motores a pistão

8/19/2019 Motores a Pistão

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Motores a pistãoTeoria e princípios /Motores 4 e 2 Tempos

Artigos / Cuidados / Vídeos sobre o funcionamento

Fontes: Aero Magazine, Cultura Aeronáutica, Apostilas da Anac e New

Os motores a pistão de quatro tempos, utilizados nas aeronaves leves atuais, foraminventados á !"# atrás, em !$%&' Antes da introdu(ão dos motores a rea(ão,

entre as d)cadas de !*+ e !*#, esses motores predominavam tam-)m naavia(ão militar e na avia(ão comercial'

Motor Continental .O/#0


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O motor ciclo Otto, de quatro tempos, em princ1pio, parece um verdadeirotram-olo tecnol2gico' 3m-ora aperfei(oado, ) -asicamente o mesmo motor de

mais de um s)culo atrás, mas continua a ser utilizado na grande maioria dosautom2veis e aeronaves leves atuais' 4or que5

4ara utiliza(ão aeronáutica, o motor deve ter vários requisitos essenciais' 6eve sereficiente, de -ai7o custo, econ8mico em rela(ão ao consumo de com-ust1vel e dedespesas de manuten(ão, confiável, durável e capaz de produzir grande pot9ncia

em rela(ão ao seu peso'

No entanto, os motores a pistão não são, de forma alguma, máquinas eficientes,pois raramente conseguem converter mais de 0# por cento da energia contida no

com-ust1vel em energia mecnica' ;e comparado com um motor el)trico, pore7emplo, que consegue converter quase * por cento da energia el)trica que

consomem em energia mecnica, o motor a pistão ) um grande desperdi(ador de

energia'

O motor a pistão funciona pela e7pansão dos gases produzidos na queima de umcom-ust1vel, convertendo assim energia qu1mica em t)rmica, pela com-ustão, e

energia t)rmica em energia mecnica, pela e7pansão dos gases'

Caso não ouvesse perdas nesse processo, toda a energia qu1mica contida nocom-ust1vel seria convertida em energia mecnica' Mas não ) isso o que acontece'

A pot9ncia que poderia ser o-tida pelo motor, pela queima do com-ust1vel, semnenuma perda, ) denominada pot9ncia te2rica, e ) imposs1vel de se o-ter, na

prática'

4ara come(ar, nenuma queima ) realmente completa, algum com-ust1vel nãoqueimado sempre vai restar nos gases de escapamento' 3m segundo lugar, grande

parte da energia t)rmica produzida pela queima simplesmente não vai serconvertida em energia mecnica' 4or fim, grande parte da energia mecnica

produzida vai ser novamente convertida em energia t)rmica pelo atrito interno nomotor, ou consumida pelo pr2prio motor para acionar diversos acess2rios,

indispensáveis ao seu funcionamento'

A energia mecnica da e7pansão dos gases pode ser calculada, constituindo/se nacamada pot9ncia indicada' A f2rmula simplificada para esse cálculo está a-ai7o:

4ot9ncia .ndicada < =4 7 > 7 A 7 N 7 ?@ ""'

Onde:4 < 4ressão efetiva m)dia indicada, em 4;.

> < Comprimento do curso do pistão, em p)s ou fra(ãoA < Brea da ca-e(a do pistão ou da se(ão reta do cilindro, em polegada quadradaN < Nmero de tempos de pot9ncia por minuto, ou seDa, a E4M dividida por 0 =á

um tempo motor a cada 0 voltas do ei7o de manivelas@? < Nmero de cilindros'


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Na f2rmula acima, a área do pistão multiplicada pela pressão efetiva m)dia indicadadá a for(a, em li-ras/for(a, que ) aplicada so-re o pistão que, multiplicada pelo

curso, em p)s, dá o tra-alo desenvolvido em um tempo de pot9ncia, em li-ras'p),o qual, por sua vez, multiplicado pelo nmero de tempos de pot9ncia em um

minuto, nos dá a pot9ncia produzida pela e7pansão dos gases'

Motor ristol GHdra, raro motor radial de !& cilindros

Ima vez que um G4 ) definido como sendo a pot9ncia produzida por ""' li-ras/

p) por minuto, o total de li-ras'p) de tra-alo produzido pelos cilindros do motordeve ser dividido por ""' para se o-ter a pot9ncia indicada, em G4'

At) a1, portanto, conseguimos o-ter a pot9ncia da conversão de energia t)rmica emmecnica dentro do motor' ;em contar que -oa parte do com-ust1vel não foi

queimada, temos que considerar que grande parte da energia t)rmica produzidanão se converte em energia mecnica, e que mesmo a energia mecnica dos gasese7pandidos não ) totalmente aproveitada' 6a1, pode/se deduzir que grande parte

da pot9ncia te2rica, entre + e +# por cento, será simplesmente Dogada fora,atrav)s dos gases quentes do escapamento'

A pot9ncia indicada, por sua vez, tam-)m não ) totalmente aproveitada, Dá queuma parte dela vai ser consumida para vencer os atritos internos e para acionaracess2rios, como comandos de válvulas, -om-as de 2leo e de com-ust1vel,

magnetos, geradores e outros dispositivos'

Motor >Hcoming .O/#+


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A pot9ncia que se consegue o-ter no ei7o da )lice, tam-)m conecida comopot9ncia efetiva, ) medidA e7perimentalmente por dispositivos denominados

dinam8metros' Ao se usar um dinam8metro, se o-t)m o torque, uma grandezvetorial da f1sica que significa uma for(a multiplicada pela -ra(o de alavanca, parafazer girar um ei7o' O cálculo da pot9ncia efetiva ) então definido pela f2rmula:

4ot9ncia 3fetiva < 0 7 J 7 E4M ""'

4ortanto, depois de se conecer tais cálculos, pode/se imaginar meios de aumentara pot9ncia, a economia, ou os dois fatores Duntos, o que resultaria em melor

efici9ncia, uma tarefa nada fácil'

Na maior parte das vezes, aumentar a pot9ncia do motor vai resultar em maiorconsumo de com-ust1vel, o qual ) desproporcional, resultando quase sempre em

piora da efici9ncia K medida em que se aumenta a pot9ncia'

O principal fator determinante da pot9ncia, em um motor aeronáutico, ) acilindrada, que pode afetar nada menos que tr9s variáveis da f2rmula do cálculo dapot9ncia indicada =>, A, ?@' L um fator tão importante que a maioria dos motores

aeronáuticos ) designada por sua cilindrada, em polegadas c-icas'

Motor Eanger >++, de seis cilindros


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4ara aumentar a cilindrada, pode/se aumentar o dimetro dos cilindros, aumentar ocurso ou aumentar o nmero de cilindros' ualquer um desses fatores, no entanto,tende a aumentar o peso e o tamano do motor, ou a sua comple7idade, caso seaumente o nmero de cilindros' 6eve/se notar que cilindros pequenos são mais

eficientes que os grandes'

Motor 4ratt itneH E+"&, de 0$ cilindros

4ara se aumentar a pressão efetiva m)dia, pode aumentar a pressão de entrada,utilizando/se compressores =-lowers@ ou tur-ocompressores' Outra solu(ão )

aumentar o nmero de válvulas, ou o tempo de a-ertura delas, para admitir maisar dentro do motor' 3ssas solu(Pes, no entanto, t9m a tend9ncia de reduzir o

torque em -ai7as rota(Pes, e pode tornar a marca lenta do motor irregular, pelamistura entre gases de escapamento e arQmistura de admissão'


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4or fim, resta o recurso de aumentar a velocidade do motor, solu(ão muito utilizadaem motocicletas, por e7emplo, mas que ) inconveniente para os motores

aeronáuticos, por necessitar de uma pesada cai7a de redu(ão para acionar a )lice,que tem limita(Pes aerodinmicas de velocidade'

6entre as poucas solu(Pes imaginadas para reduzir a perda de pot9ncia peloescapamento, que drena mais de + por cento da pot9ncia que um motor poderiaproduzir, estão os RSur-o CompoundsR' 3sses dispositivos consistem em tur-inas,acionadas pelos gases do escapamento, que são acopladas ao ei7o de manivelas

por um conversor de torque idráulico' Sal dispositivo pode realmente aumentar apot9ncia do motor, sem aumentar o consumo de com-ust1vel, recuperando a

pot9ncia perdida no escapamento'

Motor rigt E""#SC, com um dos Sur-o Compound em primeiro plano:

Os Sur-o/Compound, quando foram introduzidos nos motores aeronáuticos rigtE""# SC, causaram muitos pro-lemas, no entanto' 3sses motores foram utilizados

nos ltimos grandes aviPes comerciais de motor a pistão, os >ocTeed ;uperConstellation e 6ouglas 6C/%, mas a tecnologia de materiais da )poca não era

adequada ao uso de tais dispositivos, que muitas vezes falavamcatastroficamente, geralmente por superaquecimento' Foram praticamentea-andonados, em favor do uso de motores a rea(ão, e s2 recentemente os Sur-oCompound voltaram a ser utilizados, não em motores aeronáuticos, mas sim em

motores a diesel de caminão'

4ara demonstrar as perdas de pot9ncia em um motor a pistão tur-ocomprimido,vamos utilizar como e7emplo um dos mais eficientes motores Dá constru1dos, o

Eolls/EoHce Merlin da d)cada de !*+' A despeito de ser antigo, tal motor )considerado muito eficiente at) mesmo pelos padrPes de oDe:

Motor Eolls/EoHce Merlin


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3nergia qu1mica do com-ust1vel =pot9ncia te2rica@: #'+! G4

4erdas:

!@ 4elo escapamento: 0'%* G4 =#!,&U@, sendo 0#+ G4 =+%U@ perdidos so- aforma de calor e energia mecnica, e 0# G4 =+,&U@ de energia qu1mica

desperdi(ada por produ(ão de metano e mon27ido de car-ono pela com-ustãoincompleta

0@ 4erdas de calor da queima atrav)s do cilindro, a-sorvidas pelo sistema derefrigera(ão e pelo 2leo, ou perdidas por irradia(ão direta: && G4 =!%,0U@

"@ 4ot9ncia a-sorvida pelo supercarger: & G4 =!,!U@

+@ 4erdas mecnicas por atrito =reconversão de energia mecnica em t)rmica@, oupara acionamento de acess2rios: " G4 =#,&U@

4ot9ncia efetiva, medida no ei7o da )lice: !'& G4 =0*,&U@

A pot9ncia efetiva, ao se converter em tra(ão, ainda sofre perdas, por atrito,viscosidade do ar e compressi-ilidade na )lice, equivalentes a cerca de 0 por

cento da pot9ncia efetiva nas melores )lices' No nosso e7emplo, a pot9ncia til

ou tratora equivaleria a !'0$ G4'

Os cálculos acima foram feitos para a gasolina efetivamente queimada, nãoconsiderando, portanto, o com-ust1vel que entrou no motor e não foi consumido'

uando se usa mistura rica, á grande aumento de consumo, e mesmo com o usode mistura po-re, uma certa quantidade de gasolina não será queimada'

Mesmo considerando a -ai7a efici9ncia dos motores a pistão, esses são -em maiseficientes que os motores a rea(ão' Como os altamente eficientes, mas pesados,

motores el)tricos ainda não são praticáveis na avia(ão, e7ceto para algumaspesquisas e7perimentais, o motor a pistão ainda ) a melor op(ão para as

aeronaves leves'


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Vale dizer que os motores de ciclo 6iesel são mais eficientes que os motores cicloOtto, e devem ser uma -oa op(ão para se equipar a avia(ão leve, no futuro

pr27imo'

VÍDEO!

4istão do motor tra-alando

VeDa o processo dentro do cilindro:


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Motor + tempos / Anima(ão:

Motor a pistão:

Como funciona um motor + Sempos:

"E#MO MOTO" 4 TEM$O


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%uncionamento do Motor de Combustão!


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O motor de com-ustão ou de e7plosão funciona em quatro tempos: entrada damistura com-ust1vel/ar, compressão dessa mistura, e7plosão e escape dos gases

formados'

O motor que normalmente equipa os autom2veis ) o motor de e7plosão ou decom-ustão de quatro tempos' 3le ) camado assim porque seu funcionamento se-aseia e7atamente em quatro estágios ou tempos diferentes' VeDa cada um deles:

&' Est(gio! nesse estágio, o pistão do motor move/se para -ai7o e pu7a a misturade com-ust1vel =vapor@ e ar atmosf)rico atrav)s da válvula de entrada'


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4rimeiro tempo do funcionamento do motor a e7plosão

2' Est(gio! depois que a cmara de com-ustão foi preencida, a válvula de

entrada da mistura de ar e vapor de com-ust1vel ) fecada e o pistão so-e,comprimindo essa mistura'

;egundo tempo do funcionamento do motor a e7plosão


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L muito importante que o com-ust1vel aguente -em essa compressão, nãoe7plodindo antes do "W tempo' ;e o com-ust1vel e7plodir prematuramente durante

a compressão, diminuirá a pot9ncia do motor e produzirá um ru1do conecido como-atida de pino =TnocTing@' Xasolinas com maior 1ndice de octanagem são melorespor causa disso: quanto maior o 1ndice de octanagem, mais resistente a gasolina

será K compressão sofrida e melor será o desempeno do motor'

L por isso tam-)m que se adicionam antidetonantes K gasolina, como o etanol'

)' Est(gio! quando o pistão atinge o ponto má7imo, a vela de igni(ão emite umafa1sca el)trica que provoca a e7plosão, deslocando o pistão para -ai7o' A energia

cin)tica dos gases em e7pansão ) transmitida para o pistão, que movimenta o ei7odo vira-requim, fazendo o carro se movimentar'

3ssa parte ) muito importante, pois ) nela que a energia qu1mica =proveniente dacom-ustão@ ) transformada em energia mecnica =que vai mover o autom2vel@'

Serceiro tempo do funcionamento do motor a e7plosão


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Ima imagem da fa1sca produzida pela vela de igni(ão ) mostrada a seguir:

Fa1sca produzida pela vela de igni(ão no terceiro tempo

4' Est(gio! o pistão so-e novamente e a válvula de e7austão ou de sa1da ) a-erta,permitindo que os gases formados na com-ustão seDam li-erados' uando essa

válvula se feca, a válvula de entrada ) a-erta e o processo recome(a'

uarto tempo do funcionamento do motor a e7plosão


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V1deoQAnima(ão: Funcionamento motor + tempos internamente:


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C#*DADO COM O MOTO" A $*T+O

A aus,ncia de sensores de temperatura na maioria das aerona-es antigase.pica a ee-ada ocorr,ncia de panes

Yorge Filipe Almeida arros em 20 de %e-ereiro de 21&2 Ks !!:+Original: ttp:QQaeromagazine'uol'com'-rQartigoQcuidados/com/o/motor/a/

pistaoZ""0'tml[i7zz"6DOo.trG

As estat1sticas de acidentes aeronáuticos do Cenipa =Centro de .nvestiga(ão e4reven(ão de Acidentes Aeronáuticos@ apontaram uma ata incid,ncia de faas

de motores em 21&&3 Sodos eram convencionais e equipavam pequenasaeronaves' A opinião geral entre mecnicos ) que motores a pistão emitem sinaisde panes que estão por vir' Vi-ra(Pes e7cessivas, funcionamento áspero, falas

ocasionais e a cor interna dos escapamentos podem significar sintomas de que algonão anda -em'


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.sso refor(a a ideia de que o operador tem como acompanar a sade de ummotor: manter/se atento a esses e a outros sinais' Ima maneira simples ) a-rir einspecionar o filtro retirado de uma troca de 2leo' L fundamental certificar/se deque ele não apresenta limalas significativas' A origem das limalas ) fácil de

entender' 6entro dos motores, as partes mecnicas que se atritam são fa-ricadasem diversos tipos de metal' ;e por algum motivo a fric(ão entre as partes não formantida a n1veis -ai7os, os metais come(am a se decompor' O tipo de material

encontrado no filtro dirá de onde v9m as fagulas' .sso dará condi(Pes para que aoficina eleDa qual área do motor será inspecionada meticulosamente'

Motor >Hcoming:

asicamente, são duas as grandes áreas de desgaste' A primeira ) o volumeinterno do -loco' >á estão o ei7o de manivelas e o ei7o de comando de válvulas' Oei7o de manivelas ) girado pelas -ielas, que le transmitem a for(a da e7plosão do

com-ust1vel, ocorrido nas ca-e(as dos cilindros' 3sse ei7o ) grande e -astanteresistente, mas está apoiado em partes firmes do -loco por meio de pastilas

arredondadas, camadas -ronzinas' Altos n1veis de atrito nesses pontos causamdesgastes e folgas que, por sua vez, vão gerar vi-ra(Pes e podem levar a que-ra de

componentes internos ou travamento do ei7o de manivelas' O mesmo podeacontecer com o ei7o de comando de válvulas' .nstalado na parte mais alta do

motor, ) ele que aciona astes metálicas que vão comandar as válvulas deadmissão e escapamento das cmeras de com-ustão dos cilindros do motor' Namedida em que esse ei7o se desgasta, suas dimensPes se reduzem e as válvulas

dei7am de ser a-ertas na amplitude necessária' 3ntão, o volume de com-ust1vel aentrar ) reduzido e a mistura Dá queimada tem dificuldades em sair para o

escapamento'

O motor come(a a perder for(a em am-os os casos, e dei7a de ter o desempenoque o piloto espera' 3sses dois ei7os foram dimensionados para resistir a

apro7imadamente 0' oras de opera(ão, per1odo camado de \tempo entregrandes revisPes] ou SO =Sime etween Overaul@' Mas a resist9ncia dos ei7os

pode diminuir se a opera(ão do avião não acontece como o seu fa-ricante espera'


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Yá foi comprovado que os res1duos de car-ono da com-ustão interna dos motoresaeronáuticos a pistão, com-inada com a umidade do ar impregnada no 2leo,

produzem ácidos' O 2leo passa a a-rigar, então, ácidos, que passam a corroer aspartes internas do motor' 4ara preveni/los, deve/se manter o 2leo livre de umidade'6a1 a importncia de evitar longos per1odos de inatividade' A >Hcoming orienta os

clientes a voarem pelo menos uma ora por m9s e, a Continental, uma ora porsemana' .ndependente do uso da aeronave, o 2leo deve ser su-stitu1do em, nomá7imo, quatro meses' L comum que alguns operadores se esque(am desse

per1odo, fazendo a su-stitui(ão apenas a cada # oras' Sam-)m são frequentes oscasos de aeronaves que por restri(Pes administrativas ou su-metidas a grandes

servi(os de manuten(ão ficam inativas por longos per1odos'

O 4E^4E.O O43EA6OE 4O63 CIM4E.E O; 4EOC36.M3NSO;, I3 ;_O ;.M4>3;,COMO COEE.X.E COEE3SAM3NS3 A M.;SIEA 4AEA O E3X.M3 63 4OS`NC.A

3M4E3XA6O NA A>S.SI63 I3 ;3 4E3S3N6A VOAE

O maior desgaste, por)m, concentra/se na ca-e(a dos cilindros' Nessa área,ocorrem as sucessivas e7plosPes que provocam a e7pansão dos gases e o

deslocamento dos pistPes' O cilindro de um motor que gira com 0'% rpm, pore7emplo, ao longo de 0' oras de opera(ão terá sofrido !&0 milPes de

e7plosPes internas' Os impactos mecnicos provocam elevado estresse no metal,que se estiver fora da temperatura correta, pode sofrer danos prematuros' L

conecida como CGS =Cilinder Gead Semperature@ e se refere K temperatura damassa metálica da parte superior do cilindro' Im CGS -ai7o, ainda que reduza os

desgastes, não permite uma grande e7pansão dos gases e dei7a o motor fraco' 4oroutro lado, a elevada temperatura vai causar danos irrevers1veis' A válvula de

escape sofre deforma(ão nas superf1cies de contato com a sede e perde o

assentamento' .sso a impede de reter a mistura de ar com com-ust1vel durante afase de compressão' O motor dei7a os gases escaparem antes de serem queimados

e as e7plosPes se enfraquecem'

Ca-e(a do cilindro fraturada por elevada CGS: note os res1duos de car-onoem cor dourada e o local do term8metro de CGS, ausente na )poca da fala:


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Corrosão interna do cilindro causada por longa inatividade:

6anos tam-)m podem ocorrer K aste da válvula' ;e fraturada, li-era fragmentosque causam impacto direto no pistão' O CGS elevado tam-)m danifica an)is de

segmento e plugues metálicos e pode deformar as superf1cies internas do cilindro'Sais danos podem ser identificados com um simples e7ame de -orosc2pio' O

aparelo ) composto de uma minscula cmera de alta defini(ão, instalada naponta de uma aste fle71vel e introduzida na ca-e(a do cilindro pelo orif1cio de

instala(ão das velas de igni(ão' As imagens internas são vistas em um monitor aolado' 3sse e7ame ) muito pertinente Kqueles que pretendem adquirir uma aeronave

usada'

4ara o operador de qualquer aeronave movida a pistão, ) fundamental se assegurarque o piloto sai-a e cumpra os procedimentos para evitar o CGS elevado' ;ão

procedimentos simples, como corrigir corretamente a mistura para o regime depot9ncia empregado na altitude que se pretenda voar' Os manuais de opera(ãotrazem e7plica(Pes simples de como o fazer' No entanto, em sua maioria estãoescritos em ingl9s e, para algumas aeronaves, os procedimentos corretos fazem

elevar a carga de tra-alo do piloto' 3ste, por sua vez, s2 pode monitorar o CGS sea aeronave possuir sensores de temperatura' Mas a maior parte delas não tem'.sso e7plica a grande ocorr9ncia de panes em motores de aeronaves antigas'

O conecimento do funcionamento e de t)cnicas de opera(ão de motoresaeronáuticos deve ser do interesse de qualquer pessoa envolvida com a opera(ão

a)rea' Antes de tudo, ) um -om investimento na o-ten(ão de produtividade eseguran(a

motores a pistão

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