Bloco dos Motores de Combustão Interna Automotivos

O motor propriamente dito. É o que muitos profissionais da área dizem em relação ao Bloco do Motor. Sua robustez e grandiosidade nos primórdios dos motores de combustão interna foi sendo lapidada ano após ano.

Nas fundições o ferro fundido predominava, seu custo e facilidade de trabalho caiam bem às necessidades que todo bloco de motor precisa. Robustez para encarar as milhões de combustões e resistência aos ataques quí­micos e eletrolí­ticos por conta do fluí­do de arrefecimento.

Entretanto novos materiais foram surgindo, como as ligas de aço e o alumínio. O primeiro é o ferro com inclusão de carbono em sua estrutura, o que aumentou sua resistência a tensões sem aumentar consideravelmente seu custo. O segundo é uma estrutura não tão resistente quanto as ligas de aço e ferro, mas capaz de dissipar calor rapidamente, algo essencial em motores de alta performance.

O bloco do motor não apenas aloja os cilindros, por onde correm os pistões, mas também galerias de fluí­do de arrefecimento, condutos de óleo lubrificante, bomba de água e bomba de óleo, além de servir de suporte para o motor de partida e componentes acessórios como, bomba da direção hidráulica e compressor do ar condicionado.

No topo do bloco é aparafusado o cabeçote, entre o bloco e este há o intermédio de uma junta metaloplástica (fibra sintética de aramida e anéis metálicos), a junta do cabeçote. Esta realiza a vedação dos condutos de água, óleo e da câmara de combustão. A junta é montada em posição única, possui o formato exatamente igual ao das faces do bloco e do cabeçote, pois em hipótese nenhuma deve haver rebarbas para dentro dos condutos de água e óleo, ou muito menos para a câmara de combustão. Para isso, as sessões da junta referentes estes possuem bordas metálicas que, durante o aperto do cabeçote, se moldam ao mesmo provendo a vedação necessária. Por conta disso, uma vez colocada a junta e efetuado o aperto do cabeçote, esta junta não poderá ser reutilizada, motivo pelo qual a cada retirada do cabeçote a junta deverá ser trocada.

O bloco serve também de apoio para o conjunto móvel, ou seja, a árvore de manivelas com todos os seus componentes montados. Esta apoia seus munhões em mancais, e estes são cobertos por bronzinas de material antifricção, além disso, os mancais possuem furos provenientes dos condutos de lubrificação, que tem por função prover lubrificação por pressão aos pontos de apoio do conjunto móvel.

Dentro do bloco está disposto o alojamento dos cilindros, componentes no qual correm os pistões durante o funcionamento do motor. Os cilindros são chamados de camisas, que são peças encaixadas no bloco, geralmente diferindo do material deste, vestindo as cavidades cilí­ndricas dentro do bloco. As camisas devem ser instaladas no bloco, caso contrário o movimento de vai e vem do pistão desgastaria o bloco, e sua substituição seria muito mais onerosa do que a substituição das camisas. Além disso, as camisas são desenvolvidas com material que confere mais resistência e menos atrito (ferro com adição de crômio, magnésio e ní­quel) sem afetar o custo final de produção das mesmas.

As camisas podem ser de dois tipos:

  • Camisas Secas;
  • Camisas Úmidas.

Camisa seca

Bloco camisas secas, que são os próprios cilindros.

As camisas secas são encaixadas no bloco por aperto, são assim classificadas por não estarem em contato direto com fluí­do de arrefecimento que circula pelas galerias do bloco. Uma vez montadas, permanecem em contato com as paredes do bloco, o calor adquirido pelo trabalho gerado na combustão é absorvido pela camisa, e então passado por condução para o bloco, e deste para o fluí­do de arrefecimento. Dessa forma a montagem das camisas deve ser realizada com extremo cuidado, pois nada pode atrapalhar a condução de calor entre as paredes.

Camisas úmidas

Camisa úmida.

Neste caso, as camisas são peças montadas com bastante precisão na montagem, elas estão em contato direto com o fluí­do de arrefecimento contido nas galerias. Em outras palavras, a camisa também veda as galerias de fluí­do de arrefecimento do bloco. Para que isso ocorra de forma eficaz, as camisas úmidas possuem juntas toroidais ou anéis de regulagem em sua parte inferior. Na parte superior da camisa existe um colarinho, que se encaixa no bloco sobre anéis de regulagem.

Entretanto, o colarinho também pode existir na parte inferior da camisa, a diferença entre as duas posições do colarinho são observadas na dilatação. Quando o camisa possui possui colarinho inferior, a dilatação ocorre no sentido do cabeçote. Entretanto quando a camisa possui colarinho superior, a dilatação ocorre no sentido carter.

A possibilidade de deslocamento da camisa é anulada devido ao encaixe na parte inferior do bloco. Em ambos os casos, a fixação da camisa úmida é garantida pelo aperto do cabeçote, e por isso devem ultrapassar milimetricamente (0,1 a 0,2mm) a face do bloco.

Nos motores automotivos, a classificação quanto a sua capacidade volumétrica é informada ou em litros (l), ou em centí­metros cúbicos (cm³). Esta medida é obtida pelos valores de diâmetro e curso do pistão. Este último, é a medida em centí­metros do deslocamento do pistão no ponto morto inferior (pmi) em relação ao ponto morto superior (pms). Com esses dois valores é possível obter o volume total do cilindro (Vc). A fórmula para obtenção do volume deslocado é:

Vd = N(𝞹D^2L)/4

Onde:

D – Diâmetro do cilindro;

L – Curso do pistão;

N – Número de cilindros do motor.

Disposição dos Cilindros

Nos MCI do ciclo Otto e Diesel, existem várias formas no qual os cilindros estão dispostos, mas apenas algumas se tornaram viáveis, e estas são as mais utilizadas até hoje.

  • Motor com cilindros em linha;
  • Motor com cilindros em V;
  • Motor com cilindros opostos (Boxer).

Motor com cilindros em linha

Trata-se da configuração mais utilizada atualmente, pois a quantidade de peças em relação às demais configurações é menor. Isso torna seu custo de produção mais barato, além de facilitar a mão-de-obra nas manutenções. Entretanto, seu rendimento mecânico é menor, se comparado aos motores em V, em outras palavras, estão mais expostos a problemas estruturais e possuem valor limitado de cilindros, no caso, seis cilindros em linha.

Crédito foto: http://totalcarmagazine.com/features/2013/11/05/engines_made_of_wood_at_opel/

Embora já utilizado em motocicletas e em alguns automóveis de menor porte, o motor com 3 cilindros em linha começa a ganhar preferência nas montadoras. Nesta configuração ocorre uma combustão a cada 240° de giro da árvore de manivelas, e sua ordem de queima é sequencial, ou seja, 1-2-3.

Por conta disso, é um tipo de motor vibra mais em relação a motores derivados de quatro cilindros, pelo que torna-se necessário o emprego de um eixo para balanceamento. Mas já existem projetos de motores que dispensam o eixo de balanceamento, como Ford 1.0 Ecoboost.

Crédito foto: https://www.junkmail.co.za/car-spares-and-parts/engines/eastern-cape/port-elizabeth/brand-new-2e-1-3-toyota-cylinder-head/f15399c8bbb64098941f36c20977daa4

Com 4 cilindros, os motores em linha possuem funcionamento mais rugoso em relação a motores de cinco e seis cilindros em linha, mas são compactos e muito mais baratos de produzir. Sua ordem de ignição é 1, 3, 4, 2 ou 1, 2, 4, 3. Nos motores de 4 cilindros em linha, o tempo de combustão ocorre a cada 180° de giro da árvore de manivelas.

Crédito foto: https://www.walter-tools.com/fi-fi/industry_solutions/automotive_engines/engine_car_trucks/Pages/engine_block.aspx

Motores de 5 cilindros em linha são um meio termo entre os motores de 4 cilindros e 6 cilindros em linha, pois vibram consideravelmente menos que os motores 4 cilindros e ocupam menos espaço que os motores 6 cilindros. Estas vantagens tornam essa variação capaz de ser montada na transversal. A combustão ocorre a cada 144° de giro eixo virabrequim, mas sabendo que nos MCI o tempo de combustão inicia e termina em 180 de giro da árvore de manivelas, então nos motores de 5 cilindros em linha sempre haverá uma combustão ocorrendo. Isso favorece a maciez de funcionamento em médios regimes, pois uma vez que uma combustão ocorre, a seguinte ocorrerá sem a anterior ter sido finalizada, sobrepondo-a. A sequência de ignição nos motores de 5 cilindros em linha é 1-2-4-5-3.

Crédito foto: https://motormission.com/1939-plymouth-flathead-inline-6-cylinder-engine-block/

A configuração de 6 cilindros em linha possui maior maciez no funcionamento, vibram menos que o compacto 4 cilindros e produz uma combustão a cada 120° de giro da árvore de manivelas. Sua ordem de ignição é 1, 5, 3, 6, 2, 4 ou 1, 4, 2, 6, 3, 5.

Motor de oito cilindros em linha da antiga marca Packard.
Crédito foto: http://www.gallowayengines.com.au/gallery-images/classic-restoration

De concepção antiga, a configuração de 8 cilindros em linha saiu de produção há muito tempo. Mesmo tendo um funcionamento ainda mais suave que o 6 cilindros em linha, o comprimento do motor era muito grande, e isso facilitava o surgimento de deformações depois de determinados ciclos de funcionamento. Além disso os cabeçotes necessitavam de atenção especial na montagem, pois era mais fácil empena-los.

Motor com cilindros em V

Não existe diferença de potência e torque em motores com deslocamentos iguais, mas com configurações em linha ou em V. A vantagem dos motores em V se encontra no seu melhor rendimento mecânico, funcionam mais suavemente, vibram menos (virabrequim mais rí­gido) e emitem menos ruí­dos. A curva de torque desses motores é mais homogênea (em relação aos motores com 4 cilindros), e são bastante compactos se comparados a MCI com o mesmo deslocamento, porém, com cilindros em linha.

Essas vantagens dimensionais conferem aos carros com esta configuração de motor uma montagem mais baixa deste, podendo reduzir a área frontal, melhorando a aerodinâmica e o centro de gravidade do veí­culo. Entretanto, são motores mais caros de serem produzidos, devido sua maior quantidade de peças.

Seu custo de manutenção também é elevado, em relação aos motores com cilindros em linha, pois há mais componentes, logo mais regulagens.

Crédito foto: https://www.epimotoring.com/shop/nissan-oem-11000-jf0ha-vr38dett-bare-engine-block-2009-2016-nissan-r35-gtr/

Assim como outros motores com cilindros em V, os motores V6 são derivados dos motores de 3 cilindros em linha, logo herdaram também suas desvantagens, que é a vibração devido ao número ímpar de cilindros. Sempre que um cilindro encontra-se no tempo de combustão, os outros encontram-se em tempos improdutivos, desbalanceando o conjunto.

Isso exige um eixo de balanceamento, ou outras soluções atualmente utilizadas para reduzir as vibrações. Motores com 6 cilindros em V possuem três possí­veis ângulos entre as bancadas de cilindros, 60°, 90° ou 120°.

Além disso, alguns motores V6 são versões de motores V8 com dois cilindros retirados, e isso requer algumas modificações, principalmente na árvore de manivelas. Neste eixo é realizada uma modificação na posição dos moentes, pois geralmente são motores V6 derivados de motores V8 com ângulo de 90, assim os moentes são deslocados 30° para compensar os 90 obtidos do projeto original e obter os mesmos 120° entre os intervalos de queima. Essa configuração reduz o ní­vel de vibração do motor, ao contrário do tradicional 6 cilindros em V com 120°, que conserva as fraquezas dos motores de 3 cilindros em linha.

O motores V6 com 60° são notáveis pela suas dimensões. Compactos, são a primeira alternativa à motores 4 cilindros em linha para aplicações onde se faz necessário maior torque. Neste, os 60° entre as bancadas de cilindros também devem ser compensados, contrapesos são utilizados para obter os 120 do tempo de ignição e garantir a absorção das vibrações. A sequência de ignição para os motores V6 mais usadas são 1-4-3-6-2-5 (Volkswagen V6 90°) e 1-2-3-4-5-6 (GM V6 60°)

Crédito foto: https://paceperformance.com/i-6255373-12673475-production-l92-ls3-gen-iv-block-4-065-bore-9-240-deck-6-bolt-main-aluminum-block.html

Os motores com oito cilindros em V anulam a desvantagem de deformar-se, são menores e mais robustos em relação ao 8 cilindros em linha. O ângulo de 90° é o mais comum, pois esta disposição melhora significativamente os níveis de vibração. A árvore de manivelas desses motores possui quatro munhões nos quais são montados duas bielas em cada um. Nesta configuração ocorre uma combustão para cada 90 de giro de árvore de manivelas. A sequência de ignição dos motores V8 é variada, mas as principais são 1-5-3-7-4-8-2-6 (Ferrari V8, virabrequim plano), 1-5-4-8-6-3-7-2 (Ford V8 Flathead) e 1-8-7-2-6-5-4-3 (Chevy V8 LS).

Crédito foto: https://www.pacificmotors.com/auto-parts-shop/bmw/bmw-m5-e60-v10-2006-2010/5-0l-v10-s85-engine-cylinder-short-block-bmw-m5-e60-2006-10/

Como todo motor em V, os motores com 10 cilindros em V preservam caracterí­sticas dos motores de 5 cilindros em linha. Neste caso as vibrações precisam ser contidas por dois eixos de balanceamento contidos no bloco, admite-se ângulos de 18°, 72° e 90°. Em todos estes as cargas anuladas por eixos de balanceamento, cada moente comporta duas bielas.

A sequência de ignição nos motores V10 variam de acordo com a marca do motor e projeto, 1-10-9-4-3-6-5-8-7-2 (Dodge Viper V10). Nos motores V10, a combustão ocorre a cada 72° de giro da árvore de manivelas.

https://www.robheijkooptrading.com/stock-category/cylinder-blocks/

Nos motores de 12 cilindros em V, o bloco representa dois blocos de motores L6 dispostos em 60°. Por aproveitarem o funcionamento suave e sem vibraÇÕES§Ãµes excessivas dos motores L6, os motores V12 nÃo necessitam de eixos de balanceamento. AlÉm disso, o bloco pode ter ângulos de 60°, 120° e 180° de inclinação do V. Este último ângulo trata-se de um caso especial chamado Flat-Twelve engine. Nos motores V12, a ignição ocorre a cada 60° de giro da árvore de manivelas. A ordem de queima nesses motores pode ser de 1-7-4-10-2-8-6-12-3-9-5-11 (Lamborghini V12) e 1-7-5-11-3-9-6-12-2-8-4-10 (Ferrari V12).

Motor com cilindros opostos

Crédito foto: http://www.superstreetonline.com/how-to/engine/impp-1103-subaru-ej-series-engine-tech/

Trata-se de uma configuração mais cara de ser projetada e produzida, mas que desempenha um último equilíbrio de cargas, pois os pistões estão montados de forma oposta anulando as cargas rotacionais. Por ser achatado em relação ao motores com cilindros em linha ou em V, os motores Boxer permitem uma montagem ainda mais baixa dentro do cofre do motor, isso favorece um desenho mais aerodinâmico da dianteira, podendo ser mais baixa. Entretanto, esta configuração acaba dificultando a manutenção do motor, pois os principais componentes para reparos de motor, são retirados lateralmente e estão encurralados pelas paredes do cofre do motor. Além disso É um tipo de motor que agrega mais componentes do que motores em linha.

Crédito foto: https://drivetribe.com/p/subaru-made-a-flat-12-engine-for-X6a8NgFIQom3JE-9nt06bg?iid=C0pjZ-fdSzeTdPFUonKuWw.

Os motores boxer são mais comuns com 4 ou 6 cilindros, acima de 6 cilindros, esta configuração não seria ideal. Entretanto, os motores em V com ângulo de 180 também são erroneamente chamados de Boxer, pois visualmente são muito parecidos. Os chamados Flat-twelve diferem dos Boxer no projeto da árvore de manivelas. Em motores de cilindros opostos os moentes da árvore de manivelas estão em mesmo número que a quantidade de cilindros, enquanto que nos motores flat o virabrequim é de mesmo configuração dos motores em V, ou seja, um moente para duas bielas.

Desgaste dos cilindros

Pontos de medição para determinar a ovalização e conicidade dos cilindros.
Fonte: Recondicionamento de motores.

Os motores de combustão interna do ciclo Otto tem como seu momento mais crítico de funcionamento, a partida a frio e a fase de aquecimento do motor. Essa fase é crítica pois todo o óleo lubrificante está contido no cárter e leva um tempo para atingir as galerias de óleo, além disso o motor trabalha com mistura rica para aquecer mais rapidamente. E é justamente nesses dois momentos que ocorre o maior desgaste dos cilindros.

Medindo a ovalização. Fonte: Recondicionamento de motores.

Os cilindros se desgastam de duas formas, por ovalização e/o ou por conicidade. A ovalização ocorre quando o diâmetro do cilindro, medido em pontos com 90 de diferença angular, apresentam valores diferentes que superam a tolerância. Este problema ocorre devido ao apoio do pistão sobre a parede do cilindro, esse apoio acontece quando o pistão encontra-se no meio do curso, mais precisamente no movimento descendente do tempo de combustão. Quando o pistão inicia o movimento ascendente, a inclinação da biela é grande, porém como não há grandes forças se opondo ao movimento do pistão, o apoio sobre a parede deste é reduzido, ou nulo. Uma forma de reduzir esse problema, é o deslocamento milimétrico do virabrequim ou do pé da biela em relação ao eixo do cilindro. Isso reduz a inclinação da biela, pelo que o pistão não se apoia tanto sobre a parede do cilindro, o desgaste é mais regular.

A conicidade é a diferença nas medições do diâmetro em diferentes pontos verticais do cilindro. O local de maior desgaste, sem dúvida, é o topo do cilindro, um local onde a lubrificação é insuficiente e que ocorre trabalho a elevadas temperaturas. Sem a devida lubrificação os pistões deixam de ter o atrito úmido com o cilindro, e passam a ter o atrito seco, severamente prejudicial.

Na maioria dos problemas de conicidade, o diâmetro no topo do cilindro é maior que o diâmetro na extremidade inferior do cilindro, local onde a lubrificação é abundante e não há temperaturas tão elevadas.

Além desses dois principais problemas, outro fator pode afetar a durabilidade do cilindros, este fator chama-se sistema de arrefecimento. Obviamente ele foi desenvolvido para permitir que o motor funcione dentro da faixa de temperatura ideal. Entretanto, o fluí­do de arrefecimento é composto por água e aditivo (etilenoglicol) misturados em proporções determinadas. Quando essas proporções não são obedecidas, alguns problemas acontecem.

Um dos problemas que ocorre é a eletrólise, uma oxidação do metal resultante de pequenas correntes elétricas que circulam pelo motor devido ao fluido de arrefecimento estar em contato com materiais como ferro (Fe) e o cobre (Cu). Essa corrente elétrica ataca o material interno do bloco, e inicia uma corrosão eletrolí­tica dos cilindros.

Além da eletrólise, ao cilindros sofrem com o ataque do flui­do de arrefecimento, isto é, quando a água não é misturada com o aditivo para radiador, ou misturada na proporção errada. Assim, a água oxida as paredes externas das camisas, principalmente se a água utilizada não for água desmineralizada, pois há compostos corrosivos na água mineral que irão atacar as paredes do cilindro. Outra forma de acelerar a corrosão quí­mica dos cilindros, é a entrada de ar dentro do sistema de arrefecimento. Isso aumenta a concentração de oxigênio, que enferruja as paredes do cilindro.

Quando utilizamos apenas água mineral no sistema de arrefecimento, com o tempo e uso formam crostas, estas se depositam em diversos pontos do sistema de arrefecimento. Quando o acúmulo de crostas ocorre sobre a superfície externa o cilindro, essa crosta forma uma camada que dificulta a condução térmica do cilindro para o fluido de arrefecimento, culminando no superaquecimento do motor.

Camisa danificada devido a cavitação.
Crédito foto: https://highwayandheavyparts.com/n-11063-engine-sleeve-liner-pitting-explained.html

Entretanto, dos problemas de desgastes de cilindros relacionados ao sistema de arrefecimento, o pior de todos chama-se cavitação. A cavitação são ondas de choque que ocorrem dentro de uma tubulação hidráulica. Nos motores de combustão interna a cavitação é originada em consequência da própria combustão do motor.

Quando o motor está funcionando, combustões seguidas ocorrem, cada uma resulta em um pulso, uma onda de choque que estressa os componentes do motor. Os cilindros ao receberem esses enormes picos de pressão se deformam milimetricamente, e muito rapidamente. Como o flui­do de arrefecimento está em contato com as paredes externas do cilindro, o natural seria que o flui­do preenchesse o pequenino espaço rapidamente criado.

Entretanto, o cilindro se deforma e volta a sua forma normal muito rápido, sem dar tempo para o flui­do preencher o espaço que se cria, dessa forma bolhas de vácuo se formam sobre as paredes externas do cilindro. Quando essas bolhas de vácuo estouram, pequenos pedaços metálicos vão sendo arrancados da parede do cilindro até o ponto em que o cilindro é perfurado e totalmente comprometido.

Manutenção

De forma alguma um motor de combustão interna irão funcionar sem haver o desgaste de seus componentes internos, aliás a troca de alguns componentes do motor após alta quilometragem (acima 100.000 Km) pode até ser considerada como um manutenção preventiva.

Entretanto, mesmo o desgaste sendo inevitável, ele pode ser reduzido ao máximo com um bom plano de manutenção preventiva. Os desgastes de conicidade e ovalização estão diretamente ligados a qualidade do lubrificante, o quanto este consegue aderir às paredes do cilindros e formar a pelí­cula de óleo, esta garante o atrito úmido e minimiza o desgaste da parede do cilindro. Uma vez que o óleo vence, ele deve ser substituí­do, mas ao atrasar a troca do óleo, estamos utilizando um lubrificante que não desempenha mais suas propriedades, perde-se então a proteção proporcionada pelo lubrificante.

Outro fator bastante influente no bom funcionamento do bloco do motor, é o sistema de arrefecimento. O motor precisa que sua troca de calor seja eficiente. Uma vez que a manutenção do sistema é negligenciada, a oxidação do motor é acelerada. Pequenos vazamentos permitem entrada de ar no sistema, por isso devem ser reparados rapidamente.

Nunca proceder o funcionamento com a utilização de água sem aditivo, que além de acelerar a oxidação, possibilita a incrustação de minerais nas camisas, causando superaquecimento. A água deve ser misturada ao aditivo na proporção indicada pelo fabricante.

Cárter

Crédito foto: https://www.encuentra24.com/costa-rica-en/cars-auto-trucks-car-accessories-engine-parts/carter-de-aceite-de-motor-audi-a4-a4quattro-a6-a6quattro/11570268

O cárter é considerado, por algumas literaturas, uma parte do motor, antigamente o motor também era divido em três partes, mas a última era o cárter. O cárter em motores mais antigos era uma parte do motor que englobava componentes como bomba de óleo e árvore do comando de válvulas, sendo fechado por uma tampa de fundição de ferro ou alumí­nio. Esta tampa funcionava como reservatório de óleo lubrificante, no qual era sugado pela bomba através de um tubo, o pescador. Atualmente o cárter se restringe apenas a uma tampa que fecha a parte inferior do bloco.

Mesmo assim o cárter conserva sua função de reservatório de óleo lubrificante, e por vezes também possui a função de resfriamento, visto que alguns cárters são dotados de aletas.

No cárter é instalado um parafuso para dreno do óleo, este parafuso é imantado para atrair possíveis partes metálicas que o óleo venha a carregar, estas podem prejudicar o motor caso passem para os pequenos dutos de alimentação de óleo.

Referência

  • CHOLLET, H. M., Curso Prático e Profissional para Mecânicos de Automóveis: O motor e seus acessórios, Lausanne, Hemus, 1996. 402;
  • B. HEYWOOD, John, Internal Combustion Engine Fundamentals, United States of America, McGraw-Hill, 1988. 930p;
  • SENAI, Série Metódica Ocupacional, Apostila de Motores de Combustão Interna.