Pedeorelha | Como funcionam os motores de automóveis

Phillip Hopkins
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Conteúdo

Combustão interna
Peças Básicas do Motor
Problemas de motor
Trem de válvula do motor e sistemas de ignição
Resfriamento do motor, admissão de ar e sistemas de partida
Lubrificação do motor, combustível, exaustão e sistemas elétricos
Produzindo mais potência do motor
Perguntas e respostas do motor
Como os motores de 4 cilindros e V6 são diferentes?

O princípio por trás de qualquer motor de combustão interna alternativo: se você colocar uma pequena quantidade de combustível de alta densidade de energia (como gasolina) em um espaço pequeno e fechado e acendê-lo, uma quantidade incrível de energia é liberada na forma de gás em expansão.

Você pode usar essa energia para propósitos interessantes. Por exemplo, se você pode criar um ciclo que permite detonar explosões como esta centenas de vezes por minuto, e se você pode aproveitar essa energia de uma forma útil, o que você tem é o núcleo do motor de um carro.

Quase todos os carros com motor a gasolina usam um ciclo de combustão a quatro tempos para converter gasolina em movimento. A abordagem de quatro tempos também é conhecida como o Ciclo otto, em homenagem a Nikolaus Otto, que o inventou em 1867. Os quatro traços são ilustrados em figura 1. Eles são:

AVC de admissão
Curso de compressão
Curso de combustão
Curso de exaustão

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figura 1

O pistão está conectado ao Virabrequim por um biela. Conforme o virabrequim gira, ele tem o efeito de "reiniciar o canhão". Aqui está o que acontece conforme o motor passa por seu ciclo:

O pistão começa no topo, a válvula de admissão se abre e o pistão se move para baixo para permitir que o motor entre em um cilindro cheio de ar e gasolina. Isto é o curso de admissão. Apenas a menor gota de gasolina precisa ser misturada ao ar para que isso funcione. (Parte 1 da figura)
Em seguida, o pistão se move de volta para comprimir esta mistura de combustível / ar. Compressão torna a explosão mais poderosa. (Parte 2 da figura)
Quando o pistão atinge o topo de seu curso, a vela de ignição emite uma faísca para acender a gasolina. A carga de gasolina no cilindro explode, empurrando o pistão para baixo. (Parte 3 da figura)
Uma vez que o pistão atinge o fundo de seu curso, a válvula de escape abre e o escape sai do cilindro para sair pelo tubo de escape. (Parte 4 da figura)

Agora o motor está pronto para o próximo ciclo, então ele recebe outra carga de ar e gás.

Em um motor, o movimento linear dos pistões é convertido em movimento rotacional pelo virabrequim. O movimento rotacional é bom porque planejamos girar (girar) as rodas do carro com ele de qualquer maneira.

Agora vamos ver todas as partes que trabalham juntas para fazer isso acontecer, começando com os cilindros.

Figura 2. Inline: Os cilindros são dispostos em uma linha em um único banco.

O núcleo do motor é o cilindro, com o pistão se movendo para cima e para baixo dentro do cilindro. Os motores de cilindro único são típicos da maioria dos cortadores de grama, mas geralmente os carros têm mais de um cilindro (quatro, seis e oito cilindros são comuns). Em um motor multicilindros, os cilindros geralmente são dispostos de uma das três maneiras: na linha, V ou plano (também conhecido como horizontalmente oposto ou boxer), conforme mostrado nas figuras à esquerda.

Portanto, aquele quatro em linha que mencionamos no início é um motor com quatro cilindros dispostos em linha. Diferentes configurações têm diferentes vantagens e desvantagens em termos de suavidade, custo de fabricação e características de forma. Essas vantagens e desvantagens os tornam mais adequados para determinados veículos.

Figura 3. V: Os cilindros estão dispostos em dois bancos dispostos em ângulo um com o outro.

Figura 4. Plano: Os cilindros estão dispostos em duas margens em lados opostos do motor.

Vejamos algumas peças-chave do motor com mais detalhes.

Vela de ignição

A vela fornece a faísca que acende a mistura ar / combustível para que a combustão possa ocorrer. A faísca deve acontecer no momento certo para que as coisas funcionem corretamente.

Válvulas

As válvulas de admissão e exaustão abrem no momento adequado para permitir a entrada de ar e combustível e para a saída da exaustão. Observe que ambas as válvulas são fechadas durante a compressão e a combustão para que a câmara de combustão seja vedada.

Pistão

Um pistão é uma peça cilíndrica de metal que se move para cima e para baixo dentro do cilindro.

Anéis de pistão

Os anéis do pistão fornecem uma vedação deslizante entre a borda externa do pistão e a borda interna do cilindro. Os anéis têm dois propósitos:

Eles evitam que a mistura de combustível / ar e o escapamento na câmara de combustão vazem para o reservatório durante a compressão e a combustão.
Eles impedem que o óleo do reservatório vaze para a área de combustão, onde seria queimado e perdido.

A maioria dos carros que "queimam óleo" e precisam ter um litro adicionado a cada 1.600 quilômetros o estão queimando porque o motor é velho e os anéis não vedam mais as coisas adequadamente. Muitos veículos modernos usam materiais mais avançados para anéis de pistão. Essa é uma das razões pelas quais os motores duram mais e podem demorar mais entre as trocas de óleo.

Biela

A biela conecta o pistão ao virabrequim. Ele pode girar em ambas as extremidades, de modo que seu ângulo pode mudar conforme o pistão se move e o virabrequim gira.

Virabrequim

O virabrequim transforma o movimento para cima e para baixo do pistão em movimento circular, assim como uma manivela em uma caixa automática faz.

Sump

O reservatório circunda o virabrequim. Ele contém alguma quantidade de óleo, que se acumula no fundo do cárter (o cárter).

A seguir, aprenderemos o que pode dar errado com os motores.

Figura 5. A árvore de cames

A maioria dos subsistemas do motor pode ser implementada usando tecnologias diferentes, e tecnologias melhores podem melhorar o desempenho do motor. Vejamos todos os diferentes subsistemas usados em motores modernos, começando com o trem de válvulas.

O trem de válvulas consiste em válvulas e um mecanismo que as abre e fecha. O sistema de abertura e fechamento é chamado de eixo de comando. A árvore de cames tem lóbulos que movem as válvulas para cima e para baixo, conforme mostrado na Figura 5.

A maioria dos motores modernos tem o que é chamado câmeras aéreas. Isso significa que o eixo de cames está localizado acima das válvulas, conforme mostrado na Figura 5. Os cames no eixo ativam as válvulas diretamente ou por meio de uma articulação muito curta. Os motores mais antigos usavam um eixo de comando localizado no reservatório perto do virabrequim.

UMA correia dentada ou a corrente de distribuição liga o virabrequim ao eixo de comando de modo que as válvulas estejam em sincronia com os pistões. O eixo de comando é engrenado para girar à metade da taxa do virabrequim. Muitos motores de alto desempenho têm quatro válvulas por cilindro (duas para admissão, duas para exaustão) e esse arranjo requer duas árvores de cames por banco de cilindros, daí a frase "cames duplos no cabeçote".

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Figura 6. O sistema de ignição

o sistema de ignição (Figura 6) produz uma carga elétrica de alta tensão e a transmite para as velas de ignição via fios de ignição. A carga primeiro flui para um distribuidor, que você pode encontrar facilmente sob o capô da maioria dos carros. O distribuidor tem um fio passando no centro e quatro, seis ou oito fios (dependendo do número de cilindros) saindo dele. Estes fios de ignição envie a carga para cada vela de ignição. O motor é cronometrado para que apenas um cilindro receba uma faísca do distribuidor de cada vez. Esta abordagem fornece suavidade máxima.

Veremos como o motor do seu carro dá partida, esfria e circula o ar na próxima seção.

Este diagrama mostra detalhes de como um sistema de refrigeração e o encanamento são conectados.

o sistema de refrigeração na maioria dos carros consiste no radiador e na bomba d'água. A água circula pelas passagens ao redor dos cilindros e então viaja pelo radiador para resfriá-la. Em alguns carros (mais notavelmente Volkswagen Beetles anteriores a 1999), bem como na maioria das motocicletas e cortadores de grama, o motor é resfriado a ar (você pode dizer que um motor resfriado a ar pelas aletas que adornam a parte externa de cada cilindro para ajudar dissipar o calor.). O resfriamento a ar torna o motor mais leve, porém mais quente, geralmente diminuindo a vida útil do motor e o desempenho geral.

Agora você sabe como e por que seu motor permanece frio. Mas por que a circulação de ar é tão importante? A maioria dos carros são normalmente aspirado, o que significa que o ar flui através de um filtro de ar e diretamente para os cilindros. Motores de alto desempenho e modernos com baixo consumo de combustível também são turboalimentado ou sobrecarregado, o que significa que o ar que entra no motor é primeiro pressurizado (para que mais mistura ar / combustível possa ser comprimida em cada cilindro) para aumentar o desempenho. A quantidade de pressurização é chamada impulso. Um turbocompressor usa uma pequena turbina conectada ao tubo de escape para girar uma turbina de compressão na corrente de ar de entrada. Um supercompressor é conectado diretamente ao motor para girar o compressor.

Como o turbocompressor está reutilizando o escapamento quente para girar a turbina e comprimir o ar, ele aumenta a potência de motores menores. Portanto, um motor de quatro cilindros que bebe combustível pode ter a potência que você esperaria de um motor de seis cilindros e obter uma economia de combustível de 10 a 30 por cento melhor.

Aumentar o desempenho do motor é ótimo, mas o que exatamente acontece quando você gira a chave para ligá-lo? o Iniciando sistema consiste em um motor de partida elétrico e um solenóide de partida. Quando você gira a chave de ignição, o motor de arranque gira o motor algumas voltas para que o processo de combustão possa começar. É necessário um motor potente para girar um motor frio. O motor de partida deve superar:

Todo o atrito interno causado pelos anéis de pistão
A pressão de compressão de qualquer cilindro (s) que esteja no curso de compressão
A energia necessária para abrir e fechar válvulas com a árvore de cames
Todas as outras coisas diretamente ligadas ao motor, como a bomba de água, bomba de óleo, alternador, etc..

Como é necessária tanta energia e como um carro usa um sistema elétrico de 12 volts, centenas de amperes de eletricidade devem fluir para o motor de partida. O solenóide de partida é essencialmente um grande interruptor eletrônico que pode lidar com essa quantidade de corrente. Quando você gira a chave de ignição, ela ativa o solenóide para alimentar o motor.

A seguir, veremos os subsistemas do motor que mantêm o que entra (óleo e combustível) e o que sai (escapamento e emissões).

O sistema de escape do seu carro inclui o tubo de escape e o silenciador. Marin Tomas / Getty Images

Quando se trata da manutenção diária do carro, sua primeira preocupação é provavelmente a quantidade de gasolina em seu carro. Como funciona o gás que você coloca na alimentação dos cilindros? O motor Sistema de combustível bombeia o gás do tanque e o mistura com o ar para que a mistura adequada de ar / combustível possa fluir para os cilindros. O combustível é entregue em veículos modernos de duas maneiras comuns: injeção de combustível no porto e injeção direta de combustível.

Em um motor com injeção de combustível, a quantidade certa de combustível é injetada individualmente em cada cilindro, logo acima da válvula de admissão (injeção de combustível na porta) ou diretamente no cilindro (injeção direta de combustível). Os veículos mais antigos eram carburados, onde o gás e o ar eram misturados por um carburador à medida que o ar fluía para o motor.

O petróleo também desempenha um papel importante. o lubrificação O sistema garante que todas as partes móveis do motor recebam óleo para que possa se mover facilmente. As duas partes principais que precisam de óleo são os pistões (para que possam deslizar facilmente em seus cilindros) e quaisquer rolamentos que permitem que coisas como o virabrequim e os eixos de comando girem livremente. Na maioria dos carros, o óleo é sugado do cárter pela bomba de óleo, passa pelo filtro de óleo para remover qualquer grão e é esguichado sob alta pressão nos rolamentos e nas paredes do cilindro. O óleo então escorre para o cárter, onde é coletado novamente e o ciclo se repete.

Agora que você sabe sobre algumas das coisas que colocou no seu carro, vamos dar uma olhada em algumas das coisas que saem dele. o sistema de exaustão inclui o tubo de escape e o silenciador. Sem um silenciador, o que você ouviria é o som de milhares de pequenas explosões saindo de seu tubo de escape. Um silenciador amortece o som.

o sistema de controle de emissão em carros modernos consiste em um conversor catalítico, uma coleção de sensores e atuadores e um computador para monitorar e ajustar tudo. Por exemplo, o conversor catalítico usa um catalisador e oxigênio para queimar qualquer combustível não utilizado e alguns outros produtos químicos no escapamento. Um sensor de oxigênio na corrente de exaustão garante que haja oxigênio suficiente disponível para o catalisador funcionar e ajusta as coisas, se necessário.

Além da gasolina, o que mais alimenta seu carro? O sistema elétrico consiste em um bateria e um alternador. O alternador é conectado ao motor por uma correia e gera eletricidade para recarregar a bateria. A bateria disponibiliza energia de 12 volts para tudo no carro que precisa de eletricidade (sistema de ignição, rádio, faróis, limpadores de para-brisa, vidros elétricos e bancos, computadores, etc.) através da fiação do veículo.

Agora que você sabe tudo sobre os principais subsistemas do motor, vamos dar uma olhada em maneiras de aumentar o desempenho do motor.

Adicionar um turbocompressor ao motor de um carro pode ajudar a aumentar sua potência e desempenho geral. Imagens Monty Rakusen / Getty

Usando todas essas informações, você pode começar a ver que existem muitas maneiras diferentes de melhorar o desempenho de um motor. Os fabricantes de automóveis estão constantemente brincando com todas as seguintes variáveis para tornar um motor mais potente e / ou mais eficiente em termos de combustível.

Aumentar o deslocamento: Mais deslocamento significa mais potência porque você pode queimar mais gás durante cada revolução do motor. Você pode aumentar o deslocamento tornando os cilindros maiores ou adicionando mais cilindros. Doze cilindros parece ser o limite prático.

Aumente a taxa de compressão: Taxas de compressão mais altas produzem mais potência, até certo ponto. Quanto mais você comprime a mistura ar / combustível, mais provável é que ela se incendeie espontaneamente (antes que a vela de ignição a acenda). Gasolinas de alta octanagem evitam esse tipo de combustão precoce. É por isso que carros de alto desempenho geralmente precisam de gasolina de alta octanagem - seus motores estão usando taxas de compressão mais altas para obter mais potência.

Coloque mais em cada cilindro: Se você pode enfiar mais ar (e, portanto, combustível) em um cilindro de um determinado tamanho, você pode obter mais potência do cilindro (da mesma forma que faria aumentando o tamanho do cilindro) sem aumentar o combustível necessário para a combustão . Turbocompressores e compressores pressurizam o ar que entra para efetivamente colocar mais ar em um cilindro.

Resfrie o ar que entra: A compressão do ar aumenta sua temperatura. No entanto, você gostaria de ter o ar mais frio possível no cilindro porque quanto mais quente o ar, menos ele se expandirá quando ocorrer a combustão. Portanto, muitos carros com turbocompressor e superalimentados têm um intercooler. Um intercooler é um radiador especial através do qual o ar comprimido passa para resfriá-lo antes de entrar no cilindro.

Deixe o ar entrar mais facilmente: À medida que o pistão desce no curso de admissão, a resistência do ar pode roubar a potência do motor. A resistência do ar pode ser reduzida dramaticamente colocando duas válvulas de admissão em cada cilindro. Alguns carros mais novos também estão usando coletores de admissão polidos para eliminar a resistência do ar. Filtros de ar maiores também podem melhorar o fluxo de ar.

Deixe a exaustão sair mais facilmente: Se a resistência do ar dificulta a saída do escapamento de um cilindro, ela tira a potência do motor. A resistência do ar pode ser diminuída adicionando uma segunda válvula de escape a cada cilindro. Um carro com duas válvulas de admissão e duas de escape tem quatro válvulas por cilindro, o que melhora o desempenho. Quando você ouve um anúncio de carro dizer que o carro tem quatro cilindros e 16 válvulas, o que o anúncio está dizendo é que o motor tem quatro válvulas por cilindro.

Se o tubo de escape for muito pequeno ou o silenciador tiver muita resistência ao ar, isso pode causar contrapressão, que tem o mesmo efeito. Os sistemas de escapamento de alto desempenho usam coletores, tubulações de cauda grandes e silenciadores de fluxo livre para eliminar a contrapressão no sistema de escapamento. Quando você ouve que um carro tem "escapamento duplo", o objetivo é melhorar o fluxo de escapamento tendo dois tubos de escapamento em vez de um.

Torne tudo mais leve: As peças leves ajudam o motor a funcionar melhor. Cada vez que um pistão muda de direção, ele usa energia para interromper o percurso em uma direção e iniciá-lo em outra. Quanto mais leve o pistão, menos energia consome. Isso resulta em melhor eficiência de combustível, bem como melhor desempenho.

Injete o combustível: A injeção de combustível permite uma dosagem muito precisa de combustível para cada cilindro. Isso melhora o desempenho e economia de combustível.

Nas próximas seções, responderemos a algumas perguntas comuns relacionadas ao mecanismo enviadas por leitores.

Aqui está um conjunto de perguntas dos leitores relacionadas ao mecanismo e suas respostas:

Qual é a diferença entre um motor a gasolina e um motor diesel? Em um motor a diesel, não há vela de ignição. Em vez disso, o combustível diesel é injetado no cilindro e o calor e a pressão do curso de compressão fazem com que o combustível entre em ignição. O combustível diesel tem uma densidade de energia mais alta do que a gasolina, portanto, um motor a diesel tem uma melhor quilometragem. Consulte Como funcionam os motores a diesel para obter mais informações.
Qual é a diferença entre um motor de dois tempos e um motor de quatro tempos? A maioria das motosserras e motores de barco usam motores de dois tempos. Um motor de dois tempos não tem válvulas móveis e a vela de ignição dispara cada vez que o pistão atinge o topo de seu ciclo. Um orifício na parte inferior da parede do cilindro permite a entrada de gás e ar. Conforme o pistão se move para cima, ele é comprimido, a vela de ignição acende a combustão e o escapamento sai por outro orifício no cilindro. Você tem que misturar óleo com gás em um motor de dois tempos porque os orifícios na parede do cilindro impedem o uso de anéis para vedar a câmara de combustão. Geralmente, um motor de dois tempos produz muita potência para seu tamanho porque há duas vezes mais ciclos de combustão ocorrendo por rotação. No entanto, um motor de dois tempos usa mais gasolina e queima muito óleo, por isso é muito mais poluente. Veja Como funcionam os motores de dois tempos para obter mais informações.
Você mencionou motores a vapor neste artigo - existem vantagens em motores a vapor e outros motores de combustão externa? A principal vantagem de uma máquina a vapor é que você pode usar qualquer coisa que queime como combustível. Por exemplo, uma máquina a vapor pode usar carvão, jornal ou madeira como combustível, enquanto uma máquina de combustão interna precisa de combustível líquido ou gasoso puro e de alta qualidade. Veja Como funcionam os motores Steam para mais informações.
Por que ter oito cilindros em um motor? Por que não ter um cilindro grande com o mesmo deslocamento dos oito cilindros?? Existem algumas razões pelas quais um grande motor de 4.0 litros tem oito cilindros de meio litro em vez de um grande cilindro de 4 litros. O principal motivo é a suavidade. Um motor V-8 é muito mais suave porque tem oito explosões uniformemente espaçadas em vez de uma grande explosão. Outro motivo é o torque inicial. Quando você liga um motor V-8, você está conduzindo apenas dois cilindros (1 litro) em seus cursos de compressão, mas com um cilindro grande você teria que comprimir 4 litros em vez disso.

O 2017 Fusion V6 Sport vem de fábrica com um motor EcoBoost de 2,7 litros com 380 lb.pé. torque e 325 hp. Ford

O número de cilindros que um motor contém é um fator importante no desempenho geral do motor. Cada cilindro contém um pistão que bombeia dentro dele e esses pistões se conectam e giram o virabrequim. Quanto mais pistões bombeando, mais eventos de combustão ocorrem durante um determinado momento. Isso significa que mais energia pode ser gerada em menos tempo.

Os motores de quatro cilindros geralmente vêm em configurações "retas" ou "em linha", enquanto os motores de 6 cilindros são geralmente configurados no formato mais compacto de "V" e, portanto, são chamados de motores V6. Os motores V6 foram o motor escolhido pelas montadoras americanas porque são potentes e silenciosos, mas as tecnologias de turboalimentação tornaram os motores de quatro cilindros mais potentes e atraentes para os compradores.

Historicamente, os consumidores americanos de automóveis torceram o nariz para os motores de quatro cilindros, acreditando que eles eram lentos, fracos, desequilibrados e com pouca aceleração. No entanto, quando as montadoras japonesas, como Honda e Toyota, começaram a instalar motores de quatro cilindros altamente eficientes em seus carros nas décadas de 1980 e 1990, os americanos descobriram uma nova apreciação pelo motor compacto. Modelos japoneses, como o Toyota Camry, começaram rapidamente a vender modelos americanos comparáveis

Os motores modernos de quatro cilindros usam materiais mais leves e tecnologia de turboalimentação, como o motor EcoBoost da Ford, para garantir o desempenho do V-6 de motores de quatro cilindros mais eficientes. Aerodinâmica e tecnologias avançadas, como as usadas pela Mazda em seus designs SKYACTIV, colocam menos estresse sobre esses motores turboalimentados menores, aumentando ainda mais sua eficiência e desempenho.

Quanto ao futuro do V6, nos últimos anos a disparidade entre os motores de quatro cilindros e V6 diminuiu consideravelmente. Mas os motores V-6 ainda têm sua utilidade, e não apenas em carros de alto desempenho. Caminhões usados para rebocar reboques ou cargas de transporte precisam da potência de um V-6 para realizar esses trabalhos. Energia nesses casos é mais importante do que eficiência.

Última atualização editorial em 16 de agosto de 2018, 16:15:43.

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Fontes

Associated Press. "Consumidores mudando para motores de 4 cilindros em meio a altos preços do gás." 10 de julho de 2007. http://www.foxnews.com/story/0,2933,288644,00.html
Collins, Dan. "Como funcionam os motores de automóveis?" http://www.carbibles.com/fuel_engine_bible.html
Ofria, Charles. "Um breve curso sobre motores de automóveis." http://www.familycar.com/engine.htm

Como funcionam os motores de automóveis