Esta é a primeira postagem da série "Como Funciona?", que tem por objetivo apresentar, de forma mais clara possível, a tecnologia por trás das nossas máquinas, especialmente as de duas rodas. Como não sou mecânico profissional (portanto perdão pelos vacilos :) ), procurarei utilizar a linguagem mais simples possível, embora seja às vezes inevitável recorrer ao jargão técnico.
Nesta primeira postagem, apresento-lhes o funcionamento básico dos motores de combustão interna, especialmente os motores quatro-tempos.
Introdução geral aos motores de combustão interna.
A parte mais crítica de um veículo automotor – seu motor
– é composta por um conjunto complexo de peças que devem funcionar em perfeito
sincronismo para cumprir seu principal objetivo: transformar a energia
calorífica contida no combustível em energia cinética, ou seja, em movimento.
Esse conjunto é formado por válvulas, rolamentos, engrenagens etc., que devem
estar sob constante lubrificação para evitar os danos causados pelo atrito
entre as peças metálicas. Mas, como o motor consegue transformar a energia
latente do combustível em calor e, posteriormente, movimento?
Um retorno à Química.
Os motores convencionais – pelo menos todos os que eu
conheço – utilizados em carros e motos são chamados motores de combustão
interna (embora sejam erroneamente chamados motores a explosão – tecnicamente,
trata-se de processos diferentes). Assim, para que haja a transformação
energética (olha o Lavoisier aí, gente!), é necessário que o combustível entre
em combustão (meio óbvio, não?). A combustão, por sua vez, é um processo que
necessita da presença de três componentes básicos (triângulo do fogo): o
combustível, o comburente (oxigênio) e uma fonte de calor. Sem um desses
elementos, não há combustão (esta propriedade é utilizada, por exemplo, nos
mecanismos de extinção de incêndios). Nos motores de que estamos falando, há
sistemas dedicados a cuidar do funcionamento de cada uma dessas fases da
combustão.
Para que haja um processo de combustão eficiente,
faz-se necessário que o combustível seja misturado ao ar atmosférico (que
contém o oxigênio) numa proporção maior (mistura rica) ou menor (mistura pobre)
de combustível em relação ao ar (em linhas gerais, haverá sempre mais ar que
combustível). O processo de mistura – um dos pontos críticos do sistema – é efetuado
pelo carburador ou, em modelos mais novos, pelo sistema de injeção eletrônica
de combustível (Electronic Fuel Injection
– EFI). A fonte de calor, por sua vez, é fornecida pela vela de ignição. A
vela de ignição produz uma faísca, induzida por uma corrente elétrica de alta
intensidade (fornecida por uma bobina de alta voltagem), que ao entrar em
contato com a mistura ar-combustível, faz com que esta última se inflame.
Já sabemos como os elementos necessários à combustão
estão situados no sistema. Mas, como a energia desprendida por meio da
combustão é efetivamente transformada em energia cinética? O vídeo abaixo traz
um esquema geral de como se dá esse processo.
Animação com o funcionamento do motor quatro-tempos
A combustão da gasolina (ou outro combustível)
ocorre no interior de uma câmara de combustão. Esta possui geralmente um
formato cilíndrico, onde a mistura ar-combustível é comprimida por um êmbolo
(pistão) ligado por uma haste (biela) a uma manivela (virabrequim). A energia
liberada pelo processo de combustão no interior da câmara desloca o conjunto
pistão-biela para baixo, num movimento linear cíclico (sobe-desce) que é
transformado em movimento circular pelo virabrequim.
O motor quatro-tempos.
Os motores convencionais de combustão interna
dividem-se, basicamente, entre dois tipos: aqueles chamados dois-tempos (mais
detalhes sobre o sistema serão apresentados brevemente noutro post) e os assim
chamados quatro-tempos. A nomenclatura quatro-tempos refere-se à quantidade de
fases pelas quais o motor passa para transformar o combustível em movimento.
Essas fases são descritas a seguir.
Fase 1: Admissão. Nesta fase, a mistura
ar-combustível, proveniente do carburador ou do sistema de injeção eletrônica,
deve ser admitida para a câmara de combustão. Esta admissão se dá quase
naturalmente por meio da baixa pressão criada pelo movimento de descida do pistão,
ao aumentar o volume da câmara de combustão. A mistura é, portanto, aspirada
para o interior da câmara por vácuo (exceto nos sistema se injeção direta,
empregados em motores de alta performance). Durante a fase de admissão, o motor
gira 180°, o pistão desce até o ponto morto inferior (PMI) – momento em que deixa de descer e inicia a
subida - e a passagem da mistura ar-combustível se dá por intermédio da
abertura de uma ou mais válvulas de admissão.
Fase 2: Compressão. Nesta fase, a mistura já
aspirada é comprimida pelo movimento ascendente do pistão. Fecha-se a válvula
de admissão, permitindo que a mistura não escape e seja comprimida. A
compressão torna mais concentrada (portanto mais útil) a expansão dos gases
durante o processo de combustão. Nesta fase, o motor gira mais 180° e o pistão
dirige-se para o topo da câmara de combustão (ponto morto superior, PMS).
Fase 3: Combustão. No final da fase de compressão,
pouco antes de o pistão atingir o PMS, o sistema de ignição faz com que a vela
de ignição emita a faísca que inflamará a mistura na câmara. A ignição da
mistura faz com que os gases contidos na câmara se expandam, forçando o
movimento de descida do pistão até o PMI. Nesta fase, mais uma vez, o motor gira
180°.
Fase 4: Escapamento ou exaustão. Nesta etapa, o
pistão volta a subir em direção ao topo da câmara de combustão. A válvula de
exaustão é então aberta permitindo que os gases provenientes da combustão sejam
empurrados para fora do sistema pelo movimento ascendente do pistão. O motor
gira outros 180° e, findada a fase de exaustão, um novo ciclo se inicia por
meio da abertura da válvula de admissão e a admissão de uma nova mistura.
Características do motor quatro-tempos
Conforme vimos, no motor quatro-tempos, cada fase é
levada a termo enquanto o motor dá meia volta. Ou seja, para que se complete um
ciclo, é necessário que o motor gire duas vezes (720°). Com isso, faz-se
necessário que o sistema gire com o mínimo de atrito possível, já que precisa
aproveitar a inércia em 75% do ciclo (540°), caso o motor seja monocilíndrico
(composto por apenas uma câmara de combustão). Este é o caso na maioria das
motos de baixa e média cilindrada (a título de curiosidade, o termo “cilindrada”
refere-se ao volume da câmara de combustão, que guarda estreita relação com a
potência do motor, embora outras variáveis estejam envolvidas). Em motores com
mais de um cilindro, a fase de combustão é defasada entre os cilindros, gerando
um melhor aproveitamento da energia desprendida em cada combustão. Os motores dois-tempos,
por sua vez, executam as quatro fases em uma volta (360°) ao invés de duas,
gerando um ótimo aproveitamento da energia desprendida a cada ciclo (o motor
dois-tempos será minuciosamente apresentado noutro post).
Outra característica dos motores quatro-tempos é a
necessidade de um grande número de partes móveis: molas, válvulas, correntes,
eixos de comando, etc. Isso colabora com o maior atrito e consequentemente com
a perda de rendimento do motor, que precisa ser compensada com o uso de peças
leves e um eficiente sistema de lubrificação. Um motor quatro-tempos será
fatalmente menos potente que um equivalente dois-tempos com mesma cilindrada.
Embora essas duas características – maior número de peças móveis (maior
necessidade e complexidade de manutenção) e menor rendimento comparado ao motor
dois-tempos pareçam penalizar os motores quatro-tempos, seu uso quase exclusivo
nos veículos de passeio não é em vão. É que os motores quatro-tempos são mais “limpos”,
gerando menos poluentes, além de reduzirem drasticamente o consumo de
combustíveis, fator crítico para o usuário.
Fique ligado, nas próximas semanas apresentarei em
detalhes o funcionamento dos motores dois-tempos (uma obra-prima da engenharia
de motores), suas vantagens e desvantagens em relação aos motores de quatro
tempos. Deixe suas dúvidas e impressões nos comentários. Até breve!
Nenhum comentário:
Postar um comentário