Princípio de funcionamento dos motores de combustão interna

O funcionamento dos motores de combustão interna realiza-se em ciclos denominados ciclos termodinâmicos, no qual se distinguem quatro fases ou quatros tempos: admissão, compressão, explosão/expansão e escape.

Conceitualmente, ciclo é uma série de processos que ocorrem quando um determinado sistema se desloca originalmente de um estado inicial para retornar ao estado original.Nesses processos, os elementos fundamentais que caracterizam um ciclo termodinâmico de uma máquina térmica são: substância de trabalho, fonte de calor, fonte fria e máquina térmica.

Para compreender melhor os ciclos de funcionamento de uma máquina térmica, apresentaremos, de forma resumida, o ciclo teórico desenvolvido pelo francês Nicholas Carnot - ciclo de Carnot. Em 1823, Carnot publicou uma brochura intitulada “Reflexões sobre a potência motriz do fogo”. Enunciava aí, um ciclo ideal que, partindo da transformação de gases perfeitos, deveria ter um rendimento de, aproximadamente, 72% nunca atingido por um motor térmico real.

O ciclo de Carnot se compõe das fases mostradas na Figura 1:

• Expansão isotérmica – 1 a 2.
• Expansão adiabática – 2 a 3.
• Compressão isotérmica – 3 a 4.
• Compressão adiabática – 4 a 1.

O ciclo de Carnot não pode ser objeto de nenhuma realização na prática. Pode ser descrito, teoricamente, da seguinte forma:

Primeira fase – expansão isotérmica – o cilindro deve ser resfriado durante a expansão isotérmica. Esse mesmo cilindro exige aquecimento para tornar a temperatura constante.

Segunda fase – expansão adiabática – continuando o repouso, faz-se cessar o reaquecimento do cilindro para que essa fase se efetue sem troca de calor com o cilindro, e que a massa gasosa retome o volume e a pressão que possuía no início da primeira fase.

Terceira fase – compressão isotérmica – uma massa gasosa é introduzida no cilindro e, depois comprimida pelo pistão “temperatura constante”. O cilindro é esfriado durante essa fase.

Quarta fase – compressão adiabática – interrompido o resfriamento do cilindro, continua-se a compressão rapidamente, de modo que nenhuma troca de calor tenha lugar entre o gás e o cilindro.

Figura 1 :Diagrama do ciclo de Carnot – pressão e volume

O rendimento (n1) de um ciclo de Carnot depende somente das temperaturas nas quais o calor é fornecido ou rejeitado:

Onde: n1 – rendimento
          TL – temperatura baixa
          TH – temperatura alta

O rendimento também pode ser expresso pela relação de pressão (Rps) ou taxa de compressão (Rvs), durante os processos isoentrópicos da seguinte forma:

Taxa de pressão isoentrópica:

Onde: Rps – relação de pressão
P1, P2, P3 e P4 – pressão
T3 – temperatura baixa
T2 – temperatura alta
k – constante

Taxa de compressão isoentrópica:

Onde: Rvs – taxa de compressão
V1, V2, V3 e V4 – volume
k – constante

Portanto, o rendimento (nt):

Para a abordagem sobre a classificação, segundo os sistemas que consideram os ciclos termodinâmicos, é importante lembrar que, termodinâmica é a ciência que define as transformações do calor e do trabalho mecânico e o estudo das leis às quais obedecem os gases durante suas evoluções desde sua entrada no cilindro até sua saída para a atmosfera.

Nos motores de combustão interna, os gases são comprimidos, queimados, dilatados e expandidos sob o efeito da temperatura ou de um trabalho mecânico. Se é indispensável se conhecer profundamente a termodinâmica para construção dos motores, são também necessários conhecimentos elementares para se compreender o seu funcionamento

Assim, segundo os ciclos termodinâmicos, podemos classificar os motores em: ciclo Otto e ciclo Diesel.

Motores de ciclo Otto – motores de combustão interna com ignição por centelha, utilizando como combustíveis: gasolina, gás ou álcool.

O convencional motor a gasolina é um motor de combustão interna no qual uma mistura ar + combustível é admitida num cilindro e comprimida pelo pistão ou êmbolo, após inflamada por uma centelha elétrica provocada pela vela de ignição.

Motores de ciclo Diesel – motores de combustão interna com ignição por compressão, utilizando como combustíveis: diesel, biodiesel e suas misturas.

O motor Diesel é um motor de combustão interna no qual o ar admitido no cilindro é comprimido pelo pistão ou êmbolo, atingindo devido à compressão, uma temperatura de 500 a 700ºC.Uma vez injetado ou atomizado o combustível, a mistura inflama-se espontaneamente, graças ao calor resultante da compressão do ar.

Para que aconteça uma combustão perfeita, é necessário dosar três elementos fundamentais, é o chamado triângulo do fogo: o ar, o calor e o combustível.A combustão ou queima é um processo químico que exige a presença desses três componentes que, ao se combinarem na proporção adequada dentro do motor, promovem a explosão.

Figura 2 :Triângulo do fogo

O tempo que leva para que a mescla ar + combustível entre em combustão é chamado de atraso de combustão e dura aproximadamente 1 milissegundos (ms).

Em alguns casos, existem condições que o atraso pode durar um pouco mais de tempo,até 2 milissegundos (ms), isso devido a (á):

• Baixa temperatura de funcionamento do motor.
•  Bicos injetores não atomizando perfeitamente.
• Ponto de início de injeção ajustado muito avançado.
• Má qualidade do combustível.
•  Problemas mecânicos, específicos para o tipo de motor.

Como uma consequência do maior tempo de atraso da combustão, há o ruído de combustão que é chamado de batida de pino,ruído metálico formado por frentes de chamas distintas dentro da câmara de combustão.

Outro fator de influencia o atraso da combustão é a pressão de compressão no interior da câmara de combustão. Quanto maior for a pressão, menor o atraso de combustão,conforme a figura 3,a seguir: o efeito da temperatura (ºC) versus níveis de pressão (bar).

Figura 3: Tempo de combustão

Nos motores de ciclo Otto, a mistura ar + combustível é realizada antecipadamente a sua entrada no cilindro por um elemento misturador, carburador ou, mais recentemente, pelo dosador eletrônico de combustível.

Nos motores de ciclo Diesel, há somente admissão do ar pelo sistema de captação do ar através dos fi ltros que deve preencher a câmara de combustão.

A forma da câmara de combustão, o posicionamento do bico injetor e o ângulo de injeção determinam o processo de formação da mescla ar + combustível.

Quanto ao formato da câmara de combustão, esta pode ser dividida em, pelo menos, dois tipos que garante o sistema de injeção: injeção direta e injeção indireta.

Injeção direta - A combustão se dá diretamente sobre a câmara de combustão da qual o pistão faz parte

Figura 4 : Detalhes do tipo de injeção direta sobre os pistões

A combustão tem início no interior da pré-câmara expandindo-se para câmara de combustão principal no topo do pistão como mostra as Figuras 5 e 6.

Figura 5 :Injeção indireta - pré-câmara com turbilhonamento

Figura 6: Injeção indireta – pré-câmara com pré-aquecimento

Para entender o funcionamento é necessário familiarizar-se com alguns termos:

PMS – ponto morto superior – posição do êmbolo mais próxima à parte superior do bloco.

PMI – ponto morto inferior – posição do êmbolo mais próxima ao virabrequim ou à árvore de manivelas (ADM).

Câmara de compressão – volume que fica no cilindro depois que o êmbolo atinge seu ponto máximo (PMS), também chamada de câmara de combustão.

Curso do pistão – espaço linear percorrido pelo pistão ou êmbolo do PMI ao PMS e vice-versa.

Tempo motor – corresponde a um curso do pistão/êmbolo (180 graus) ou à meia volta do virabrequim ou árvore de manivelas – ADM.

As fases que fazem características o ciclo dos motores são as mesmas em qualquer motor alternativo de êmbolos e seguem os seguintes passos:

• Introduz-se o ar ou a mistura ar + combustível no cilindro
• Comprime-se o ar ou a mistura ar + combustível, consumindo trabalho (deve ser fornecido pelo sistema).
• Queima ou combustão da mistura
• Ocorre a expansão dos gases resultantes da combustão, gerando trabalho para o sistema.
•  Ocorre a expulsão dos gases.

Nos motores alternativos de pistões, as fases dos ciclos mecânicos podem se completar de duas maneiras:

a) Motor de quatro tempos.
b) Motor de dois tempos.

No primeiro tempo, com o pistão em movimento descendente (0º→ 180º), dá-se a admissão que se verifica, na maioria dos casos, por aspiração automática da mistura ar + combustível (ciclo Otto), ou apenas ar (ciclo Diesel). Na maioria dos motores Diesel modernos, uma ventoinha (turbocompressor) empurra a carga de ar para dentro do cilindro.

No segundo tempo, ocorre a compressão, com o pistão em movimento ascendente (180º→ 360º). Pouco antes do pistão completar o curso, ocorre a ignição por meio de dispositivo adequado: velas de ignição (ciclo Otto), ou a auto ignição (ciclo Diesel).

No terceiro tempo, com o pistão em movimento descendente (360º → 540º), temos a ignição com a expansão dos gases e transferência de energia ao pistão, também chamado tempo motor.

No quarto tempo, o pistão, em movimento ascendente (540º→ 720º), empurra os gases de escape para a atmosfera.

Durante os quatro tempos, ou duas rotações do virabrequim, transmitiu-se trabalho ao pistão só uma vez.

Para a realização dos tempos, é necessário que haja um sincronismo entre alguns elementos móveis dependentes no motor, como as válvulas de admissão e de escapamento.

O sincronismo entre os tempos e as válvulas, abrindo e fechando nos momentos exatos, garante o bom funcionamento do motor. Nesse caso, a árvore de comando de válvulas ou eixo de cames, responsável pela abertura e fechamento das válvulas, gira a meia rotação do motor, completando uma volta a cada ciclo de quatro tempos.

Os motores deste tipo combinam em dois cursos do êmbolo as funções dos motores de quatro tempos. Assim, há um curso motor para cada volta do virabrequim.

Normalmente esses motores não têm válvulas, eliminando-se o uso de tuchos, hastes e outros mecanismos, ou seja, todo o aparato do comando de válvulas. O cárter, que possui dimensões reduzidas, recebe a mistura ar + combustível e o óleo de lubrificação. Este deve ser cuidadosamente fechado, pois nele se dá a pré compressão da mistura, conforme mostrado na Figura 7.

Figura 7 :Funcionamento motor 2 tempos - ciclo Otto

1º tempo – admissão e compressão: O êmbolo, ou pistão, dirige-se ao PMS, comprimindo a mistura ar + combustível. As janelas de escape e carga são fechadas, abrindo-se a janela de admissão.Com o movimento do êmbolo, gera-se uma pressão baixa dentro do cárter e, assim, por diferença de pressão, se admite uma nova mistura ar + combustível + óleo lubrificante, que será utilizada no próximo ciclo. O virabrequim dá meia volta (180º) fechando o ciclo.

Pouco antes de atingir o PMS, ocorre a centelha, que provoca a combustão da mistura e gerando uma força sobre o pistão. Inicia-se, então, o próximo ciclo.

2º tempo – combustão e escape: Considerado com curso de trabalho, iniciando a combustão no PMS, por meio de uma centelha,o êmbolo é forçado até o PMI. Durante o curso, o êmbolo passa na janela de descarga dando vazão aos gases da combustão. Ao mesmo tempo, o êmbolo abre a janela de carga,permitindo que uma nova mistura ar + combustível + óleo lubrificante entre no cilindro preparando-o para o novo ciclo e forçando os gases provenientes da combustão para fora (lavagem). O virabrequim, neste primeiro tempo, dá meia volta (180º).

Figura 8 :Funcionamento do motor 2 tempos - ciclo Diesel

Os motores Diesel, de dois tempos, têm funcionamento semelhante ao motor de dois tempos a gasolina ou a álcool.Mas,admitem apenas ar puro, geralmente forçado no interior do cilindro por um compressor de baixa pressão (volumétrico). Possui também, um sistema de lubrificação forçada idêntica á dos motores de quatro tempos.

Ciclo Otto – etanol, gasolina ou GNV

O primeiro tempo, que é denominado de admissão, é definido pelo movimento do pistão do PMS para o PMI. Neste momento, a válvula de admissão se abre, e a mistura de ar e combustível é vaporizada e aspirada para o interior do cilindro (Figura 9 ). O virabrequim efetua meia volta (180º).

Figura 9 -1º tempo – admissão

A compressão ocorre quando a válvula de admissão se fecha. À medida que o pistão se desloca para o PMS, comprime a mistura de combustível e ar (Figura 10). O virabrequim executa outra meia volta, completando a primeira volta completa (360°).

Figura 10 : 2º tempo – compressão

O tempo de combustão ocorre um pouco antes de o pistão atingir o PMS. O sistema de ignição transmite corrente elétrica a vela, fazendo saltar uma centelha entre os eletrodos, o que provoca logo a infl amação da mistura que se encontra fortemente comprimida.Os gases em expansão resultantes da combustão, forçam o pistão do PMS para o PMI (Figura 11). O virabrequim efetua outra meia volta (540°).

Figura 11: 3º tempo - combustão/expansão

O escape é o tempo que decorre após a queima da mistura e a expansão dos gases. É o momento em que a válvula de escape se abre. Os gases queimados são forçados para fora do cilindro, quando o pistão se movimenta do PMI para o PMS (Figura 12). O virabrequim executa outra meia-volta, completando a segunda volta completa (720°).

Figura 12: 4º tempo - escape

Uma vez que o pistão realiza quatro tempos – admissão, compressão, combustão e escape – o nome técnico dessa operação é ciclo de quatro tempos.

É importante entender que , nos motores de quatro tempo, apenas no tempo de combustão que se produz energia mecânica; os outros três tempos são passivos, isto é,absorvem energia.

A temperatura, no final da compressão, é uma função da taxa de compressão e da temperatura de admissão (Figura 13).

Figura 13: Temperatura no final da compressão

A pressão, no final da compressão é uma função da taxa de compressão e da pressão de admissão (Figura 14).

Figura 14: Pressão no final da compressão

Motores que utilizam o ciclo Otto precisam de um sistema de ignição. Esse sistema é composto pela bateria que alimenta a voltagem induzida pela bobina. A bobina é um dispositivo capaz de elevar a voltagem elétrica recebida da bateria para alimentar as velas de ignição.

As velas são dispositivos que promovem as faíscas e estas, pelas altas tensões a que são submetidas, inflamam a mistura comprimida no cilindro. As velas de ignição, também, devem resistir às mudanças bruscas de temperatura e pressão, alta voltagem, vibração mecânica e corrosão química dos gases da combustão.

A Figura 15 mostra o esquema de ligação das velas de ignição com o sistema elétrico do motor.

Figura 15:Esquema elétrico de ligação das velas do motor ciclo Otto

Rudolf Diesel, em 1897, utilizando um já melhorado monocilíndrico (com diâmetro de 250 mm, curso de 400 mm e consumo específico de 247 g de combustível por cavalo e por hora), criou um motor de 20 hp a 172 rpm e rendimento térmico de 26,2% (os motores a gasolina rendiam 20% e os a vapor 10%).

O motor Diesel desenvolvido, trabalhando a quatro tempos, possui, basicamente, duas grandes diferenças de um motor 4 tempos a gasolina:

a) O motor aspira e comprime apenas ar.

b) Um sistema de injeção dosa, distribui e atomiza o combustível em direção dos cilindros. O combustível se inflama ao entrar em contato com o ar fortemente aquecido pela compressão, promovendo altas taxas de compressão.

Admissão - nesse tempo, o êmbolo se movimenta do PMS até o PMI. Com a válvula de admissão aberta, ocorre a aspiração somente de ar no interior do cilindro (Figura 16a). Diferencia-se do ciclo Otto no qual ocorre a aspiração da mistura ar-combustível. A árvore de manivelas gira de 0º a 180º.

Compressão - Com as duas válvulas fechadas, o êmbolo se desloca do PMI até o PMS, ocorrendo, então, a compressão do ar (Figura 16b) (diferencia-se do ciclo Otto pelas altas pressões de compressão atingidas). Nesse tempo, a árvore de manivelas gira mais 180º, de 180º a 360º, completando 1 volta.

Figura 16 : Tempos do motor de ciclo Diesel – (a) admissão e (b) compressão

Explosão/expansão:Quando o êmbolo está em sua posição máxima (PMS), o bico injetor pulveriza, fina e fortemente, um certo volume de combustível no interior da câmara de combustão (Figura 17a).Nesse momento, o ar está a uma temperatura de 500 a 700ºC e a alta pressão, o diesel, injetado nessas condições, faz com que ocorra a autoignição, impulsionando o êmbolo a PMI, fazendo com que a biela transmita a força à árvore de manivela que gira de 360º a 540º. Nesse tempo, ocorre a realização de trabalho mecânico.

Escape - Nesse tempo, com a válvula de escape aberta, os gases queimados são expelidos para fora do cilindro pelo movimento do êmbolo do PMI ao PMS (Figura 17b), pelo giro de 540º a 720º, encerrando-se assim, o ciclo.

Figura 17 : Tempos de um motor de ciclo Diesel – (a) explosão/expansão e (b) escape

Figura 18 : Gráfico de pressões em um motor ciclo Diesel de dois tempos com válvula de admissão no cabeçote e fendas de exaustão por fluxo contínuo

Onde: SO – fendas de exaustão abertas
SS – fendas fechadas
AO → SO – expansão dos gases de combustão
AS → SS – carga posterior (às vezes alta pressão)
EB – início da injeção
EE – fim da injeção

AO = 70ºC antes do PMI
AS = 30ºC depois do PMI
SO = 40ºC antes do PMI
SS = 40ºC depois do PMI

No ciclo Otto, o processo de combustão ocorre a volume constante, enquanto no ciclo Diesel, o processo ocorre a pressão constante. No entanto, na prática, esses dois ciclos não representam o ciclo de funcionamento real do motor.

No ciclo Otto, a combustão a volume constante pressupõe uma combustão instantânea.

O ciclo misto, representado pela Figura 19, é um compromisso entre ambos os ciclos.É o que melhor descreve a operação dos motores Diesel de alta rotação. Nesse ciclo a combustão ocorre em duas fases:com parte do calor sendo fornecida a volume constante e o restante sendo fornecido a pressão constante.

Figura 19:Diagramas do ciclo misto 

A expressão para o rendimento térmico do ciclo é:

 Onde: r = V1/V2
a = V3/V2’
b = P2’/P2
k = γ = cp/cv

O rendimento térmico do ciclo misto é um valor intermediário entre o rendimento térmico do ciclo Diesel e o do ciclo Otto.

A Equação é a mais geral. No caso, se o valor de b = 1, a Equação corresponde ao valor do rendimento para um ciclo Diesel; se a = 1, a Equação corresponde ao valor do rendimento para um ciclo Otto.

Os diagramas mostram bem que esses dois ciclos se assemelham no plano prático. Na realidade, o motor a gasolina não é completamente de pressão variável e de volume constante, mas se aproxima do ciclo misto, porque a “explosão” dos gases é apenas uma combustão rápida, mas não instantânea.