Qual a classificação dos motores em relação aos ciclos de funcionamento?

Foi há mais de um século que o alemão Nikolaus Otto colocou em prática o ciclo teórico sob o qual ainda hoje trabalham boa parte dos motores a combustão

Não existe um único "pai" do automóvel. Esta apaixonante máquina, que transformou o mundo, nasceu das contribuições de várias mentes brilhantes. O seu desenvolvimento teve avanços e retrocessos, derivações impraticáveis e aplicações que perduraram por mais de um século. Desde as primeiras locomotivas a vapor de meados do século XVII, foi, por exemplo, necessário esperar até 1860 para que o francês Étienne Lenoir, com a invenção do motor de combustão interna, então à base de gás de iluminação, fabricasse o primeiro veículo automóvel digno desse nome. E que dizer de Nikolaus August Otto que, em 1876, patenteou o princípio dos motores de explosão a quatro tempos, reconhecido e aplicado até os dias de hoje?  

A fórmula do sucesso

Ao fim de mais de uma década de investigações, testes e protótipos fracassados, Otto conseguiu finalmente produzir o seu motor de combustão interna, aplicando o ciclo já anteriormente definido e patenteado pelo engenheiro francês Beaus de Rochas. Porém, foi o engenheiro alemão que teve o mérito de conseguir implementá-lo. E ele fez isso ao encontrar a fórmula que tornou possível gerir a mistura ar-combustível em um cilindro. Foi ela que permitiu que a combustão acontecesse de forma progressiva.

Com o tempo, o motor de ciclo Otto provou ser um dos motores térmicos com maior rendimento energético, aproveitando a energia da queima do combustível nos cilindros para gerar movimento que resulta em trabalho mecânico.

Ao contrário do que acontece, por exemplo, nas mecânicas Diesel, nos motores Otto a mistura ar-combustível, mesmo comprimida até ao ponto ideal (a taxa de compressão varia conforme o tipo de combustível), necessita de uma faísca (criada pelas velas) para dar início ao processo da queima. Este tipo de mecânica pode operar em dois ou quatro tempos, respeitando as várias etapas de funcionamento.

Os quatro tempos do ciclo Otto

O ciclo de quatro etapas definido por Otto na sua versão mais completa é habitualmente abreviada como admissão, compressão, expansão (ou combustão) e exaustão (ou escape).

Primeiro tempo - Admissão

Na primeira fase do ciclo, a válvula de admissão (entrada) está aberta, enquanto a válvula de escape (saída) permanece fechada. O pistão se move de forma a aumentar o volume da câmara de combustão, sendo que a mistura de combustível com o ar dá entrada no cilindro sob pressão praticamente constante. Daí que se diga que na fase de admissão ocorre uma transformação isobárica, isto é, uma transformação sob pressão constante.

Segundo tempo - Compressão

Neste segundo momento, as válvulas de admissão e de escape estão fechadas e o pistão realiza um movimento rápido, comprimindo a mistura ar-combustível. Essa ação leva a que ocorra um aumento de pressão e, consequente e simultaneamente, uma diminuição do volume da mistura. No fim dessa etapa, a pressão do sistema é cerca de nove vezes superior à pressão atmosférica.

Terceiro tempo - Explosão/Combustão

Na terceira etapa do ciclo Otto, as válvulas de admissão e escape continuam fechadas, enquanto o pistão sobe e a vela solta uma faísca, o que provoca a combustão da mistura. Por meio deste processo de queima, é obtida uma enorme quantidade de energia térmica, sendo parte dessa energia convertida num movimento mecânico. Graças a este fornecimento de calor, a pressão do sistema vai aumentar, forçando violentamente o pistão a fazer um movimento descendente, de modo a aumentar o volume do cilindro.

Quarto tempo - Exaustão

Neste momento final, na altura em que o pistão chega à posição de maior volume do cilindro, a válvula de escape se abre, mas a de admissão permanece fechada, o que faz com que o gás quente seja expulso da câmara de combustão, arrefecendo assim todo o sistema. Depois de acontecer esse arrefecimento, o pistão volta a subir, diminuindo o volume da câmara de combustão e expulsando os gases da queima, os quais serão libertados pelo sistema de escape. Logo que os gases são expulsos, o motor retorna à sua condição inicial, permitindo que o ciclo se reinicie.

O combustível mais utilizado atualmente no mundo inteiro é a gasolina. O motor que normalmente equipa os automóveis movidos a gasolina é o motor de combustão interna, também chamado de motor de explosão interna ou motor a explosão 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.

4º tempo: Escape —A mistura de ar e combustível foi queimada, mas ficaram alguns resíduos dessa 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.

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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 pistões), que ficam subindo e descendo, movem um eixo de manivela, chamado virabrequim, que está ligado às rodas por motores, fazendo-as girar e, consequentemente, o carro andar.

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.

Veja que, no 2º tempo, se a gasolina for de baixa qualidade, os seus componentes não aguentarão tamanha pressão e poderão estourar antes da hora, antes da faísca soltar da vela, que é o que acontece no próximo estágio. Isso resulta em um menor desempenho do motor, que começa a bater pino, pois a explosão ocorre de forma tumultuada.

Para entender melhor como isso ocorre, leia o texto Índice de octanagem da gasolina.

Qual a classificação dos motores quanto ao ciclo?

Quais são os ciclos de funcionamento do motor?

Como os motores são classificados?

Quantos ciclos tem o motor?