O motor de combustão interna transforma a energia química do combustível em energia mecânica. O motor é construído de componentes como pistões, virabrequim, cabeçote, comando de válvulas, válvulas de admissão, válvulas de escape, tuchos, engrenagens, sensores, atuadores etc. O motor é uma bomba de ar, no qual a combinação de combustível e centelha resultam na combustão, e através da combustão temos a rotação do motor. Para que a rotação não seja de forma descontrolada, uma unidade de comando gerencia a rotação do motor através do avanço de ignição. (Fig.1)
Motor de 4 tempos
O ciclo operacional do motor de combustão OTTO é constituído de 4 tempos, denominados de admissão, compressão, expansão e escape. Um ciclo completo do motor precisa de duas voltas do eixo virabrequim, resultando em 720º graus, sendo assim cada fase do motor corresponde a 180º graus. O primeiro tempo do motor é a fase de admissão de ar e combustível, nesta fase o pistão desloca-se de PMS (Ponto morto superior) para PMI (Ponto morto inferior). O segundo tempo do motor é a fase de compressão do ar, em que toda massa de ar aspirada é comprimida, nesta fase o pistão desloca-se de PMI para PMS. (Fig.2)
Coeficiente de compressão
Para um motor de coeficiente de compressão e=10, figura 3, a pressão de compressão logo após o disparo de ignição pode atingir picos de pressão de até 100 bar de pressão e temperaturas de 400 °C no interior do cilindro, em condições de temperatura de admissão do ar de 40°C e pressão de combustível de 4 bar. O terceiro tempo do motor corresponde à fase de expansão, devido à reação da combustão uma força é gerada forçando o movimento descendente do pistão de PMS para PMI. O quarto tempo do motor é a fase de escape, o morto parte de PMI em movimento ascendente para PMS expulsando os gases do produto da combustão. (Fig.3)
Diagrama de válvulas de admissão e escape
O diagrama de válvulas, figura 4, é uma representação gráfica do momento de abertura e fechamento da válvula de admissão, bem como abertura e fechamento da válvula de escape. O comando de válvulas é sincronizado com o eixo virabrequim por uma correia dentada ou corrente, portanto em qualquer deslocamento do eixo virabrequim, será deslocado o eixo comando válvulas, ambos possuem frequências diferentes de rotação, devido à diferença do diâmetro das polias de cada eixo. O diagrama de válvulas é um gráfico de representação de um ângulo de 360° graus, o gráfico possui deslocamento do pistão de PMI para PMS e vice-versa.
Podemos analisar no diagrama que a válvula de admissão se abre entre um range de 10º a 15° graus antes do pistão chegar em PMS, observamos que a válvula se abre 15° APMS (Antes do ponto morto superior), e seu fechamento ocorre entre 40° a 60° depois do PMI, portanto a válvula de admissão se fecha 60° DPMI (Depois do ponto morto inferior). Analisando o gráfico do diagrama de válvulas, o curso completo da válvula de admissão é um mínimo de 230° graus e máximo de 255° graus.
Podemos verificar que a abertura da válvula de escape se inicia entre 40° a 60° antes do pistão chegar em PMI, logo a válvula de escape no momento da exaustão se abre 60° graus APMI (Antes do ponto morto inferior), em seguida depois de cruzar o PMI o pistão segue para o movimento ascendente empurrando os gases da combustão. O fechamento da válvula de escape ocorre entre 5° a 20° graus depois do PMS, ou seja 20° DPMS (Depois do ponto morto superior). O ciclo completo da válvula de escape, de acordo com o diagrama de válvulas, se encontra em valor mínimo de 230° graus e valor máximo de 260° graus. (Fig.4).
Sobreposição de válvulas (Overlap)
O efeito do ângulo de sobreposição de válvulas (overlap), figura 5, contribui para a eficiência volumétrica do cilindro. Este efeito ocorre no final do ciclo de exaustão com o início do ciclo de admissão, este momento é aquele em que as duas válvulas se encontram ao mesmo tempo abertas. Podemos verificar, na figura 2 do diagrama de válvulas, o início da admissão entre 10° a 15° APMS, neste período a válvula de escape que está em fase de exaustão ainda continua aberta, encerrando o ciclo entre 5° a 20° DPMS. O overlap possui um ângulo total entre 15° a 35° graus de sobreposição de válvulas. A válvula de admissão abrindo antes do PMS reduz a perda de carga, melhorando o enchimento do cilindro. A válvula de escape fechando depois do PMS reduz a elevação de pressão no interior do cilindro. (Fig.5)
Válvulas de admissão e escape
As válvulas de admissão e escape se encontram no cabeçote do motor, são acionadas pelo comando de válvulas através dos cames. As válvulas têm a função de comandar o fluxo de dos gases desde sua entrada e saída do cilindro do motor. As válvulas são constituídas de duas partes sendo a cabeça e a haste, a cabeça é em forma de tulipa construída geometricamente para favorecer o fluxo dos gases, e a haste é responsável pelo acionamento. A cabeça da válvula de admissão é maior que a cabeça da válvula de escape. (Fig.6)
Frequência de rotação do comando de válvulas
O motor, para entrar em funcionamento, precisa vencer as resistências dos elementos mecânicos para manter uma combustão controlada e funcione em regime de marcha lenta, sem o acoplamento do trem de força e transmissão. A rotação de marcha lenta de um motor em média é de 900 RPM, esta rotação é medida pela engrenagem do eixo virabrequim através do sensor de rotação do tipo indutivo, efeito hall ou magneto resistivo. A rotação do eixo de comando de válvulas também pode ser lida, desde que o eixo de comando de válvulas possua engrenagem e um sensor de Fase do tipo hall. A frequência de rotação do eixo comando de válvulas é a metade da rotação do eixo virabrequim, logo para uma rotação de 900 RPM para o eixo virabrequim, teremos 450 RPM no eixo comando de válvulas.
A equação de frequência é constituída das seguintes variáveis.
F=1/T
Onde:
F= Frequência
1= Constante
T= Período
Os motores de combustão interna necessitam de ar para seu funcionamento, este é um dos principais elementos para o bom funcionamento do motor, sua mistura homogênea com o combustível, aliado com a ignição proporciona, combustão, transformando este processo em energia mecânica, gerando movimento angular no virabrequim e proporcionando torque nas rodas. Para um bom rendimento do motor, quanto mais ar admitido e retido dentro do cilindro melhor será sua eficiência, quanto mais ar dentro do motor mais combustível será injetado. A capacidade máxima de um motor aspirado em admitir ar é limitado pela pressão atmosférica ambiente, à eficiência volumétrica de um cilindro se dá pela capacidade de admitir ar atmosférico em seu interior. O fluxo do ar no motor se dá pela entrada da tubulação em local estratégico para a captura do ar, este passará por um filtro de ar, corpo de borboleta, coletor de admissão, cilindro, e em sequência coletor de escape. Para que a dinâmica do ar seja possível, necessita-se de diferentes pressões entre o interior do cilindro e coletor de admissão, provocando um arraste de ar devido aos deltas de pressões.
Para o ar entrar com velocidade alta no cilindro é necessária uma perda de carga por resistência de passagem de ar pela válvula de admissão, pois se a válvula abrisse de forma que o ar escoasse com facilidade a velocidade do ar seria baixa assim como sua turbulência, ou seja menor número de Mach. (Fig.7)
