamento que são seguidas rigorosamente, a esse conjunto de fases chamamos de ciclo, 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 admitidos, distribuídos no cilindro e liberados do motor. Todo esse processo segue de acordo com os tempos, que são os movimentos realizados pelo conjunto móvel do motor. Os motores de combustão interna podem operar nos seguintes ciclos mecânicos:

  • Ciclo 2 tempos;
  • Ciclo 4 tempos.

Ambos os ciclos podem apresentar aspiração natural, quando o próprio movimento do pistão cria a depressão que admite o ar para dentro do motor, ou admissão forçada, quando utilizam dispositivos para admitir e comprimir o ar de admissão, que são os super alimentadores (supercharger) e turbo compressores.

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. Também é dividido em fases, mas estas descrevem como é realizada a preparação da mistura para a combustão, bem como a variação de pressão, expansão e escape dos gases da combustão. Os ciclos térmicos mais utilizados pelos motores de combustão interna são:

  • Beau de rochas/Otto*;
  • Diesel.

Ciclo Beau de Rochas/Otto

  1. Admissão de mistura ar/combustível na proporção exata;
  2. 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. Ignição da mistura através da centelha da vela de ignição;
  4. Combustão progressiva da mistura ar/combustível;
  5. Expansão dos gases;
  6. Escape dos gases e resíduos da combustão, sendo eles:
    1. Vapor de água;
    2. Hidrocarbonetos;
    3. Monóxido de carbono;
    4. Dióxido de carbono;
    5. Óxido nitrogênio.

Ciclo Diesel

  1. Admissão de ar em quantidade máxima;
  2. Compressão do ar admitido;
  3. Injeção de combustível no ar comprimido;
  4. Combustão espontânea da mistura ar/combustível;
  5. Expansão dos gases;
  6. Escape dos gases e resíduos de escapamento, sendo eles:
    1. Vapor de água;
    2. Hidrocarbonetos;
    3. Fuligem;
    4. Excesso de ar (Oxigênio);
    5. Óxido de nitrogênio;
    6. Dióxido de carbono.

Mecanismo do motor de combustão interna

Fonte: B. HEYWOOD, John, Internal Combustion Engine Fundamentals, United States of America, McGraw-Hill, 1988. 930p;

Qualquer mci, de qualquer tipo de aplicação, seja ela automotiva, naval, aeronáutica e ferrea, funciona de acordo com princípio do mecanismo biela-manivela. Dessa forma é importante reconhecer os componentes móveis e o movimento que estes executam. Os componentes do conjunto móvel são pistão, biela e manivela. O pistão repousa em dois pontos, o ponto morto superior (pms) e o ponto morto inferior, que são suas posições mais extremas.

Quando no pms, o pequeno volume acima da cabeça do pistão, é o volume da câmara de combustão. Ao se deslocar para do pms ao pmi, o pistão percorreu o que chamamos de curso, que é a distância do pms ao pmi, o volume proporcionado por esse deslocamento é chamado de volume varrido ou deslocado.

A soma do volume deslocado com o volume da câmara de combustão resulta no volume total do cilindro. A razão entre o volume da câmara de combustão e o volume total resulta na relação de compressão ou taxa de compressão.


A taxa de compressão para mci que obedecem ao ciclo otto apresenta-se de 8 a 12, e de 12 a 24 para motores que obedecem o ciclo diesel.

Funcionamento

Motor 4 tempos

O motor de combustão interna de ciclo 4 tempos seja ele diesel ou otto, funciona obedecendo quatro processos que ocorrem durantes duas voltas do virabrequim. Estes processos são:

Uma admissão: O pistão encontra-se no pms e começa a descer rumo ao pmi criando uma depressão, a válvula de admissão abre e uma certa quantidade de mistura ar e combustível entra no cilindro. O momento de abertura da válvula de admissão pode ser adiantado e o seu fechamento atrasado, para aumentar a massa de mistura que entra no cilindro. O virabrequim girou 180°.

Uma compressão: O pistão já no pmi, inicia o movimento rumo ao pms comprimindo a mistura ar e combustível, neste momento a válvula de admissão se fecha, e ambas as válvulas permanecem fechadas. Ao chegar no pms, o pistão comprime a mistura ar/combustível formando com o cabeçote, a câmara de combustão. O virabrequim completou 1 volta (360°). Próximo da conclusão do tempo de compressão, um mecanismo de gatilho provoca a combustão da mistura ar e combustível, nesse momento a pressão e temperatura dentro do cilindro crescem rapidamente.

Uma expansão: A combustão iniciada no fim da compressão produz uma grande quantidade de energia, o gás se expande e empurra o pistão fortemente em direção ao pmi. É importante salientar que nesse momento o pistão já havia iniciado seu movimento descida, sendo a pressão da combustão a favor do movimento. Este é o chamado tempo motor, no qual a energia produzida, é cerca de cinco vezes maior que a energia gasta pelo motor para comprimir a mistura. A válvula de escape começa a abrir quando o pistão se aproxima do pmi, para reduzir a pressão dentro do cilindro e facilitar o movimento do tempo seguinte, deixando o cilindro com pressão próxima a pressão atmosférica. O virabrequim efetuou mais 180° de rotação, totalizando 540°.

Uma exaustão: O pistão inicia novamente um movimento rumo ao pms para expulsar os gases da combustão, de modo que antes de atingi-lo a válvula de escape já abriu completamente, os gases e resíduos da combustão são expulsos. Ainda na aproximação do pistão ao pms, a válvula de admissão começa a abrir, de modo que quando o pistão atinge o pms, ambas as estão abertas. Esse breve momento é chamado de lavagem, onde os gases de escape tem contato com a massa admitida. A válvula de escape fecha logo no início do tempo de admissão. O virabrequim completou duas voltas (720°).

Motor 2 tempos

O motor de combustão interna que opera sob ciclo 2 tempos, seja este diesel ou otto, opera seguindo os procedimentos abaixo.

1 – Admissão/Compressão: Após a combustão o pistão começa a descer rumo ao pmi, neste momento a janela de escape e de transvasamento são destampadas, 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 girou 180°.

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, onde também mistura-se ao óleo lubrificante. O pistão comprime a mistura que entrou na câmara de combustão e um mecanismo de gatilho provoca a combustão, na qual o aumento de pressão empurra o pistão de volta ao pmi, sendo então o tempo motor. Momentos antes de atingir o pmi, o pistão destampa a janela de escape e de transvazamento, e então uma nova carga de mistura ar, combustível e óleo adentra na câmara de combustão. Começa um novo ciclo e o virabrequim efetuou 1 volta completa(360°).

Funcionamento do mci ciclo otto

Em veículos que utilizam motores de 2 ou 4 tempos do ciclo otto, o controle da mistura ar e combustível é realizado pelo carburador ou por uma sistema eletrônico que controla o ponto de ignição e a injeção do combustível. O carburador foi descontinuado dos automóveis, mas ainda é utilizado em aplicações de veículos menores ou motores estacionários. Os motores aplicados em automóveis atuais utilizam modernos sistemas de injeção e ignição eletrônica que calculam a quantidade certa de combustível para que o motor opere em condições de estequiometria e o momento exato acionar a vela de ignição.

A presença de um sistema de ignição e seus dispositivos inclusive, é motivo para que muitas literaturas abordem o mci como motor de combustão interna de ignição por centelha (ic).

Em geral, a razão massa de ar em relação a massa de combustível, ou relação estequiométrica, para motores otto atinge valores em torno de 15 para uma combustão efetiva.

A sequência dos quatro tempos segue o mesmo princípio, porém com alguns detalhes. No início do ciclo, a válvula de admissão começa a abrir antes do pistão atingir o pms, fechando depois do pistão atingir o pmi, ou seja, já no começo do tempo de compressão. O objetivo é manter o fluxo mássico alto mesmo em alto regime de operação e promover a mistura do fluxo mássico que entra no cilindro com o fluxo de gases que estão saindo.

A ignição ocorre através de uma vela de ignição, por volta de 10 a 40 antes do pms, a chama se propaga consumindo a mistura ar e combustível e a quantidade de gases de combustão reaproveitados, até que atinge as paredes da câmara de combustão onde se apaga. O desenho da câmara, posição de válvulas e vela de ignição é feito pensando no tempo de propagação da chama, este geralmente é 40 a 60 de giro da manivela.

O momento de acionamento da vela de ignição é o chamado ponto de ignição, que em geral possui um valor ideal, o ponto de ignição de máximo torque de frenagem. Mas adiantado ou mais atrasado em relação ao ponto ideal resulta em uma menor potência produzida. Isso ocorre pois, no caso do ponto adiantado demais, a combustão iria iniciar com o pistão ainda executando a compressão, de forma que a pressão estaria agindo contra o movimento do pistão. No caso contrário, um ponto atrasado demais faria com que a combustão terminasse muito tarde no tempo de expansão, perdendo momento no qual o pico de pressão ocorre quando o pistão está iniciando sua descida.

Próximo ao fim do tempo de expansão, as válvulas de escapamento começam a abrir, cerca de 25 a 60 antes do pmi. Como a pressão no cilindro é mais alta que a pressão externa, os gases já começa a escapar e a pressão começa a cair, de modo que no início do tempo de escape, o cilindro encontre o mínimo de contra-pressão ao empurrar os gases para fora. Assim, o processo de exaustão dos gases de escape não se torna tão longo durante o tempo de escapamento. O tempo de duração do escape de todo os gases da combustão depende da pressão atingida no cilindro.

A válvula de escape permanece aberta até que o começo do tempo de admissão, geralmente com 2 a 15 de atraso, enquanto que a válvula de admissão começa a abrir quando o pistão aproxima-se do pms de exaustão, ou seja, em determinado momento entre o pms de exaustão e o pms de admissão ambas as válvulas estarão abertas. Esse é o momento chamado de pms de lavagem, algumas literaturas chamam de quinto tempo. Pois é o momento no qual um parte do fluxo mássico de gases de escape se misturam ao fluxo mássico de mistura que entra no cilindro.

Funcionamento do MCI ciclo 4 tempos diesel

Os motores diesel funcionam de forma bastante similar aos motores otto no quesito ciclo de trabalho, os tempos de abertura de válvula são semelhantes, bem como o ponto de ignição resulta nos mesmos objetivos. As diferenças surgem na obtenção massa de ar e combustível e no mecanismos de gatilho dessa mistura na câmara de combustão.

A carga do motor, inicialmente é ar atmosférico puro, não restrições ao fluxo de ar para o motor, de modo que este é sempre máximo e motor diesel praticamente funciona com mistura pobre. O combustível apenas é injetado na câmara de combustão logo antes do fim do tempo de compressão, dessa forma a carga do motor é controlada pela variação da quantidade de combustível injetado em cada ciclo.

No tempo de admissão, o ar entra no cilindro sem restrição, quando o tempo de compressão está perto de ser concluído, o ar dentro do cilindro está a cerca de 4 MPa e a mais de 525 C. O combustível é injetado neste momento, cerca de 20 antes do pms, e ao encontrar o ar naquelas condições, evapora, mistura-se com ar formando a mistura ar e combustível.

Entretanto, o ar estava em condições que são superiores ao ponto de ignição do combustível, no caso óleo diesel. Assim, algumas partes não uniformes do combustível entram autoignição e desencadeiam o processo de combustão, a chama se propaga consumindo o resto mistura ar e combustível uniforme. A medida que expansão ocorre, a chama se propaga enquanto ar, combustível e gases já queimados continuam se misturando. Esse é o ponto onde o motor diesel consegue o que chamamos de expansão estendida, obtendo um rendimento superior ao motor de ciclo otto.

Quando o fluxo de combustível que sai do bico injetor cessa, a massa de combustível injetada durante o processo é cerca de 5% da massa total de ar.

Finalmente, próximo ao pmi de expansão, a válvula de escape abre deixando o fluído em contato com o ar, a pressão dentro do cilindro começa a cair de forma que na subida ao pms, o pistão consegue expulsar os gases de escape e iniciar um novo ciclo.

Características de motores 2 e 4 tempos

Ciclo 4 tempos

O virabrequim efetua duas voltas completas a cada ciclo (720°). 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 lavagem, encavalamento ou balanceamento das válvulas, algumas literaturas o denominam 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 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. A pré-compressão pode ser realizada de três formas diferentes:

  1. Pré-compressão no cárter;
  2. Pré-compressão por pistão
  3. Pré-compressão por compressor.

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.

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 destampa-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 solução foi muito utilizada em motores diesel 2 tempos.

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 consumida 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.