Classificação dos motores quanto aos tempos e ciclo de funcionamento

Os motores de combustão interna podem ser classificados de várias formas, podendo ser classificados de acordo com o tipo de início da combustão do combustível em motores com ignição por faísca (ou ignição comandada) e motores com ignição por compressão (ou ignição não comandada). Estes últimos também são conhecidos por motores diesel.

Motores movidos a gasolina ou a álcool são exemplos de motores com ignição por faísca. Neste caso, a combustão de combustível é iniciada com uma descarga eléctrica, originada pela vela de ignição que produz uma faísca que irá provocar a combustão da mistura ar- combustivel.

Nos motores de ignição por compressão, a ignição é conseguida pela injecção de combustível no cilindro através de injectores produzindo-se uma auto-inflamação da mistura ar- combustível determinada por pressão e temperatura elevada

Os motores podem também ser classificados quanto ao tipo de ciclo de operação: motores de quatro tempos que usem os Ciclos de Otto, de Diesel, de Miller, de Atkinson, etc; ou, de dois tempos. Nesta dissertação apenas nos iremos focar nos motores de combustão interna com ignição por faísca de quatro tempos, não sendo feita uma descrição dos motores a dois tempos.

2.3.1.1 O motor a quatro tempos - princípio de funcionamento

Um motor a quatro tempos durante o seu funcionamento admite uma certa quantidade de ar e combustível, comprime e queima a mistura e deixa-a expandir antes de a expulsar do cilindro. O ciclo é assim composto pela admissão, compressão, combustão e escape. Um ciclo completo realiza-se em quatro cursos do pistão (êmbolo), sendo que um curso é a distância percorrida pelo êmbolo dentro do cilindro desde o ponto mais elevado da sua trajectória, PMS (Ponto Morto Superior), ao ponto mais baixo, PMI (Ponto Morto Inferior). Cada ciclo corresponde a duas voltas da cambota, em que a admissão e a compressão ocorrem numa volta e a transferência de calor, ou seja, a combustão e escape na volta consecutiva.

Como as válvulas abrem apenas uma vez por ciclo, requer que seja utilizado um (ou mais) comando de válvulas (árvore de cames) engrenado à cambota, que permita a sua rotação a metade da velocidade desta.

2.3.1.1.1

Os ciclos termodinâmicos

2.3.1.1.1.1 O Ciclo de Otto: ideal e prático

O ciclo de Otto ideal é constituído pelos seguintes processos:

Figura 2.4- Ciclo de Otto ideal.

1) Admissão: ocorre quando a válvula de admissão abre e o pistão desce do PMS para o PMI. A depressão originada no cilindro, pelo aumento de espaço que o pistão vai deixando, faz com que a mistura de ar-combustivel seja forçada a entrar no cilindro e ocupe esse espaço (0-1). A válvula fecha-se quando o pistão chega ao PMI. E assim a cambota rodou meia volta.

2) Compressão: quando a cambota roda a meia volta seguinte, as duas válvulas encontram-se fechadas e o pistão sobe do PMI para o PMS, comprimindo a mistura de ar-combustivel até reduzir o seu volume ao espaço formado pela câmara de compressão (1-2).

3) Combustão: no momento em que o pistão chega ao fim do curso de compressão (PMS) a vela produz uma descarga eléctrica originando uma faísca na câmara de combustão, incendiando a mistura e provocando a sua combustão e explosão, gerando uma grande quantidade de calor, que aumenta a temperatura do gás e eleva a pressão que havia no final da compressão (2-3). Devido à elevada pressão, o pistão começa a descer, empurrado pela pressão exercida pela expansão dos gases até o PMI (3-4). Este curso descendente do pistão faz a cambota rodar mais meia volta e é o que proporciona a força para o funcionamento do motor.

4) Escape: quando o pistão chega ao PMI, a válvula de escape abre permitindo que os gases queimados sejam escoados a grande velocidade para o exterior com a ajuda do pistão que se encontra no seu movimento ascendente (4-5). A válvula de escape fecha com a chegada do pistão ao topo do cilindro PMS, completando assim o ciclo de funcionamento do motor (5-0).

Legenda

1. Admissão isobárica 0-1. 2. Compressão isentrópica 1-2.

3. Combustão isocórica 2-3. Expansão isentrópica 3-4.

O ciclo ideal induz que as válvulas têm a sua abertura e fecho no PMI e PMS. Isto ocorreria apenas se tratasse de um motor extremamente lento, mas para que os motores rápidos actuais possam trabalhar com elevados enchimentos, é necessário aproveitar os efeitos inérciais e de ressonância das colunas gasosas à entrada e saída do cilindro. Verifica-se assim que o ciclo de funcionamento de um motor a quatro tempos apresenta algumas diferenças em relação ao ciclo ideal, como é possível observar na Figura 2.6.

Figura 2.6- Diagrama de distribuição de um motor de combustão interna a quatro tempos (Martins, 2005).

Na admissão, e de forma a que a mistura ar-combustivel encha o cilindro, dá-se um avanço na abertura da válvula de admissão (AAA), abrindo um pouco antes do PMS em vez de abrir no PMS, como era previsto teoricamente. Em termos de fecho da válvula de admissão, dá-se um atraso, (RFA), fechando após o PMI.

No tempo de combustão, esta deveria ocorrer a volume constante no PMS mas na prática a ignição ocorre antes do PMS. Este avanço (AI) ocorre para que a combustão da mistura se dê de modo a que a pressão máxima do ciclo ocorra depois do PMS, de forma a aumentar a componente de pressão útil.

Na abertura da válvula de escape dá-se um avanço (AAE), ou seja, em vez de abrir no PMI abre um pouco antes de forma a escoar mais rapidamente os gases, aliviando assim a pressão no cilindro e facilitando a subida do pistão. O fecho da válvula de escape é atrasado (RFE), ou seja, em vez de fechar no PMS esta fecha após o PMS, já no tempo de admissão, de forma a facilitar uma evacuação máxima dos gases queimados.

O cruzamento entre as válvulas, isto é, o tempo em que ambas as válvulas se encontram abertas, em que a válvula de escape está no percurso de fecho e a válvula de admissão se encontra no percurso de abertura, também tem um papel fundamental no motor, principalmente em altas rotações. Este cruzamento permite que os gases novos, provenientes da admissão, ajudem a empurrar os gases queimados para o exterior do cilindro, permitindo

um enchimento e uma renovação dos gases mais eficiente a altas rotações, fazendo com que a eficiência volumétrica aumente.

O aumento das rotações do motor permite assim a abertura das válvulas de forma mais rápida, o que implica que o tempo em que estas estão abertas seja mais curto, dificultando assim a renovação dos gases. Por outro lado, um cruzamento longo permite ao motor ter uma potência mais elevada a rotações mais elevadas, mas apresenta um desempenho fraco quando este roda a rotações mais baixas, devido aos gases provenientes da admissão escaparem pelo escape, havendo também a possibilidade de reversão dos gases de escape, em que os gases voltam para o interior do cilindro, não havendo assim uma renovação completa do gases, o que implica uma redução de combustível e de oxigénio no interior do cilindro, causando uma diminuição da eficiência volumétrica que por sua vez leva a uma perda da potência.

2.3.1.1.1.2 O Ciclo de Miller

Ralph Miller, nos anos 1940’s, desenvolveu um ciclo termodinâmico que veio a ser conhecido como ciclo de Miller.

O Ciclo De Miller baseia-se no ciclo de Otto mas apresenta uma expansão mais longa que a compressão, fazendo com que haja uma sobre-expansão dos gases queimados que no ciclo de Otto seriam desperdiçados pelo escape.

O ciclo de Miller é conseguido através de vários métodos:

1) Utilização de um sistema biela-manivela ajustável que permita que os tempos de admissão e compressão sejam menores que os de expansão e escape;

2) Reduzindo a duração da admissão/compressão através do fecho da válvula de admissão antes do PMI, mantendo a duração da expansão.

3) Reduzindo a duração da admissão/compressão através do fecho da válvula muito depois do PMI. Neste caso parte dos gases voltam para trás, para o colector de admissão.

Assim sendo, o tempo de compressão é mais curto e o de expansão maior. Tendo em conta que no tempo de compressão o trabalho é consumido e no tempo de expansão é produzido trabalho, resulta assim num trabalho útil por ciclo maior quando comparado com o que seria obtido com o ciclo de Otto.

2.3.1.1.2

Componentes básicos de um motor monocilíndrico

Os componentes do motor de combustão interna podem ser divididos em duas categorias: os fixos e os móveis. Os principais componentes de um motor de combustão interna com ignição por faísca estão enumerados de seguida e na Figura 2.8:

 Órgãos fixos  Órgãos móveis

 Bloco do motor  Cabeça do motor  Cárter  Vela de ignição  Pistão/êmbolo  Biela  Cambota

 Válvulas de admissão e escape

 Árvore de cames

Figura 2.8- Esquema de um motor de combustão interna monocilíndrico.

Devido à importância da árvore de cames nesta dissertação, este será o único componente do motor a ser analisado mais detalhadamente.

2.3.1.1.2.1 Árvore de cames

A árvore de cames ou veio de ressaltos consiste num veio cilíndrico constituído por um conjunto de peças ovalizadas denominadas de cames, estando cada uma das cames atribuída a uma válvula.

A árvore de cames constitui um elemento fundamental do motor, pois faz parte do sistema de distribuição destinada a comandar a abertura e o fecho das válvulas de admissão e escape. A rotação das cames provoca de forma directa ou indirecta a abertura das válvulas de admissão e de escape, cada uma no seu tempo. O fecho das válvulas é assegurado pelas cames e pelas molas de retorno das válvulas.

O comando da árvore de cames é feito através da cambota, sendo feita por intermédio de correntes, correias ou por uma cascata de engrenagens. A árvore de cames roda a metade da velocidade da cambota, devido ao facto de enquanto a cambota realiza um ciclo, ou seja, duas rotações, as válvulas de admissão e de escape abrem apenas uma vez.

Os motores podem apresentar árvores de cames na parte lateral (no bloco) ou árvores de cames na cabeça do motor (OHC - single overhead camshaft). Se a árvore de cames estiver colocada no bloco do motor, devido à distância às válvulas o movimento da came às válvulas é indirecto, sendo necessário impulsores/seguidores para transmitirem o movimento da came às varetas/hastes e estas aos balanceiros que vão accionar as válvulas. Se a árvore de cames estiver na cabeça, as válvulas podem ser accionadas directamente. Actualmente a maioria dos motores automóveis estão equipados com uma árvore de cames à cabeça (SOHC- single overhead camshaft) ou duas (DOHC-Double overhead camshaft) (Martins, 2005).

Os tempos de abertura e fecho das válvulas são extremamente importantes para o correcto funcionamento do motor. Os perfis (forma geométrica) das cames e o ângulo de desfasamento que estas fazem entre si é que estabelecem o momento e a duração que as válvulas vão abrir e fechar.

As cames que comandam as válvulas de admissão e de escape apresentam perfis diferentes, sendo geralmente o tempo de abertura da admissão superior ao de escape, de forma a possibilitar um melhor enchimento do cilindro com gases frescos, principalmente em rotações mais altas do motor. O perfil da came e a forma como esta actua na válvula varia com o tipo de impulsor utilizado, podendo ser de superfície plana, elíptica ou de rolete.

Qual a classificação dos motores em relação aos ciclos de funcionamento?

Qual é a classificação dos tempos motores?

Quais são os ciclos de funcionamento do motor?

Quais são os 4 tempos corretos de funcionamento de um motor ciclo Otto?