O Que Acontece em Um Segundo Dentro de um Motor de Quatro Tempos?
Partilhe Esta Página
Num motor de quatro tempos, um segundo é uma densa sequência mecânica em que o pistão faz dezenas de cursos completos de vaivém entre o ponto morto superior e o inferior, as válvulas abrem e fecham com um sincronismo perfeito e a combustão produz trabalho apenas uma vez a cada duas rotações do virabrequim. Admissão, compressão, potência e escape: cada um desses quatro tempos corresponde a exatamente 180 graus do virabrequim, e quanto mais alta for a rotação do motor, mais um tempo se comprime em uma pequena fração de segundo.
Destaques
- Um ciclo completo 720°, ou seja, dura duas rotações do virabrequim; cada tempo leva 180° .
- A potência é produzida em apenas um dos quatro tempos: há um tempo de potência a cada 2 rotações .
- A vela de ignição normalmente inicia a faísca cerca de 20° de rotação do virabrequim antes do ponto morto superior.
- O motor de combustão interna converte em média apenas 40-45% da energia fornecida em trabalho mecânico.
- Nos motores industriais, a velocidade média do pistão é limitada a cerca de 10 m/s .
Como Funciona o Motor de Quatro Tempos: Os Quatro Passos Dentro do Cilindro
Tudo começa com a definição de "curso": o curso é o deslocamento completo do pistão ao longo do cilindro em qualquer direção. Quando o pistão está na posição mais alta, diz-se que está no ponto morto superior (TDC); quando está na posição mais baixa, no ponto morto inferior (BDC). O ciclo de quatro tempos se estende por esses dois pontos, ao longo de quatro cursos e duas rotações completas do virabrequim. O movimento linear do pistão gira o virabrequim por meio da biela; para a totalidade dos quatro tempos, o virabrequim gira 720 graus.
O papel das válvulas nesse ciclo é crítico. As válvulas de admissão e escape são comandadas por um eixo de comandos (camshaft) que gira à metade da velocidade do virabrequim. Essa relação de meia velocidade não é coincidência, mas necessidade: como os eventos das válvulas precisam estar travados ao ângulo do virabrequim, o eixo de comandos acompanha cada ciclo com meia rotação do virabrequim.
1. Admissão: aspirar o ar com vácuo parcial
Quando o pistão começa a descer a partir do ponto morto superior, a válvula de admissão está aberta. A descida do pistão aumenta o volume do cilindro e cria um vácuo parcial no interior, ou seja, pressão negativa. Essa diferença de pressão aspira a mistura ar-combustível para dentro do cilindro. O tempo de admissão é a descida completa do pistão do TDC ao BDC e cobre os primeiros 180 graus do ciclo.
2. Compressão: concentrar a energia
No ponto morto inferior, a válvula de admissão se fecha e a compressão começa. Agora ambas as válvulas estão fechadas; o pistão sobe e comprime a mistura ar-combustível no pequeno volume da câmara de combustão. A compressão tem duas funções: fazer o vapor do combustível evaporar ainda mais e liberar mais energia na ignição. A energia gasta para comprimir é de apenas cerca de um quarto da energia produzida na combustão; ou seja, o investimento compensa.
Medir a taxa de compressão é uma das formas mais rápidas de entender o caráter do motor. Nos motores a gasolina, a faixa comum fica entre 6:1 e 10:1 ; quanto maior a taxa, maior a eficiência, mas também aumenta o risco de autoignição da gasolina, ou seja, o risco de detonação. Por isso, o índice de octanas da gasolina é a medida da resistência à autoignição: octanas mais altas permitem taxas de compressão mais altas.
3. Potência: O único tempo do ciclo que produz trabalho
No final do tempo de compressão, aproximadamente 20 graus de ângulo de virabrequim antes do ponto morto superior, a vela de ignição gera a faísca. Por que não exatamente no topo? Porque a frente de chama precisa de tempo para avançar pela câmara de combustão; a faísca é disparada com antecedência para que o pico de pressão ocorra exatamente quando o pistão está no topo, gerando empuxo. A mistura em combustão empurra o pistão em direção ao PMI, produzindo o trabalho mecânico que gira o virabrequim. Ao longo de todo o ciclo, apenas este tempo produz trabalho; não importa o número de cilindros, cada motor de quatro tempos recebe um tempo de potência a cada 720 graus. O segredo do funcionamento suave dos motores multicilíndricos é a fusão desses tempos de potência no virabrequim.
4. Escape: Esvaziar a câmara de combustão
Quando o pistão alcança o ponto morto inferior, a válvula de escape se abre e, nos últimos 180 graus do ciclo, o pistão sobe expulsando os gases residuais pela porta de escape. Ao alcançar o ponto morto superior, o cilindro está limpo, a válvula de admissão está pronta para abrir novamente e o ciclo recomeça. Cada enchimento do cilindro significa o restabelecimento do ciclo de duas rotações.
Quanto Mais RPM, Quanto Tempo Dura Um Tempo?
A resposta à pergunta é encontrada com aritmética pura. Como um ciclo de operação dura duas rotações do virabrequim, a rotação do motor determina diretamente a duração de um tempo. Por exemplo, a 1.000 rpm o motor realiza cerca de 16,7 rotações por segundo; um ciclo completo leva aproximadamente 60 milissegundos, ou seja, um tempo leva 15 milissegundos. Já a 6.000 rpm há 100 rotações por segundo e cada tempo, incluindo o de potência, cai para cerca de 2,5 milissegundos. A combustão, o movimento das válvulas e o fluxo de gases precisam se organizar nessas escalas.
É a física que também determina o limite de rotação. A velocidade média do pistão é função do curso e da rotação; em motores industriais, essa velocidade é limitada a cerca de 10 m/s para que a lubrificação da parede do cilindro não seja comprometida. Em alta rotação, dois problemas típicos surgem: se as molas das válvulas não acompanharem, ocorre a "flutuação de válvulas", e o contato pistão-válvula pode causar sérios danos ao motor. Além disso, o tremor dos anéis pode causar perda de pressão no cilindro e de potência. Em resumo, o limite de quão pequeno uma fração de segundo um tempo pode ser comprimido é traçado pela resistência dos materiais e pela lubrificação.
Gasolina ou Diesel: O Mesmo Ciclo, Ignição Diferente
As etapas do ciclo de quatro tempos são iguais em ambos os motores; a diferença está no método de ignição que inicia o tempo de potência. O motor a gasolina usa ignição por faísca: a vela de ignição inflama a mistura comprimida. O diesel usa ignição por compressão; o alto calor resultante da compressão inflama por si só o combustível diesel, capaz de se inflamar sob as pressões dentro do motor, dispensando a vela de ignição. A tendência de ignição do diesel é definida pelo índice de cetano; funciona com uma lógica exatamente oposta à do índice de octanagem da gasolina. Devido à baixa volatilidade do diesel, o método mais comum para partida a frio é o uso de velas de aquecimento.
| Característica | Motor a Gasolina | Motor Diesel |
|---|---|---|
| Ignição | Ignição por faísca (velas de ignição) | Ignição por compressão (calor da compressão) |
| Ciclo | Ciclo Otto | Ciclo Diesel |
| Medida de resistência ao combustível | Índice de octanas | Índice de cetano |
| Taxa de compressão | Tipicamente 6:1 - 10:1 | O calor da compressão é suficiente para a ignição, alto |
| Característica de rotação | Funciona em rotações mais altas | Funciona em rotações mais baixas; o combustível queima mais lentamente |
O fato de o combustível diesel queimar mais lentamente do que a gasolina explica por que os motores diesel funcionam em rotações mais baixas; a baixa rotação reduz o desgaste do motor. Por isso, a diferença de característica entre os dois motores decorre não do ciclo em si, mas da velocidade de combustão do combustível.
Como as Tecnologias Modernas Melhoram Esses 720 Graus?
O ciclo básico não mudou desde 1876; o que mudou é o quão eficientemente cada segmento de 180 graus é utilizado. Três contribuições modernas se destacam.
Comando de válvulas variável (VVT)
Um comando de válvulas fixo otimiza os eventos das válvulas para uma única faixa de rotação. O comando de válvulas variável, por sua vez, ajusta em tempo real o momento do evento de abertura da válvula de acordo com a rotação do motor, proporcionando uma distribuição de potência ideal e uma aceleração mais suave. Um melhor gerenciamento da mistura ar-combustível melhora a eficiência da combustão; em condições de carga parcial, até 5% de melhoria na economia de combustível foi medida.
Injeção direta (GDI)
Na injeção direta, usada em muitos motores a gasolina de quatro tempos atuais, o bico injetor se estende até a câmara de combustão e a gasolina é pulverizada no cilindro sob pressão muito alta, durante o tempo de compressão, com o pistão no ponto morto superior. Ou seja, o combustível não é mais entregue durante o tempo de admissão, mas no segmento mais crítico do ciclo, com precisão milimétrica.
Turboalimentação: roubar potência do tempo de escape
O turboalimentador é um conjunto de turbina de duas partes, de alta rotação, localizado na saída do escape: um lado é alimentado pelo fluxo dos gases de escape, enquanto o outro comprime o ar de admissão. O tempo de escape carrega energia que, na maioria das vezes, é desperdiçada; como o turbo trabalha com essa pressão, funciona de forma mais eficiente e, ao forçar mais ar para dentro do cilindro, permite extrair mais potência de cada tempo de potência. Em um estudo com turboalimentação variável, a potência de saída foi melhorada em 165% em comparação com um modelo aspirado. A limitação conhecida do projeto é o turbo lag: a potência não chega instantaneamente, é necessário um aumento de rotação e pressão; em marcha lenta e em velocidades baixas e médias, o motor funciona quase como aspirado.
O Teto da Eficiência e uma Breve História
Um motor de combustão interna converte em média apenas 40-45% da energia fornecida em trabalho mecânico; os motores de ciclo Otto mais eficientes operam com aproximadamente 30% de eficiência térmica e o calor restante é perdido por atrito e nos acessórios. Além disso, os motores podem ser construídos deliberadamente um pouco menos eficientes para controles de emissões, como o catalisador. Já o ciclo Atkinson proporciona eficiência à custa da densidade de potência e é usado em aplicações híbridas modernas; muitos motores modernos alcançam essa economia com comando de válvulas não convencional, para produzir o efeito de compressão curta e tempo de potência longo.
A história também é instrutiva: Otto, em 1861, ao testar o motor de Lenoir, notou o efeito da compressão na eficiência; em 1876, Otto e Langen criaram o primeiro motor de combustão interna bem-sucedido, que comprimia a mistura de combustível antes da ignição. Em 1883, Daimler e Maybach produziram o primeiro motor Otto de alta velocidade; em 1885, Daimler, com o Reitwagen, criou o primeiro veículo do mundo com motor de combustão interna; em 1886, Karl Benz desenvolveu seu veículo com motor de quatro tempos, considerado o primeiro automóvel. O motor a diesel é um refinamento técnico do ciclo Otto de 1876: Rudolf Diesel criou seu motor bem-sucedido em 1893. Hoje, o projeto de quatro tempos é a arquitetura de motor de combustão interna mais comum dos veículos rodoviários, em uma gama que vai de automóveis a caminhões, de trens a diesel a aeronaves leves e motocicletas.
Conclusão: Quatro Tempos de 180 Graus
Toda a física do motor de quatro tempos pode ser reduzida a quatro fatias divididas em uma volta de 720 graus do virabrequim: enchimento por vácuo, compressão em volume fechado, combustão que produz trabalho uma única vez e limpeza. Tecnologias como comando de válvulas, injeção e turbo servem todas ao mesmo objetivo: extrair mais rendimento de cada milissegundo dessas fatias. Quando esse fundamento fica claro, o restante da tecnologia de motores, da taxa de compressão ao turbo lag, torna-se muito mais legível.