Como Funciona – Motores a combustão interna
Os motores a combustão são, até um futuro próximo, o principal meio de geração de energia motriz em todo o mundo. De motonetas à aviões, esses motores se tornaram motivo de orgulho, principalmente quando relacionados à carros potentes, mas também se tornaram um dos principais focos das ações contra o aquecimento global. Então, vamos conhecer um pouco sobre eles?
História
O sistema moto propulsor de uma máquina é o responsável por produzir força motriz suficiente para gerar movimento. No automóvel isto não é diferente, pois o conjunto de peças que dão forma ao motor são as responsáveis por gerar, através de um movimento retilíneo, uma resultante de movimento rotativo.
Nikolaus August Otto(1832-1891), engenheiro e inventor alemão nascido em Holzhausen an der Haide, perto de Schlangenbad, foi quem inventou e construiu o primeiro motor de combustão interna de quatro tempos e determinou o ciclo teórico sob o qual trabalha o motor de explosão (1876), o conhecido ciclo Otto. Aos 16 anos deixou a escola e foi trabalhar em um supermercado. Ele também trabalhou como um balconista em Frankfurt e como um vendedor ambulante. Ele vendeu açúcar, bateria de cozinha e chá a supermercados na fronteira alemã com a Bélgica e a França, e como vendedor ambulante interessou-se por mecânica e aprendeu o engenho da máquina inventada por Etienne Lenoir (1822-1900), a primeira máquina de combustão interna executável. Otto construiu o primeiro protótipo de seu motor em 1867, tendo ganho a medalha de ouro da Feira de Hannover naquele ano.
Otto começou sua fábrica em Köln (Colônia) na Alemanha, após estabeleceu outra fábrica na Filadélfia, EUA, sendo que os motores lá produzidos ficaram conhecidos como “Ottos columbianos” (fabricados entre 1893 e 1915). A empresa de Otto, a N.A. Otto & Cie., existe até hoje, chamando-se atualmente Deutz A.G.
Depois da sua criação o motor de combustão interna criado por Otto atravessaria os séculos impulsionando as formas de tração mecânica. Com as ciências da antiga geração, do século XVII, foi que o homem buscou construir um mecanismo para gerar força de uma maneira automática, diferente de uma tração humana ou animal, e que pudesse levá-lo a grandes distâncias e certas velocidades maiores que as de seus passos.
Na época da criação do primeiro motor a combustão interna, o motor a vapor já estava bem difundido entre eles. Inclusive com certa frequência já se via algumas embarcações nos rios e algumas locomotivas movidas pela pressão do vapor cruzando o território Europeu e Americano.Outra vantagem era o baixo consumo de combustível, embora ainda sendo benzeno e um sistema de alimentação de combustível não muito eficiente, que se diferenciava dos motores anteriores, onde em poucos quilômetros ou em poucas horas de funcionamento queimavam um balaio de lenha.
O motor de Otto obteve inúmeras vantagens em relação ao motor a vapor. Uma delas é o baixo peso já que o motor a combustão interna não precisava de um reservatório de água para ser aquecida, muito menos um combustível para ser queimado e aquecer a água, sendo na época comum utilizar a lenha ou o carvão.
A potência dos motores de combustão interna ciclo Otto também superava, em proporções de tamanhos, a do motor a vapor. Apenas a pressão do vapor empurrava os pistões e bielas para gerar força e movimento rotativo enquanto no motor de ciclo Otto uma explosão de combustível, um poder térmico e um deslocamento de gases assumia o papel do vapor com muito mais eficiência, gerando maior potência. Quando a utilização de gasolina, que antes de ser utilizada nos motores era um subproduto do petróleo jogado fora, passou a ser um combustível com mais poder de explosão e com um percentual de lubrificação, alimentando os motores, o motor de ciclo Otto aumentou ainda mais a sua potência e torque.
O motor de combustão interna ciclo Otto com todas essas vantagens, sendo mais leve e compacto oferecendo mais versatilidade em comparação com os motores a vapor, logo se consagrou como a força motriz que se estenderia até os dias atuais nas mais diferentes aplicações que pudesse servir com a sua força de trabalho ao homem. Os automóveis, as embarcações, os ônibus, os caminhões, as máquinas de trabalho rural e de canteiros de obras, assim como na indústria em geral e até mesmo na aviação utilizam ainda o princípio de funcionamento, em motores de combustão interna, de 150 anos atrás.
Como funciona?
O motor que normalmente equipa os automóveis movidos a álcool/gasolina é o motor de combustão interna, também chamado de motor de explosão interna ou motor a explosão, comumente de quatro tempos.
Os termos “combustão” e “explosão” são usados no nome desse motor porque o seu princípio de funcionamento baseia-se no aproveitamento da energia liberada na reação de combustão de uma mistura de ar e combustível que ocorre dentro do cilindro do veículo. Esse motor também é chamado de “motor de quatro tempos” porque seu funcionamento ocorre em quatro estágios ou tempos diferentes.
Conhecer como esses estágios do funcionamento do motor de combustão interna ocorrem ajuda-nos a compreender por que é importante usar gasolinas de qualidade com alto índice de octanagem. Antes, porém, veja quais são os nomes das principais partes do motor:
Agora veja como funciona o motor de um carro e o que ocorre em cada tempo:
1º tempo: Admissão — No início, o pistão está em cima, isto é, no chamado ponto morto superior. Nesse primeiro estágio, a válvula de admissão abre e o pistão desce, sendo puxado pelo eixo virabrequim. Uma mistura de ar e vapor de gasolina entra pela válvula para ser “aspirada” para dentro da câmara de combustão, que está a baixa pressão. O pistão chega ao ponto morto inferior, e a válvula de admissão fecha, completando o primeiro tempo do motor.
2º tempo: Compressão — O pistão sobe e comprime a mistura de ar e vapor de gasolina. O tempo de compressão fecha quando o pistão sobe totalmente.
3º tempo: Explosão ou combustão — Para dar início à combustão da mistura combustível que está comprimida, solta-se uma descarga elétrica entre dois pontos da vela de ignição. Essa faísca da vela detona a mistura e empurra o pistão para baixo, fazendo com que ele atinja o ponto morto inferior. É nesse tempo que é gerada toda a força motriz possível do conjunto e, em suma, quando tem-se por completo um ciclo de 4 tempos em cada cilindro, tem-se toda a potência do motor entregue ao conjunto de transmissão.
4º tempo: Escape — A mistura de ar e combustível foi queimada, mas ficaram alguns resíduos desta combustão que precisam ser retirados de dentro do motor. Isso é feito quando o pistão sobe, a válvula de escape abre, e os gases residuais são expulsos.
Esquematicamente, temos:
Esse processo inicia-se novamente, e os quatro tempos ocorrem de modo sucessivo. Os pistões (carros de passeio costumam ter de quatro a seis cilindros), que ficam subindo e descendo, movem um eixo de manivela, chamado virabrequim, que está ligado às rodas pela transmissão. Essa trata-se de um conjunto de engrenagens que, quando variadas suas posições através da troca das marchas do veículo, assumem determinadas relações entre a rotação do motor e aquela que é transmitida para as rodas, fazendo-as girar e, consequentemente, o carro andar.
É importantíssimo frisar o fato de que a manutenção preventiva de todo o sistema motriz e a utilização de um combustível de boa qualidade está diretamente relacionada ao desempenho do mesmo e até mesmo à sua durabilidade. Logo, certifique-se de que os devidos cuidados estão sendo tomados com seu veículo, e se não estiverem, busque melhor esse relacionamento, rsrs.
Uma analogia que pode ajudar no entendimento desse processo é pensar em como fazemos uma bicicleta movimentar-se. Fazemos com as pernas movimentos de sobe e desce, assim como os pistões do carro. As manivelas presas aos pedais da bicicleta estão conectadas à corrente, que se movimenta e faz as rodas girarem. Algo parecido ocorre no carro: o movimento de cima para baixo dos pistões gira o virabrequim, que leva a energia mecânica até o sistema de transmissão, que, por sua vez, distribui essa energia para as rodas.
Isso nos mostra que energia química (da reação química de combustão) é transformada em energia mecânica, que, por sua vez, faz as rodas do carro movimentarem-se. A energia que faz o combustível explodir vem da bateria do automóvel. Essa corrente elétrica é amplificada pela bobina, e um distribuidor faz a sua divisão entre as velas em cada cilindro.
Além disso, a combustão é uma reação exotérmica, liberando grande quantidade de calor. Assim, é preciso que o radiador use água para resfriar o motor e garantir que ele continue funcionando.
E que tal um vídeo bem detalhado para exemplificar tudo isso e muito mais? Então fique à vontade!
Futuro
Apostas sobre o futuro da indústria têm se tornado cada vez mais comuns no meio automotivo. Praticamente de forma unânime, elas apontam para o fim dos tradicionais motores a combustão. Na previsão mais recente, confidenciada à agência de notícias Reuters, a fabricante de componentes Continental cravou que propulsores deste tipo deixarão de ser desenvolvidos por montadoras alemãs no prazo máximo de 6 anos. Depois disso, todos os investimentos serão concentrados em projetos de propulsão elétrica e em sistemas de condução autônoma.
“Uma nova geração de motores a combustão ainda deve ser desenvolvida, mas, depois de 2023, desenvolvimentos adicionais não serão mais economicamente justificáveis porque mais e mais trabalhos de desenvolvimento se voltarão para a mobilidade elétrica”, disse o chefe de finanças da empresa, Wolfgang Schaefer. Dessa forma, depois de 2023 – segundo previsões do executivo – todos os esforços para projetar novas famílias de propulsores a diesel e gasolina serão deixados de lado.
Não por acaso, a data se aproxima do limite estabelecido por países como Reino Unido e França para a comercialização de carros a combustão: 2040. Os motores desenvolvimentos neste prazo de 6 anos devem ser usados, com pequenas melhorias, até o fim da era da combustão, como mostram famílias longevas de motores ainda no mercado. Mais uma prova de que o futuro da indústria será ligado na tomada, literalmente.
Os grandes mercado globais globais de veículos já deixaram claro que o carro elétrico é o futuro. Essa rota tecnológica está definida, mas há bons indícios de que ela não será exclusiva. “Há grande campo para melhorar e tornar os motores a combustão mais eficientes. O caminho é eletrificar, mas é importante lembrar que um carro híbrido, por exemplo, ainda conta com um motor a combustão”, diz Ricardo Abreu, diretor de pesquisa e desenvolvimento da Mahle. “Precisamos trabalhar em soluções de baixo carbono com a maior aceitação possível pelo consumidor, fazer o melhor uso de todas as alternativas, sem preconceito”, reforça.
Na visão dele, é essencial levar em conta o ciclo de emissões do poço à roda, considerando que muitos países poluem muito para gerar energia elétrica. É nesse contexto que o motor a combustão tem vida longa, mas não necessariamente com combustíveis fósseis. “Soluções alternativas e renováveis como o gás natural, etanol e biodiesel tendem a crescer.” Estudo destacado por Abreu indica que, em 2030, 90% da frota mundial ainda será composta por carros equipados com o bom o velho motor a combustão. Esse percentual cairá para 75% em 2040, mostra, sinalizando que as vendas de modelos zero emissão vão acelerar consideravelmente nos próximos anos.
Para Abreu, ainda que conte com o etanol como fonte limpa de energia, o Brasil está claramente atrasado na eletrificação. “Não podemos ficar fora do mundo. Se este é o caminho e precisamos partir para a ação. Estamos atrasados e só com uma legislação que nos indique as próximas etapas será possível ir adiante.
A BMW aponta outra tendência para quem ainda vai produzir motores de capacidade cúbica maior. O projeto da futura plataforma, que surgirá sob o conceito EfficientDynamics, partiu do princípio do cilindro “ideal”, com 0,5 l de capacidade cúbica, para multiplicá-lo em blocos de 3, 4 e 6 cilindros em linha (1.5, 2.0 e 3.0, respectivamente) com turbo e injeção direta, e que poderão dividir até 60% das peças entre si.
A marca ainda não estipula datas para o início da produção dessa linha.Estes exemplos são indícios de que algumas quebras de paradigmas estão só começando no conceito de motorização.
Antes que o carro elétrico ou qualquer outra tecnologia alternativa se torne simplificada o bastante para ser massificada, os veículos movidos a motores de combustão interna perdurarão por muito tempo, mas adequados a um mundo que tem que se renovar por inteiro, a começar pela mentalidade da indústria e do consumidor.
Curiosidade – Motor Turbo
O Turbo é utilizado com o artifício de aumento da potência em motores a combustão. Para tanto, é empregado um conjunto de componentes, sendo a turbina o principal deles, a fim de extrair desempenho do mesmo sem ter que, a princípio, alterar sua formatação interna original.
O turbo-compressor, conhecido apenas como turbo, foi inventado pelo engenheiro Suíço Alfred Buchi em 1905. Em 1920 foi utilizado em locomotivas a diesel, sendo aplicado, pela primeira vez, num motor não diesel na General Electric. Nos dias de hoje, eles equipam 100% das locomotivas a Diesel, Motores Diesel de grandes navios, e todos Motores a Diesel. A Renault foi a primeira equipe de Formula 1 a usar o turbo em 1977, proibido em 1989 pela FIA. Porém em 2014 os motores turbo voltaram a equipar os carros da categoria.
Sabe-se que o torque de um motor está diretamente relacionado à massa de ar que o mesmo consegue aspirar por ciclo de admissão. O turbo comprime o ar antes de ser admitido pelo motor. Assim, dado um mesmo volume de ar, têm-se muito mais massa de ar devido à compressão.
Um turbo-compressor pode ser dividido em duas partes: a turbina (também conhecida como parte quente) e o compressor (parte fria). O nome se dá devido à diferença de temperatura das duas partes que pode exceder centenas de graus durante o trabalho.
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Fontes:
