Origem e desenvolvimento dos motores de combustão interna ciclo Otto

De fato, os automóveis revolucionaram a mobilidade urbana, possibilitando viagens mais longas em um espaço de tempo muito menor do que as viagens a cavalos dos tempos mais antigos. Mas afinal quem inventou este motor que há muitos anos, tem o mesmo princípio de aplicação? No século 18 houve uma revolução industrial, um período de muitas mudanças naquela época, uma grande revolução no processo de manufatura, e no ano de 1860 Alphonse Beau de Rochas teve a ideia de construir uma máquina que funcionasse com o benzeno como combustível, um composto químico orgânico com a forma molecular C6H6, possui 6 átomos de carbono, hoje sendo o quinto produto mais utilizado no mundo. 

Mas, a ideia de Alphonse não teve continuidade e então 16 anos depois Nikolaus August Otto deu continuidade ao projeto que hoje conhecemos como motores de combustão interna ciclo Otto. Nikolaus então iniciou sua fábrica em Koln “Colônia” na Alemanha e depois uma fábrica nos EUA na Filadélfia, com a produção dos motores “Ottos Columbianos manufaturados” entre os anos de 1893 a 1915, esta empresa fundada por Nikolaus Otto ainda existe até os dias de hoje, mas com o nome de Deutz A.G, produzindo motores automotivos, marítimos e estacionários. 

 Como funciona um motor de combustão interna

Explicando de forma simples, um motor de combustão interna para seu funcionamento precisa de alguns componentes essenciais para seu processo sendo o oxigênio, combustível e calor, a reação química dentro do cilindro provoca um aumento exponencial de energia, provocando assim a movimentação dos elementos mecânicos do motor, e transferindo a energia do motor para os mecanismos de tração do veículo, ou seja, as rodas. Os motores atuais OTTO possuem quatro tempos, esses tempos são denominados de Admissão, Compressão, Explosão e Escape.

1- Admissão:  Fase do motor de aspiração do ar atmosférico para dentro do cilindro, junto com o combustível.

2- Compressão: Fase do motor em que o ar admitido é compactado, junto do combustível.

3- Explosão: Fase do motor em que é aplicado calor no ar/combustível comprimido e assim ocorrendo uma reação química gerando energia.

4- Exaustão: Fase do motor em que são eliminados os gases oriundos da explosão para fora do motor, para depois iniciar um novo ciclo. 

O tempo do motor ocorre em fases, e essas fases ocorrem em um ciclo completo de 720º, logo em uma volta do virabrequim temos 360º, sendo então que em duas voltas temos apenas 2 fases do motor, portando o motor precisa girar duas vezes para ocorrer a combustão completa.

De certa forma estamos sendo muito simples em comentar sobre o funcionamento do motor, logo que é algo muito complexo para se controlar uma combustão, para ter o menor consumo de combustível com o máximo de eficiência do motor, além da redução dos gases poluentes, algo bem complexo que o time de calibração de motores hoje em dia tem em mãos para resolver. A calibração de motores é uma área científica que estuda o comportamento dos motores em relação aos fenômenos físicos e químicos do nosso planeta, hoje contando com muita tecnologia em relação ao século 18, uma área que estuda com motores em bancada, testes de rodagem em vários tipos de climas e também a programação do software da central eletrônica para gerenciar os sensores e atuadores, com um excelente software teremos um grande resultado na eficiência do motor. (Fig.3)

Tipo de motores OTTO

Os motores podem ser construídos desde um cilindro apenas como com vários outros cilindros, podendo ser em linha em V ou em W etc.

Motor em linha: Este modelo é o mais popular em nosso país, sendo de 3,4,5 e 6 pistões, os veículos mais modernos com motores downsizing como os HB20, Ford Ka, já possuem essas configurações de 3 cilindros, motores com menor peso, a maioria em nosso mercado são os de 4 cilindros sendo na horizontal ou na vertical, também possuímos alguns modelos como o Marea da Fiat que possui 5 cilindros e o Ômega 3.0 6 cilindros.

Motor em V: Conhecidos como V6, V8 e V12 são motores cuja a posição entre os cilindros forma a letra V, muito utilizados em veículos americanos com essas configurações.

Motor em W: É uma configuração cujo o motor tem seus cilindros formando um ângulo de 72º de forma compactada, e suas posições na construção do motor formam a letra W.

Principais elementos do motor de ciclo Otto 

Cilindro: Este componente está localizado no bloco do motor, os cilindros têm suas características dada por diâmetro e curso, é onde o pistão irá realizar seu trabalho de PMI para PMS e vice-versa, sua construção é de alta durabilidade para aguentar a força de atrito interna.

Pistão: O pistão nada mais é um êmbolo que se move para cima e para baixo, contém anéis de segmentos para vedar a pressão sobre ele exercida e raspar o óleo lubrificante do motor. Geralmente os pistões são de forma cônica, a parte superior do êmbolo tendo o diâmetro menor do que sua parte inferior, pois a parte superior recebe muito calor da combustão, sendo assim ocorre a dilatação do diâmetro superior, evitando o travamento do pistão por dilatação. 

Biela: Componente que liga os pistões ao eixo virabrequim, este ajuda na transição do movimento retilíneo para movimento de rotação angular, sua parte superior é fixada ao êmbolo por um pino de pistão, e sua parte inferior é acoplada ao eixo através de mancais, e entre eles os casquilhos para diminuir o desgaste por atrito. Este componente em sua grande maioria é manufaturado em aço forjado, com alto grau de precisão.

Virabrequim: Este eixo contribui para transformar o movimento retilíneo do pistão em um movimento angular. O eixo se encontra na parte inferior do motor, sendo acoplados nele os pistões através das bielas. A combustão de cada cilindro do motor provoca uma rotação irregular, ou seja, cada combustão provoca uma rotação diferente do outro cilindro, e isso provoca vibrações no motor, e o eixo virabrequim contém contrapesos para controlar e amenizar essas vibrações no motor. Nos motores de 3 cilindros é mais fácil perceber essas vibrações do que os demais motores com mais cilindros. 

Cabeçote: Este elemento fica na parte superior do motor, contendo os tuchos mecânicos ou hidráulicos, balancins, comando de válvulas, engrenagens, válvulas, sua construção é encontrada em ferro fundido e liga de alumínio, nele também são aplicados os coletores de admissão e escape, bem como as velas de ignição, sua construção geométrica dos dutos é responsável pela condução dos gases para dentro e para fora do motor, e é essencial para a potência do motor. 

 Comando de válvulas: Essencial para controlar o fluxo de ar para dentro do cilindro e para fora do cilindro, acoplado no cabeçote e sincronizado junto ao eixo virabrequim por correia dentada ou corrente. Os comandos possuem cames, esses cames é que mantêm o tempo de abertura da válvula, e neste tempo teremos a admissão de ar e a exaustão dos gases da combustão.

Válvulas: Este elemento é responsável pela vedação dos cilindros no momento de compressão e explosão do motor, bem como a liberação de entrada de ar e saída dos gases de escape, sendo acionado diretamente pelos comandos de válvulas. Podemos observar que as válvulas de escape são menores que as válvulas de admissão, isso porque as válvulas de escape recebem muito calor no tempo de escape, podendo dilatar sua haste e enforcar a mesma.

Correia/Corrente: Elemento que sincroniza a parte de cima do motor com a parte debaixo, sua sincronização deve estar em ordem para que o motor funcione corretamente, o desalinhamento do mesmo pode afetar todo o funcionamento do motor, podendo ocorrer perda de potência e alto consumo de combustível, a falta de sincronismo é muito percebida na alteração dos parâmetros do sensor MAP.

Balancim: Desempenha um papel importante, transmite o acionamento dos comandos de válvulas para as válvulas. Construído em aço estampado para motores de linha leve.

Os motores mais modernos são construídos ainda sim em sua maioria sobre os mesmos princípios de OTTO, porém seu modo de funcionar é controlado por centrais eletrônicas com softwares muito bem desenvolvidos, com aplicação de sensores e atuadores, tendo uma grande tecnologia embarcada aplicada nos motores para ter o melhor desempenho com o menor consumo do combustível, e menores emissões de poluentes.

Desde a criação dos motores, passamos pelos motores carburados, motores com injeção eletrônica indireta, injeção direta, com turbo e sem turbo, híbridos e logo mais encontraremos mais veículos com a aplicação de motores elétricos na mobilidade urbana e nas oficinas claro.