Explique detalhadamente os princípios de funcionamento dos equipamentos abaixo:
c) Motor a Combustão (Dica: GREF, Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. Vol. 2 Edusp, 2000).
c) Motor a Combustão (Dica: GREF, Grupo de Reelaboração do Ensino de Física. Vol. 2 Edusp, 2000).
Passo 1
O enunciado pede para explicar detalhadamente os princípios de funcionamento de um motor a combustão interna. O conteúdo principal envolve termodinâmica (ciclos de transformação de energia) e mecânica dos sistemas de pistão. Vamos usar o modelo teórico do ciclo de Otto a quatro tempos e relacionar com os componentes reais do motor.
Passo 2
O motor a combustão interna converte energia química do combustível em trabalho mecânico por meio de um ciclo termodinâmico aproximado pelo ciclo de Otto, que tem quatro fases ou tempos: admissão, compressão, combustão-expansão e exaustão. A cada ciclo completo, um pistão no cilindro realiza essas quatro etapas executando trabalho.
Passo 3
Na fase de admissão (primeiro tempo), a válvula de admissão abre e o pistão desce, criando vácuo no cilindro. Esse vácuo suga a mistura ar-combustível (ou somente ar, no caso de injeção direta) para dentro do cilindro, preparando a câmara para a compressão.
Passo 4
No segundo tempo, compressão, ambas as válvulas fecham e o pistão sobe, reduzindo o volume do cilindro e aumentando a pressão e a temperatura da mistura. Esse aumento de pressão eleva a eficiência do ciclo, pois a conversão de calor em trabalho é mais eficaz em pressões maiores.
Passo 5
No momento em que o pistão atinge o ponto morto superior, ocorre a ignição da mistura. Em motores a gasolina, a vela gera centelha elétrica; em motores a diesel, o calor da alta compressão faz o combustível autoignitar. Essa combustão libera calor rapidamente, forçando o pistão para baixo (terceiro tempo, também chamado de tempo de potência ou expansão), transformando calor em trabalho mecânico.
Passo 6
O quarto tempo é a exaustão. Terminada a expansão, a válvula de exaustão abre e o pistão sobe novamente, expulsando os gases queimados para o coletor de escape. Completado esse tempo, reinicia-se o próximo ciclo de admissão.
Passo 7
Do ponto de vista termodinâmico, o ciclo de Otto idealizado tem diagrama pressão-volume (p-V) como segue
A eficiência térmica ideal do ciclo de Otto é
onde
é a razão de compressão
e
é a razão de capacidades térmicas do gás
. Quanto maior
, maior a eficiência.
Passo 8
Na prática, um motor a combustão interna inclui: cilindros com pistões articulados ao virabrequim, cabeçote com válvulas de admissão e exaustão comandadas por árvore de cames, sistema de ignição (velas ou injeção direta no caso diesel), sistema de alimentação de combustível (carburador ou injeção eletrônica), lubrificação e refrigeração. A combinação desses componentes faz com que cada pistão realize repetidamente os quatro tempos, gerando torque no virabrequim e movimentando o veículo.
Resposta
O motor a combustão interna funciona segundo o ciclo de Otto a quatro tempos, convertendo energia química em trabalho mecânico. Nos quatro tempos – admissão, compressão, combustão-expansão e exaustão – o pistão alterna seu movimento dentro do cilindro, enquanto válvulas e sistema de ignição controlam entrada de ar-combustível e saída de gases. Termodinamicamente, o ciclo ideal apresenta duas transformações adiabáticas e duas isocóricas, e sua eficiência cresce com a razão de compressão
segundo
. Componentes como virabrequim, árvore de cames, velas (ou injetores), além de sistemas de lubrificação e refrigeração, garantem o funcionamento contínuo e sincronizado do motor.