Os motores a pistão são fundamentais na mecânica e na engenharia automotiva. Utilizando a combustão interna para transformar a energia dos gases queimados em energia mecânica, esses motores revolucionaram a indústria.
Neste post, exploraremos o princípio de funcionamento dos motores a pistão, destacando os tipos mais comuns e suas características, desde os motores a quatro tempos até os motores a dois tempos. Vamos entender como cada componente contribui para o desempenho e eficiência desses motores que movem o mundo moderno.
1. Princípio de Funcionamento
O princípio de funcionamento de um motor a pistão baseia-se na combustão de uma mistura de ar e combustível dentro de um cilindro fechado. Quando essa mistura é inflamada, ocorre uma rápida expansão dos gases resultantes da combustão, gerando uma alta pressão. Esse aumento de pressão é aproveitado pelo motor a pistão para realizar trabalho mecânico.
O processo inicia com a admissão da mistura ar/combustível no cilindro, seguido pela compressão dessa mistura. Em seguida, a centelha das velas de ignição inflama a mistura, gerando a queima do combustível e a expansão dos gases. A pressão resultante impulsiona o pistão para baixo, transmitindo energia ao eixo de manivelas, que converte o movimento linear do pistão em movimento circular ou rotativo.
Dessa forma, o motor a pistão transforma a energia calorífica da combustão em energia mecânica, que pode ser utilizada para realizar trabalho, como movimentar um veículo ou uma máquina. Esse ciclo de admissão, compressão, ignição/expansão e escapamento é fundamental para o funcionamento eficiente do motor a pistão.
2. Tipos de Motores
Existem diversos tipos de motores que aproveitam o princípio acima. Os mais importantes são:
Motor a Quatro Tempos
1. Componentes Básicos
Para estudar o funcionamento do motor a quatro tempos, é essencial conhecer a localização e função dos seus componentes básicos. Entre esses componentes, destacam-se a vela de ignição, as válvulas de admissão e escapamento, e o pistão.
A vela de ignição é responsável por gerar a centelha que inflama a mistura ar/combustível dentro da câmara de combustão. Ela está localizada na cabeça do cilindro, juntamente com as válvulas. A vela é acionada pelo sistema de ignição, que garante a ocorrência da centelha no momento correto do ciclo de funcionamento do motor.
As válvulas de admissão e escapamento são fundamentais para o correto funcionamento do motor a quatro tempos. A válvula de admissão permite a entrada da mistura ar/combustível no cilindro durante o tempo de admissão, enquanto a válvula de escapamento possibilita a saída dos gases queimados durante o tempo de escapamento.
Além disso, o pistão desempenha um papel crucial no ciclo de funcionamento do motor a quatro tempos. Ele se move dentro do cilindro, comprimindo a mistura durante o tempo de compressão e sendo impulsionado pela expansão dos gases durante o tempo de potência.
Pontos Mortos e Curso
Durante o movimento do pistão dentro do cilindro de um motor a pistão, ele atinge dois pontos extremos conhecidos como Ponto Morto Alto (PMA) e Ponto Morto Baixo (PMB). O Ponto Morto Alto é o ponto em que o pistão atinge a extremidade superior do cilindro e inverte a trajetória de seu movimento, enquanto o Ponto Morto Baixo é o ponto em que o pistão atinge a extremidade inferior do cilindro e também inverte a trajetória de seu movimento.
A distância entre esses dois pontos extremos, ou seja, a distância que o pistão percorre do PMA ao PMB, é chamada de Curso. O Curso é uma medida importante no funcionamento do motor a pistão, pois representa a distância total que o pistão se desloca dentro do cilindro em um ciclo completo de funcionamento.
O Curso do pistão é uma característica fundamental do motor, pois influencia diretamente a capacidade volumétrica do cilindro e, consequentemente, a potência e eficiência do motor. Portanto, compreender o conceito de Curso e sua relação com os pontos extremos do pistão é essencial para o estudo e entendimento do funcionamento do motor a pistão.
Funcionamento do Motor a Quatro Tempos
No motor a quatro tempos, o pistão recebe um impulso dos gases da combustão a cada quatro cursos, que correspondem aos quatro tempos ou movimentos executados durante um ciclo completo de funcionamento. Esses quatro tempos são: admissão, compressão, tempo motor (ou tempo de potência) e escapamento (ou exaustão).
Durante o ciclo de quatro tempos, o pistão realiza esses movimentos em sequência para completar um ciclo de operação do motor. Cada cilindro em um motor a quatro tempos queima a mistura ar/combustível uma vez a cada duas voltas do eixo de manivelas, o que significa que são necessárias duas voltas completas do eixo de manivelas (720º) para que ocorram os quatro tempos requeridos.
O ciclo mais utilizado nos motores a gasolina é conhecido como Ciclo Otto ou Ciclo Otto-Beau de Rochas, em homenagem ao seu descobridor, o engenheiro alemão Nikolaus August Otto. Esse ciclo é caracterizado pelos quatro tempos mencionados anteriormente e é amplamente utilizado em motores de combustão interna a gasolina devido à sua eficiência e desempenho.
1. Primeiro Tempo – Admissão
No primeiro tempo do Ciclo Otto, que é o tempo de admissão, ocorre a entrada da mistura ar/combustível no cilindro do motor. Esse processo é realizado através do movimento descendente do pistão, que cria uma pressão negativa no cilindro, permitindo a entrada da mistura.
Para que a mistura possa entrar no cilindro durante o tempo de admissão, a válvula de admissão precisa ser aberta. A abertura e fechamento das válvulas no momento correto são controladas por um mecanismo chamado Sistema de Comando de Válvulas.
O Sistema de Comando de Válvulas é responsável por sincronizar a abertura e fechamento das válvulas de admissão e escapamento com os movimentos do pistão, garantindo que a entrada e saída de gases ocorram nos momentos adequados do ciclo de funcionamento do motor. Esse sistema pode ser acionado mecanicamente por meio de um conjunto de engrenagens, correntes ou correias, ou eletronicamente por meio de um sistema de controle eletrônico.
2. Segundo Tempo – Compressão
No segundo tempo do Ciclo Otto, que é o tempo de compressão, a mistura ar/combustível previamente admitida no cilindro sofre compressão durante o curso ascendente do pistão. Nesse momento, as duas válvulas, tanto a de admissão quanto a de escapamento, permanecem fechadas para garantir que a mistura seja comprimida adequadamente.
Durante a compressão, o pistão se move do Ponto Morto Inferior (PMI) para o Ponto Morto Superior (PMS), reduzindo o volume da mistura no cilindro e aumentando a pressão e a temperatura. Esse processo de compressão é fundamental para aumentar a eficiência da combustão, pois quanto maior a compressão, maior será a energia mecânica gerada durante a explosão da mistura.
Além disso, a compressão também contribui para diminuir a temperatura da mistura. Isso ocorre porque a compressão reduz o volume ocupado pela mistura, aumentando sua densidade e, consequentemente, diminuindo a quantidade de calor produzido durante a combustão. Essa redução na temperatura é importante para evitar a detonação precoce da mistura e garantir um funcionamento adequado do motor.
3. Terceiro Tempo – Tempo Motor
Os eventos que ocorrem no terceiro tempo são:
- A ignição da mistura, através de uma faísca na vela.
- A combustão da mistura, liberando energia térmica e aumentando a pressão.
- A expansão dos gases queimados, produzindo energia mecânica.
4. Quarto Tempo – Escapamento
No quarto tempo do Ciclo Otto, que é o tempo de escapamento, ocorre a expulsão dos gases queimados resultantes da combustão da mistura ar/combustível no cilindro do motor. Durante esse tempo, a válvula de escapamento é aberta para permitir a saída dos gases queimados, enquanto o pistão se move do Ponto Morto Inferior (PMI) para o Ponto Morto Superior (PMS), expulsando os gases do cilindro.
A abertura da válvula de escapamento é controlada pelo Sistema de Comando de Válvulas, que sincroniza o momento de abertura da válvula com o movimento do pistão. A válvula de escapamento permanece fechada durante os tempos anteriores para garantir a compressão adequada da mistura e a queima eficiente dos gases.
Quando a válvula de escapamento se abre, os gases queimados são liberados do cilindro, permitindo a renovação do ar fresco para o próximo ciclo de funcionamento. O movimento ascendente do pistão durante o tempo de escapamento contribui para expulsar os gases residualmente, preparando o cilindro para receber uma nova carga de mistura ar/combustível no próximo ciclo.
As Seis Fases do Ciclo de Funcionamento
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Durante o ciclo de funcionamento de um motor a quatro tempos, a mistura ar/combustível passa por seis eventos ou processos distintos, denominados “Fases”, que ocorrem em sequência para completar um ciclo completo de operação. Essas fases são essenciais para a transformação da energia calorífica da combustão em energia mecânica. Vamos explicar cada uma delas:
Admissão: Durante a fase de admissão, a mistura ar/combustível é admitida no cilindro do motor. O pistão se move do Ponto Morto Superior (PMS) para o Ponto Morto Inferior (PMI), criando uma pressão negativa no cilindro e permitindo a entrada da mistura.
Compressão: Na fase de compressão, a mistura admitida é comprimida pelo movimento ascendente do pistão, aumentando a pressão e a temperatura no cilindro. Ambas as válvulas permanecem fechadas durante esse processo.
Ignição: Pouco antes do pistão atingir o PMS, ocorre a fase de ignição, onde uma centelha elétrica proveniente da vela de ignição inflama a mistura ar/combustível, dando início à combustão.
Combustão: A fase de combustão é quando a mistura ar/combustível queima de forma controlada, gerando uma expansão dos gases resultantes da combustão. Essa expansão impulsiona o pistão para baixo, convertendo a energia calorífica em energia mecânica.
Expansão: Durante a fase de expansão, os gases queimados se expandem rapidamente, forçando o movimento do pistão para baixo e convertendo a energia dos gases em trabalho mecânico.
Escapamento: Por fim, na fase de escapamento, a válvula de escapamento se abre e o pistão se move para cima, expulsando os gases queimados do cilindro. Esses gases são liberados para o sistema de escapamento, preparando o cilindro para um novo ciclo.
Modificações no Ciclo Otto
No ciclo teórico de Otto, que é o ciclo idealizado de funcionamento de um motor a quatro tempos, as fases de admissão, compressão, tempo motor e escapamento ocorrem em momentos específicos e ideais. No entanto, na prática, o ciclo real de funcionamento do motor é modificado para otimizar a eficiência e o desempenho do motor.
Essas modificações são realizadas pelos fabricantes de motores para corrigir perdas de energia causadas por diversos fatores, como atrito das peças, inércia dos gases e retardo na queima da mistura. Uma das principais modificações realizadas é a alteração dos tempos de ignição e de abertura e fechamento das válvulas.
No que diz respeito à ignição, o momento exato em que a centelha elétrica é gerada pela vela de ignição para inflamar a mistura ar/combustível pode ser ajustado para ocorrer ligeiramente adiantado ou atrasado em relação ao ponto morto superior (PMS). Essa modificação visa otimizar a queima da mistura e a eficiência do motor.
Além disso, as válvulas de admissão e escapamento também são ajustadas em relação ao eixo de manivelas, variando de motor para motor. Modificações como o avanço na abertura da válvula de admissão e o atraso no fechamento da válvula de admissão são realizadas para permitir a entrada e saída adequadas da mistura e dos gases queimados, otimizando o desempenho do motor.
Modificações no Tempo da Admissão
No motor real, são realizados ajustes específicos nas válvulas de admissão para otimizar o desempenho e a eficiência do motor. Dois desses ajustes importantes são o Avanço na Abertura da Admissão (AvAA) e o Atraso no Fechamento da Admissão (AtFA), que têm impacto direto no ciclo de funcionamento do motor. Vamos explicar cada um deles:
Avanço na Abertura da Admissão (AvAA): O Avanço na Abertura da Admissão refere-se ao ajuste feito para antecipar a abertura da válvula de admissão antes do pistão atingir o Ponto Morto Superior (PMS). Isso significa que a válvula de admissão é aberta um pouco mais cedo do que o ideal teórico, permitindo que a mistura ar/combustível entre no cilindro de forma mais eficiente. Esse avanço na abertura da válvula de admissão visa garantir uma entrada adequada da mistura no cilindro, melhorando a eficiência da combustão e o desempenho do motor.
Atraso no Fechamento da Admissão (AtFA): Por outro lado, o Atraso no Fechamento da Admissão refere-se ao ajuste feito para retardar o fechamento da válvula de admissão após o pistão atingir o Ponto Morto Inferior (PMI). Isso significa que a válvula de admissão permanece aberta por um período ligeiramente mais longo do que o ideal teórico, permitindo que mais mistura ar/combustível entre no cilindro durante o tempo de admissão. Esse atraso no fechamento da válvula de admissão visa garantir uma carga completa no cilindro, melhorando a eficiência da combustão e a potência do motor.
Modificações no Tempo do Escapamento
No tempo do escapamento em um motor a quatro tempos, assim como no tempo de admissão, são realizados ajustes específicos nas válvulas de escapamento para otimizar o desempenho e a eficiência do motor. Dois desses ajustes importantes são o Avanço na Abertura do Escapamento (AvAE) e o Atraso no Fechamento do Escapamento (AtFE), que têm impacto direto no ciclo de funcionamento do motor. Vamos explicar cada um deles:
Avanço na Abertura do Escapamento (AvAE): O Avanço na Abertura do Escapamento refere-se ao ajuste feito para antecipar a abertura da válvula de escapamento antes do pistão atingir o Ponto Morto Inferior (PMI). Isso significa que a válvula de escapamento é aberta um pouco mais cedo do que o ideal teórico, permitindo a saída mais eficiente dos gases queimados do cilindro. Esse avanço na abertura da válvula de escapamento visa garantir uma expulsão adequada dos gases queimados, melhorando a eficiência do processo de escapamento e preparando o cilindro para o próximo ciclo de funcionamento.
Atraso no Fechamento do Escapamento (AtFE): Por outro lado, o Atraso no Fechamento do Escapamento refere-se ao ajuste feito para retardar o fechamento da válvula de escapamento após o pistão ter atingido o Ponto Morto Superior (PMS). Isso significa que a válvula de escapamento permanece aberta por um período ligeiramente mais longo do que o ideal teórico, permitindo uma saída mais completa dos gases queimados do cilindro. Esse atraso no fechamento da válvula de escapamento visa garantir a expulsão total dos gases queimados, evitando a diluição da mistura ar/combustível no próximo ciclo de funcionamento e melhorando a eficiência do motor.
Cruzamento de Válvulas
No ciclo Otto real de um motor a quatro tempos, as válvulas de admissão e escapamento podem ficar abertas simultaneamente por um curto período de tempo devido aos ajustes específicos realizados nas válvulas. Esse fenômeno é conhecido como cruzamento de válvulas e ocorre devido ao Atraso no Fechamento do Escapamento (AtFE) e ao Avanço na Abertura da Admissão (AvAA), que são ajustes feitos nas válvulas de escapamento e admissão, respectivamente.
Durante o cruzamento de válvulas, as duas válvulas, de admissão e escapamento, permanecem abertas simultaneamente por um curto intervalo de tempo. Isso acontece devido ao atraso no fechamento da válvula de escapamento e ao avanço na abertura da válvula de admissão, o que resulta em uma sobreposição dos tempos de abertura e fechamento das válvulas.
Essa sobreposição das válvulas de admissão e escapamento durante o cruzamento de válvulas tem como objetivo permitir a completa expulsão dos gases queimados do cilindro e a entrada eficiente da mistura ar/combustível para o próximo ciclo de funcionamento. Além disso, o cruzamento de válvulas contribui para otimizar a eficiência da combustão, melhorar o desempenho do motor e reduzir as emissões de poluentes.
Modificação no Tempo de Ignição
No ciclo teórico de funcionamento de um motor a quatro tempos, a ignição é considerada ocorrer exatamente no Ponto Morto Alto (PMA) e a combustão é considerada instantânea, ou seja, a mistura ar/combustível queima de forma imediata e completa no momento da ignição. No entanto, no ciclo real de funcionamento do motor, a combustão não é instantânea e requer uma antecipação ou avanço na ignição em relação ao PMA. Vamos explicar essa diferença:
Na prática, a combustão da mistura ar/combustível não ocorre instantaneamente no momento da ignição devido a diversos fatores, como a velocidade de propagação da chama, a taxa de queima da mistura, a geometria da câmara de combustão, a temperatura e pressão do ar, entre outros. Esses fatores influenciam o tempo necessário para que a mistura seja completamente queimada e a pressão máxima seja atingida no cilindro.
Assim, para garantir uma combustão eficiente e completa da mistura ar/combustível, é necessário realizar um ajuste na temporização da ignição, antecipando ou avançando o momento da ignição em relação ao PMA. Esse avanço na ignição tem como objetivo garantir que a queima da mistura seja finalizada no momento em que o pistão estiver próximo do PMA, permitindo que a pressão máxima seja alcançada no momento ideal para impulsionar o pistão para baixo e gerar energia mecânica.
Motor a Dois Tempos
Funcionamento do Motor a Dois Tempos
No motor a dois tempos, o ciclo de funcionamento é completado em apenas dois movimentos do pistão, ou seja, em uma única volta do eixo de manivelas. Nesse tipo de motor, não há válvulas de admissão e escapamento como nos motores a quatro tempos. Em vez disso, o próprio pistão atua como uma válvula deslizante, controlando a entrada e saída dos gases por meio de aberturas chamadas de luzes.
Durante o primeiro tempo do ciclo de dois tempos, o pistão se move do Ponto Morto Inferior (PMI) para o Ponto Morto Superior (PMS). Nesse movimento ascendente, o pistão comprime a mistura ar/combustível na parte superior do cilindro. Ao mesmo tempo, o pistão descobre uma janela de escape, permitindo a saída dos gases queimados da combustão anterior.
No segundo tempo do ciclo de dois tempos, a mistura comprimida é inflamada pela centelha da vela de ignição. Isso resulta na expansão dos gases, empurrando o pistão do PMS de volta para o PMI. Durante esse movimento descendente, o pistão descobre uma janela de admissão, permitindo a entrada de uma nova carga de mistura ar/combustível no cilindro.
Assim, no motor a dois tempos, o pistão atua como uma válvula deslizante, controlando a admissão e escapamento dos gases por meio das luzes no cilindro. Esse design simplificado do motor a dois tempos, sem a necessidade de válvulas, torna-o mais leve, compacto e com menos peças móveis em comparação com os motores a quatro tempos. Essa simplicidade de funcionamento torna o motor a dois tempos adequado para aplicações em motocicletas, motobombas, pequenas embarcações, entre outros.
Primeiro Tempo
No primeiro tempo do ciclo de funcionamento de um motor a quatro tempos, que corresponde ao curso ascendente do pistão, ocorrem as fases de admissão, compressão, ignição e combustão. Vamos explicar cada uma dessas fases:
Admissão: Durante a fase de admissão, o pistão se move do Ponto Morto Inferior (PMI) para o Ponto Morto Superior (PMS). Nesse movimento ascendente, o pistão comprime a mistura ar/combustível na parte superior do cilindro. Ao mesmo tempo, a válvula de admissão é aberta, permitindo que a mistura entre no cilindro. A admissão é o processo de entrada da mistura ar/combustível no cilindro para preparar a combustão.
Compressão: Após a admissão da mistura, o pistão continua seu movimento ascendente, comprimindo a mistura ar/combustível no cilindro. Durante a compressão, a válvula de admissão é fechada, e tanto a mistura quanto o pistão são comprimidos para aumentar a pressão e a temperatura da mistura. A compressão é essencial para preparar a mistura para a combustão.
Ignição: Pouco antes do pistão atingir o PMS, ocorre a fase de ignição. Nesse momento, uma centelha elétrica proveniente da vela de ignição inflama a mistura ar/combustível. A ignição é o processo de iniciar a queima controlada da mistura para gerar energia térmica.
Combustão: Após a ignição, a mistura ar/combustível queima de forma controlada, gerando uma expansão dos gases resultantes da combustão. Essa expansão dos gases empurra o pistão para baixo, convertendo a energia térmica em energia mecânica. A combustão é o processo de queima da mistura para gerar trabalho mecânico.
Segundo Tempo
No segundo tempo do ciclo de funcionamento de um motor a quatro tempos, que corresponde ao curso descendente do pistão, ocorrem as fases de expansão e escapamento. Vamos explicar cada uma dessas fases:
Expansão: Durante a fase de expansão, o pistão se move do Ponto Morto Superior (PMS) de volta para o Ponto Morto Inferior (PMI). Nesse movimento descendente, os gases resultantes da combustão se expandem, empurrando o pistão para baixo. A expansão dos gases é responsável por gerar a força motriz que impulsiona o pistão e movimenta o eixo de manivelas. Essa fase é crucial para converter a energia térmica da combustão em trabalho mecânico.
Escapamento: Após a expansão dos gases, ocorre a fase de escapamento. Durante essa fase, o pistão continua seu movimento descendente, expulsando os gases queimados do cilindro. A válvula de escapamento é aberta para permitir a saída dos gases para o sistema de escapamento do motor. O escapamento dos gases queimados é essencial para limpar o cilindro e prepará-lo para receber uma nova carga de mistura ar/combustível no próximo ciclo de funcionamento.
Vantagens e Desvantagens do motor a dois tempos
Em comparação com o motor a quatro tempos, o motor a dois tempos apresenta:
Vantagens:
Maior simplicidade, tornando-o mais leve e barato.
Maior potência, devido ao dobro do número de tempos motores.
Desvantagens:
Menor eficiência, devido à contaminação da mistura com gases queimados e perda de parte dela pelo escapamento.
Maior aquecimento, devido à maior frequência das combustões.
Lubrificação imperfeita, pois é feita misturando o óleo com o combustível.
Menor flexibilidade, perdendo eficiência com variações nas condições como altitude, temperatura e rotação.
Compreender o funcionamento dos motores a pistão é essencial para apreciar a engenharia por trás dos veículos que usamos diariamente. Os motores a quatro tempos, com seu ciclo detalhado de admissão, compressão, combustão e escapamento, e os motores a dois tempos, com sua simplicidade e potência, ambos possuem vantagens e desafios.
Ao conhecer suas diferenças e características, podemos valorizar a inovação e o trabalho contínuo que torna esses motores mais eficientes e adaptáveis às necessidades contemporâneas. A tecnologia dos motores a pistão continua a evoluir, prometendo um futuro ainda mais dinâmico e sustentável para a mobilidade.
