Motores 4 Tempos

Motores 4 Tempos

A principal função do motor é transformar a energia química do combustível em energia cinética de rotação no eixo do virabrequim. Para isso, uma mistura de combustível e ar são colocados dentro de um cilindro. Uma faísca inicia a combustão desta mistura, aumentando a temperatura e, conseqüentemente, a pressão dentro do cilindro. Essa pressão empurra o pistão para baixo, transformando, então, a energia química em energia cinética.

O problema é que o pistão só se move para cima e para baixo, quando na realidade gostaríamos de ter um movimento rotativo. Para isso é usado um mecanismo do tipo biela-manivela – como mostrado na figura abaixo -, que transforma a energia de translação do pistão em energia rotativa no eixo do virabrequim.

 

 

Só que há vários detalhes a serem resolvidos ainda. Como colocar a mistura ar-combustível lá dentro do cilindro? Como tirar os gases produzidos pela combustão?

No caso do motor de 4 tempos, isso é feito com 4  movimentos (óbvio!) do pistão e duas válvulas, uma de admisssão (entrada) e outra de descarga (saída). A válvula de admissão está ligada ao sistema de alimentação de combustível (carburador ou bico injetor), que é o responsável por colocar combustível no ar de entrada. A válvula de descarga está ligada ao escapamento da motocicleta.

Vamos lá, de uma forma bem simples, o motor funciona assim:

 

 

Primeiro tempo (admissão). O pistão começa na parte superior do motor (posição conhecida como ponto morto superior), com a válvula de admissão aberta e a válvula de descarga fechada. Quando o pistão desce, cria um vácuo dentro do cilindro. É esse vácuo que aspira a mistura ar-combustível para dentro do cilindro (por isso o motor é chamado de “aspirado”). Esse tempo do motor é muito importante porque, para aumentar a potência do motor, só colocando mais combustível (a energia tem que vir de algum lugar!). Mas para queimar esse combustível, é preciso colocar mais ar também. Colocar combustível é fácil, o difícil é colocar mais ar. Para isso, ou aumenta-se o volume do motor (cilindrada), ou aumenta-se a rotação do motor (com isso aumenta a vibração também) ou a eficiência volumétrica, i.e., a eficiência com que o motor consegue aspirar ar para dentro do cilindro.

Segundo tempo (compressão). As duas válvulas são fechadas. O pistão sobe, comprimindo a mistura de ar e combustível. Por um lado, quanto maior for a taxa de compressão neste estágio, maior será a conversão de energia química em energia mecânica ou, em outras palavras, maior o rendimento térmico do motor. O problema é que, se a compressão for muito alta, a mistura detona no meio do caminho, diminuindo o rendimento e destruindo – com o passar do tempo – o pistão. Por isso há um limite na taxa de compressão do motor. Quanto maior a octanagem do combustível, maior a sua capacidade anti-detonante. Então, se usássemos um combustível com maior octanagem, poderíamos usar uma taxa de compressão maior.  O álcool, por exemplo, embora tenha menor energia que a gasolina, tem maior octanagem.

Agora, mudando um pouco de assunto, de onde vem a energia para a compressão da mistura? Essa energia vem do volante do motor, que é uma massa rotativa que fica no eixo. Toda vez que o motor gera energia mecânica (no terceiro tempo, que já vamos ver), parte da energia vai para a roda e parte é armazenada no volante, na forma de energia cinética de rotação.

 

 

Terceiro tempo (potência). Essa é a parte que interessa. A vela provoca uma faísca, que inicia a combustão. Com o aumento da temperatura, aumenta também a pressão, que joga o pistão para baixo. Embora esse tipo de motor seja chamado de motor de explosão, não é isso que queremos, pois o motor seria ineficiente e duraria muito pouco. O que queremos é uma deflagração, uma queima controlada e progressiva, sem grandes choques de pressão. Mas queremos que seja rápido! Outro detalhe importante é que, na realidade, a faísca não é emitida no início do terceiro tempo, mas lá no final do segundo tempo (compressão). Isso é necessário porque a combustão leva um tempo para realmente iniciar o aumento da pressão. O avanço da centelha mede o tempo em que se inicia a combustão. Esse avanço depende da rotação, da existência de detonação, potência etc.

Quarto tempo (descarga). Neste último tempo, a válvula de descarga é aberta e o pistão sobe até o ponto morto superior. Neste processo, lança para o escape a maior parte dos gases produzidos na combustão.

A figura abaixo mostra de forma esquemática e simplificada o que acontece com a pressão e o volume durante os quatro tempos. Trata-se de um ciclo bastante idealizado, chamado de ciclo Otto, em homenagem ao criador dos motores de combustão interna a quatro tempos de ignição por centelha.

 

1-2:  compressão
2-3: combustão
3-4: potência
4-4a: abertura da válvula de descarga
4a-6: descarga
6-7: abertura da válvula de admissão
7-1: admissão

Além das válvulas, pistão, cilindro, biela e virabrequim, o motor precisa também de um jeito para saber quando abrir e fechar as válvulas. Para isso ele usa um eixo de comando de válvulas (camshaft, na figura abaixo). Enquanto aquele eixo roda, as saliências do came vão abrindo e fechando as válvulas.

 

 

Para isso, é preciso haver um sincronismo entre a posição do pistão e a posição das válvulas. Isso é feito comumente por uma corrente de comando (mostrada na figura abaixo), que roda o came conforme a posição do virabrequim.

 

 

Transmissão

Tudo bem, conseguimos transformar a energia do combustível em energia rotativa no eixo do virabrequim. Mas ainda temos que transmitir esse movimento para a roda. Além disso, tem que haver um jeito de desconectar o eixo do motor do eixo da roda para podermos parar a motocicleta sem desligar o motor. Um terceiro problema é que o motor de combustão interna só trabalha bem em uma faixa relativamente estreita de rotação. Só que seria muito bom se o eixo da roda operasse com uma faixa bem ampla, desde a motocicleta parada até velocidades muito acima das permitidas pela legislação (só para usar em pistas de competição, ok?).

Todos esses problemas são resolvidos com a transmissão da moto, que é dividida em 4 partes principais:

  1. Transmissão primária (primary drive). Transmite a potência do eixo do motor até a embreagem. Pode ser feita por corrente, engrenagens (mais comum) ou correias. Tem como papel uma primeira redução de velocidade e aumento do torque. As engrenagens são menos eficientes, mas usadas porque precisam de menos manutenção.
  2. Embreagem (clutch). Desconecta o eixo do motor da caixa de câmbio, permitindo que o motor continue funcionando enquanto a moto estiver parada e facilitando as mudanças de marcha. Podem ser secas (mais compactas, mas com menor durabilidade) ou banhadas em óleo.
  3. Caixa de marcha (gearbox). Muda a relação de velocidade entre o motor e a roda. Desta forma, o eixo do motor pode operar sempre em sua faixa ótima de rotação enquanto a roda da motocicleta gira em uma faixa muito maior.
  4. Transmissão secundária (secondary drive). Transmite a potência do conjunto da caixa de marcha até a roda traseira e realiza a última redução de velocidade. Pode ser com corrente (mais comum), correia ou eixo. A vantagem da corrente é a maior eficiência (quando limpa e lubrificada), baixo peso, pequena largura e facilidade em mudar a relação. Desvantagens são a relativa baixa durabilidade e necessidade de constantes manutenções e ajustes.

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