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Como funciona um motor 4 tempos

Naturalmente, toda a população mundial sabe que qualquer veículo precisa de combustível para funcionar. Mesmo aqueles sem conhecimento algum de mecânica entendem que sua propulsão depende do motor, o qual funciona através da queima do líquido carburante.

Mas como ocorre o processo de combustão interna dos motores?

A maioria dos veículos equipados com motores a combustão interna utilizam os ciclos Otto e Diesel, cujo funcionamento ocorre em quatro fases. Ou quatro tempos, como se fala usualmente. Eles são:

ADMISSÃO, COMPRESSÃO, COMBUSTÃO E ESCAPE

De modo resumido, a figura extraída da Encyclopædia Britannica – fonte da qual extraí grande parte dos meus trabalhos de escola – mostra uma visão geral do processo de combustão:

motor 4 tempos como funciona
EBKIDS 06: Motor de combustão interna –  jenconv120j4 593 x 348 05/03/06 Claudiu Varan – Enciclopaedia Britannica

Um ciclo de quatro tempos completo demanda duas voltas do virabrequim do motor, perfazendo um total de 720 graus de giro. Em tese, cada uma das fases deveria durar 180 graus – metade de uma volta. Na prática, os projetistas, engenheiros de teste e preparadores tentam maximizar as fases de admissão e combustão – chamadas “fases de potência” no jargão automotivo – e reduzir as de compressão e escape.

Em comparação aos motores 2 tempos (aprenda neste post como eles funcionam), necessitam do dobro de voltas para completar um ciclo, por isso entregam menor potência específica. As vantagens consistem na dispensa da mistura de óleo no combustível ao abastecer, as menores emissões de poluentes, funcionamento mais silencioso e uniforme e maior durabilidade, para citar as principais.

Nos parágrafos seguintes, dar-se-são explicações mais detalhadas sobre cada uma das fases:

ADMISSÃO

Também conhecida como indução ou introdução, a admissão consiste na entrada da mistura de ar e combustível na câmara de combustão.

O sistema de injeção ou carburação coloca o combustível na mistura via bicos injetores, ao passo que a válvula de admissão se abre, permitindo a entrada de ar dosada pelo coletor, regulando a estequiometria de acordo com o regime de funcionamento da unidade, definido nos mapas de calibração.

Nesta fase, a válvula de admissão se encontra aberta e a de escape, fechada. Os pistões se deslocam do ponto morto superior (PMS) para o ponto morto inferior (PMI), aspirando a mistura para dentro da câmara pelo movimento de descida, devido à pressão atmosférica.

Daí vêm o termo aspirado para os motores de admissão atmosférica. No caso dos motores sobrealimentados – ou turbinados –  a mistura é empurrada pela turbina para dentro da câmara, permitindo a admissão de um volume muito maior em um mesmo ciclo. Daí resultando no ganho de potência e torque formidáveis dos sistemas com admissão forçada. O mesmo processo ocorre com o compressor mecânico ou blower, cuja diferença do turbocompressor se mostra apenas mecânica.

Assim que toda a mistura ar/combustível entra na câmara de combustão, as válvulas de admissão se fecham e a fase de compressão se inicia.

COMPRESSÃO

Nesta fase, as válvulas de admissão se fecham e os pistões se encontram aproximadamente no ponto morto inferior (PMI) e passam a se mover para cima, em direção ao ponto morto superior (PMS), ocorrendo o processo de compressão da mistura.

A massa de ar e combustível dispersa no início da fase passa a ocupar um volume de 8 a 20 vezes menor, se tornando muito concentrado na parte superior do cabeçote, gerando grande pressão. A razão entre o volume da câmara no PMI e no PMS se chama taxa de compressão (confira aqui).

Na compressão, ambas as válvulas se encontram fechadas. Um motor em boas condições de funcionamento oferece boa estanqueidade nesta fase e na de combustão, maximizando o desempenho.

Válvulas com má vedação permitem o vazamento de parte da mistura ar/combustível e reduzem a eficiência da combustão, causando perda de potência e torque.

Com a câmara de combustão fechada e com os pistões nas proximidades do PMS, a fase de combustão se inicia.

COMBUSTÃO

Consiste na fase mais importante do ciclo. Aqui ocorre a queima do combustível e a geração da propulsão do motor, por meio da centelha das velas nos motores Otto (álcool e gasolina) e por combustão espontânea gerada pela compressão, típica do ciclo Diesel.

Por isso os motores Diesel não precisam de velas.

Com a força da combustão causada pela queima do fluido carburante, os pistões serão impulsionados de volta para o PMI com bastante força, produzindo potência e torque.

Note que no último parágrafo da fase de compressão, há um sublinhado no termo “nas proximidades do PMS“. De fato, a combustão raramente ocorre no PMS, pois os engenheiros e técnicos responsáveis pela calibração dos motores sabem que a combustão precisa ser otimizada conforme o regime de funcionamento.

Assim, eles podem adiantar ou atrasar a queima. Na quase totalidade dos casos, a combustão é antecipada, com o intuito de aumentar a fase de combustão. Por isso, dá-se a este ajuste o nome de avanço de ignição.

A principal meta dos preparadores de motores costuma ser maximizar sua duração, assim como a de admissão. O método mais prático consiste em fazer mapas de calibração do sistema de injeção visando a maximização dessas fases, aumentando o avanço de ignição e a quantidade de combustível injetado em cada ciclo. Esta preparação é conhecida como “chip de potência” e está explicada em detalhes neste artigo.

Uma alternativa mais elaborada consiste na troca dos comandos de válvula originais por outros que maximizam as fases de admissão e combustão, também conhecidos como “comando bravo”. Ao passo que o turbo atua prioritariamente na admissão, o “chip de potência e os comandos esportivos atuam na combustão.

Esses componentes têm como função a abertura e fechamento das válvulas, e seus cames possuem desenho modificado com este objetivo. O ponto negativo reside na irregularidade de funcionamento em regimes de rotação mais baixos. Além dos “comandões”, veja outras preparações mais radicais neste artigo.

Um nome alternativo para a fase de combustão é fase de ignição. De modo tecnicamente incorreto, alguns a chamam de fase de explosão. Em engenharia, combustão significa a queima de um combustível de maneira ordenada e controlada, ao passo que a explosão consiste na queima de um combustível de forma desordenada e descontrolada.

Naturalmente, um motor de combustão interna necessita que ocorra a combustão para funcionar corretamente. Explosões ocorrem nos motores dos nossos veículos o tempo todo, e possuem nome técnico: detonação. Esse fenômeno é conhecido como “batida de pino”, aquele ruído estranho que ouvimos em propulsores abastecidos com combustível ruim ou operando na fase fria. Outro sintoma são aqueles estouros do escapamento, geralmente após a primeira partida do dia.

Então, concluímos que o motor deve gerar combustão e evitar a explosão, cujo resultado gera alto consumo de combustível e baixa performance.

Uma vez queimado o combustível e com os pistões aproximadamente no PMI, inicia a fase de escape. Neste ciclo, ambas as válvulas permanecem fechadas.

ESCAPE

A última fase do ciclo também é conhecida como exaustão. Ela se resume na expulsão dos gases de escape gerados pela queima do combustível para fora da câmara com a subida dos pistões, simultaneamente à abertura das válvulas de escape.

Aqui, não há muito o que detalhar. Uma vez que o pistão atinja o PMS com as válvulas de escape abertas, os gases de exaustão seguem para o coletor de escape e seguem seu fluxo para o ambiente pelo tubo de escapamento.

A maior influência na fase do escape consiste na contrapressão do escapamento e na resistência que o catalisador gera para o fluxo de gases, enquanto cumpre a sua função de converter os poluentes mais nocivos em outros inócuos ao ser humano, como água ou dióxido de carbono.

Por sua vez, os silenciosos intermediário e traseiro reduzem o fluxo dos gases para cumprir sua função de reduzir o ruído externo e interno gerado pelo motor. Juntos, o catalisador e os silenciosos consistem no principal desafio para engenheiros e preparadores.

A fim de facilitar o escoamento dos resíduos, os engenheiros projetam peças que oferecem menor resistência à sua saída, com tubos maiores, menos curvas e restrições dos componentes redutores de ruído e emissões. Componentes com baixa resistência ao escoamento e que facilitam o fluxo dos gases resultam em ganhos de potência e torque consideráveis.

Por isso, uma das preparações mais populares são os escapamentos esportivos. Seu princípio básico visa  a eliminar toda e qualquer restrição ao fluxo de gases possível. Assim, não possuem silenciosos nem conversores catalíticos e seus tubos costumam ser retos e de grande diâmetro.

Os modelos mais sofisticados fazem tratamento acústico do som emitido pelo escape, deixando-o mais encorpado e interessante. Um automóvel com ronco de carros esportivos e/ou de competição consiste em um dos maiores desejos de quem faz preparações, somado ao ganho de performance.

Ao final do ciclo do motor quatro tempos, a válvula de escape se fecha e os 720 graus de giro se completam. Imediatamente, o ciclo de admissão começa e as válvulas de admissão se abrem e tudo começa novamente.

COMO FICA TUDO ISSO VISTO EM CONJUNTO?

O vídeo extraído do Autotech Blog, incorporado via supermoviesdownload.com, mostra na prática os componentes internos do motor e os quatro tempos do ciclo de combustão:

CONCLUSÃO

Um motor a combustão interna de quatro tempos é algo simples e complexo ao mesmo tempo. E algo muito fascinante. Engenheiros estudam a vida inteira e acumulam décadas de experiência estudando e trabalhando cada componente. Bons mecânicos e preparadores fazem o mesmo.

O assunto possui milhares de livros publicados e uma infinidade de estudos sobre cada mínimo detalhe, a maior parte muito técnica. Resumir o essencial em poucos parágrafos para pessoas comuns consiste em uma tarefa complexa.

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