A maioria dos motores de combustão interna produzidos em massa (ICEs) em carros funcionam num sistema de 4 tempos, com um curso de admissão, um curso de compressão, um evento de combustão o que causa a rápida expansão dos gases e um curso de potência com o pistão a deslocar-se a alta velocidade pelo cilindro.
Um motor de combustão interna é, por isso, um motor térmico no sentido de que converte a energia do calor da combustão da gasolina em trabalho mecânico ou torque. Esse torque é aplicado às rodas para fazer o carro se deslocar.
Funcionamento do motor de combustão interna
Os motores têm pistões que se movem para cima e para baixo dentro de tubos de metal chamados cilindros. Os pistões são conectados por meio de hastes a uma cambota, e movem-se para cima e para baixo para girar a cambota do motor, que por sua vez alimenta as rodas motrizes do carro. Dependendo do veículo, normalmente há entre dois e 12 cilindros no seu motor, com um pistão movendo-se para cima e para baixo em cada um dos mesmos.
De onde vem a potência do motor
O que move esses pistões para cima e para baixo são milhares de minúsculas explosões controladas ocorrendo a cada minuto, criadas pela mistura de combustível com o oxigénio e inflamando a mistura. Cada vez que o combustível se inflama é chamado de combustão, ou força, curso. O calor e os gases em expansão dessa miniexplosão empurram o pistão para baixo no cilindro.
Quase todos os motores de combustão interna atualmente (e vamos nos concentrar nos motores a gasolina) são do tipo quatro tempos. Além do curso de combustão, que empurra o pistão para baixo a partir do topo do cilindro, existem três outros cursos: admissão, compressão e escape.
Os motores precisam de ar (ou seja, oxigénio) para queimar o combustível. Durante o curso de admissão, as válvulas abrem-se para permitir que o pistão atue como uma seringa enquanto se move para baixo, puxando o ar ambiente através do sistema de admissão do motor. Quando o pistão atinge o fundo do seu curso, as válvulas de admissão fecham, vedando efetivamente o cilindro para o curso de compressão, que está na direção oposta ao curso de admissão. O movimento ascendente do pistão comprime a carga de admissão.
Os quatro tempos de um motor de quatro tempos
Assim, um motor de quatro tempos utiliza quatro tempos de pistão distintos (admissão, compressão, potência e escape) para completar um ciclo operacional.
Atualmente, nos motores mais modernos, a gasolina é injetada diretamente nos cilindros perto do topo do curso de compressão. (Outros motores pré-misturam o ar e o combustível durante o curso de admissão). Em ambos os casos, e antes de o pistão atingir o topo do seu curso, conhecido como ponto morto superior, as velas de ignição acendem a mistura de ar e combustível.
A expansão resultante de gases quentes em combustão empurra o pistão na direção oposta (para baixo) durante o curso de combustão. Esse é o curso que faz as rodas do carro se movimentarem. Quando o curso de combustão atinge o ponto morto inferior, as válvulas de escape abrem para permitir que os gases de combustão sejam bombeados para fora do motor (como uma seringa a expelir ar) conforme o pistão sobe novamente. Quando os gases de exaustão são expelidos – o processo continua através do sistema de escape do carro antes de sair na parte traseira do veículo – as válvulas de escape fecham no ponto morto superior e todo o processo começa novamente.
Ou seja:
- i Curso de admissão
A válvula de admissão está aberta e o combustível e o ar são puxados pela válvula e para a câmara de combustão e o cilindro a partir do coletor de admissão localizado no topo da câmara de combustão. A válvula de escape está fechada e o interruptor de contacto elétrico está aberto. A mistura combustível / ar está a uma pressão relativamente baixa (próxima à atmosférica). No final do curso de admissão, o pistão está localizado na extremidade esquerda e começa a mover-se para trás para a direita.
O cilindro e a câmara de combustão estão cheios da mistura de ar / combustível de baixa pressão e, quando o pistão começa a mover-se para a direita, a válvula de admissão se fecha. - i Curso de compressão
Com ambas as válvulas fechadas, a combinação do cilindro e da câmara de combustão forma um recipiente completamente fechado contendo a mistura combustível / ar. Conforme o pistão é empurrado para a direita, o volume é reduzido e a mistura combustível / ar é comprimida durante o curso de compressão. - i Curso de potência
No início do curso de potência, o contacto elétrico é aberto. A abertura repentina do contacto produz uma faísca na câmara de combustão que acende a mistura combustível / ar. A combustão rápida do combustível liberta o calor e produz gases de escape na câmara de combustão.
Como as válvulas de admissão e escape estão fechadas, a combustão do combustível ocorre num recipiente totalmente fechado (e com volume quase constante). A combustão aumenta a temperatura dos gases de escape, qualquer ar residual na câmara de combustão e na própria câmara de combustão. A partir da lei dos gases ideais, o aumento da temperatura dos gases produz também um aumento de pressão na câmara de combustão. A alta pressão dos gases atuando na face do pistão faz com que o pistão se mova para a esquerda, iniciando o curso de potência.
Ao contrário do curso de compressão, o gás quente funciona no pistão durante o curso de potência. A força no pistão é transmitida pela haste do pistão para a cambota, onde o movimento linear do pistão é convertido no movimento angular da cambota. O trabalho feito no pistão é então usado para girar o eixo e as hélices e para comprimir os gases no curso de compressão do cilindro vizinho. Tendo produzido a faísca de ignição, o contacto elétrico permanece aberto.
Durante o curso de potência, o volume ocupado pelos gases é aumentado devido ao movimento do pistão e não é transferido nenhum calor para a mistura combustível / ar. Conforme o volume aumenta devido ao movimento do pistão, a pressão e a temperatura do gás diminuem. - i Escape
No final do curso de potência, o pistão está localizado na extremidade esquerda. O calor que sobra do curso de potência é agora transferido para a água na camisa de água até que a pressão se aproxime da pressão atmosférica. A válvula de escape é então aberta pelo came que empurra o balancim para iniciar o curso de escape.
O objetivo do curso do escape é limpar o cilindro da exaustão gasto na preparação para outro ciclo de ignição. Quando o curso de escape começa, o cilindro e a câmara de combustão estão cheios de produtos de exaustão em baixa pressão. Como a válvula de exaustão está aberta, o gás de escape é empurrado para além da válvula e sai do motor. A válvula de admissão é fechada e o contacto elétrico é aberto durante este movimento do pistão.
No final do curso de escape, a válvula de escape é fechada e o motor inicia outro curso de admissão.
Vantagens e desvantagens dos motores de combustão interna
Vantagens
- + O tamanho do motor é muito menor em comparação com os motores de combustão externa
- + A relação potência / peso é alta
- + Muito adequado para aplicações com pequenos requisitos de energia
- + Normalmente mais portátil do que os motores de combustão externa homólogos
- + Mais seguro para operar
- + Mais alta eficiência do que o motor de combustão externa
- + Sem hipóteses de fuga de fluidos de trabalho
- + Requer menos manutenção
- + O consumo de lubrificante é menor em comparação com os motores de combustão externa
- + No caso de combustão interna alternada, a temperatura geral de trabalho é baixa porque a temperatura de pico é atingida por um pequeno período (apenas na detonação do combustível).
- - A variedade de combustíveis que podem ser usados é limitada a combustíveis gasosos e líquidos de qualidade muito fina
- - O combustível usado é muito caro, como gasolina ou diesel
- - As emissões do motor são geralmente altas em comparação com o motor de combustão externa
- - Não é adequado para a geração de energia em grande escala
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