Conforme prometido, aí vai o segundo post da série “Como
funciona?”. Dessa vez abordaremos a engenharia por trás dos assim chamados
motores dois-tempos. Os motores quatro-tempos foram apresentados nesse post. Se
você não leu, sugiro que o faça. Vamos ao que interessa?
Os motores dois-tempos são, na minha opinião, a mais bela
expressão da engenharia de motores de combustão interna. O motivo? A
simplicidade e engenhosidade de seu design. Por razões que já foram comentadas
no post anterior (e que vamos detalhar aqui), os motores dois-tempos são vistos
quase exclusivamente em aplicações fora-de-estrada (motos de competição off Road),
náutica (Jet skis) e máquinas como motosserras e similares. O que esses
veículos e equipamentos têm em comum? A necessidade de um motor leve, simples
e, principalmente, muito potente.
Mas, o que é, afinal, um motor dois-tempos? Você deve se
lembrar que, num motor quatro-tempos, quatro operações são concluídas no
decurso de duas voltas do motor: admissão, compressão, combustão e exaustão.
Essas etapas são muito bem delimitadas pela posição do pistão e o estado de
abertura ou fechamento das válvulas. O motor dois-tempos, por sua vez, executa
essas quatro operações em apenas uma volta do motor; isto é, as fases de
admissão e compressão são executadas ao mesmo tempo, dando-se o mesmo com as
fases de combustão e exaustão. De fato, num motor dois-tempos, a transição
entre as fases não é bem delimitada, havendo momentos de coincidência entre,
por exemplo, admissão e exaustão.
A construção de um motor dois-tempos
Se num motor quatro-tempos uma das principais
características é a grande quantidade de peças móveis (válvulas, balancins,
varetas, eixos de comando etc.), o que caracteriza a maioria dos motores
dois-tempos é o inverso: são mínimos os elementos móveis. Basicamente, as
partes móveis de um motor dois-tempos são o conjunto pistão-biela e o
virabrequim. As válvulas são substituídas por janelas no cilindro que se abrem
ou fecham de acordo com o movimento ascendente ou descendente do pistão.
Dependendo do projeto, pode haver uma válvula de exaustão no topo da câmara de
combustão.
A admissão da mistura ar-combustível se dá no cárter, que
é seco. O sistema de lubrificação se dá por meio da mistura do lubrificante ao
combustível, fazendo com que o lubrificante se deposite sobre as partes móveis do
sistema durante o processo de combustão. Por isso é comum adicionar certa
quantidade de óleo lubrificante específico para motores dois-tempos ao
combustível, exceto nas situações em que á um sistema alternativo de
fornecimento de lubrificante, como nas motos Yamaha RD 350 (uma maravilha!). A
comunicação entre o carburador e o cárter é mediada por uma válvula de abertura
unidirecional, conhecida como válvula de palhetas. Esta válvula, similar às
válvulas do coração, possui um sistema de palhetas que permitem o fluxo numa
única direção, sendo acionada pela própria pressão do fluido. Ademais, o
sistema de exaustão, especialmente o formato do cano de escapamento, exerce uma
função crítica para o funcionamento do sistema, como veremos mais adiante.
A teoria de funcionamento do motor dois-tempos
Iniciemos a explicação sobre o funcionamento considerando
que o pistão encontra-se em movimento ascendente em direção ao ponto morto
superior (PMS). Nesse momento, a câmara de combustão encontra-se preenchida com
a mistura ar-combustível que está prestes a ser comprimida. Ao mesmo tempo em que
o pistão sobe e comprime a mistura, cria-se uma pressão negativa no cárter, em
função do aumento repentino de seu volume. Esta pressão negativa força a
abertura da válvula de palhetas e a consequente admissão de uma nova dose de
mistura ar-combustível. Perceba que, num único movimento do pistão, o motor
executa duas fases: a compressão da mistura “antiga” e a admissão de uma
mistura “nova”. Após a compressão é gerada a faísca, que inflama a mistura
comprimida, forçando o pistão para baixo. O movimento descendente do pistão faz
com que se abram, gradativamente, as janelas, que servem como válvulas. A
primeira a ser aberta é a janela de exaustão, que começa a permitir a saída dos
gases provenientes da combustão. No momento em que a janela de exaustão
encontra-se semiaberta, o pistão, ao descer, começa a abrir outra(s) janela(s),
conhecida(s) como janela(s) de transferência. As janelas de transferência
permitem a comunicação do cárter com a câmara de combustão, fazendo subir a
mistura admitida durante a fase de subida do pistão. O movimento de descida
aumenta a pressão no cárter, forçando a mistura a subir, passar pelas janelas
de transferência e alojar-se na câmara de combustão.
Nesta fase, em que as janelas de exaustão e de
transferência (geralmente situadas em posições opostas) encontram-se abertas,
ocorre um dos fenômenos mais interessantes vistos nos motores dois-tempos. Conforme
mencionado acima, nesse momento há, ao mesmo tempo, exaustão dos gases e
admissão de mistura, visto que ambas as janelas (de exaustão e transferência)
encontram-se abertas. A “mágica” ocorre quando o fluxo da mistura é
engenhosamente direcionado de modo a “empurrar” os gases provenientes da
combustão, num movimento de “varrição”. Após atingir o ponto morto inferior
(PMI), o pistão volta a subir e o processo se repete. Note-se que, ao subir, o
pistão fecha as janelas de exaustão e transferência, possibilitando a
compressão da mistura admitida na câmara.
Deve-se notar que, para que o processo de varrição seja
eficiente, é necessário que os gases provenientes da combustão sejam
completamente expulsos da câmara de combustão. De fato, o que acontece é que
parte da mistura admitida para a câmara de combustão via janelas de
transferência sai pela janela de exaustão junto com os gases. É nesse momento
que entra em cena o sistema de escapamento. A imagem abaixo mostra o cano de
escapamento de um motor dois-tempos. Note o seu formato peculiar; o diâmetro vai-se alargando até o ponto em
que começa a diminuir. De fato, esse sistema funciona como um instrumento
musical. Em termos simplistas, esse formato do escapamento cria um efeito de
ressonância, especificamente uma onda de choque, que devolve parte da energia
para o motor. Essa onda de choque, milimetricamente calculada, “devolve” à
câmara de combustão a parte de mistura ar-combustível que foi expelida pela
janela de exaustão, momentos antes que o pistão a feche.
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| Escapamento de um motor dois-tempos |
Por que não vemos motores dois-tempos nos carros e motos
de rua?
Os motores dois-tempos, por serem mais leves e terem
menos partes móveis (portanto menos dor-de-cabeça com a manutenção), além de
executarem trabalho a cada volta do virabrequim (versus duas voltas nos motores
quatro-tempos), apresentam uma potência elevada quando comparados a motores
quatro-tempos de mesmo porte. Poderíamos dizer, num primeiro momento, que um
motor dois-tempos teria o dobro da potência de um equivalente quatro-tempos;
mas isso não é necessariamente verdadeiro. De fato, os Motors dois-tempos têm
como principais inconvenientes a baixa eficiência térmica e o consequente
excesso de consumo e emissão de poluentes, visto que o processo de combustão é
pouco eficiente. Por esse motivo, torna-se inviável por razões ambientais e
econômicas o emprego de motores dois-tempos em automóveis e motos de rua. Já
nos casos em que as emissões e o consumo são menos importantes do que o
desempenho (p. ex., corridas de Motocross) os motores dois-tempos reinam quase
absolutos.
Abaixo, um vídeo ilustrando o funcionamento de um motor dois-tempos:
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