Motores de combustão interna

Segundo Heywood (1988) a proposta principal dos motores de combustão interna é transformar a energia do combustível em energia mecânica, através da queima deste combustível de forma controlada dentro de uma câmara de combustão.

Os primeiros motores comercializados datam de 1860. J. J. E. Lenoir criou os primeiros motores de combustão interna que utilizavam uma mistura de gás de carvão e ar.

Em 1867, Nicolaus A. Otto e Eugen Langen desenvolveram um sistema onde o aumento de pressão gerado pela combustão acelerava o pistão e no momento da

exaustão gerava um vácuo pelo qual a mistura ar-combustivel era succionada para dentro do cilindro novamente.

A Figura 8 apresenta o desenho de patente de um motor elaborado por Otto em 1876 com patente aprovada em 1877.

Figura 8 – Desenho de patente requida por Nicolaus A. Otto em 1876 e concedida em 1877.

Fonte: Philbin (1934).

No início os motores eram grandes, pesados e com baixa eficiência, foi quando Otto propôs um ciclo de combustão com quatro tempos, em 1884 houve o registro de patente do sistema. Em 1890 mais de 50.000 unidades de motores com o ciclo Otto foram comercializados na Europa e Estados Unidos, segundo Philbin (1934).

Conforme Heywood (1988), em 1892 o engenheiro alemão Rudolf Diesel patenteou o ciclo baseado na injeção de combustível líquido vaporizado dentro da

câmara de combustão, o que permitiu atingir-se o dobro da eficiência de outros motores até então desenvolvidos.

Os motores de combustão interna tiveram uma primeira onda de melhorias e aperfeiçoamentos durante a Primeira Grande Guerra, onde a movimentação de tropas, carros de combate, apoio logístico e aviação eram fundamentais e todos necessitavam de motores para sua movimentação. Os combustíveis também tiveram grande melhoria a aperfeiçoamento, muito devido ao melhor entendimento da combustão e seus efeitos nos motores e no seu desempenho.

Durante a Segunda Grande Guerra houve, também, grandes modificações, implementação de tecnologias que melhoraram a eficiência dos motores, reduzindo o tamanho, aumentando a potência e utilizando sistemas e mecanismos mais precisos.

Outros pontos importantes contribuíram para a melhoria das aeronaves e o desempenho de motores, como as hélices e combustíveis, segundo White (1945). A inclusão de sobrealimentadores e turboalimentadores nos motores foi fundamental para o aumento do teto de serviço6 _{e melhoria significativa das aeronaves.}

Na Segunda Grande Guerra, os aviões voavam com combustíveis de octanagem igual ou até mesmo inferior a 50, o que acarretava sérios problemas de pré-ignição7 _{e também de detonação}8_.

Ao longo do período de guerra (1939 – 1945) os combustíveis sofreram grandes modificações, descobertas e melhorias foram efetuadas até se chegar, próximo aos anos de 1945, final da guerra, com combustíveis de alta octanagem e motores muito mais confiáveis, seguros e com maior rendimento.

Não só os próprios motores ou combustíveis foram melhorados, as aeronaves tiveram que acompanhar esta evolução, para promover o incremento de desempenho dos motores, alguns pontos são citados por White (1945) como importantes: melhoria do arrefecimento e trocas térmicas (auxilia no desempenho do motor e durabilidade), melhorias no balanceamento de peças que reduziam as vibrações, os sistemas de lubrificação foram melhorados, os sistemas de exaustão

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Altitude máxima em que a aeronave pode operar, fator restritivo pelas condições de combustão do motor.

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A mistura ar-combustível entra em combustão antes da centelha da vela ser iniciada.

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A mistura ar-combustível queima de maneira desordenada e extremamente rápida, como uma explosão dentro do cilindro, gerando grandes esforços mecânicos no motor, podendo acarretar em sérios danos estruturais.

de gases sofreram melhorias significativas de maneira a auxiliar as trocas gasosas dentro do motor e aumentar seu rendimento e outros vários pontos que podem ser vistos em sua obra intitulada Allied Aircraft Piston Engines9, de 1945.

Os estudos relativos a motores e suas tecnologias continuaram evoluindo ao longo dos anos e novas tecnologias de combustão, materiais, combustíveis e eletrônica foram agregados, trazendo mais eficiência e melhorias aos motores.

Um dos grandes estudiosos de motores, combustão e suas aplicações é o Professor John B. Heywood do Instituto de Tecnologia de Massachusetts – Estados Unidos da América, o qual estabelece, em seu livro intitulado Internal Combustions Engine Fundamentals (Fundamentos de Motores de Combustão Interna) de 1988, a classificação dos motores de combustão interna, conforme algumas características intrínsecas do motor e também de sua operação.

Aplicação: conforme o veículo que será utilizado este motor: automóvel, caminhão, aeronave, barco, motores estacionários para geração de energia, etc;
Desenho básico do motor: motores alternativos (subdivididos em: em linha, em V,

em H, radial, oposto, etc), motores rotativos, motores a reação, etc;

Ciclo de trabalho: quatro tempos (subdividido em: aspirado10, sobrealimentado11 e turboalimentado12_{) ou dois tempos (subdividido em: aspirado por pressão do}

carter, sobrealimentado e turboalimentado);

Desenho de válvulas ou pórticos: 2 ou mais válvulas por cilindro, válvulas rotativas, portas de admissão e exaustão opostas, etc;

Combustível: Gasolina, Óleo Diesel, Gás Natural, Álcoóis, Hidrogênio, dois ou mais combustíveis;

Método de preparação da mistura: carburados, combustível injetado (subdividido em injeção indireta – no duto de admissão e direta – dentro do cilindro). Ainda, o combustível pode ser injetado mecanicamente (injeção mecânica) ou possuir um dispositivo eletrônico de gerenciamento (injeção eletrônica).

Método de ignição: ignição por centelha (vela de ignição, geralmente em motores ciclo Otto) ou ignição por compressão (geralmente em motores ciclo Diesel);

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Tradução para o português: Motores a Pistão das Aeronaves Aliadas.

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O motor admite ar à pressão atmosférica.

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O motor admite ar pressurizado por um compressor.

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Desenho da câmara de combustão: câmara aberta (a maioria dos motores) e câmara dividida (possuem um câmara auxiliar de combustão);

Método de controle de carga: controle de ar e combustível, controle somente de combustível, controle somente de ar;

Método de arrefecimento: arrefecimento líquido, arrefecimento a ar, combinação de arrefecimento líquido + ar, arrefecimento natural (convecção e/ou radiação).

A partir destas definições é possível especificar praticamente qualquer tipo de motor alternativo existente, entendendo seu funcionamento básico e suas características operacionais.