Motores a Pistão: Quatro Tempos

Você já deve ter se deparado uma granada explodindo, seja em um filme ou no videogame. A explosão da granada é limitada à uma certa área (a explosão não se “expande” para sempre). Imagine agora que você coloque a granada dentro de um cofre. A região que a explosão compreende é agora muito menor, o que significa que toda a “potencia da granada” vai estar concentrada no pequeno espaço do cofre. Intuitivamente imaginamos que a granada vai ser “melhor aproveitada” dentro de um cofre do que em um campo de batalha, em termos de eficiência na explosão. Carros, aviões, motos, aeromodelos, dentre outros móveis utilizam deste proveito de eficiência, movendo-se graças à explosão de “granadas” (combustão) no interior dos “cofres” (motores).

Mas como que explosões são capazes de fazerem veículos se movimentarem? Em outras palavras, como que a energia térmica (da explosão) é transformada em energia mecânica? Podemos entender o principio de funcionamento de motores com um dos modelos mais importantes e simples: os motores a pistão. Nesse artigo exploraremos dois tipos, o motor a quatro tempos e o motor a dois tempos. Nesse artigo exploraremos o motor a quatro tempos, mas, antes de entendermos sua dinâmica, é de extrema importância que conheçamos os componentes de cada um. Veja a foto 1.

Foto 1

Motores são maquinas que realizam ciclos repetidos. Os ciclos são marcados pela transição do pistão entre os chamados ponto morto alto (PMA) e ponto morto baixo (PMB) (veja a foto 2). O caminho/distância entre estes dois pontos recebe o nome de curso. Um ciclo completo corresponde à duas rotações do eixo de manivelas, ou seja, 720 graus (veja a foto 3). Ainda, cada ciclo no motor a quatro tempos possui, não surpreendentemente, quatro tempos. Os “tempos” denotam a transição do pistão entre o PMA e o PMB, ou seja, nesse caso, o pistão “sobe” duas vezes (em direção ao PMA) e descem duas vezes (em direção ao PMB). Estudaremos agora a constituição de cada um dos tempos.

Foto 2

Foto 3

O primeiro tempo é chamado de admissão, pois é nele que a válvula de admissão é aberta, sendo que o movimento de descida (em direção ao PMB) do pistão “suga” a mistura de ar e combustível para dentro do cilindro (como a sucção de uma seringa).

O segundo tempo é chamado de compressão. Uma vez que a mistura ar mais combustível encontra-se dentro do cilindro, a válvula de admissão é fechada, confinando a mistura (como em nossa analogia do cofre). No segundo tempo o pistão sobe em direção ao PMA, comprimindo a mistura. Segundo a primeira lei da termodinâmica, a compressão/diminuição de volume implica em um ganho de energia (uma vez que trabalho foi realizado sobre o gás). O ganho de energia interna potencializa a combustão que ocorre no próximo tempo.

O terceiro tempo é chamado de tempo motor, sendo composto por três fases. A primeira fase do terceiro tempo é a ignição da mistura pela faísca gerada pela vela de ignição. Sabemos que, para uma reação de combustão acontecer, é necessário termos um combustível (exemplo: gasolina) e um comburente (o oxigênio, presente no ar). Temos ambos na mistura, concedendo a segunda fase, que é a combustão em si. Nossa “granada” explodiu dentro do “cofre,” gerando uma imensa pressão a partir dos gases em expansão, marcando assim a terceira fase (veja a foto 4). Podemos verificar de forma intuitiva que a pressão fará o papel de “empurrar” o pistão para baixo (em direção ao PMB). Vamos dar uma pausa na engenharia e nos atentar nos importantes princípios físicos aqui empregados. Por que após a ignição os gases expandem? Por conta da primeira lei da termodinâmica. O calor fornecido pela combustão indica em um Q positivo (Q>0). A energia do calor é então convertida em trabalho para a expansão do gás que entra em combustão (o gás realiza trabalho), empurrando o pistão. Note que o terceiro tempo é o único o qual o motor realiza trabalho, sendo este utilizado para a continuidade da movimentação do motor (deslocamentos do pistão). Até que o terceiro tempo de outro ciclo se inicie, o eixo de manivelas continua se movendo por inércia, movendo o pistão.

Foto 4

Finalmente, temos o quarto tempo, chamado de escapamento. Nele a válvula de escapamento é aberta. Como o eixo manivela continua se movendo por inércia, ele conduz o pistão para cima (em direção ao PMA) auxiliando na liberação dos gases queimados. Após o término desse tempo, um novo ciclo se inicia (com a abertura da válvula de admissão).

Note que os quatro tempos compreendem seis fases (sendo três delas inclusas no terceiro tempo). São elas: admissão, compressão, ignição, combustão, expansão e escapamento. Não confunda tempo com fase! Tempos são marcados pelo trânsito do pistão no curso (entre o PMA e o PMB). Fases são os eventos que ocorrem dentro dos tempos. O ciclo que acabamos de estudar é conhecido como Ciclo Otto. Veja a giphy abaixo que ilustra todo o ciclo.

giphy

Material de referência:

Aeronaves e Motores: Conhecimentos Técnicos (Jorge M. Homa)

Física para Cienstias e Engenheiros Volume II (John W. Jewett Jr e Raymond A. Serway)