Os motores de combustão interna, mudaram a mobilidade urbana elevando o nível da sociedade para uma outra realidade. A tecnologia aplicada hoje é bem mais avançada, mas a sua teoria de 1862 ainda é presente em pleno século XXI.
Sim existem muitas configurações de motores no mercado, e neste artigo abordaremos sobre os motores conhecido injeção indireta, provavelmente é a grande maioria dos veículos em oficinas de reparação, mas antes vamos estudar um pouco sobre história.
História do desenvolvimento do motor a combustão
Alphonse Beau de Rochas um engenheiro francês, da cidade de Vincennes nascido em 9 de abril de 1815, deu origem ao princípio de motores a combustão interna de 4 tempos. Em sua ênfase, demonstrava a importância da compressão ar/combustível antes da combustão. Alphonse Beau de Rochas patenteou sua ideia em 1862, mas não construiu tal motor, deixando o desenvolvimento para os outros. Como resultado do trabalho, Nikolaus Otto deu segmento ao projeto, entrando no universo dos motores de combustão interna.
Nikolaus A. Otto um engenheiro alemão, da cidade de Holzhausen, Alemanha, nascido em 10 de julho de 1832, programou com sucesso em 1886 a teoria de Beau, mostrando a tecnologia para o mundo, dos motores de 4 tempos, onde até nos dias mais atuais ,ainda estão sendo aplicados em quase todos os veículos ao redor do mundo. Desde 1876 mais de 30.000 motores foram construídos durante os 10 anos seguintes, mas em 1886 a patente de Otto foi revogada quando a patente anterior de Beau de Rochas foi trazida à luz.Os motores de combustão interna são implementados em automóveis, motos, camiões, navios e aviões, seu princípio de funcionamento consiste em basicamente 4 tempos. Segundo Jorge Martins em seu livro “Motores de combustão interna”, a invenção dos motores a combustão interna foi uma das mais invenções mais impactantes da sociedade e da vida da população. Focando unicamente em fatores técnicos, o motor de ciclo Otto é um dispositivo mecânico que apresenta uma baixa eficiência energética em comparação com outros motores dando como exemplo o motor elétrico. Entretanto pelo menos nas próximas décadas, devido a diversos fatores, como o volume reduzido dos motores Otto, a facilidade de sua produção e a conveniência em se utilizar combustíveis fósseis, a indústria automobilística continuará utilizando esses motores como padrão para aplicações automotivas. Neste artigo iremos falar como funcionam os motores de ciclo OTTO, descrevendo as 4 fases do motor e a termodinâmica ocorrida em cada uma delas.
CICLO TERMODINÂMICO DE OTTO
O motor de combustão interna aproveita o aumento de pressão resultante da combustão da mistura ar-combustível para imprimir um movimento de rotação ao eixo do motor, à energia química do combustível produz a energia cinética de rotação.
A maioria dos motores de combustão interna é constituído de 3,4,6 cilindros estes que deslizam seus pistões em movimentos retilíneos interligados ao eixo virabrequim pelas bielas gerando rotação angular. Ao movimentar o virabrequim os pistões sobem e descem e seus pontos máximos e mínimos são conhecidos como PMS e PMI, para que seu movimento não pare instantaneamente o sistema possui um volante, o qual acumula energia cinética e mantem a inercia do movimento de rotação. O motor a combustão interna ciclo Otto é uma máquina que trabalha com os princípios da termodinâmica e com os conceitos de compressão e expansão de fluidos gasosos para gerar força e movimento rotativo. Os motores de combustão interna trabalham com um ciclo de quatro tempos - que consiste em admissão isobárica, compressão adiabática, combustão isobárica e escape isobárico. (Fig.1)
ADMISSÃO
O pistão em seu movimento descendente provoca uma depressão no interior do cilindro, o que induz a mistura ar/combustível do sistema de alimentação para dentro do cilindro, quanto maior a capacidade do cilindro em admitir ar atmosférico maior será a eficiência energética do motor. (Fig.2)
COMPRESSÃO
Após o processo da admissão, o pistão irá realizar o curso ascendente de PMI para PMS. Durante o movimento ascendente a pressão interna do cilindro é elevada podendo trabalhar no range entre 12 a 18 Bar apenas na partida a 400 RPM, em motores de linha leve sem o efeito da combustão, apenas trabalhando como uma bomba de ar. (Fig.3)
COMBUSTÃO
A combustão do motor não ocorre em PMS, pois assim poderia quebrar a biela, danificar os casquilhos e muito mais, para isso a engenharia de calibração de motores, com estudos em bancadas e modelagem, definem o melhor ponto de ignição do motor para que ocorra o melhor aproveitamento energético. Resumindo a ignição é disparada antes do PMS alguns graus variando esse graus conforme engenharia, e o tempo que a centelha fica acessa dentro do cilindro termina alguns graus depois do PMS, ou seja a biela já não esta mais perpendicular ao virabrequim, e sim um pouco inclinada no sentido horário, assim gerando torque e potência. (Fig.4)
ESCAPE
Ao final do terceiro tempo, quando o pistão está próximo da posição de PMI, ocorre abertura da válvula de escape, e os gases emitidos após a combustão escoam com grande velocidade pela válvula de escape. O pistão em seu movimento ascendente irá empurrar os gases que estão no interior do cilindro, para assim iniciar um novo ciclo. (Fig.5)
Estamos falando neste artigo de forma genérica, este é um assunto que pode render um grande artigo se detalhar bem sobre os pontos abordados, para entender bem a dinâmica do motor, sugiro estudar bem o diagrama de válvulas, para ter a Idea do comportamento dinâmico do motor, bem como estudar o avanço de ignição.
CICLO TEÓRICO DE OTTO
As transformações termodinâmicas durante todo o processo de combustão podem ser representadas em um gráfico de plano cartesiano, tendo a Pressão em função do Volume P=f(v), e a Temperatura em função da Entropia T=f(s).
As variáveis, volume, temperatura e pressão podem se alterar ao mesmo tempo em um processo cíclico. (Fig.6)
ADMISSÕES ISOBARICO
Em termodinâmica, um processo isobárico é uma mudança no estado de uma certa quantidade de matéria na qual a pressão permanece constante.
Na fase de admissão do ar no interior do cilindro, os gases são constantes no processo isobárico onde seus valores do ponto inicial ao ponto final á pressão é a mesma(P0=P1), utilizando-se a Lei Geral dos Gases Ideais obtêm-se V0/T0=V1/T1. (Fig.7)
O pistão parte de PMS para PMI admitindo se ar/combustível, com pressão constante (P0=P1), assim enchendo o cilindro de determinada massa de gás. No plano cartesiano temos o volume no eixo Y e a temperatura no eixo X com ordenadas diretamente proporcionais, formando uma reta linear dada , e nesta reta podemos observar quanto maior o volume maior a temperatura T°=f (v). (Fig.8)
COMPRESÃO ADIABÁTICA (ISENTRÓPICA)
Um processo adiabático é um processo termodinâmico no qual o sistema não troca calor com o ambiente. Um processo adiabático reversível é chamado isentrópico.
O pistão parte de PMI para PMS, já com as válvulas do cabeçote fechadas, assim comprimindo o ar/combustível admitido, elevando a pressão no interior do cilindro, vemos a realização do trabalho (W), e um ganho de temperatura (Q) conforme, dado por W=P1-V1 e P2-V2 e Q=T1-T2. (Fig.9)
COMBUSTÃO (ISOCÓRICA)
O processo isocórico é um processo termodinâmico que ocorre em volume constante. Para realizar um processo isocórico em um gás ou líquido, basta aquecer e resfriar uma substância em um recipiente que não altera seu volume.
Durante o processo de transformação isocórica o volume dos gases é igual, não alterando sua massa, e a pressão e temperatura absoluta são diretamente proporcionais P = f (t°). (Fig.10)
Quando o pistão está alguns graus depois do PMS, ou seja DPMS, ocorre uma combustão instantânea no interior do cilindro elevando assim a pressão bruscamente de P2 para P3 e a temperatura de T2 para T3 a uma quantidade de calor que pode ser definida pela seguinte equação, Q2-Q3=C.(T3-T2). (Fig.11)
EXAUSTÃO ADIABÁTICA (ISENTRÓPICA)
Após a combustão expande-se o fluido no interior do cilindro aumentando bruscamente sua massa e assim elevando a pressão de P2 para P3, realizando o trabalho (W) do pistão que se encontra em PMS, realizando uma curva descendente para PMI, assim conclui-se que, conforme gráfico a diminuição em seguida da pressão de P3 para P4, e o aumento do volume V3 para V4 no interior do cilindro, já com os gases de CO2; HC; e NOX. Observa-se também uma diminuição da temperatura de T3 para T4. (Fig.12)
A perda de pressão ocorre após o pistão ser expandido de PMS para PMI, o movimento de inercia mantem o ciclo, abrindo se a válvula de escape e elevando o pistão de PMI para PMS, liberando os gases não mais eficientes, conforme gráfico Figura 13 nesta fase temos a perda de pressão em P4-P1 e a perda de temperatura em T4-T1, o calor perdido pode ser definido pela seguinte equação Q4-Q1=C.(T4-T1). (Fig.13)
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