Motores de combustão interna – parte 2

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No último post (leia aqui), pudemos explorar os princípios básicos de funcionamento de um motor de combustão interna. Hoje iremos explorar as diferentes configurações de cilindros e de válvulas que existem, bem como suas principais vantagens e desvantagens.

Formas de acionamento de válvulas

Como vimos no primeiro post da série, motores de quatro tempos e pistão alternativo necessitam de válvulas para controlar o fluxo de gases. Para garantir que o acionamento ocorra no momento correto, diversos tipos de sistemas de acionamento foram criados ao longo dos anos. Abaixo iremos ver os principais tipos de sistemas empregados durante a história. Outros sistemas foram propostos ao longo dos anos, e no futuro iremos explorar esses diferentes conceitos em novas postagens.

Válvula lateral (Side Valve)

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Conhecidos como flathead nos meios automobilísticos pelo formato plano dos cabeçotes, em motores com esse tipo de acionamento o eixo comando fica próximo ao virabrequim, e as válvulas ficam na lateral do bloco, acionadas diretamente pelo eixo comando (ver imagem acima). Por serem mais simples e baratos foram muito comuns até a década de 1950, quando os motores OHV começaram a se popularizar.

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Motores OHV (Over Head Valve)

No sistema OHV as válvulas são acionadas através de varetas e balancins que fazem a ligação com os cames do eixo comando, que ainda fica posicionado no bloco. Esse sistema representou uma grande evolução em relação ao sistema de válvulas laterais, pois com o posicionamento das válvulas no cabeçote foi possível adotar geometrias otimizadas para a câmara de combustão, permitindo aumentar a taxa de compressão sem o risco de detonação, além de permitir dutos de admissão e exaustão mais curtos, melhorando a eficiência volumétrica com menor perda de carga no fluxo de gases.

A partir da década de 1950 se tornaram muito comuns em carros de passeio, caindo em desuso após a década de 1980 quando foram substituídos pelos sistema OHC. Ainda podem ser encontrados em motores em V, principalmente os de origem americana, e raramente em motores de menor cilindrada voltados a baixo custo de produção.

Motores OHC (Over Head Camshaft)

Apesar dos ganhos que foram possíveis com o sistema OHV, esse sistema também apresenta algumas limitações, principalmente porque o sistema de varetas e balancins tem massa elevada, consumindo muita energia para ser aberto e exigindo molas com maior carga, resultando em maior perda de energia e exigindo grande esforço para se aumentar a faixa de giros do motor. Para resolver esses problemas, foi criado o sistema OHC (Over Head Camshaft), onde o eixo comando de válvulas sai do bloco e passar a ser montado diretamente no cabeçote, acionando as válvulas diretamente, e ligado ao virabrequim através de correias ou correntes de sincronismo.

Dentro desse sistema, ainda existe a diferenciação entre motores com um eixo comando,SOHC (Single Over Head Camshaft) e com dois eixos comando, DOHC (Double Over Head Camshaft). Em geral, motores com duas válvulas por cilindros são SOHC, enquanto motores multiválvulas (com 3, 4 ou 5 válvulas por cilindros) são DOHC, apesar de existirem exceções a essas regras.

Disposição dos cilindros

Tão importante quanto as formas de acionamento de válvulas para definir as características de um motor, é a forma como seus cilindros ficam dispostos. Isso e a quantidade de cilindros influenciam diretamente no espaço necessário para que sejam instalados, troca térmica com o meio e nível de vibrações que

 Motores em linha

Motores em linha tem seu nome devido a disposição dos seus cilindros, enfileirados em uma linha reta, como na imagem acima. São os mais comuns nos carros que encontramos no Brasil, e são encontrados principalmente em versões de 3, 4 e 6 cilindros.

Motores em V

Diferente dos motores em linha, nos motores em V os cilindros ficam dispostos inclinados em relação aos outros, com duas bielas ligadas ao mesmo mancal do virabrequim. São mais comumente encontrados em versões de 6, 8 e 12 cilindros, em motores de alto desempenho. Ângulos comuns do V são 45°, 60°, 90° e 180°. O primeiro motor em V foi fabricado ainda em 1889 pela Daimler, baseado no projeto de Wilhelm Maybach.

Motores boxer

Os chamados motores boxer são motores onde os pistões trabalham na horizontal. São diferentes dos motores V com ângulo de 180° pois as bielas ficam posicionadas em mancais diferentes, defasados em 180°. A origem do nome vem do movimento dos pistões, que se assemelha a boxeadores trocando socos, e o conceito foi desenvolvido pelo alemão Karl Benz ainda em 1896. Sua aplicação mais conhecida são os motores VW refrigerados a ar de Fusca, Kombi e cia, e são os únicos motores naturalmente balanceados para qualquer número par de cilindros. Hoje podem ser encontrados na maioria dos automóveis Subaru e Porsche, além de serem muito comuns em aplicações aeronáuticas.

Motores VR (V-Reihenmotor)

Criados pela Volkswagen, os motores VR foram a solução encontrada pela marca alemã para utilizar motores maiores em seus modelos compactos, cujo vão motor havia sido projetado para receber motores de no máximo quatro cilindros. Os motores VR (do alemão V-Reihenmotor, ou motor V em linha), são motores em V cujo ângulo entre as bancadas é muito agudo (10,5° ou 15°), permitindo a utilização de apenas um cabeçote e dois eixos comando, sendo um meio termo entre o baixo custo dos motores em linha e o melhor aproveitamento de espaço dos motores em V.

Motores W

Motores em W são pouco comuns durante a história, as primeira aplicações tendo surgido no início do século XX para aplicações aeronáuticas. Consiste em três bancos de cilindros unidos por um único virabrequim, como podemos ver no esquema abaixo. A aplicação automotiva mais recente desse tipo de motor foi o malfadado projeto Life de Fórmula 1, em 1990.

Motores em W do grupo Volkswagen (V-VR)

Outro tipo de motor comumente chamada de motor em W são os utilizados pelo grupo VW em carros como Bugatti Veyron e outros. Consiste basicamente em dois motores VR unidos pelo mesmo virabrequim, sendo chamados também de motores V-VR.

Outro tipo de motor comumente chamada de motor em W são os utilizados pelo grupo VW em carros como Bugatti Veyron e outros. Consiste basicamente em dois motores VR unidos pelo mesmo virabrequim, sendo chamados também de motores V-VR.

Motores radiais

Apesar de pouco utilizados em automóveis, os motores radiais tiveram seus dias de glória na aeronáutica, até que as turbinas se tornaram dominantes na aviação. Como o próprio nome já diz, nesses motores os pistões se movem em torno do raio de giro do virabrequim. Hoje sua aplicação é limitada, porém ainda são fabricados para uso em aviões acrobáticos e motores diesel para geradores.

Motores Radiais Multibanco

Uma variação sobre o conceito de motores radiais, os motores multibanco consistem em dois ou mais motores radiais unidos pelo mesmo virabrequim. Assim como os motores radiais, entraram em desuso com a chegada das turbinas a indústria aeronáutica. Raramente foram aplicados em automóveis, uma notável exceção sendo o carro de corrida Monaco-Trossi de 1936.

Motores Wankel

Também conhecidos como motores de pistão rotativo, o conceito dos motores Wankel foi criado pelo alemão Felix Wankel, e aprimorado por Hanns Dieter Paschke. Foi criado como um motor de quatro tempos, mas sem as complicações de sistemas de sincronismo e biela-virabrequim. Seu funcionamento é baseado em um rotor de formato triangular que gira movido por um eixo excêntrico dentro de uma carcaça de formato epitrocoidal. Quando um ciclo começa, a passagem da ponta do rotor (A) pela janela de ignição dá início ao processo de admissão para a câmara de compressão, até o ponto onde as velas de ignição produzem a centelha, dando início a combustão. Com isso a queima da mistura ar-combustível da início ao processo de expansão, e quando o ponto A passa pela janela de exaustão os gases da combustão são expulsos da câmara de combustão.

O primeiro automóvel de rua a utilizar um motor Wankel foi o NSU Spider, em 1964, e inicialmente diversas montadoras foram atraídas pela possibilidade de um motor mais simples e leve. Recentemente a única empresa a ainda desenvolver o conceito foi a japonesa Mazda, porém esses motores foram descontinuados em 2012 por serem incapazes de atingir as cada vez mais exigentes metas de emissão de poluentes.

Fontes:

SAE Internal Combustion Engine Handbook. Chapter 2: Definition and Classification of Reciprocicating Piston Engines.

SAE Internal Combustion Engine Handbook. Chapter 7: Engine Components.

 

 

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Motores de combustão interna: parte 1

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Se você já abriu o capô do seu carro e se perguntou como aquele monte de metal, plástico, tubos e fios tem capacidade de fazer algo tão grande e pesado se mover, ou se você gostaria de saber o que significam termos como dois tempos, ciclo Otto e ciclo Diesel, você veio ao lugar certo. Nessa série de postagens iremos explorar os princípios de funcionamento e características principais dos motores de combustão interna mais comuns.

Introdução: tipos de motores

Os motores de combustão interna fazem parte de uma categoria de máquinas de fluxo chamadas de máquinas de deslocamento positivo. Dentro dessa categoria se enquadram máquinas motrizes, que produzem energia mecânica através do trabalho de um fluido, como os motores, e máquinas geratrizes que consomem energia mecânica para fornecer trabalho a um fluido, como compressores ou a bomba de água abaixo:

Bomba ZM 51. Fonte: ZM Bombas [1].

Bomba ZM 51. Fonte: ZM Bombas [1].

Existem diversos tipos de mecanismos para máquinas de deslocamento positivo, como pistões, rotores, engrenagens e diversas outras que iremos explorar no futuro, mas por hoje iremos nos concentrar nos motores de pistões alternativos, que tem seu funcionamento baseado no mecanismo biela-manivela.

E.torQ

Motor E.torQ. Fonte: FPT Powertrain [2].

Princípios mecânicos: O mecanismo biela-manivela

motor

Exemplo de um mecanismo biela-manivela de um motor de quatro cilindros.

Como dito anteriormente, o principal elemento necessário para compreender o funcionamento da maioria dos motores é o mecanismo biela-manivela. Esse mecanismo é capaz de transformar movimento linear em movimento rotacional e vice-versa. Na imagem abaixo podemos ver esse sistema como aplicado em um motor, e seus principais componentes:

Biela-manivela

Observando o esquema acima, podemos entender o funcionamento básico do mecanismo biela-manivela em um motor: dentro do cilindro (1) a mistura de ar e combustível entra em combustão, e com isso se expande movendo o pistão (2) para baixo. Como o pistão está preso a biela (3) e a mesma ao virabrequim (4), o movimento linear é transformado em rotação do virabrequim, e essa rotação é a que é transferida até as rodas dos nossos automóveis. Depois do ciclo completado, o pistão é novamente impulsionado para cima devido a inércia de rotação, dando início a outro ciclo.

Ciclos de funcionamento

Após entender o funcionamento do mecanismo biela-manivela, vamos ver quais são os principais ciclos de funcionamento de um motor, ou seja, quais as principais formas pelas quais um motor “respira”.

Ciclo quatro tempos

VW EA 211 R3 1.0

O motor EA211 da Volkswagen é um exemplo de motor 4 tempos moderno. Fonte: Automotive Engineer [3].

O ciclo quatro tempos é criação do engenheiro francês Alphonse Beau de Rochas, mas a sua primeira implementação bem-sucedida foi pelas mãos do alemão Nikolaus Otto, ainda em 1876. Hoje praticamente todos os carros e motos que vemos na rua se utilizam de motores quatro tempos, que são assim chamados por que seu ciclo de trabalho é composto por quatro etapas bem distintas entre si:

Ciclo_4_tempos

As etapas do ciclo quatro tempos. Fonte: Manutenção Aeronáutica [4].

  • Admissão: o primeiro tempo do motor a válvula de admissão se abre, permitindo a entrada da mistura de ar e combustível para o cilindro, enquanto o pistão desce;
  • Compressão: no segundo tempo, ambas as válvulas estão fechadas e o pistão começa a subir novamente, comprimindo a mistura;
  • Explosão: o terceiro tempo o trabalho é realizado pelo motor, com a explosão da mistura que empurra o pistão para baixo;
  • Exaustão: o quarto e último tempo é chamado de exaustão, quando a válvula de exaustão se abre para que o pistão possa expulsar o resultado da queima de combustível para fora do motor, começando o ciclo novamente.

Na animação abaixo podemos ver as etapas de funcionamento de um motor quatro tempos a medida que elas acontecem:

4-Stroke-Engine

Principais vantagens do ciclo quatro tempos:

  • Melhor controle da combustão pela distinção dos eventos em cada etapa, melhorando a eficiência e reduzindo as emissões de poluentes;
  • Melhor lubrificação por contar com sistema de lubrificação isolado

Principais desvantagens:

  • Maior peso em relação a um motor dois tempos de desempenho equivalente, pois ocorre uma combustão a cada duas rotações do virabrequim;
  • Maior complexidade devido às válvulas e sistema de acionamento das mesmas;
  • Maior custo de produção em relação a um motor dois tempos;

Ciclo dois tempos

Rotax_125_Max

Motor Rotax 125 Max evo. Fonte: Rotax [5].

Já o ciclo dois tempos é obra do engenheiro escocês Dugald Clerk, que o criou em 1878 através da simplificação do ciclo de quatro tempos de Otto. Hoje sua aplicação em veículos automotores é limitada, sendo muito comum ainda em máquinas como motosserras e roçadeiras, e também em karts. Como o próprio nome já diz, nesses motores o ciclo é composto por duas etapas bem distintas, como podemos ver abaixo:

Ciclo_2_tempos

As etapas do ciclo dois temos. Fonte: Motonline [6].

  • Tempo de força: diferente do ciclo quatro tempos, os motores quatro tempos não utilizam válvulas para o controle da entrada e saída de mistura ar-combustível no cilindro. Ao invés disso, janelas nas laterais do cilindro tem essa função, sendo a de admissão em posição mais baixa que a de exaustão. O primeiro tempo começa logo após a explosão, quando o pistão desce abrindo a janela de exaustão e os gases de combustão são expulsos, criando um vácuo no cilindro. Quando o pistão desce ainda mais ele abre também a janela de admissão, de forma que o vácuo criado começa a aspirar a mistura que estava presente no interior do motor.
  • Tempo de compressão: quando o pistão inicia novamente seu processo de subida, acaba bloqueando a janela de entrada de mistura, e no processo termina de expulsar os gases de combustão. Continuando esse movimento, também a janela de exaustão é fechada até o momento onde ocorre uma nova explosão, dando início a um novo ciclo.

No gif abaixo podemos ter uma visão melhor de como essas duas etapas ocorrem:

Two-Stroke_Engine

Principais vantagens:

  • Menor peso em relação a um motor de quatro tempos equivalente, pois a cada rotação do virabrequim ocorre uma combustão;
  • Maior simplicidade devido a ausência de válvulas e sistemas de sincronismo;
  • Menor custo de produção;

Principais desvantagens:

  • Maior emissão de poluentes devido a necessidade de mistura de óleo ao combustível para lubrificação;
  • Baixa eficiência devido a dificuldade de controlar a mistura dos gases de combustão com a mistura ar-combustível, pois os processos não possuem distinção clara;
  • Dificuldade com lubrificação devido a impossibilidade de ter-se um sistema de lubrificação mais complexo.

Princípios Termodinâmicos

No último tópico abordado nesse post, agora iremos visualizar como os motores se dividem quanto ao seu ciclo termodinâmico, e entender quais os principais ciclos hoje encontrados em motores de combustão interna.

Princípios Termodinâmicos

Finalmente, agora iremos entender como um motor é capaz de gerar energia a partir da queima do combustível, vendo os principais ciclos termodinâmicos hoje encontrados em motores de combustão interna

Ciclo Otto

O ciclo Otto é aquele encontrado em motores a gasolina e a álcool, sejam eles de dois ou quatro tempos. Foi idealizado por Beau de Rochas, mas o primeiro a implementá-lo com sucesso foi o alemão Nicolaus Otto, em 1876.

Para entender ser princípio, podemos analisar o ciclo Otto ideal, que é uma idealização desconsiderando perdas e processos irreversíveis.

Diagrama P x V do ciclo Otto ideal. Fonte:

Diagrama P x V do ciclo Otto ideal. Fonte: MSPC [7].

É composto pelos seguintes processos:

  • 0-1: admissão isobárica (com pressão constante), do momento em que a válvula de admissão se abre até que o pistão atinja seu ponto mais baixo;
  • 1-2: compressão adiabática (sem troca térmica com o ambiente), quando a válvula de admissão e o pistão se desloca de seu ponto mais inferior até o superior, aumentando a pressão da mistura ar-combustível;
  • 2-3: combustão isocórica, que equivale a queima do combustível a volume constante, iniciada a partir de uma centelha emitida pela vela de ignição;
  • 3-4: expansão adiabática, onde o trabalho é fornecido pela expansão dos gases resultantes da combustão;
  • 4-1: Exaustão isovolumétrica, referente a fase de abertura da válvula de exaustão, onde os gases queimados são expulsos para o ambiente, igualando a pressão a do ambiente;
  • 1-0: Exaustão isobárica, referente ao movimento do pistão no sentido de exaurir o restante dos gases remanescentes da queima.

Ciclo Diesel

Diagrama P x V do ciclo Diesel ideal. Fonte:

Diagrama P x V do ciclo Diesel ideal. Fonte:

O ciclo Diesel, como o nome já diz, é aquele encontrado nos motores movidos a Diesel, encontrado principalmente em utilitários. Diferentemente dos motores Otto, nos motores Diesel a ignição não necessita de velas de ignição, ocorrendo pela injeção do combustível em alta pressão diretamente da câmara de combustão. Nesse caso a ignição acontece pois quando comprimido aumenta de temperatura, chegando ao ponto de iniciar a combustão. Novamente vamos usar o ciclo Diesel ideal para entender seu princípio de funcionamento.

  • 0-1: admissão isobárica (com pressão constante), do momento em que a válvula de admissão se abre até que o pistão atinja seu ponto mais baixo;
  • 1-2: compressão adiabática (sem troca térmica com o ambiente), quando a válvula de admissão e o pistão se desloca de seu ponto mais inferior até o superior, aumentando a pressão da mistura ar-combustível;
  • 2-3: combustão isobárica, quando o pistão atinge seu ponto superior e o combustível começa a ser injetado na câmara de combustão, prosseguindo por parte do movimento de descida;
  • 3-4: expansão adiabática, quando a combustão termina e o pistão continua seu movimento de descida, realizando trabalho útil devido a expansão dos gases de combustão;
  • 4-1: Exaustão isovolumétrica, referente a fase de abertura da válvula de exaustão, onde os gases queimados são expulsos para o ambiente, igualando a pressão a do ambiente;
  • 1-0: Exaustão isobárica, referente ao movimento do pistão no sentido de exaurir o restante dos gases remanescentes da queima.

Nesse post vimos as formas mais comuns como os motores de combustão interna se apresentam, porém diversas outras formas foram pensadas, tanto na forma de diferentes ciclos termodinâmicos, quanto na forma de diferentes mecanismos e ciclos de funcionamento. Abaixo você pode encontrar exemplos de diversos outros sistemas que foram propostos ou que estão sendo propostos na sempre constante busca por maior eficiência.

Princípios mecânicos:

Motor de pistão rotativo X-Mini: http://nivelandoaengenharia.com.br/blog/2016/07/31/revolucoes-por-minuto-inovacoes-no-mundo-dos-motores-parte-2/

Motor de taxa de compressão variável Nissan VC-T: http://nivelandoaengenharia.com.br/blog/2016/08/20/revolucoes-por-minuto-inovacoes-no-mundo-dos-motores-parte-3/

Princípios termodinâmicos:

Ciclo HEHC: http://nivelandoaengenharia.com.br/blog/2016/07/31/revolucoes-por-minuto-inovacoes-no-mundo-dos-motores-parte-2/

Fontes:

SAE Internal Combustion Engine Handbook. Chapter 2: Definition and Classification of Reciprocicating Piston Engines.

SAE Internal Combustion Engine Handbook. Chapter 5: Thermodynamic Fundamentals.

Manual de Tecnologia Automotiva Bosch, 25ª Edição. Motor de ignição por centelha (ciclo Otto), pgs. 482-486.

Manual de Tecnologia Automotiva Bosch, 25ª Edição. O motor a Diesel, pgs. 487-492.

Moran, Michael J., Shapiro, Howard N. Princípios de Termodinâmica para Engenharia, 4ª Edição. Capítulo 9: Sistemas de Potência a Gás.

Imagens:

[1]: Retirado de: Bombas ZM acionadas por roda d’água. Disponível em: http://www.zmbombas.com/bombas/. Data de acesso: 27/02/2017.

[2]: Retirado de: Fiat Punto 2016. Disponível em: http://www.fiat.com.br/tablet/carros/novo-punto.html. Data de acesso: 28/02/2017.

[3]: Retirado de: Volkswagen up. Disponível em: http://ae-plus.com/vehicle-development/volkswagen-up/page:3. Data de acesso: 28/02/2017.

[4]: Retirado de: Motores a pistão. Disponível em: http://aeronaves2014.blogspot.com.br/p/motores-pistao.html. Data de acesso: 01/03/2017.

[5]: 125 MAX evo. Disponível em: http://www.rotax-kart.com/en/Products/MAX-Engines/1-125-MAX-evo. Data de acesso: 01/03/2017.

[6]: Retirado de: Montadora espanhola destaca qualidades dos motores dois tempos. Disponível em: http://www.motonline.com.br/noticia/montadora-espanhola-destaca-qualidades-dos-motores-dois-tempos/. Data de acesso: 01/03/2017.

[7]: Retirado de: Termodinâmica V-20. Disponível em: http://www.mspc.eng.br/termo/termod0520.shtml. Data de acesso: 03/03/2017.

[8]: Retirado de: Termodinâmica V-25. Disponível em: http://www.mspc.eng.br/termo/termod0525.shtml. Data de acesso: 03/03/2017.

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