Motor de quatro tempos

O motor alternativo de combustão interna mais vulgar é o motor a gasolina, denominado motor de ignição por faísca (SI), pois a combustão inicia-se devido a uma descarga elétrica de alta tensão (faísca) no interior da câmara de combustão, Martins (2005).

A estrutura de um motor a quatro tempos requer válvulas na parte superior do cilindro. Uma delas é a válvula de admissão, por onde entra a mistura fresca de ar e combustível, e a outra é a válvula de escape, por onde são expulsos os gases queimados. O conjunto dos órgãos mecânicos responsáveis pela abertura e fecho das válvulas, nos tempos devidos recebe a designação de sistema de distribuição.

O ciclo de funcionamento deste motor é executado a cada duas rotações completas (720°) da cambota, Giacosa (1986). Assim na 1ª meia volta (0o_{-180°) ocorre a admissão, na 2ª meia volta} (180°-360°) a compressão, na 3ª meia volta (360°-540°) a expansão e na 4ª meia volta (540°- 720°) o escape, como se pode observar na figura 15

Figura 15 Etapas do ciclo de 4 tempos. Santos (2009)

Etapas do ciclo de 4 tempos

Admissão: Quando o pistão se encontra no PMS, a válvula de admissão abre, permitindo assim que a mistura fresca de ar e combustível entre no cilindro. À medida que o pistão desce para o PMI, é criada uma depressão que aspira a mistura para dentro do cilindro. Desta forma faz-se o enchimento do cilindro. Quando o pistão chega ao PMI a válvula de admissão fecha-se e a mistura fica retida no interior do cilindro, Martins (2005).

Compressão: O pistão situa-se no PMI e vai começar o seu movimento ascendente. Nesta fase ambas as válvulas estão fechadas para que o movimento do pistão consiga comprimir ao máximo a mistura presente no cilindro. Enquanto o pistão sobe, a temperatura e a pressão no interior do cilindro aumentam até o seu valor máximo no PMS, homogeneizando a mistura. Estas condições proporcionam uma combustão mais completa na câmara de combustão. No entanto a temperatura no final da compressão deverá ficar bastante abaixo da temperatura de auto inflamação da mistura fresca, Martins (2005).

Expansão: Depois de concluída a primeira volta da cambota dá-se ignição por faísca que inflama a mistura, altura em quando o pistão começa novamente a descer do PMS para o PMI. A ignição é realizada através de uma vela de ignição, e faz com que ocorra a combustão da mistura. Esta queima rápida origina um aumento brusco da pressão, o impulso das elevadas pressões exercidas pelos gases queimados em expansão, provoca o movimento descendente do pistão até ao PMI. É esta a única etapa em que o motor fornece o trabalho necessário para a realização de todas as outras fases do ciclo termodinâmico do motor. Chama-se por isso tempo motor ou tempo de trabalho.

Escape: Quando o pistão chega ao PMI a válvula de escape abre, permitindo o escoamento dos gases queimados a velocidades elevadas, de modo a ser introduzida uma nova mistura. O pistão no seu movimento ascendente limpa os gases queimados do interior do cilindro. Quando o pistão ao chega ao PMS, a válvula de escape fecha e dá-se por concluído um ciclo termodinâmico. Os gases de escape evoluem pelo sistema de escape onde as suas ondas sonoras são amortecidas, até derem descarregados na atmosfera, Martins (2005).

Diagrama da distribuição

A forma como o motor de 4 tempos foi apresentado pode levar a concluir que as válvulas abrem e fecham de forma instantânea coincidente com o PMI ou PMS. Isto seria verdade para motores extremamente lentos, mas para que os motores rápidos atuais possam trabalhar com elevados enchimentos de ar no cilindro no tempo de admissão, é necessário aproveitar os efeitos inerciais e de ressonância das colunas gasosas à entrada e saída do cilindro (efeitos dinâmicos). Assim as válvulas abrem durante um tempo superior à meia rotação da cambota anteriormente suposta. Esta situação deve-se, entre outros fatores, como se verá na análise do diagrama da distribuição, figura 16, ao facto de as válvulas levarem um certo intervalo de tempo, mesmo que muito pequeno, a deslocarem-se, quer seja na abertura quer seja no fecho.

A válvula de escape começa a abrir ainda na fase da expansão, normalmente por volta de 40° a 60° antes do PMI e fecha-se completamente por volta de 15° a 30° depois do PMS. A abertura acontece antes do PMI para que a pressão no interior do cilindro baixe para valores próximos da pressão de escape de forma a permitir que uma grande quantidade dos gases queimados escapem do cilindro o mais cedo possível, Martins (2005). O fecho ocorre depois do PMS para que se consiga um aproveitamento da inércia do escoamento dos gases de escape para fora do cilindro. Com isto, a entrada da mistura na fase de admissão é feita mais facilmente. No PMS, ambas as válvulas se encontram abertas (cruzamento de válvulas). Portanto a válvula de admissão abre normalmente entre 10° a 20° antes do PMS e fica aberta até uns 50° a 70° depois do PMI, para que a entrada da mistura para o interior do cilindro depois do PMI seja continuada. As elevadas velocidades do ar na entrada do cilindro criam inércia, levando a que a mistura continue a entrar no cilindro mesmo que a sua pressão seja superior à da conduta de admissão. Se o coletor de admissão estiver à pressão atmosférica a pressão de enchimento pode ser bastante superior. Isto consegue-se com um bom desenho do coletor de admissão e com o fecho da válvula de admissão coincidente com o pico de pressão.

Na situação onde existe cruzamento de válvulas verificam-se duas pressões: pressão de admissão e pressão de escape. Se durante este período de tempo a pressão de admissão for menor que a pressão de escape, é possível que os gases de escape retornem para dentro do cilindro. Esta situação poderá ser vantajosa em regimes de altas rotações porque nestes regimes o tempo destinado à realização da admissão e do escape é reduzido. Na figura 17 mostra-se a fase do cruzamento das válvulas.

Figura 17 Cruzamento das válvulas entre o final do escape e o início da admissão. Bosch (2005)

Para completar este item apresenta-se o diagrama de pressões em função do ângulo da cambota figura 18, para um motor de 4 tempos. O diagrama p-v do ciclo real pode converter-se neste diagrama por uma simples conversão de coordenadas, conhecendo-se o valor do comprimento

da biela e do raio da cambota, Martins (2005). No diagrama da pressão em função do ângulo da cambota podemos analisar a variação da pressão ao longo de todo o ciclo. A análise deste diagrama é de primordial importância para descrever o comportamento médio dos gases no interior do cilindro, identificar as fases de realização de trabalho útil e trabalho consumido. Este diagrama permite conhecer as cargas impostas sobre as partes móveis e chumaceiras da cambota, o que possibilita um melhor conhecimento do comportamento dinâmico desses componentes Giacosa (1986).

Figura 18 Diagrama da pressão em função do ângulo da cambota. Giacosa (1986)

Vantagens de um motor a quatro tempos:

- económicos e pouco poluentes, devido à sua queima ser bastante eficiente (injeção direta e indireta e um bom sistema de abertura e fecho das válvulas);

- grande durabilidade porque não necessita de atuar a grandes rotações para obterem uma potência considerável;

- grande fiabilidade devido ao bom funcionamento do seu sistema de lubrificação, tornando- se assim menos propícios a problemas;

- pouco ruído e vibração;

- um bom binário a baixas rotações devido à sua eficiência volumétrica.

Desvantagens:

- motores geralmente pesados e caros;

p

re

ss

ão

- a sua potência é prejudicada por completarem apenas um ciclo a cada duas revoluções da cambota;

- dificuldade na resolução de problemas no motor, devido à sua estrutura complexa e à grande variedade de peças;

- necessidade de mudança regular do óleo; - não podem operar em qualquer orientação.