Pistão, biela e cilindro.

Dentre todas as definições de pistão que já vi a que mais me transmitiu uma ideia abrangente e resumida desta peça é a que está no manual técnico da mahle. O manual define o pistão como uma parede móvel sujeita a temperatura e contra a pressão dos gases da combustão. Longe de mim se apropriar desta definição mas quero construir este capítulo em cima desta bem precisa definição.
A precisão desta definição está em que engloba as principais funções do êmbolo. A primeira função é a de ser uma "parede móvel". è necessário que haja uma vedação completa do pistão junto as paredes dos cilindros afim de que os gases de combustão não encontrem passagem para a parte inferior do motor. Todavia este confinamento de gases deve ser feito em uma câmara expansível para haja expansão no ato da queima. Necessidade esta que é resolvida nos movimentos de subida e descida do pistão controlado pelo virabrequim.
Avançando na definição vemos que esta parede funciona sob elevadas temperaturas. Se considerarmos que um motor a diesel tem um aproveitamento em torno de 30% e o restante é em sua maioria energia dissipada em forma de calor, e então perceberemos que o ponto mais elevado de temperatura se dá no topo do pistão. Esta elevada temperatura precisa ser "dissipada" com o fim de evitar a dilatação exagerada do pistão dentro do seu habitáculo. A parte mais propensa a ação ao calor da combustão de chama zona de fogo. Esta área comprende o topo do pistão e dependendendo da construção a zona dos áneis inteiramente.
Para reduzir a dilatação do pistão são usadas ligas alumínio-silicio. Além disto pode haver também a adição de limitadores térmicos no próprio pistão. Tudo isso em acordo com a folga correta entre pistão e cilindro mais o um sistema de arrefecimento eficaz evitará o engripamento do pistão junto a camisa do bloco de motor.
Outra tarefa dos pistões é ser uma parede em oposição aos gases de combustão. Em 3/4 do ciclo esta parede não está sob pressão significativa, mas no tempo de expansão que é imediatemente após ao fim de injeção o pistão sofrerá uma pressão que alavancará o virabrequim com considerável força. Por isso faz-se necessário a utilização de materiais que suportem a pressão na cabeça do pistão e nas suas laterais no momento de descida da biela contra as paredes. Além da já citada liga alumínio-sílicio também é utilizada a liga alumínio-cobre que também é bem resistente as temperaturas e ao desgaste.
Existem outras características do pistão que merecem a atenção, como por exemplo a construção de câmara de combustão(para motores com câmara de combustão no próprio pistão, muito comuns em motores a disel). A câmara de combustão pode possuir um formato que facilite o turbilhionamento dos gases fazendo com que a mistura seja mais homôgenea. Este tipo é chamado pistão ecolôgico.
Entretanto o pistão do motor trabalha em acordo com a biela, que nada mais é do que um braço de alavanca. Esta faz a junção de virabrequim pelos colos móveis e pistão entrando pela parte inferior do mesmo unindo-se ao pino que nem sempre é centralizado em relação ao próprio pistão(isso varia de acordo com a construção e necessidade de cada motor).
As bielas devem ter sua fixação junto ao virabrequim muito bem feitas, por isso elas são fixadas com mancais fraturados da própria biela, isto significa dizer que a príncipio mancal e biela são uma só peça que foi fraturada e se separaram. Isto é feito afim de que na hora da montagem as superfícies estejam em pleno contato e o torque possa ver aplicado.
Como vimos a biela é um braço de alavanca. Ela converterá o movimento retílineo alternativo para um movimento rotativo e continuo. Se entre o pistão e a árvore de manivelas o tamanho for aumento nós teremos um aumento de torque(isto com base na própria fórmula de torque T= Força x distância).  Este raciocício é usado para aperfeiçoamento e melhora de motores. Por isso existe uma tendência atualmente a diminuição dos pistões e aumento das bielas afim ganhar motores mais fortes em rotações baixas.
Quanto ao cilindro não existe muitas considerações a serem feitas. O nome se deve ao fato de se tratar de uma peça cilindrica(ou quase isso) que serve para fazer a admissão de ar e receber o pistão no seu interior. As maiores atenções em relação ao interior do cilindro(camisa) é quanto ao brunimento e as deformações sofridas ao longo do tempo(ovalização, conicidades e até trincas na camisas).
Brunimento são ranhuras de 120° na parede dos cilindros que servem para auxiliar na lubricação. Normalmente qunado existe passagem excessiva de poeira para a admissão de ar pode ocorrer o espelhamento da camisa(perda do brunimento).
Quanto a motores encamisados, que são aqueles não possuem o cilindro no próprio bloco(são a maioria hoje em dia em motores diesel) existem dois tipos: os de camisa secas e camisas úmidas, este segundo além de ser de fácil manutenção pois é removível a frio também trabalha em contato com o líquido de arrefecimento por através do bloco de motor.

Comando de válvulas e ávore de manivelas

Quando falamos em sincronizar um motor ou pô-lo no ponto estes dois componentes são os principais. O sincronismo destes componentes garantirá a descida da válvula no momento correto evitando que a mesma se choque com o pistão quando em PMS.
Como todo componente do motor estas árvores também têm a sua razão de ser. O desempenho e vida útil do motor tem uma relação direta com a construção destes componentes.
A ligação destes dois compontos se dá pela extremidade do virabrequim(árvore de manivelas) e a a sua sincronização é feita mediante a marcações nas engrenagens e correntes que fazem a distribuiçao.
Dependendo do motor algum outro componente pode ser sincronizado(bomba injetora rotativa ou em linha- mecânicas, são exemplos) mas no geral os outros componentes só precisam receber o movimento rotativo do virabrequim e não executam trabalhos em fases e sim constantes , por isso podem ser tocados por correias, correntes ou engrenagens e não dependem de sincronização, alguns exemplos são: bomba de óleo, bomba d'água, alternador, compressor do ar condicionado. Todos esses tem o seu resultado na rotação e executam o seu trabalho independente do ângulo que suas engrenagens ou polias acionadoras estejam posicionadas.

A ávore de comando de válvulas é por definição uma árvore de cames descentralizados. Isto implica dizer que seus cames(ressaltos) são propositalmente construidos para fora do centro em relação ao comando afim de determinar a abertura de válvula em momento oportuno fazendo que o fluxo de ar aconteça de forma a otimizar a queima.
Quanto á disposição do comando de válvulas o motor terá uma classificação diferente. Vejamos:

>OHV- Over Head Valve, são aqueles motores que possuem o comando de válvulas no bloco do motor e faz o acionamento das válvulas mediante a varetas e tuchos.

>SOHC- overhead camshaft, quando o comando está posicionado no cabeçote e possue apenas um comando para todas as válvulas, tanto escape como admissão).

>DOHC- double overhead camshaft, é a mesma disposição do motor ohc(comando no cabeçote), as únicas diferenção são que possue dois comandos e cada um destes é responsável por um conjusnto de válvulas, ou seja, um comando para admisão e outro para escape).

Como vimos em postagens anteriores no diagrama de válvulas o tempo de duração(tempo que a válvula passa aberta) perdura mais do que o proprio tempo motor de admissão ou escape. Para auxiliar neste comportamento foi desenvolvido o comando variável.
Resumidamente falando, as características de desempenho do motor também passam pelo que é chamado de lobe center. O que nada mais é do que a distância dada em ângulos entre os topos dos cames dos mesmo cilindro. Quanto maior essa distância(lobe maior) maior é o ganho em baixar rotações, enquanto menor o lobe center melhor o desempenho em altas rotações.
Toda as características do comando e das válvulas sejam , duração(tempo de abertura), overlap, ou até mesmo os tipos de tuchos mecânicos(reguláveis) ou hidráulicos; tudo isso responderá diretamente pelas caracteristicas de funcionamento do motor.

A árvore de manivelas é a parte móvel mais "bruta" do motor. Deve ser resistente as vibrações e transmitir o torque gerado ao volante motor que está fixado em sua extremidade posterior. Na outra ponta está tocando as engrenagens (por corrente ou engrenamento direto). Isto significa que em ambas extremidades o virabrequim executa trabalho.
Como está sujeito a uma carga muito alta este componente deve ter uma distribuição de massa bem equilibrada. Para tanto os contrapesos presos ao virabrequim fazem o balanceamento com sua massa, e em casos de diferença são feitos furos nos contrapesos para balancear. Um outro cuidado com a árvore de manivelas é quanto as folgas. Tanto para fins de lubrificação como para exercer seu trabalho é necessário que haja folga. A chamada folga de trabalho de óleo entre o virabrequim o os casquilos dos mancais da biela são ajustados pelo torque e pela própria espessura do casquilho. Além disto também existe a folga do próprio eixo em sua fixação ou folga axial. Ela garante que o virabrequim tenha um leve deslocamento afim de minimizar os efeitos da carga sofrida. Todavia esta folga tem uma tolerância que muitas vezes é regulada por um casquilho de encosto que compensa a folga axial.
Como existi demasiada carga sobre o vira ele possue junto aos contrapesos uma vala chamada de raio de concordância. Este pequeno desnível minimizará a possibilidade de trincas no virabrequim.

Torque, Cavalo vapor, cilindrada.. Afinal de contas pra que serve isso?

 

É bem comum alguem se referir a um motor por seu torque, cavalaria(CV ou HP), pôtencia, cilindrada como parâmetros de desempenho afim de dizer que este ou aquele motor é melhor ou pior que o outro. Mas será que estes conceitos estão bem definidos para nós? Ou ainda, qual a aplicabilidade disto no dia á dia?
Quando se fala de um automóvel é importante destacar que estes números de torque, cilindrada e etc, não são os úncos números a serem considerados pois como o automóvel possui um trem de força e neste trem de força o motor não é o único componente esses números não refletirão o real exercício nas rodas. Toda a força gerada sofrerá redução ou multiplicação pelo conjunto de transmissão(com exceção a uma marcha direct driver, cujo o movimento de entrada e saída são iguais) e só ai será transmistida para as rodas em forma de tração.

Bem vamos as definições:
Cilindrada: Como o proprio nome indica deriva de cilindro. Isto já é uma indicação do que ao termo se refere. Se nós olharmos um cilindro observaremos que alguns êmbolos estão ocupando a parte inferior enquanto outros alcançaram o ponto máximo(PMS). Este espaço entre os pontos PMI e PMS é chamado volume útil, ou seja, é a parte do cilindro que de fato servirá para acumular ar para a queima. Pegamos essa medida e a medida do diâmetro do pistão. Esses valores bastarão para o cálculo da cilindrada. Agora basta inseri-los na fórmula e calcular.
CC= π x d2 x c
CC= cilindrada  d2= diametro do cilindro ao quadrado c= curso do pistão

 Este calculo indicará a cilindrada individual de cada cilindro. A soma dos cilindros será a cilindrada total do motor. A cilindrada exibida nos veículos é sempre um valor arredondado disto. É chamada cilindrada comercial.
Á nível prático a cilindrada é a capacidade em litros que o cilindro comporta. O enchimento total desta capacidade passa diretamente pela alimentação de ar/combustível.

Torque é um esforço torcional, a força que tende a criar um movimento de rotação. O cálculo de torque é mais famoso que a própria definição. T= Força x área.
Ninguém tem dúvida que o termo torque é bem usual nas montagens em geral mas a maioria das pessoas têem dificuldades para entender a aplicação disto no motor. Na verdade basta levar o mesmo concito de alavanca e multiplicação de força para o interior do motor.

A biela que está fazendo a união do pistão ao virabrequim e faz a função de alavanca no momento da expansão dos gases. O motor "explode" a mistura na cabeça do pistão gerando uma energia que empurra o pistão para baixo. Como o virabrequim tem um movimento giratório ele produz torque mediante a esta força exercida em sentido contra ele.
Mediante a isto fica evidente que tanto a força da expansão como o comprimento da biela influi numa maior geração de torque. Por isso motores com construções maiores de biela e com alta compressão geram maior torque.

Cavalo vapor, Horse power, quilowatt e potência do motor são nomenclatutas para o mesmo efeito. Colocando de um modo bem prático podemos dizer que a pôtencia do motor(HP, CV) nada mais é do que o exercício do torque em relação ao tempo. Da mesma maneira que o cavalo a beira das minas puxava um peso em determinado tempo assim também o motor é medido pela capacidade de mover uma carga em determinado tempo.
Um motor que consiga atingir 60mn de torque é submetido a um teste em que em diferentes rotações se observa o tempo para exercitar um determinado trabalho em relação a um peso aplicado. Neste teste observa-se os pontos máximos de torque e o pico de potência.

Essas grandezas do motor são medidas afim de monitoramento de desempenho e até para fins de galgar melhorias na preparação de motores. A relação entre torque, potência, cilindrada e taxa de compressão é que indicará qual a utilização do motor, se em circuito de velocidade ou para o exercício de muitas cargas.

Tempo de escape

Se o tempo de compressão é momento de elevação de pressão no cilindro e o tempo de expansão é o ponto de elevação  máxima de temperatura, o tempo de escape é o momento da liberação do cilindro para renovação do ciclo. É o momento de acentuada queda de pressão e temperatura.
Este trecho acima é uma definição convencial e apropriada para este tempo/motor, todavia eu seria reducionista se deixasse de considerar o que está acontecendo a fundo neste momento.
Para entendermos melhor devemos recapitular. O motor usou a mistura ar/combustível para  produção de energia cinética. Estima-se que que o aproveitamneto dessa mistura foi em torno de 35%, ou seja, considerando perda de materiais por atrito, entalpia de combustão*(detalhamento adiante) e até qualidade da mistura comburente e carburante, tudo isto implica em perda de eficiência, apenas o restante é de fato torque.
Temos uma perda significativa no ciclo. E esta perda existe desde a admissão. Em todo o ciclo há um consumo de energia para o proprio funcionamento do motor. Os gases da queima também fazem parte desta soma de perda, eles representam um número significado(porém variavel de acordo com a qualidade da mistura) que "escapará" para fora do motor.

PERDA POR CALOR- A parcela mais significativa do motor se dá pela entalpia. Entalpia de combustão é a designação para a energia liberada em calor resultante da combustão. Como pode ser visto no motor uma parte da energia vira torque, outra parte é energia gasta no funcionamento do proprio motor e uma boa parcela é calor dissipado no processo.

 De acordo com o exemplo de diagrama de válvulas que vimos em outra postagem a abertura da válvula de escape é adiantadada para bem antes do PMI. Isto indica que já existe a ejeção dos gases, entretanto a pressão contra essas gases afim de empurrá-los é baixa pois o pistão foi empurrado pela"explosão" na câmara para baixo. Quando o pistão inicia sua subida a situação se modifica pois ai passa a haver pressão contra os gases. Isto resultaria num novo tempo de compressão, mas como a válvula de escape está aberta os gases são jogados para os dutos de descarga (coletor, descarga, etc).
Ainda considerando o diagrama de válvulas somos lembrados de que o escape perdura ainda até o tempo de admissão. É ai que ocorre o overlap(cruzamento de válvulas). Com as duas válvulas abertas, sendo que há pressão positiva vindo da admissão e pressão negativa no escape(causado pelo turbo) os gases são forçados a sair aceleradamente.
Temos ainda que considerar que num sistema convencional sem turbocompressor esses gases são lançados na atmosfera sem ou com tratamento, mas num veículo com um turbocompressor esses gases servem acelerar o eixo da turbina que é preso a parte fria do turboalimentador. Isto garantirá a maior sucção de ar para um novo ciclo.

Tempo de expansão: o tempo útil.

 

Observe esta imagem.

Se eu lhe pedir para apontar o tempo de expansão você com certeza chutaria. 

Na verdade é impossivel determinar o tempo de expansão pois falta algo imprescíndivel para a expansão, a explosão, o fogo, "o BOOM!", ou como chamaremos, aqui falta a autoignição.

Digo isto porque sem autoignição todo o ciclo do motor seria um ciclo inútil, sem conversão de energia química em cinética(ou força motriz). É por isso que o tempo de expansão é chamado de tempo útil do motor. Com exceção a ele o restante dos movimentos do virabrequim são considerados trabalhos inúteis porque não convertem energia em trabalho 

O tempo de expansão se inicia no topo do PMS. A câmara esta aquecida devido a pré-injeção, o ar aquecido por causa da sua compactação. O turbolhionamento fez com que a pré-injeção se misturasse perfeitamente com ar e quando o pistão atinge o PMS a injeção determina o débito de combustível.

Isto é o que ocorre. Sem faisca, sem centelhamento, apenas por pressão e temperatura.

Se o virabrequim tem 4 movimentos de 180°e apenas 1 destes movimentos produz conversão de energia este tempo é chamado tempo útil. Portanto podemos colocar assim: o motor tem um aproveitamento de 25% do seu ciclo. Isso torna o motor com intervalo entre as queimas e com uma distribuição de torque espaçada, para resolver este problema utiliza-se o volante do motor que acumula energia cinética entre as queimas.
A produção de torque do motor está diretamente ligada  ao tempo de expansão.
Não bastará ao motor ter uma relação de compressão elevada,nem uma grande alavanca de torque(neste caso o comprimento da biela). Ee a explosão por quaisquer motivos for imperfeita quanto a sua expansão afetará diretamente a produção de torque no motor.
Para concluir podemos colocar que o tempo de expansão é a soma do tempo/admissão junta com a compressão e injeção, isto resulta no apse do funcionamento de um conversor de enrgia química em energia cinética, este apse é a geração de torque mediante a uma explosão.

Tempo de compressão

                                           

Compressão!
Num motor á diesel esta é a palavra chave. A capacidade de compactação do ar no interior do cilindro até um tamanho mínimo é talvez a característica mais significativa neste tipo de motor.
 Como vimos no diagrama de válvulas no ínicio de compressão a válvula de admissão está prestes a se fechar. Quando ocorre este fechamento o cilindro torna uma "panela de pressão sem válvula de alívio". Devido ao tipo de construção das válvulas e o seu assentamento nas sedes ocorre a vedação total do cilindro. Então o ar fica dentro dentro do cilindro, mas não em repouso pois o virabrequim iniciou a sua subida.
Tenho que lembrar o fato de que neste tipo de motor esta fase o cilindro só está cheio de ar. Este comburente será reduzido  a um volume muitas vezes menor e só no fim de compressão e ínicio de expansão receberá o diesel em alta pressão. Este momento é chamado de ponto de injeção ou no caso de sistemas eletrônicos de injeção principal. Cabe uma ressalva aqui. A injeção em muitos casos é adiantada para o tempo de compressão e atrasado para o tempo de expansão fazendo assim que haja pré e pós injeções. Mas esta injeção também pode ser involutariamente atrasada ou antecipada por gotejamento dos injetores.

• Principais ganhos das múltiplas injeções(pré injeção e injeção principal): Ocorre uma pequena injeção de combustível antes da injeção principal que melhoras as condições para a queima principal elevando a compressão.
• Principais perdas da pré injeção(gotejamento do cilindro): Enxarcamento do cilindro e queima ruim
• Principais perdas da pós injeção(pós detonação): Criação de ruídos.
• Isto conclui que a injeção fora do tempo só é proveitosa quando controlada pelo módulo em outros casos causa perda de combustível e ruído de pós detonação.

Se na postagem anterior vimos que para a admissão é imprescindível condições externa como filtragem e turboalimentadores. Nesta postagem vemos que no tempo de compressão o motor depende unicamente de fatores internos como a vedação da câmara feita pelas válvulas que estão fechadas e a vedação pistão junto as paredes feita pelos anéis.

A má vedação se torna o maior problema para este tempo/motor. A quebra ou alinhamento dos áneis, ou até mesmo o assentamento das válvulas junto as sedes causa perda de compressão e consequentemente perda de pôtencia para o motor. 

Quando o pistão está em ascedência em tempo de compressão inicia-se a compactação da massa de ar até ao tamanho de câmara. Esta câmara é chamada de câmara de compressão ou combustão. Em motores disel esta câmara é posta na cabeça do pistão. Mas colocando de uma forma mais clara, câmara de combustão é todo o espaço no interior do cilindro que sobra quando o pistão atinge o PMS. Este espaço pode ser no cabeçote, no pistão, na junta do cabeçote ou a soma destes espaços.
A definição de câmara de combustão é importante para obtenção da taxa de compressão. Uma definição bem satisfatória de taxa de compressão é a seguinte: a quantidade de vezes que a mistura admitida no cilindro é reduzida ao tamanho da câmara.

Conforme vemos nesta imagem o volume admitido(cilindrada) é reduzido ao tamanho da câmara.
Em motores diesel esta taxa pode atingir até 25:1, ou seja a massa captada pela cilindrada(entre PMI a PMS) foi reduzida a uma tamanho 25 vezes menor dento da câmara.

Tempo de admissão e real admissão.

"não necessariamente o movimento de subida e descida do pistão vai retratar o que de fato está acontecendo no interior do cilindro."
Fiz esta afirmação em minha última postagem e me comprometi a explica-lá. Pois bem, vamos a explicação.
Teoricamente cada tempo(admissão, compressão, expansão e descarga) é retratado pelo movimento de subida ou descida do êmbolo, entretanto a abertura das válvulas não respeita o movimeto dos pistões. Esta abertura e fechamento podem ser antecipado e atrasado respectivamente afim de melhor aproveitamento da queima e limpeza da câmara. Pode-se concluir disto que o motor pode estar admitindo sem estar em tempo de admissão.
Esta postagem se reporta ao tempo de admissão e a admissão real, não só aos 180° do virabrequim.
Para maior compreensão deste evento é importante entender que abertura e fechamento de válvulas não são só definidas por tempos do motor, mas por duração. Duração é o período(medido em graus) em que as válvulas permanecem abertas.

(diagrama de válvulas)

Neste exemplo observamos que:

Início de admissão 10°APMS
Fim da admissão 35° DPMI
Início de escape 40° APMI
Fim do escape 10° DPMS

Se somarmos o tempo de abertura e fechamento da válvula de admissão APMS e DPMI somado aos 180° correspondente ao tempo de admissão veremos que o tempo da duração de abertura da admissão ultrapassa o proprio tempo de admissão no controlado pelo virabrequim.


Admissão é...

Admissão pode ser entendido como tempo do motor, ou como duração de abertura das válvulas ou ainda mais. Admissão é um circuito que faz parte da alimentação do veículo e vai desde a captação do ar atmosferico até o interior dos cilindros.
Esta massa de ar admitida passa pelo filtro de ar que o separará de particulas sólidas maiores que podem vir a danificar os turboalimentadores(supercharger ou turbocharger), radiadores de ar(intercooler), ou até mesmo as partes internas de cabeçote e motor como válvulas ou parades dos cilindros.
Como este blog foca nos motores de combustão interna de autoignição por alta compressão, ou seja, motores diesel,não podemos desprezar que neste fluxo os turboalimentadores desempenham papel fundamental. No caso do turbocharger(turbocompressor, popular turbina) em série com um intercooler garantirá uma captação maior de ar e uma compactação do ar admitido. Esta compactação de volume garantirá um aumento de massa(quantidade) captada e assim o preenchimento do cilindro em sua cilindrada total. Isto significa dizer que um motor de altas cilindradas só pode atingir o preenchimento mais pleno do seu  interior com o auxílio de um turboalimentador.

(animação referete ao fluxo de ar no cilindro)

No momento da admissão a vávulas/válvulas de admissão se abrem a entrada do ar para o cilindro. Como vimos esta inalaçao de ar feito pelo motor é antes do PMS(ponto morto superior) o que garante que o ar frio empurre o gás resultante da combustão para fora do cilindro, executando assim a limpeza e o resfriamento da câmara. Quando o pistão incia sua descida e a válvula de escape fecha-se vedando completamente o cilindro cria-se se uma pressão negativa no interior que auxilia o turboalimentador a encher o cilindro de um ar novo e filtrado.

Outro ponto a ser considerado é o cruzamento de válvulas, também chamado de OVERLAP, ou seja, o tempo em que válvulas de admissão e escape estão abertas juntas. O cruzamento de válvulas é dado em graus e pode ser observado no diagrama de válvulas.
Outra informação importante é que em um motor diesel esta fase ainda não ocorreu a injeção ou pré-injeção de combustível e o cilindro está na sua fase mais fria em relação aos outros tempos do motor