Como funciona? #2 – Motores dois-tempos

     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.

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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Como Funciona? #1 - Motores quatro-tempos

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!