MÓDULO 1
AULA 2
Aula 02 - Motores a Pistão
MOTORES A COMBUSTÃO
O motor de explosão, ou motor de combustão interna, é amplamente usado em
aeronaves. Nos motores, a produção do movimento começa pela queima de combustível
nas câmaras de combustão.
Essas câmaras contêm um cilindro, duas válvulas (uma de admissão e outra de
escape) e uma vela de ignição. O pistão que se move no interior do cilindro é acoplado à
biela que se articula com o virabrequim. O virabrequim, ao girar, faz com que o
movimento chegue à Hélice.
Os motores à pistão, são divididos em dois grupos:
- Motores a Quatro Tempos
- Motores a Dois tempos.
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O motor a quatro tempos
Componentes Básicos - Para estudar o funcionamento do motor a quatro tempos,
é necessário conhecer antes a localização do seus componentes básicos, como a
vela de ignição e as duas válvulas:
Antes de iniciar o estudo de cada tempo do motor, é importante saber a
definição de Ponto Morto e Curso:
• Pontos Mortos: Durante o movimento no interior do cilindro, o pistão atinge
dois pontos extremos que são chamados de Ponto Morto Alto e Ponto Morto
Baixo.
• Curso: É a distância compreendida entre o ponto morto alto e o ponto
morto baixo.
O funcionamento do motor de quatro tempos - neste motor o pistão
recebe um impulso dos gases da combustão a cada quatro cursos, ou
“tempos” ou movimentos executados. Esses quatro tempos formam um
ciclo, que corresponde a duas voltas do eixo de manivelas.
Estudaremos a seguir o funcionamento teórico do ciclo mais utilizados nos
motores a gasoline, conhecido como Ciclo Otto ou Ciclo Otto-Beau de
Rochas.
A primeira etapa, também denominada de primeiro tempo, é
denominada ADMISSÃO. Nessa etapa a válvula de admissão permite a
entrada, na câmara de combustão, de uma mistura de ar e combustível
enquanto o pistão se move de forma a aumentar o espaço no interior da
câmara.
A segunda etapa é a COMPRESSÃO. Nesta o pistão se move de
forma a comprimir a mistura, fazendo seu volume diminuir. As duas
válvulas ficam fechadas. Num motor, a mistura é comprimida para
aumentar a energia mecância e diminuir o calor produzido pela
combustão.
A terceira etapa, TEMPO MOTOR, denomina-se EXPLOSÃO. No
término da compressão um dispositivo elétrico gera uma centelha que
ocasiona a explosão da mistura ocasionando sua expansão. Eventos
que ocorrem nesta fase:
- A ignição da misturam através de uma faísca da vela.
- A combustão da mistura, libertando a energia térmica e
aumentando a pressão.
- A expansão dos gases queimados, produzindo energia
mecânica.
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Quarto tempo: ESCAPAMENTO - Após isto ocorre então o quarto tempo
quando a válvula de saída abre e permite a exaustão do gás queimado
na explosão. A expansão adiabática leva a máquina ao próximo estado,
onde ela perde calor e retorna ao seu estado inicial, onde o ciclo se
reinicia.
Baseado no que estudamos nas imagens acima, podemos dizer que “tempo” é o
conjunto de fases que ocorrem quando o pistão percorre um “curso”. Em homenagem ao seu
idealizador, este ciclo de quatro tempos é denominado de Ciclo de Otto.
AS SEIS FASES DO CICLO DE FUNCIONAMENTO O ciclo conforme estudado acima, é completado em quatro tempos (admissão, compressão, tempo motor e escapamento), ou duas voltas do eixo de manivelas (720º), onde o pistão
recebe apenas um impulso motor. No decorrer dos ciclos, a mistura passa por seis eventos
ou processos denominados FASES, que são: admissão, compressão, ignição, combustão,
expansão e escapamento.
MODIFICAÇÕES NO CICLO OTTO
O ciclo teórico que acabamos de estudar é modificado na prática para otimizar a
eficiencia do motor. As modificações alteram os tempos de ignição e de abertura e
fechamento das válvulas. Essas alterações variam de motor para o motor.
Na maioria dos casos em que se tem um motor à 4 tempos, o fabricante do
motor estabelece alguns ajustes para a melhoria de sua eficiência durante o seu
funcionamento em regime de cruzeiro, estas modificações são:
MODIFICAÇÕES NO TEMPO DA ADMISSÃO
A figura abaixo compara o motor teórico com um motor real típico,
mostrando as modificações nos tempos de ação da válvula de admissão.
• Avanço na abertura da admissão (AvAA): é a antecipação na abertura da válvula
de admissão que é igual a 15° no exemplo acima.
Evidentemente, uma válvula real não se abre instantaneamente. Assim, o AvAA é
uma antecipação que compensa a pequena demora na abertura da válvula.
• Atraso no fechamento da admissão (AtFA): Este atraso serve para permitir
à mistura continuar entrando no cilindro, por inércia, após o tempo teórico da
admissão. No exemplo acima a AtFA é igual a 50°, este ângulo difere
conforme o motor.
Moente é a parte do eixo de manivela que se conecta com a biela
MODIFICAÇÕES NO TEMPO DO ESCAPAMENTO Analogamente ao tempo de admissão, também no tempo do escapamento há um
avanço na abertura da válvula e um atraso no seu fechamento.
• Avanço da abertura do escapamento (AvAE): Tem a finalidade de antecipar a
saída dos gases de escape, para evitar uma contrapressão muito forte sobre o
pistão no seu curso ascendente. No exemplo acima é de 50°.
• Atraso no fechamento do escapamento (AtFE): Tem a finalidade de permitir que os
gases continuem a sair por inércia após o final do tempo teórico do escapamento,
para que a exaustão seja mais complete. No exemplo acima é de 20°.
Observe que, no ciclio teórico, a válvula de escapamento é aberta ou fechada
exatamente nos pontos morots. Isso nos dá a impressão de que tempo e fase de
escapamento são a mesma coisa, pois coincide. Mas essa coincidência é desfeita
no ciclo real, pois a fase de escapamento é mais longa que o tempo de
escapamento. Esta mesma observação vale para o caso da admissão.
• Cruzamento de válculas – No ciclo Otto real, as duas válvulas ficam abertas
simultaneamente por um curto tempo devido ao AtFE e ao AvAA. A isso é
denominado cruzamento de válvulas. Observe as figuras:
Os avanços e atrasos nos tempos das
válvulas, assim como o cruzamento, aumentam a
eficiência do motor nas rotações usadas em voo de
cruzeiro. Em outras rotações, como na marcha lenta
e na potência máxima, o cruzamento de válvulas
pode não ser tão benéfico, mas, isso é tolerado
porque são situações transitórias.
• Modificação do ponto de ignição: No ciclo teórico, a ignição ocorre exatamente no
PMA e a combustão é considerada instantânea. No ciclo real, a combustão não é
instantânea, portanto faz-se necessária uma antecipação ou um avanço na ignição em
relação ao PMA. Sem esse avanço, o impulso dos gases sobre o pistão ficaria
atrasado, aproveitando mal o curso descendente do tempo motor. O avanço é
relativamente pequeno em marcha lenta e deve ser maior e rotações mais altas. Ele é
expresso em graus a uma dada rotação como, por exemplo: “25° antes do PMA, a 2450
RPM”.
CICLO REAL OU PRÁTICO O cruzamento de válvulas ocorre nas proximidades do PMA porque a válvula de admissão abre-se antecipadamente e a de escapmento fecha-se com atraso. Não é difícil perceber que o tempo de cruzamento é a soma do AtFE com o AvAA.
CICLO TEÓRICO Quando o eixo de manivelas passa pelo PMA, a válvula de escapamento fecha-se e a de admissão abre-se – tudo isso instantaneamente – o que é impossível na prática.
O MOTOR A DOIS TEMPOS O motor recebe o nome de tempo porque seu ciclo é constituído por apenas dois
tempos, é bastante simples e tem poucas peças móveis. O próprio pistão funciona como
uma válvula deslizante, abrindo e fechando janelas denominadas luzes, por onde passa
a mistura admitida e os gases queimados são expulsos.
PRIMEIRO TEMPO - Admitindo que o motor já esteja em funcionamento, o primeiro
tempo inicia-se com o pistão em curso ascendente, onde é comprimido a mistura no interior
do cilindro e diminuindo a pressão no interior do cárter do motor. Enquanto isso acontece à
nova admissão de mistura dentro do cárter devido a diferença de pressão que se formou.
Desta forma temos as seguintes fases do ciclo: admissão, compressão, ignição e
combustão.
INÍCIO DO PRIMEIRO TEMPO FIM DO PRIMEIRO TEMPO
SEGUNDO TEMPO – O Segundo tempo corresponde ao curso descendente do
pistão. Ocorrem as seguintes fases: expansão e escapamento.
No ciclo real a dois tempos, há uma superposição de eventos, de modo que a
combustão se inicia no primeor tempo e termina no Segundo tempo; a transferência e o
escapamento se iniciam no fim do Segundo tempo e terminam no início do primeiro
tempo.
VANTAGENS E DESVANTAGENS - O motor a dois tempos é mais simples, mais leve e
mais potente que um motor a quatro tempos, porque produz um tempo do motor a cada volta
do eixo de manivelas. Ele apresenta as seguintes vantagens:
- Custo é menor e amior simplicidade.
- Maior potência, devido ao dobro do número de tempos motores.
Desvantagens: - É pouco econômico, porque uma parte da mistura admitida no cilindro foge
juntamente com os gases queimados.
- Após o escapamento, uma parte dos gases queimados permanece no cilindro,
contaminando a mistura nova admitida.
- O motor aquece mais, porque as combustões ocorrem com maior frequência.
- A lubrificação é imperfeita, porque é preciso fazê-la através do óleo diluído no
combustível.
- O motor é menos flexível do que o de quatro tempos, isto é, a sua
eficiência diminui mais acentuadamente quando variam as condições de
rotação, altitude, temperatura etc.
INÍCIO DO SEGUNDO TEMPO FIM DO SEGUNDO TEMPO
MOTORES ALTERNATIVOS DE AERONAVES
Na aviação atual, existem vários tipos de motores e não só motores conforme estudado
no tópico anterior, a utilização destes motores variam de acordo com a finalidade de cada
aeronave. Veja abaixo alguns outros motores que em sua maioria será estudado no curso de
Piloto Comercial:
• Motor Turbojato: Neste motor, o ar admitido é impulsionado num fluxo de alta
velocidade, utilizando a energia expansiva dos gases aquecidos pela combustão. Em
baixas velocidades ou baixas altitudes, é um motor que não se torna viável sua utilização
devido ao alto consumo de combustível e pouco utilizado atualmente devido ao alto
nível de ruído.
• Motor Turbofan: É um motor constituído por um motor Turbojanto estudado acima,
acrescido de um “fan” (ventilador em inglês). Este “fan” funciona como uma hélice de
características especiais, que
tem como objetivo criar um
fluxo de ar-frio que se mistura
com o ar-quente da turbina
principal. Este motor é o mais
utilizado por aviões de grande
porte atualmente, devido ao
seu baixo consumo de
combustível, alta potência e
baixo nível de ruído.
• Motor Turbohélice: Motor turbojatomodificado, onde quasetoda a energia do jato é
aproveitada para girar uma turbina, na qual aciona uma hélice através de uma caixa de
engrenagens de redução. É um motor ideal para velocidades intermediárias entre as dos
motores a pistão e motores turbofan.
Os motores estudados anteriormente, embora tenham diferentes conceitos e tipos
de operação, todos eles devem aderir a características praticamente iguais, são elas:
• Qualidade do motor aeronáutico: As qualidades exigidas para um motor
aeronáutico, dentre as mais importantes podemos encontrar: segurança de
funcionamento; durabilidade; ausência de vibração; economia; facilidade de
manutenção; compacidade; eficiência térmica; leveza.
• Eficiência térmica: É a relação entre a potência mecânica produzida e a potência térmica
liberada pelo combustível. Na prática, a eficiência dos motores aeronáuticos é da ordem
de 25% a 30%, o que é muito pouco, considerando que os motores elétricos de alta
potência tem eficiência superior a 90%, porém, seu peso se torna inviável para o uso
aeronáutico.
• Leveza: É a relação entre a massa e a potência do motor, evidentemente que, para uso
aeronáutico, essa relação deverá ser a menor possível.
• Facilidade de manutenção e durabilidade: A segurança de funcionamento dos motores
depende de uma cuidadosa manutenção, que geralmente compreende duas partes:
1. Inspeções periódicas: Os motores requerem inspeções a cada determinado
tempo (25h de voo; 50h de voo; e etc.), onde, assim como nos
carros, são feitos serviços como troca de óleo, limpeza ou substituição
de filtros, regulagens e etc. Para realizar estes trabalhos, é muito
importante que a manutenção seja feita de maneira fácil.
2. Revisão Geral: Após determinado numero de horas de voo (durabilidade), deve-
se realizar uma revisão geral do motor, onde ele é totalmente desmontado para
verificação e troca de componentes vencidos ou que apresentem alguma
danificação. Na aviação geral, chamamos esta durabilidade de TBO
(Time Between Overhauls). Tanto as inspeções periódicas quanto a revisão
geral, são pré-determinadas pelo fabricante do motor.
• Economia: Para utilização aeronáutica, os motores devem ter baixo consumo de
combustível. Na aviação é comum encontrar motores que tem sua indicação de consumo
em horas (50l/h; 30l/h) e motores com consumo específico (0,2l/hp/hora).
• Equilibrio e ausência de vibração: Indica a sua vida de funcionamento.
Quando falamos em equilíbrio, indica que o funcionamento das peças internas do
motor, devem trabalhar de maneira equilibrada, evitando vibrações no motor, o
que causa grandes estragos e fadigas em toda a fuselagem da aeronave.
• Excesso de potência na decolagem: Os motores aeronáuticos devem ser capazes de
manter por um determinado tempo (cerca de 1min) uma potência superior à do projeto,
para ser utilizado durante a decolagem.
• Pequena área frontal: Os motores aeronáuticos devem possuir pequena área
frontal, para que possam ser instalados em aviões de fuselage estreita e
aerodinâmica.
Para aeronaves cuja velocidade de cruzeiro não excederão 250 m.p.h, o motor
alternativo é a escolha usual.
Quando é requerida economia em alcance de baixa velocidade, o motor alternativo
convencional é escolhido devido à sua excelente eficiência.
Quando é requerido um desempenho em grandes altitudes, o motor alternativo
com turbo - compressor pode ser escolhido devido à capacidade de manter a potência
homologada para grandes altitudes (acima de 30.000 pés).
Contudo, em operação os motores alternativos são mais complexos que outros
motores.
Operação correta dos motores alternativos requer quase que o dobro da
instrumentação requerida pelos turbojatos ou turboélice, além de requerer diversos
controles adicionais.
Uma troca no ajuste de potência na instalação de alguns motores alternativos pode
requerer o ajuste de cinco controles, enquanto a mudança na potência em um turbojato
requer apenas a alteração no conjunto de manetes.
Além disso, existe um grande número de temperaturas e pressões críticas a ser
observado na instalação dos motores alternativos que na instalação dos turbojatos ou
turboélices.