Alguma vez você abriu o capô do seu carro ou de alguém e ficou imaginando o que acontece lá dentro? Para quem não entende do assunto o motor de um carro pode parecer uma salada de metal, tubos e fios.
Neste artigo, quero levar os alunos da disciplina de térmicas a refletir sobre os conhecimentos básicos de funcionamento dessa máquina que gera trabalho efetivo e os seus diversos componentes e sistemas.
Pode ser só curiosidade, ou você talvez queira comprar um carro novo e tenha ouvido algo como "3.0 V6", "duplo comando no cabeçote" ou "injeção multiponto". Que coisas são essas?
Figura 1. Foto cortesia da DaimlerChrysler Motor do Jeep Grand Cherokee 2003 |
O propósito do motor de um carro a gasolina, álcool ou gás é transformar em movimento o combustível - isso vai fazer o carro andar. O modo mais fácil de criar movimento a partir da gasolina é queimá-la dentro de um motor. Portanto, o motor de carro é um motor de combustão interna - combustão que ocorre internamente.
Duas observações importantes:
- há vários tipos de motores de combustão interna, também chamados de motores a explosão. Motores a diesel são um tipo e turbinas a gás são outro. Cada um tem suas próprias vantagens e desvantagens;
- também existem motores de combustão externa. O motor a vapor de trens antigos e navios a vapor é o melhor exemplo de motor de combustão externa. O combustível (carvão, madeira, óleo ou outro) é queimado fora do motor para produzir vapor, e este gera movimento dentro do motor. A combustão interna é muito mais eficiente (gasta menos combustível por quilômetro) do que a combustão externa, e o motor de combustão interna é bem menor que um motor equivalente de combustão externa.
Quase todos os carros atuais usam motor de combustão interna a pistão porque esse motor é:
- relativamente eficiente (comparado com um motor de combustão externa);
- relativamente barato (comparado com uma turbina a gás;
- relativamente fácil de abastecer (comparado com um carro elétrico);
Para compreender o funcionamento básico de um motor de combustão interna a pistão é útil ter uma imagem de como funciona a "combustão interna". Um bom exemplo é um antigo canhão de guerra. Você provavelmente já viu em algum filme soldados carregarem um canhão com pólvora, colocarem uma bala e depois o acenderem. Isso é combustão interna - mas o que isso tem a ver com motores?
Um exemplo melhor: digamos que você pegue um pedaço comprido de tubo de esgoto, desses de PVC, talvez com 7,5 cm de diâmetro e uns 90 cm de comprimento e feche uma das extremidades. Então, digamos que você espirre um pouco de WD-40 dentro do tubo, ou jogue uma gotinha de gasolina e em seguida empurre uma batata para dentro do cano. Assim:
Figura 2. |
Eu não estou recomendando fazer isso! Mas digamos que você tenha feito... Esse dispositivo é conhecido como canhão de batata. Com uma centelha é possível inflamar o combustível.
O interessante aqui, e a razão para falarmos de um dispositivo como esse, é que um canhão de batata pode arremessar uma batata a cerca de 150 metros de distância! Um pingo de gasolina armazena um elevado percentual de energia.
Combustão interna:
O canhão de batata usa o princípio básico de qualquer motor de combustão interna convencional (motor a pistão). Pôr uma pequena quantidade de combustível de alta energia (como a gasolina) em um reduzido espaço fechado e gerar uma centelha libera uma quantidade inacreditável de energia, na forma de gás em expansão. Essa energia pode ser usada para fazer uma batata voar 150 metros. Nesse caso, a energia é transformada em movimento da batata. Isso também pode ser usado para fins mais interessantes. Por exemplo, ao se criar um ciclo que permita provocar centenas de explosões por minuto e torne possível empregar essa energia de forma útil estará feita a base de um motor de carro!
Quase todos os carros atualmente usam o que é chamado de ciclo de combustão de 4 tempos para converter a gasolina em movimento. Ele também é conhecido como ciclo Otto, em homenagem a Nikolaus Otto, que o inventou em 1867. Os tempos de funcionamento dos motores endotérmicos ou de combustão podem ser elencados como:
- Admissão
- Compressão
- Combustão/Explosão
- Escapamento
Como são os tempos?
Um componente interno do motor chamado de pistão substitui a batata no canhão de batata. O pistão está ligado ao virabrequim por uma biela. Conforme gira, o virabrequim "arma o canhão." Eis o que acontece à medida que o motor passa por esse ciclo:
- A válvula de admissão se abre enquanto o pistão se move para baixo (deslocamento do PMS ao PMI), levando o cilindro a aspirar e se encher de ar e combustível. Essa fase é a admissão. Somente uma pequena gota de combustível precisa ser misturada ao ar para que funcione.
- O pistão volta para comprimir a mistura ar-combustível (deslocamento do PMI ao PMS). É a compressão, que torna a explosão mais potente.
- Quando o pistão atinge o topo do seu curso, a vela de ignição solta uma centelha para inflamar a mistura. O combustível no cilindro entra em combustão, aumentando rapidamente de volume e empurrando o pistão para baixo.
- Assim que o pistão atinge a parte de baixo do seu curso, a válvula de escapamento se abre e os gases queimados deixam o cilindro através do tubo existente para esse fim.
Vamos ver agora todas as partes que trabalham juntas para fazer isso acontecer.
Cilindros e outras peças do motor:
Figura 3. Em linha - Os cilindros são alinhados em uma única bancada
Figura 4. V - Os cilindros são dispostos em duas bancadas, formando um ângulo entre si
Figura 5. Plano - Os cilindros são dispostos em duas bancadas, em lados opostos do motor
Há vantagens e desvantagens de cada configuração de motor em termos de suavidade, custo de fabricação e características diretamente ligadas à sua forma. Essas vantagens e desvantagens tornam cada um mais apropriado a certos tipos de veículo.
Tamanho do motor (cilindrada ou deslocamento volumétrico):
Desde os primórdios dos motores, convencionou-se classificá-los em tamanho por meio da cilindrada ou deslocamento volumétrico. Por se tratar de volume, ele é medido em litros ou cm³ (centímetros cúbicos; 1.000 centímetros cúbicos - ou 1.000 cm³ - equivalem a um litro).
Veja aqui alguns exemplos:
- uma motosserra pode ter um motor de 40 cm³;
- uma motocicleta pode ter um motor de 500 cm³ ou de 750 cm³;
- um carro esportivo pode ter um motor de 5 litros (5.000 cm³).
A cilindrada é obtida por simples cálculo. Toma-se a área correspondente ao diâmetro do cilindro (Pi x diâmetro elevado ao quadrado e dividido por 4) e multiplica-se pelo curso do pistão. Deve-se ter o cuidado de sempre considerar centímetros e não milímetros, pois estamos buscando centímetros cúbicos. Uma vez que se tenha a cilindrada de um cilindro, é só multiplicar o resultado pelo número de cilindros para obter a cilindrada do motor (desnecessário caso o motor seja de um cilindro apenas).
Se você tiver um motor de 4 cilindros e cada cilindro comportar meio litro, o motor inteiro é um "motor de 2 litros" - também se diz motor 2.0. Se cada cilindro tem capacidade de meio litro e há seis cilindros dispostos em V, você tem um "V6 de 3 litros", ou V6 3.0.
Geralmente a cilindrada dá idéia da potência que o motor pode produzir. Um cilindro que desloca meio litro pode comportar o dobro da mistura ar-combustível que um cilindro que desloca 1/4 de litro - pode-se esperar o dobro de potência no cilindro maior (caso todos os outros parâmetros sejam iguais). Um motor de 2 litros tem, em termos gerais, a metade da potência de um motor de 4 litros.
Para ampliar a cilindrada de um motor aumenta-se o número de cilindros ou o seu tamanho (ou as duas coisas). Outra maneira, junto com as providências acima ou não, é aumentar o curso dos pistões.
Outras partes de um motor:
Vela de ignição
Válvulas
Pistão
Anéis de segmento
- impedir que a mistura ar-combustível e os gases de escapamento vazem da câmara de combustão para dentro do cárter de óleo durante a compressão e a combustão, respectivamente;
- impedir que o óleo do cárter passe para dentro da zona de combustão, onde seria queimado e desperdiçado.
É uma haste que liga o pistão ao virabrequim. As duas pontas da biela podem girar, permitindo a mudança de ângulo à medida que o pistão se move e o virabrequim gira.
Virabrequim
O cárter envolve o virabrequim e também age como reservatório de óleo, que fica armazenado em seu fundo.
O que pode dar errado?
Mistura inadequada - uma mistura inadequada ar-combustível pode ocorrer de várias maneiras:
- a gasolina acabou e o motor recebe ar, mas não combustível;
- a entrada de ar pode estar entupida, de modo que há combustível, porém não entra ar suficiente;
- o sistema de combustível pode estar fornecendo combustível a mais ou a menos à mistura, significando que a combustão não poderá ocorrer de forma apropriada;
- pode haver impurezas no combustível (como água no tanque de combustível) fazendo com que não seja possível a sua queima.
Falta de centelha - a centelha pode não ocorrer ou ser fraca por diversas razões:
- se a vela de ignição ou o fio que chega à vela estiverem gastos, a centelha será fraca;
- se o cabo estiver cortado ou faltando - ou se o sistema que manda a corrente de alta tensão pelo cabo não estiver funcionando corretamente - não haverá centelha;
- se a centelha ocorre muito cedo ou muito tarde no ciclo (ou seja, se o ponto de ignição estiver muito fora do padrão), o combustível não sofrerá ignição no tempo certo e isso poderá causar vários tipos de problemas.
Muitos outros problemas podem acontecer. Por exemplo:
- se a bateria estiver descarregada, o motor de partida não poderá girar o motor para fazê-lo funcionar;
- se os mancais que permitem que o virabrequim gire livremente estiverem prendendo, ele não irá girar, impedindo o funcionamento do motor;
- se as válvulas não abrirem e fecharem no momento correto ou simplesmente não abrirem, o ar não poderá entrar ou os gases de escapamento não poderão sair - e o motor não funcionará;
- se alguém enfiar uma batata na ponta do cano de escapamento, os gases não poderão sair dos cilindros e o motor não funcionará;
- se o óleo acabar e o motor vier a travar, os pistões não poderão se mover livremente, impedindo o funcionamento do motor.
Falta de compressão - se a carga de ar e combustível não puder ser comprimida de maneira apropriada, o processo de combustão não acontecerá corretamente. A falta de compressão pode ocorrer pelas seguintes razões:
- os anéis de segmento estão gastos (permitindo que a mistura ar-combustível vaze pelos lados do pistão durante a compressão);
- as válvulas de admissão ou de escapamento não estão vedando apropriadamente, permitindo o vazamento durante a compressão;
- há um grande vazamento em um ou mais cilindros.
O vazamento mais comum em um cilindro ocorre onde a parte acima do bloco do motor (onde ficam as válvulas e as velas de ignição, e às vezes o comando de válvulas, também conhecida como cabeçote) se prende ao bloco. Geralmente, o bloco e o cabeçote são mantidos juntos com uma junta fina entre eles para assegurar uma boa vedação. Se a junta se rompe, desenvolvem-se pequenas fugas entre bloco e cabeçote.
Em um motor funcionando corretamente, todos esses fatores estão dentro da tolerância. Como você pode ver, um motor tem inúmeros sistemas que o ajudam a cumprir seu papel de converter combustível em movimento. A maioria desses subsistemas pode ser implementado usando tecnologias diferentes e melhores para aumentar o desempenho do motor. Nos próximos artigos, abordaremos todos os subsistemas diferentes usados nos motores modernos.
Aqui tivemos a oportunidade de apresentar de uma forma bem simples e clara como ocorre o princípio de funcionamento dos motores endotérmicos.
Espero que você tenha gostado e possa ser útil como complementação dos estudos das disciplinas de térmicas.
Bons Estudos e excelentes desempenhos!!!
Olá, professor.
ResponderExcluirTudo bem? Sou a Clarissa e trabalho na Edelman, que é a agência de comunicação digital do site ComoTudoFunciona (HSW). Achamos muito bacana ver o conteúdo dele aqui no blog pois isso indica que você gostou dele. O único problema é que a cada vez que um artigo é reproduzido (completo ou apenas parte dele) em outros sites ou blogs, o mesmo deixa de ser indexado nos mecanismos de busca, principalmente o Google, e prejudica o modelo de negócios da empresa. O mesmo acontece com o seu blog, que também deixa de ser indexado na busca. Assim, ambos perdem leitores! Para não ser prejudicial tanto para o site como pra você, você pode linkar o artigo ou reescrever a parte que interessa aos seus leitores, dando os devidos créditos ou apenas direcionando para o artigo completo dentro do site e retirando o conteúdo reproduzido ao ar. Aproveito para lembrar que todo conteúdo do HSW é protegido por Copyright (direitos autorais), portanto, sua reprodução não é permitida.
Um abraço!