Motor de combustão interna

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Motor de automóvel, de oito pistões

Motor de combustão interna é uma máquina térmica que transforma a energia proveniente de uma reação química em energia mecânica. O processo de conversão se dá através de ciclos termodinâmicos que envolvem expansão, compressão e mudança de temperatura de gases.

São considerados motores de combustão interna aqueles que utilizam os próprios gases de combustão como fluido de trabalho. Ou seja, são estes gases que realizam os processos de compressão, aumento de temperatura (queima), expansão e finalmente exaustão.

Assim, este tipo de motor distingui-se dos ciclos de combustão externa, nos quais os processos de combustão ocorrem externamente ao motor. Neste caso, os gases de combustão transferem calor a um segundo fluido que opera como fluido de trabalho, como ocorre nos ciclos Rankine.

Motores de combustão interna também são popularmente chamados de motores a explosão. Esta denominação, apesar de frequente, não é tecnicamente correta. De fato, o que ocorre no interior das câmaras de combustão não é uma explosão de gases. O que impulsiona os pistões é o aumento da pressão interna da câmara, decorrente da combustão (queima controlada com frente de chama). O que pode-se chamar de explosão (queima descontrolada sem frente de chama definida) é uma detonação dos gases, que deve ser evitada nos motores de combustão interna, a fim de proporcionar maior durabilidade dos mesmos e menores taxas de emissões de poluentes atmosféricos provenientes da dissociação de pinogenio nitrogênio.

Ciclos termodinâmicos

Ciclo motor de Otto

Ver artigo principal: Ciclo Otto

O motor baseado no ciclo ideal Otto caracteriza-se por ter sua ignição por faísca.

Este tipo é o mais comumente utilizados em automóveis de passeio e motocicletas. Existem processos alternativos em motores experimentais para iniciar a queima como micro-ondas ou uma injeção piloto.

Ciclo motor de Diesel

Ver artigo principal: Ciclo Diesel
Motor diesel

Os motores Diesel caracterizam-se pela ignição por compressão. O fluido de trabalho (normalmente ar) é comprimido sem ser misturado ao combustível e quando o combustível é injetado no fluido comprimido e quente esse se inflama.

As máquinas que impulsionam veículos pesados como caminhões, trens e navios, usualmente são baseadas no ciclo ideal de Diesel, o que não se refere ao combustível utilizado e sim ao ciclo termodinâmico em que operam.

Ciclo Brayton

Ver artigo principal: Ciclo Brayton

O ciclo Brayton é utilizado como modelo ideal para turbinas a gás. Este caso se diferencia dos anteriores pelo fato de operar em regime permanente. Isto é consequência do fato de os processos de compressão, transferência de calor, expansão e exaustão ocorrem ao mesmo tempo, mas, em locais diferentes. Assim, este tipo de motor distingue-se dos motores alternativos, onde os processos ocorrem em uma única câmara, mas, em tempos diferentes.

Construção

Os mecanismos dos motores ditam os processos pelos quais passam os fluidos, determinando as características dos ciclos. Mas, mesmo operando em ciclos termodinâmicos semelhantes, motores de combustão interna podem ter mecanismos e formas construtivas extremamente diversas.

Motor alternativo

Máquinas alternativas possuem elementos que realizam movimentos repetitivos de translação. Nestes motores, o principais destes elementos são os pistões, cujo movimento altera o volume das câmaras de combustão, ora comprimindo os gases, ora sendo movimentado pelos gases.

Motores alternativos dividem-se pelo número de tempos em que completa uma sequencia de processos. Neste caso, tempo é o percurso de um pistão, do ponto morto inferior ao ponto morto superior, o que equivale à meia volta da árvore de manivelas.

Motor dois tempos

Ver artigo principal: Motor a dois tempos
Ficheiro:Arbeitsweise Zweitakt.gif
Motor a dois tempos

Num motor a dois tempos, um ciclo termodinâmico se completa a cada volta do eixo, compreendendo as etapas de admissão, compressão, transferência de calor e exaustão. Esta característica permite que o próprio pistão atue também como válvula, abrindo e fechando as janelas (aberturas) na parede da câmara de combustão. Esta opção simplifica a máquina, também dispensando comando de válvula e é muito utilizada em motores de pequeno porte.

Mas, para motores de grande porte, isto não é uma alternativa adequada por reduzir o curso para compressão e permitir a comunicação direta entre a admissão de combustível e os dutos de exaustão. Os maiores motores de propulsão naval, a Diesel, operam em dois tempos, mas, com o emprego de apenas uma janela e uma válvula no cabeçote.

Motor quatro tempos

Ver artigo principal: motor quatro tempos
Motor de ignição por faísca de quatro tempos.

Já nos motores de quatro tempos, os gases completam um ciclo termodinâmico a cada duas voltas do eixo. Neste caso, para um pistão, ocorre admissão e compressão numa volta e transferência de calor na consecutiva.

Esta alternância requer necessariamente o emprego de um (ou mais) comando de válvulas, engrenado à árvore de manivelas de tal forma que tenha metade da velocidade de rotação da mesma, permitindo que o ciclo de abertura de válvulas dure os quatro tempos.

Elementos

O motor pode ser dividido em partes fixas e móveis. Partes fixas são as partes que não entram em movimento, quando o motor entra em funcionamento, em relação aos outros componentes do motor, por exemplo: bloco, cárter e cabeçote. Partes móveis são caracterizadas pelas partes que se movimentam quando o motor entra em funcionamento, tais como, árvore de manivelas, pistão, biela e comando de válvulas.

Motor rotativo

Um motor rotativo é um motor de combustão interna que não utiliza pistões como um motor convencional, mas pode fazer uso de rotores, às vezes chamados de pistões rotativos.

Turbina a gás

Ver artigo principal: Turbina a gás
Turbina a gás

As turbinas a gás são máquinas puramente rotativas, existem em diversas formas construtivas, sempre contendo três sistemas básicos: compressor, câmara de combustão e turbina propriamente dita. As características de cada projeto são funções do meio de transmissão de potência (por eixo ou jato de gases), dos combustíveis utilizados, do porte, das temperaturas de trabalho entre outras variáveis.

Em relação às demais máquinas as turbinas tem característica de ter a maior densidade de potência, ou seja capacidade por peso. Devido a isso, são frequentemente empregadas em aeronaves.

Motor Wankel

Ver artigo principal: Motor Wankel

O motor Wankel é uma variação de motor de combustão interna que combina características de turbinas a gás às de motores a pistão. Apesar de operar com velas de ignição ao invés de combustão contínua como uma turbina, não há peças alternativas. O ciclo termodinâmico neste caso.

Motores do tipo Wankel oferecem, em relação aos motores a pistão, as vantagens de produzir menos vibrações, já que são puramente rotativos. Possuem maior densidade de potência, ou seja, mais potência do que um motor a pistão de mesma cilindrada e demandam menos peças em sua construção. Como desvantagem, eles aquecem mais, geram mais gases poluentes, têm manutenção dos elementos de vedação e são de manufatura mais complexa do que um motor a pistão.

Quasiturbine

Ver artigo principal: Quasiturbine

Em 1996, foi patenteado o motor Quasiturbine, uma variação do motor Wankel. Recebeu este nome pelo fato de seu funcionamento contínuo ser quase igual ao de uma turbina.

Motor Wankel
Quasiturbine

Combustíveis

Principais características:

  • Índice de cetano ou número de Cetano (N.C.) (erradamente referido como Número de Cetanas - o combustível não tem "cetanas") - para ciclo diesel

Este número revela a facilidade de auto-ignição de um combustível. Quanto maior é o Número de Cetano, mais fácil sua ignição.

  • Índice de octano ou Número de Octano (N.O.) ou Octanagem (erradamente referido como Número de Octanas - o combustível não tem "octanas") - para ciclo Otto

Varia inversamente ao índice de cetano. Quanto maior o N.C., menor será o N.O. . Este número diz a respeito à qualidade do combustível em relação a sua resistência sobre a autoignição. Os motores do ciclo Otto, por exemplo, necessitam ter uma elevada temperatura de autoignição para não haver um aumento muito brusco de pressão, ocorrendo as famosas "batidas de pino" (detonação explicada anteriormente). O N.O. pode ser aumentado pela adição de aditivos antidetonantes ou pela mistura de combustíveis com N.O. maiores.

Este número fornece a quantidade de energia que uma certa quantidade de combustível pode produzir. Quanto maior este número, melhor o combustível (juntamente com relação ar-combustível).

  • Facilidade de Auto-ignição (veja Cetanas)

Quanto maior a cadeia carbônica, menor é a temperatura de auto-ignição.

Tem grande importância no jato de combustível injetado na câmara. Caso o combustível seja muito viscoso, a atomização do combustível será prejudicada, assim, num motor frio a partida será afetada. Caso contrário, uma baixa viscosidade dificulta a lubrificação do sistema injetor, aumentando o desgaste do mesmo.

  • Relação ar-combustível ou combustível-ar estequiométrica

Mede a proporção de ar que deve ser utilizada para queimar (teoricamente) todo o combustível (em massa). Juntamente com o (i.e. multiplicado pelo) poder calorífico é uma medida de quanta energia pode ser colocada no cilindro a cada ciclo.

  • Resíduo de Carbono
  • Teor de Cinzas
  • Água e Sedimentos

Devido à constante evolução dos motores e da eletrônica embarcada no automóvel os engenheiros estão conseguindo criar motores muito mais potentes e econômicos com mesma cilindrada. Um meio de conseguir esta melhora é aumentar a taxa de compressão do motor, mas com isso surge um inconveniente em ciclo Otto, a detonação. Ela ocorre quando um resto de combustível no final da combustão tem sua temperatura e pressão elevados a ponto de se autoignitar. Essa queima não controlada do combustível gera um ruído característico (conhecido como batida de pino apesar de nenhum pino bater, o ruído é proveniente da ressonância da câmara de combustão transmitida ao bloco) e eventualmente dano mecânico, principalmente em pistão, anéis, vela e válvulas. Para melhorar o rendimento do veículo pode-se utilizar gasolina de alta octanagem, que ajuda a evitar esse fenômeno. Já a pré-ignição ocorre quando o combustível começa a queima antes da faísca da vela de ignição, devido a algum ponto com alta temperatura na câmara de combustão e também é influenciado (um pouco) pela taxa de compressão.

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