SUTILEZAS DO MOTOR DE CICLO OTTO — CURSO DO PISTÃO, BIELA E TAXA DE COMPRESSÃO

NÃO SAQUE A ARMA SE NÃO FOR ATIRAR. SE ATIRAR, ATIRE PARA MATAR. MORTOS NÃO VOLTAM PARA SE VINGAR.

Os componentes de um motor de combustão interna moderno são basicamente os mesmos que eram usados em meados do século passado. O ciclo Otto, patenteado em 1877, não só continua presente nos propulsores atuais como ainda é o mais utilizado em veículos de passeio (motores de ciclo Diesel são comuns na Europa, mas não no Brasil, onde o preço do óleo é subsidiado e, portanto, essa opção é restrita a caminhões, ônibus e outros utilitários).

O fato de nos mantermos fiéis a uma tecnologia dos tempos de antanho não significa a evolução tecnológica não cumpriu seu papel, mas apenas que os princípios básicos continuam valendo, já que o funcionamento do motor pode ser descrito como a transformação da energia química do combustível na energia mecânica resultante da compressão e queima da mistura ar-combustível, no interior da câmara de explosão, mediante a movimentação dos pistões. Para gerar torque e potência (volto a esses conceitos oportunamente), os pistões dos motores de ciclo Otto realizam quatro fases a cada volta completa do virabrequim (também chamado de eixo de manivelas).

Já vimos que os cilindros — que podem ser em número de 3, 4, 5, 6, 8, 10 e até 12 — ficam no bloco do motor, e que, no interior de cada um deles, um pistão, ligado ao virabrequim pela respectiva biela, percorre seu curso milhares de vezes por minuto, alternando movimentos ascendentes e descendentes. Por curso, entenda-se a distância que o êmbolo percorre do ponto morto superior até o ponto morto inferior (ou vice-versa). O PMS corresponde à posição mais próxima do cabeçote que o êmbolo alcança, e o PMI, à mais distante. Ao longo das quatro fases (ou quatro tempos) do ciclo Otto, o pistão percorre 4 vezes a distância entre esses dois pontos. 

A taxa de compressão de um motor à combustão corresponde ao número de vezes que a mistura ar-combustível é comprimida. Esse parâmetro depende diretamente do curso do pistão: quanto mais longo ele for, mais vezes a mistura será comprimida no interior da câmara de combustão, que é espaço entre remanescente entre cabeça do pistão, quando este alcança o ponto morto superior (PMS) do curso, e a base do cabeçote — mais exatamente o rebaixo circular, com diâmetro correspondente ao do cilindro, onde ficam as válvulas de admissão e de escapamento.

O curso do pistão depende diretamente do tamanho da biela (vide figura), que é o componente responsável por transformar o movimento de sobe e desce do êmbolo (retilíneo, portanto) no movimento circular contínuo do volante do motor (disco metálico que fica na extremidade posterior do virabrequim). Explicando de outra maneira: cabe à biela transmitir a força gerada na câmara de combustão (recebida pelo pistão) para a árvore de manivelas (ou virabrequim), cuja função é gerar e enviar (através do volante) torque, força e rotação ao sistema de transmissão.

A parte superior da biela, chamada de pé, é presa ao pistão por meio de um pino. Isso permite que a peça oscile lateralmente enquanto se move para cima e para baixo. A parte inferior, chamada de cabeça, é presa ao virabrequim, que transforma em rotação o movimento retilíneo do pistão. Como a biela é um componente "físico", a compressão é sempre a mesma, independentemente do regime do regime de giros do motor (RPM), do combustível utilizado e das exigências do veículo em cada situação específica. Daí os engenheiros terem de adequar, em nível de projeto, a taxa de compressão do propulsor ao combustível que será utilizado, levando em conta o desempenho que se pretende extrair do mecanismo.

Nos modelos à gasolina a mistura é comprimida cerca de 10 vezes, em média (taxa de compressão de 10:1), ao passo que as versões a etanol trabalham com relações entre 14:1 e 16:1.

Observação: Em tese, quanto maior for a taxa de compressão, tanto maior será a energia resultante da expansão dos gases durante a combustão (ou seja, mais força será repassada ao virabrequim e deste, através do volante, para o sistema de transmissão). Na prática, porém, há limites a observar, a começar pelo ponto de detonação do combustível. Vale lembrar que nossa gasolina é de péssima qualidade, e que a batida de pino provocada por uma taxa de compressão muito elevada pode produzir sérios danos aos componentes internos do motor.

Uma vez que a biela é um componente "físico", o grande desafio dos projetistas está nos motores flexíveis. Como vimos, gasolina e etanol funcionam melhor com taxas de compressão diferentes, e a solução, pelo menos por enquanto, consiste em estabelecer um meio-termo, embora o ideal fosse alterar a compressão em tempo real, da mesma maneira que o sistema de injeção eletrônica de combustível faz com a taxa estequiométrica (volto a esse assunto mais adiante).

A Nissan vem trabalhando num projeto nesse sentido, e a Porsche já registrou a patente de uma biela com cabeça articulada num excêntrico, cujo movimento ascendente e descendente, controlado por dois tirantes hidráulicos, permite variar o volume da câmara de combustão, elevando a taxa de compressão quando o turbo está funcionando com pressão máxima. No caso dos motores flex aspirados, essa tecnologia possibilitará ajustar a compressão ao etanol, à gasolina ou à mistura de ambos, com sensíveis melhorias tanto no desempenho quanto no consumo e na emissão de poluentes.

Continua no próximo capítulo.

Automóveis e Evolução (conclusão)

As postagens anteriores deram uma noção elementar sobre o funcionamento dos motores à explosão, embora eu não tenha discorrido sobre os sistemas de alimentação, ignição, lubrificação, arrefecimento e transmissão – cuja abordagem não estava mesmo no programa.
Para concluir esta seqüência e retomar nossos temas habituais, resta mencionar que colocar o motor em funcionamento é atualmente um procedimento simples: quando você “dá a partida”, o pinhão do motor de arranque se acopla à cremalheira do volante e produz um movimento rotacional que é transmitido pelo virabrequim às bielas, forçando os pistões a iniciar seu “vai-e-vem” (para quem não sabe, houve um tempo em que isso era feito “no muque”, com o auxílio de uma manivela). Havendo carga na bateria e combustível no tanque, em poucos segundos o motor dará início às primeiras explosões e irá “ronronar” numa suave marcha lenta (entre 600 e 900 RPM, na maioria dos casos).
Cumpre salientar também que a era dos “motorzões” – herança dos modelos predominantemente norte-americanos que compunham nossa frota até o início da produção nacional – chegou ao final quando a Ford descontinuou a fabricação do Maverick GT e do Landau, e a GM, do Opala 250-S de 6 cilindros. Não obstante, quem tem pretensões esportivas e predileção paixão por velocidade não ficou no prejuízo: a concepção avançada e a tecnologia embarcada nos carros atuais garantem excelente performance, além de economia de combustível e redução de poluentes (mesmo assim, muita gente ainda se “arrepia” ao ouvir o ronco possante de um V8).
Voltando ao exemplo utilizado na primeira postagem, o Fusca 1.300 oferecia modestos 40 cavalos e atingia cerca de 110 km/h, enquanto um Ford 1.0 Supercharger atual (alimentado por um compressor mecânico) desenvolve 90 cavalos é dá de lavada no fusquinha, tanto em aceleração quanto em retomada e velocidade máxima - - o que é impressionante, considerando sua cilindrada. Para compreender isso melhor, seria preciso analisar outras questões que, por motivo de espaço, ficarão para uma próxima vez (quem saba na semana que vem, caso este assunto desperte o interesse dos leitores).
Abraços a todos e até mais ler.

Automóveis e Evolução (continuação)

Motores de combustão interna transformam a energia calorífica produzida pela queima da mistura ar/combustível na energia mecânica que faz o carro se movimentar. Para tanto, o combustível líquido precisa ser vaporizado e combinado com certa quantidade de ar. Antigamente, isso era feito pelo carburador; hoje, sofisticados sistemas eletrônicos de injeção monitoram as necessidades do motor em tempo real e estabelecem quantidades e proporções adequadas a cada momento específico, proporcionando melhor desempenho com menor consumo de combustível.
A alimentação dos cilindros determina o regime do motor: quanto maior a quantidade de mistura introduzida nas câmaras, mais força é produzida. Todavia, como o volume aspirado é sempre inferior à cilindrada – já que os gases sofrem uma perda de carga e não enchem completamente as câmaras –, propulsores mais sofisticados utilizam compressores para otimizar a alimentação e produzir mais potência, mas isso já é outra história.
Um ciclo de força simples num motor de quatro tempos requer quatro cursos sucessivos do pistão. Durante a admissão, a depressão criada no interior do cilindro pelo movimento descendente do êmbolo enche a câmara de explosão com a mistura. Na etapa seguinte (compressão), enquanto ambas as válvulas permanecem fechadas, o pistão retorna a seu ponto morto superior e comprime a mistura. Em seguida (explosão) uma centelha produzida pela vela de ignição inflama os gases e empurra o embolo para baixo, produzindo o chamado “trabalho útil”. Finalmente, dá-se o curso de descarga, quando o pistão torna a subir e expulsa os gases do cilindro através da válvula de escapamento).

Observação: As válvulas não se abrem e fecham no exato instante em que os pistões atingem os pontos extremos de seu curso, pois uma pequena antecipação na abertura e um breve retardo no fechamento facilitam tanto a admissão da mistura quanto a expulsão dos gases.

O vai-e-vem retilíneo dos pistões produz um movimento circular no volante que, com auxílio da embreagem e do sistema de transmissão (câmbio/diferencial), é transferido para as rodas motrizes, fazendo o veículo se movimentar. Esse processo se repete milhares de vezes por minuto – conforme as características do motor e seu regime de rotação, cada pistão pode realizar mais de 100 ciclos por segundo!
Amanhã a gente conclui.
Abraços e até lá.