Como funciona um motor

01

Um empurrão que vira giro

Você está vendo um cilindro do motor de um carro, aberto ao meio. Um pistão sobe e desce dentro de um tubo. Acima dele ficam duas válvulas e, conforme o combustível, uma vela de ignição ou um bico injetor. Abaixo dele, uma biela liga o pistão ao virabrequim, o eixo que, no fim das contas, faz as rodas girarem.

A ideia toda cabe em uma frase: queimar combustível num espaço fechado, deixar o gás quente empurrar o pistão para baixo e transformar esse empurrão em giro. Todo o resto do motor existe para repetir isso sem falhas, de novo e de novo.

Isso se repete num ciclo de quatro etapas chamadas tempos. O mostrador no canto indica em que ponto do ciclo o motor está. O modelo roda em câmera lenta: um motor de carro de verdade fica em marcha lenta a umas 800 voltas por minuto e pode girar oito vezes mais rápido que isso.

Arraste o modelo para ver de outros ângulos e role sobre ele para dar zoom. Conforme você lê, a vista acompanha o texto.

02

Quatro tempos

Um tempo é um percurso do pistão, do alto do cilindro até embaixo, ou de volta. O ponto mais alto se chama ponto morto superior (PMS) e o mais baixo, ponto morto inferior (PMI): morto, porque o pistão fica parado ali por um instante antes de mudar de direção.

1. Admissão

   O pistão desce com a válvula de admissão aberta, e o espaço que cresce puxa uma carga fresca para dentro. O motor a gasolina aspira ar já misturado com combustível. O diesel aspira só ar.

   Ver admissão

2. Compressão

   As duas válvulas se fecham e o pistão sobe, espremendo a carga em um décimo do volume, ou menos. Comprimir um gás o aquece, então a carga chega a várias centenas de graus antes que qualquer coisa queime.

   Ver compressão

3. Combustão

   Perto do topo, a carga pega fogo. O motor a gasolina solta uma faísca. O diesel borrifa combustível num ar que já está quente o bastante para acendê-lo. O gás em combustão se expande e empurra o pistão para baixo com força. É o único tempo que realmente move o motor.

   Ver combustão

4. Escape

   A válvula de escape se abre e o pistão, ao subir, empurra o gás queimado para fora. O cilindro fica pronto para começar tudo de novo.

   Ver escape

Fique de olho no gás: a carga fresca entra fria, esquenta ao ser comprimida, acende em laranja ao queimar e sai cinza.

03

Duas voltas para cada empurrão

Cada tempo leva meia volta do virabrequim, então os quatro tempos levam duas voltas completas: 720 graus. É por isso que o mostrador conta até 720, e não até 360.

O pistão chega ao topo duas vezes em cada ciclo: uma em 0°, entre o escape e a admissão, e outra em 360°, quando a carga pega fogo. O pistão não sabe distinguir uma da outra. Só as válvulas e a faísca sabem qual é qual.

Só um tempo em quatro empurra. Aspirar o ar, comprimi-lo e expulsar os gases queimados custa trabalho, e nesses três tempos o motor precisa ser levado adiante. O embalo das peças em movimento cuida de parte disso, e o volante do motor faz o resto: um disco pesado na ponta do virabrequim que acumula energia durante o tempo de combustão e a devolve nos outros três.

É por isso que um motor de um cilindro trabalha aos trancos: um empurrão forte a cada duas voltas, e nada no meio. Cortadores de grama usam um volante pesado para suavizar isso. Os carros usam mais cilindros, e já vamos chegar lá.

04

Válvulas e cames

Cada válvula é uma tampa em forma de cogumelo. Uma mola a mantém fechada contra a sede, e um came a empurra para abrir: um ressalto em forma de ovo num eixo que gira. Quando a parte saliente chega, ela empurra a válvula para baixo, para dentro do cilindro. Quando passa, a mola puxa a válvula de volta e a fecha.

Cada válvula abre uma vez por ciclo, e um ciclo são duas voltas do virabrequim. Por isso o comando de válvulas gira na metade da rotação do virabrequim, movido por uma correia ou corrente. Observe os cames: uma volta para cada duas do virabrequim.

Válvulas que abrissem e fechassem exatamente nos pontos mortos fariam o motor respirar mal. O gás tem peso e leva tempo para entrar em movimento, então as aberturas são estendidas. A válvula de escape abre cedo, bem antes do ponto morto inferior, para que o gás ainda sob pressão saia sozinho. A válvula de admissão fecha tarde, bem depois do ponto morto inferior, porque o ar continua entrando com força mesmo quando o pistão já começa a subir.

Perto do topo, entre o escape e a admissão, as duas válvulas ficam abertas ao mesmo tempo por um instante. Esse cruzamento de válvulas deixa o gás que sai ajudar a puxar a carga fresca logo atrás dele.

05

Como a carga pega fogo

A queima não é instantânea. Num motor a gasolina, a chama nasce na vela de ignição e se espalha pela câmara em poucos milésimos de segundo, o que já é um bom pedaço de uma volta. O empurrão rende mais logo depois do ponto morto superior, então a faísca precisa saltar antes: algo entre 10 e 40 graus antes do ponto morto superior.

Quanto antes, depende da rotação. A chama precisa de mais ou menos o mesmo tempo, não importa o que o motor esteja fazendo, mas em rotações altas o virabrequim gira mais graus nesse tempo. Por isso o avanço de ignição aumenta conforme o motor acelera. Com faísca cedo demais, a pressão briga com o pistão que sobe. Tarde demais, ela corre atrás de um pistão que já está descendo.

O diesel não tem vela de ignição. A compressão aquece o ar a mais de uns 700 °C, e pouco antes do ponto morto superior o bico injetor borrifa combustível nele. O combustível leva um instante para vaporizar e pegar fogo, um curto atraso de ignição, e depois queima mais ou menos no ritmo em que é injetado. A queima se estende ao longo da injeção, em vez de atravessar a câmara numa única frente de chama.

O gráfico mostra o resultado. Na gasolina, a pressão sobe até um pico agudo logo depois do topo. O diesel parte de uma compressão bem maior, e sua queima segura a pressão alta enquanto o pistão começa a descer.

06

Do empurrão ao giro

A biela liga o pistão a um pino fora do centro do virabrequim, o moente. Enquanto o moente gira em círculo, a biela transforma o empurrão em linha reta do pistão em rotação, do mesmo jeito que sua perna gira o pedal de uma bicicleta.

O pistão não se move numa onda senoidal certinha. A biela se inclina quando o moente vai para o lado, e isso puxa o pistão mais para baixo do que o próprio moente desceu. Com o virabrequim em 90 graus, o pistão já passou da metade: cerca de 50 dos seus 86 mm. Por isso ele se move mais rápido perto do ponto morto superior do que perto do ponto morto inferior, e chega à velocidade máxima antes de o virabrequim girar 90 graus.

A 3.000 rpm, essa velocidade máxima é de cerca de 14 m/s, e o pistão para por completo e muda de sentido duas vezes a cada volta. Contrapesos pesados, do lado oposto ao moente, equilibram a massa girante do moente e da biela, para que o motor não se desmanche de tanto vibrar.

07

Quanto comprimir

A taxa de compressão compara o espaço acima do pistão no ponto morto inferior com o espaço que sobra no ponto morto superior. Numa taxa de 10:1, a carga é espremida em um décimo do espaço que tinha.

Uma taxa maior deixa o gás em combustão se expandir mais, então uma parte maior do seu calor vira empurrão: mais trabalho com o mesmo combustível. Então por que não comprimir mais? O motor a gasolina comprime combustível e ar juntos, e comprimir esquenta. Se exagerar, bolsões de mistura se acendem sozinhos antes que a chama chegue, uma detonação seca, a famosa batida de pino, que pode trincar pistões. Por isso os motores a gasolina ficam em cerca de 9:1 a 13:1.

O diesel comprime só ar, então não há nada para acender antes da hora, e ele precisa desse calor: o ar tem que estar quente o bastante para inflamar o combustível. Os motores diesel trabalham com cerca de 14:1 a 22:1.

Aqui o modelo para no ponto morto superior, para você ver o espaço acima do pistão diminuir conforme aumenta a taxa.

08

Gasolina ou diesel

Os dois motores fazem os mesmos quatro tempos. A diferença está em como o combustível entra e no que o acende.

O diesel é mais eficiente por três motivos. Ele comprime mais, então cada gota de combustível rende mais trabalho. Ele trabalha com mistura pobre, com muito mais ar do que o combustível precisa. E não tem borboleta, então nunca gasta esforço puxando ar por uma passagem meio fechada.

O motor a gasolina gira mais alto e trabalha mais suave. A mistura está pronta para queimar no instante em que a faísca salta, e a chama é rápida. As pressões menores permitem peças mais leves, que giram rápido sem problema. O diesel espera o combustível se misturar e pegar fogo, e quando isso acontece a pressão dá um salto. É daí que vem aquele barulho áspero e batido que todo mundo conhece.

Ver gasolina Ver diesel

Um carro híbrido combina um motor como este com um motor elétrico, que dá uma ajuda, deixa o motor a combustão desligar quando não é necessário e recupera energia nas frenagens. Esse capítulo ainda não existe nesta explicação.

09

Quatro cilindros

Um cilindro dá um empurrão a cada duas voltas. Quatro cilindros no mesmo virabrequim, cada um num ponto diferente do ciclo, dão um empurrão a cada meia volta: um tempo de combustão a cada 180 graus, em vez de a cada 720. A força sobre o virabrequim fica muito mais constante, e o volante pode ser bem mais leve.

Os moentes são dispostos de modo que os pistões 1 e 4 se movem juntos, e o 2 e o 3 também, no sentido oposto. Quando o par de fora sobe, o par de dentro desce, e as principais forças de sobe e desce se anulam.

Pistons that move together are never on the same stroke. When piston 1 fires, piston 4 is at the top too, finishing its exhaust. The cylinders fire in the order 1-3-4-2, which alternates between the ends of the crankshaft and spreads the pulses evenly along it.

Um cilindro Quatro em linha