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Motores a Combustão: História, Evolução e o Futuro da Propulsão

Motores a Combustão: História, Evolução e o Futuro da Propulsão

Os motores a combustão interna desempenham um papel fundamental no desenvolvimento da sociedade moderna. Já falamos sobre seu funcionamento básico neste artigo, mas agora vamos aprofundar ainda mais, explorando sua história, evolução tecnológica e as tendências que moldam o futuro da propulsão.

Os motores a combustão externa surgiram no século XVIII, funcionando principalmente a vapor e utilizando lenha como combustível. Na época, a lenha era abundante e barata, o que tornou esses motores populares, especialmente em máquinas estacionárias. No entanto, foi no século XIX que a revolução realmente aconteceu com o advento dos motores a combustão interna.

Diferentemente dos motores a vapor, os motores a combustão interna queimam o combustível diretamente dentro do motor. Essa inovação trouxe uma enorme vantagem em termos de versatilidade, eficiência e peso, além de permitir um arranque mais rápido e fácil adaptação a diferentes tipos de máquinas.

Em 1860, o mecânico alemão Lenoir construiu o primeiro motor a combustão interna. Ele tinha uma potência modesta de 1 cavalo-vapor e funcionava com gás de iluminação. No ano seguinte, Otto e Langen melhoraram o design de Lenoir, criando um motor que comprimia a mistura de ar e gás, com ignição por centelha elétrica.

Em 1862, o engenheiro francês Beau de Rochas publicou estudos fundamentais sobre termodinâmica, que ajudaram Otto a desenvolver o motor de ciclo Otto, apresentado em 1872. Esse motor utilizava gás de carvão ou gasogênio como combustível e também contava com ignição por centelha elétrica.

A verdadeira inovação chegou em 1889, quando o motor de ciclo Otto foi adaptado para veículos, com a gasolina sendo o combustível escolhido. Foi o começo de uma nova era para os transportes motorizados.

Porém, a história não para por aí. Em 1893, o engenheiro alemão Rudolf Diesel apresentou seu próprio motor, que usava compressão para inflamar a mistura de ar e combustível. Esse motor, que ficou conhecido como motor Diesel, era mais eficiente e robusto, e logo se tornaria a base para os motores de caminhões, ônibus e muitos outros veículos.

Hoje, os motores modernos são descendentes dos trabalhos de Otto e Diesel. As duas grandes categorias que ainda dominam o mercado são:

  • Motores de ciclo Otto: São movidos por combustíveis de baixa volatilidade, como gasolina e álcool, e utilizam ignição por centelha elétrica.
  • Motores de ciclo Diesel: Usam óleo diesel como combustível e a ignição ocorre pela compressão do ar na câmara de combustão, gerando temperaturas suficientemente altas para inflamar o combustível.

Os motores a combustão revolucionaram a indústria e continuam a ser essenciais para o transporte e a produção de energia, mesmo em um mundo que busca alternativas mais limpas. A história desses motores é uma prova de como a inovação e a engenharia podem transformar a sociedade. Para entendermos a importância dos motores à combustão, precisamos compreender seu funcionamento.

 O Motor é uma máquina que converte qualquer forma de energia em trabalho mecânico. Já o motor à combustão transforma energia térmica (calorífica) em trabalho mecânico (energia mecânica).

Como são as etapas para geração de energia no motor a combustão

Principais Componentes

Para entender o funcionamento de um motor a combustão, é essencial conhecer seus principais componentes. Cada peça desempenha um papel fundamental na geração de movimento e no desempenho do motor.

“Dissecando” um motor e seus componentes
  • Bloco

É a maior parte do motor e sustenta todas as outras partes. Nele estão contidos os cilindros, geralmente em linha nos motores de tratores de rodas. São normalmente construídos de ferro fundido, mas a este podem ser adicionados outros elementos para melhorar suas propriedades. Alguns blocos possuem tubos removíveis que formam as paredes dos cilindros, chamadas de “camisas”. Estas camisas podem ser “úmidas” ou “secas”, conforme entrem ou não em contato com a água de refrigeração do motor.

  • Cabeçote

Este componente fecha o bloco na sua parte superior, sendo que a união é feita por parafusos. Normalmente, é fabricado com o mesmo material do bloco. Entre o bloco e o cabeçote existe uma junta de vedação.

  • Cárter

O cárter fecha o bloco na sua parte inferior e serve de depósito para o óleo lubrificante do motor. Normalmente, é fabricado de chapa dura, por prensagem.

  • Pistão

O pistão é uma das peças-chave no motor, responsável por converter o movimento de expansão dos gases em movimento mecânico. Geralmente, ele é feito de ligas de alumínio, um material leve e resistente, e tem um formato cilíndrico para se adaptar ao cilindro do motor.

Dentro do pistão, encontramos dois tipos de anéis:

– Anéis de vedação: Localizados na parte superior do pistão (próximo à cabeça), esses anéis têm a função de vedar a câmara de combustão, impedindo que os gases escapem durante a queima.

– Anéis de lubrificação: Situados na parte inferior do pistão, esses anéis são responsáveis por distribuir o óleo de lubrificação nas paredes do cilindro, garantindo que o motor opere de forma suave e sem desgaste excessivo.

O pistão é conectado à biela por meio de um pino, que geralmente é feito de aço cementado, um material altamente resistente. Esse conjunto de componentes trabalha em conjunto para garantir o bom funcionamento do motor, transferindo a energia gerada pela combustão para o movimento que coloca o veículo em ação.

  • Biela

É a parte do motor que liga o pistão ao virabrequim. É fabricado de aço forjado e divide-se em três partes: cabeça, corpo e pé. A cabeça é presa ao pistão pelo pino e o pé está ligado ao virabrequim através de um material antifricção, chamado casquilho ou bronzina.

  • Virabrequim

O virabrequim (ou girabrequim) é a peça que converte o movimento dos pistões em rotação. Fabricado em aço forjado ou fundido, ele possui dois tipos de mancais:

  1. Excêntricos: Localizados nos pés das bielas, convertem o movimento linear em rotacional.
  2. De centro: Sustentam o virabrequim no bloco do motor, garantindo sua estabilidade.
  • Volante

O volante de inércia é feito de ferro fundido e é fixado no virabrequim. Ele acumula energia cinética para garantir uma velocidade angular uniforme no eixo de transmissão. Durante a fase de expansão de cada pistão (após a explosão do combustível), o volante absorve energia e a libera nos momentos em que o pistão não está em potência, suavizando as variações do ciclo e mantendo o motor estável.

  • Válvulas: O Controle da Entrada e Saída dos Gases

Existem dois tipos de válvulas no motor: admissão e escape. O movimento do virabrequim é transmitido para o eixo de comando de válvulas por engrenagens. Esse eixo se conecta ao eixo dos balancins, que, por sua vez, aciona as válvulas, controlando a entrada de ar e a saída dos gases.

A abertura e o fechamento das válvulas estão relacionadas com o movimento do pistão e com o ponto de injeção, de modo a possibilitar o perfeito funcionamento do motor. As engrenagens da distribuição podem ter uma relação de 1:2, o que significa que cada rotação da árvore de manivelas corresponde a meia rotação da árvore de comando de válvulas.

  • Partes Complementares do Motor a Combustão

São sistemas essenciais que garantem o bom funcionamento do motor:

  • Sistema de Alimentação de Combustível: Fornece o combustível necessário para a combustão, controlando a quantidade e a mistura adequada.
  • Sistema de Alimentação de Ar: Suprimento de ar necessário para a queima do combustível. Inclui o filtro de ar e a tubulação de admissão.
  • Sistema de Arrefecimento: Evita o superaquecimento do motor, mantendo a temperatura dentro dos limites ideais.
  • Sistema de Lubrificação: Reduz o atrito entre as partes móveis, prevenindo o desgaste excessivo e garantindo o bom desempenho.
  • Sistema Elétrico: Responsável pela ignição, alimentação dos sistemas eletrônicos e fornecimento de energia para os componentes do motor.

Funcionamento

A combustão, ou queima, é o processo químico no qual a energia é liberada a partir da mistura de combustível e ar. Em um motor de combustão interna (MCI), a ignição e a queima do combustível ocorrem dentro do próprio motor, gerando energia que é convertida em trabalho mecânico. O motor é composto por um cilindro fixo e um pistão móvel, e os gases de combustão em expansão empurram o pistão, que, por sua vez, aciona o virabrequim. Esse movimento é transmitido, por meio de engrenagens, para o trem de força, que aciona as rodas do veículo.

Existem dois tipos principais de motores de combustão interna: o motor a gasolina, com ignição por centelha, e o motor a diesel, com ignição por compressão. A maioria dos motores modernos segue o ciclo de quatro tempos, onde o pistão realiza quatro movimentos distintos para completar um ciclo de funcionamento: admissão, compressão, combustão e exaustão.

  • Motores a gasolina: A mistura de combustível e ar é introduzida no cilindro durante a fase de admissão. Após a compressão, uma faísca da vela de ignição inflama a mistura, causando a combustão. A expansão dos gases empurra o pistão, gerando movimento.
  • Motores a diesel: Ao contrário dos motores a gasolina, no motor a diesel, apenas o ar é comprimido no cilindro. O combustível diesel é então pulverizado no ar quente e comprimido, provocando sua autoignição, o que gera a combustão.
Exemplo de funcionamento em um ciclo de 4 tempos

Tipos de motores a combustão

Com a compreensão de como funciona um motor a combustão, é possível explorar as diversas topologias de motores disponíveis atualmente. Existem várias configurações de motores, cada uma oferecendo características específicas que atendem a diferentes necessidades de desempenho, eficiência e aplicação. Independentemente do tipo, todos os motores a combustão precisam de ar, combustível e uma fonte de calor para gerar a explosão que movimenta os pistões dentro dos cilindros e, consequentemente, girar as rodas do veículo.

A seguir, serão apresentados os principais tipos de motores a combustão utilizados na indústria e no mercado atualmente.

Motores de 4 cilindros, 3 cilindros e a tendência atual

Tradicionalmente, os motores de 4 cilindros em linha dominaram o mercado de carros de passeio devido ao seu equilíbrio entre potência, custo e confiabilidade. Essa configuração é compacta e relativamente simples, oferecendo bom desempenho para a maioria dos veículos.

No entanto, nos últimos anos, especialmente com a pressão por maior eficiência de combustível e redução de emissões, os motores de 3 cilindros começaram a ganhar espaço. Equipados com turbocompressores, esses motores menores conseguem entregar potência similar (ou até superior) a antigos 4 cilindros aspirados, mas com consumo reduzido e emissões mais baixas.

Motores 1.0 turbo de 3 cilindros, como os encontrados em muitos modelos atuais de marcas como Ford, Volkswagen e Toyota, são um excelente exemplo dessa tendência. Eles demonstram como a tecnologia e a engenharia automotiva continuam evoluindo para atender às necessidades modernas sem sacrificar desempenho.

Evolução dos sistemas de alimentação: carburadores, injeção eletrônica e turbocompressores

Durante boa parte do século XX, os motores utilizavam carburadores para misturar o combustível ao ar antes da entrada no motor. O carburador é um dispositivo mecânico que, através da diferença de pressão, puxa o combustível para dentro da corrente de ar, regulando a mistura ar-combustível. Apesar de simples e robusto, o carburador apresentava limitações em termos de precisão e eficiência, principalmente em diferentes condições de temperatura e altitude.

Com o avanço da tecnologia, os carburadores deram lugar aos sistemas de injeção eletrônica, que proporcionam uma mistura mais precisa e controlada de combustível e ar, otimizando o consumo e reduzindo as emissões de poluentes.

Outra inovação que transformou os motores modernos foi o uso de turbocompressores. Um turbocompressor, ou simplesmente turbo, utiliza a energia dos gases de escape para girar uma turbina que comprime o ar admitido pelo motor. Com mais ar dentro dos cilindros, é possível queimar mais combustível e gerar mais potência, sem necessariamente aumentar o tamanho do motor.

Esse processo de “forçar” o ar para dentro da câmara de combustão é chamado de sobrealimentação, e trouxe ganhos de desempenho e eficiência energética. Hoje, muitos motores que antes eram maiores e aspirados (sem turbo) estão sendo substituídos por motores menores e turboalimentados.

Motores aspirado e sobrealimentado 

Nos motores aspirados, o ar que é misturado com o combustível é puxado para dentro pelo vácuo gerado pelo movimento dos cilindros.

Já os sobrealimentados utilizam um mecanismo para enviar um volume maior de ar para o interior da câmara de combustão e, consequentemente, gerar potência e torque superiores.

Os dois principais equipamentos para sobrealimentar o motor são o turbocompressor e o compressor de ar mecânico.

Motores boxer do Porsche 911 em versões aspirada e turbinada

Tipos de motor de acordo com a disposição de cilindros

  • Em linha: é o mais comum, que define quando todos os cilindros de um motor estão dispostos lado a lado em linha reta.
  • Boxer: os cilindros são posicionados em posição contraposta. O Volkswagen Fusca foi o modelo que popularizou esse tipo de concepção, atualmente utilizada apenas em carros da Porsche e da Subaru.
  • Em V: quando há duas bancadas de quatro cilindros em linha dispostas em ângulo que formam um “V” unido por um virabrequim. Esse tipo de motor é mais comum em carros esportivos, utilitários e picapes grandes.
Motor Ford Coyote V8 usado no Mustang
  • Em W: é o mesmo princípio dos motores em V, mas com duas bancadas duplicadas de cilindros em diferentes ângulos, que forma um esquema parecido com um W. Os hiperesportivos Bugatti Chiron e Veyron são equipados com essa motorização com 16 cilindros.
Motor em W

Eficiência

Os motores a combustão interna, embora ainda dominem a indústria automotiva e outras aplicações, são notoriamente ineficientes. Isso se deve ao fato de que uma grande parte da energia gerada pela queima do combustível é desperdiçada na forma de calor, sem ser convertida em trabalho útil. No entanto, ao longo dos anos, a tecnologia tem avançado, resultando em motores cada vez mais eficientes. Vamos explorar como a eficiência desses motores evoluiu desde o seu surgimento:

Motor de Lenoir (1860)
 O motor de Lenoir, um dos primeiros motores a combustão interna práticos, representou um grande avanço para a época. No entanto, sua eficiência térmica era de apenas 10 a 15%, o que significa que a grande maioria da energia gerada pelo combustível era perdida, com muito pouco convertido em trabalho útil. Apesar disso, ele foi um marco importante na transição dos motores a vapor para os motores a combustão.

Motor de Otto (1876)
 O motor de ciclo Otto trouxe uma melhoria considerável, alcançando uma eficiência térmica de 20 a 25%. Embora ainda houvesse muito desperdício de energia, esse motor começou a mostrar o potencial dos motores a combustão interna, especialmente pela sua maior capacidade de conversão de energia em movimento. Esse foi o motor que estabeleceu a base para o desenvolvimento da indústria automobilística moderna.

Motor Diesel (1893)
 O motor Diesel, desenvolvido por Rudolf Diesel, trouxe uma revolução em termos de eficiência. Em comparação com os motores a gasolina, o motor Diesel conseguiu alcançar eficiências térmicas de 30 a 40%, o que foi um avanço notável para a época. Os motores Diesel são particularmente eficientes para aplicações pesadas, como caminhões e máquinas industriais, devido à sua maior compressão e ausência de ignição por faísca. Hoje, no entanto, motores Diesel modernos ainda não superam 50% de eficiência térmica. Ou seja, ao queimar um galão de diesel, menos da metade da energia gerada se converte efetivamente em energia mecânica para mover o veículo. Esse cenário, apesar de parecer ineficiente, foi muito melhor do que o dos primeiros motores.

Motores Modernos (Século XXI)
 Atualmente, motores Diesel de alta performance podem atingir eficiências térmicas de até 40% ou mais em condições ideais, e motores a gasolina chegam a 25 a 30%. Embora os avanços em design, injeção eletrônica e sistemas de controle ajudaram a melhorar a eficiência, os motores a combustão interna ainda estão longe de alcançar a eficiência ideal. Eles continuam sendo comparativamente ineficientes, especialmente quando se considera a conversão de energia. No entanto, ao longo dos anos, a tecnologia tem contribuído para reduzir o desperdício e melhorar o aproveitamento da energia gerada. No caso dos motores Diesel, esse avanço foi suficiente para transformar os motores em opções viáveis para o transporte de cargas pesadas e veículos de grande porte.

 Embora os motores a combustão interna modernos, como os Diesel, ainda não superem 50% de eficiência térmica, sua evolução ao longo do tempo foi notável. Desde os primeiros motores com eficiências abaixo de 15%, a tecnologia foi melhorando, resultando em motores que hoje podem alcançar eficiências superiores a 40%. Apesar de ainda haver muito espaço para melhorias, o desenvolvimento contínuo da tecnologia de motores a combustão ainda representa um dos maiores marcos na engenharia automotiva e industrial.

Motores de combustão interna x motores elétricos

Os motores que movem nossos veículos têm evoluído consideravelmente ao longo dos anos, com os motores a combustão dominando por mais de um século, mas os motores elétricos estão ganhando espaço de forma crescente. Ambos têm suas peculiaridades, mas as diferenças são evidentes quando analisamos eficiência, impacto ambiental e manutenção.

Os motores elétricos convertem mais de 90% da energia elétrica em movimento. Eles não têm partes móveis que entram em atrito, o que os torna mais silenciosos e com menor desgaste, além de oferecerem torque instantâneo, proporcionando uma aceleração suave e rápida. Além disso, a maior parte da energia elétrica pode vir de fontes renováveis, tornando os veículos elétricos uma alternativa mais sustentável, com zero emissões durante a operação.

Quando se trata de reabastecimento, os motores a combustão ainda possuem a vantagem de uma infraestrutura consolidada. No entanto, os veículos elétricos oferecem a conveniência de carregamento em casa, e a expansão das estações de carregamento está tornando a autonomia cada vez mais viável. A infraestrutura de recarga é uma área em crescimento, mas ainda não está tão estabelecida quanto os postos de gasolina.

Em termos de manutenção, os motores a combustão exigem mais atenção, com trocas de óleo e manutenção regulares, enquanto os motores elétricos exigem muito menos cuidado, o que resulta em custos operacionais mais baixos a longo prazo.

Ainda assim, os motores a combustão continuam dominando devido à infraestrutura existente e ao custo mais baixo inicial. Contudo, com o avanço da tecnologia e o crescente apoio à mobilidade elétrica, a transição para os motores elétricos está em expansão, prometendo um futuro mais limpo, eficiente e sustentável.

Em resumo, a evolução dos motores reflete um movimento claro em direção à eficiência e à sustentabilidade. Os motores elétricos, com sua alta eficiência e menor impacto ambiental, são a escolha para o futuro, enquanto os motores a combustão, apesar de sua história, enfrentam desafios em termos de eficiência e emissões.

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Acyr José