Os veículos automotores atuais, em sua maioria, utilizam motores de combustão interna que operam segundo o ciclo inventado por Nikolaus Otto em 1876, ou seja, são motores que operam segundo o ciclo Otto de 4 tempos. Se bem que não seja um assunto totalmente eletrônico, o controle destes motores nos veículos automotores é feito por muita eletrônica sendo assim, muito importante conhecer seu princípio de funcionamento. Neste artigo que faz parte de nosso livro Curso de Eletrônica - Eletronica Automotiva, explicamos como ele funciona.
Leitura Recomendada: Curso de Eletrônica - Eletrônica Automotiva
Ao analisarmos o funcionamento básico de um motor tomaremos como exemplo os que usam o cilco Otto e depois teremos informações adicionais sobre outros tipos de motores.
Partimos então de um cilindro em que existe no seu interior um pistão dotado de movimento livre, mas bastante justo, conforme mostra a figura 1.
Nos motores comuns temos sempre mais de um cilindro, podendo variar de 2 (para os motores de dois tempos de motos até 6 em carros mais potentes e 12 em carros especiais de competição ou altíssima potência.
Na figura 2 um motor de BMW de 12 cilindros.
Inicialmente, o pistão é forçado a fazer um movimento para baixo. Nesse momento, a válvula de admissão abre e é injetada no seu interior a mistura de ar com combustível, na proporção correta para a combustão total. Isso é mostrado na figura 3.
Numa segunda fase, a válvula de admissão fecha e o cilindro comprime a mistura, conforme mostra a figura 4.
Quando a mistura atinge o grau máximo de compressão é produzida uma faísca que faz a sua ignição. Essa faísca é produzida normalmente por um sistema elétrico através da vela. Essa fase é mostrada na figura 5.
A faísca é necessária, pois uma mistura comum de ar+combustível como a gasolina ou álcool não entra em combustão com a simples compressão à uma baixa temperatura.
É preciso que haja um processo para iniciar a combustão, e uma pequena faísca faz isso.
Nos carros a álcool temos o problema que à baixas temperaturas, mesmo comprimida a mistura ar+combustível não entra em combustão com a faísca, daí a dificuldade de partida desses veículos nestas condições.
Por esse motivo é que se injeta antes gasolina para que, tendo uma ignição mais fácil permita que o motor parta e depois disso, o álcool pode ser usado.
Uma vez que ocorra a ignição, o resultado é a formação de gases que se expandem rapidamente, exercendo sobre o pistão uma força que o faz se deslocar, conforme mostra a figura 6.
É essa força que é aproveitada externamente num motor, fazendo girar um conjunto de engrenagens.
Tão logo a expansão máxima seja atingida, a válvula de escape abre para deixar os gases resultantes escapar, conforme mostra a figura 7.
Num instante seguinte, começa novamente todo o ciclo com a válvula de admissão abrindo e mais combustível e ar sendo injetados.
Veja então que a abertura e fechamento das válvulas, injeção da mistura ar+combustível devem ser sincronizados com o movimento do pistão.
Veja também que o sobe e desce do cilindro não é movimento suave. Existem paradas bruscas nas extremidades da trajetória, o que causa uma forte vibração.
Na prática, a utilização de mais de um cilindro não só torna o funcionamento mais suave como também mais estável, pois quando o gás em se expande, o movimento ajuda outro pistão a comprimir a mistura.
Assim, num motor de quatro cilindros, os quatro pistões são acoplados a um sistema mecânico denominado "árvore de manivelas" ou virabrequim que defasa seu movimento ao mesmo tempo em que capta a força que eles exercem possibilitando sua utilização. Na figura 8 mostramos o que ocorre.
Acoplado a esse virabrequim temos então recursos que controlam as válvulas e também que sincronizam a produção das faíscas.
Estes recursos podem ser visto na figura 9, em que uma engrenagens são acopladas através de uma correia denteada ou correia dentada que transmite o movimento sincronizado de todas as partes, necessário ao bom funcionamento do motor.
Motores rotativos
Uma tecnologia que está sendo aperfeiçoada é a usada nos chamados motrores rotativos ou Wankel. Nela não existem cilindros, havendo em sua lugar uma engrenagem excêntrica que comprime o combustível, o qual depois da ignição pressiona da engrenagem de modo a continuar seu movimento.Estes motores rodam suavemente, mas é uma tecnologia que não conseguiu até agora bom rendimento e com a vinda do motor elétrico deve ser abandonada.
O Motor Diesel
O funcionamento mecânico de um motor diesel é o mesmo de um motor a gasolina ou álcool. Na verdade, podemos dizer que os motores diesel vieram antes dos motores a gasolina. Neles, o que é diferente é o ciclo de combustão.
No primeiro ciclo, é injetado do cilindro apenas ar através da válvula de admissão. O combustível é injetado depois pelo bico injetor sem a necessidade de ser pulverizado.
Temos ainda o fato de que nos motores diesel não existe a vela, pois não há necessidade de faísca elétrica para ocorrer a combustão. O diesel entra em combustão, ou seja, detona, pela simples compressão do pistão.
Quando a compressão atinge um valor alto, a temperatura sobe para algo em torno de 700º C e com isso o combustível injetado queima espontaneamente.
Este modo de funcionamento faz com que os motores diesel tenham um ruído característico, mais "duro" devido as detonações do combustível pela compressão.
Alguns motores diesel possuem velas que são usadas para ajudar na partida a frio.
Para obter este funcionamento com a combustão sem a necessidade da faísca, os motores diesel comprimem muito mais com ar.
Enquanto que um motor a gasolina ou álcool comprime a mistura numa taxa de 8:1 a 12:1, os motores diesel trabalham com taxas superiores de a14:1 chegando mesmo a 25:1 em alguns casos.
Como o diesel tem maior poder calórico, os motores que usam este combustível são mais eficientes.
Veja que a detonação, que é a queima espontânea pode também ocorrer com outros combustíveis, como a gasolina, o que neste caso faria com que ela queimasse antes do tempo no motor.
Assim, para que isso não ocorre, na gasolina comum são acrescentados produtos anti-detonantes que evitam isso.
O sistema de Ignição
Quando a mistura ar-combustível é comprimida no cilindro de um motor, sua queima ou ignição não ocorre espontaneamente.
É preciso que haja uma excitação externa para que isso ocorra. Esta excitação é uma faísca elétrica de alta tensão.
Para que ocorra a ignição precisamos de uma faísca de pelo menos 12 000 volts com correntes de pelo menos 40 a 60 mA. Essa faísca deve ser produzida por uma vela.
A produção da faísca se deve ao que denominamos "rigidez dielétrica do ar". Os isolantes só podem deter a circulação de uma corrente até uma determinada tensão.
Se aplicarmos uma tensão maior do que um determinado valor, o material deixa de ser isolante podendo conduzir a corrente. Salta uma faísca.
Para o ar isso ocorre com uma tensão de 10 000 volts por centímetro. Isso significa que duas esferas separadas de uma distância de 1 cm só podem impedir a circulação da corrente se a tensão entre elas for menor do que 10 000 volts. Acima disso, a faísca salta, conforme mostra a figura 10.
A bateria de um carro atualmente só fornece 12 V (mais adiante veremos a possível mudança do sistema para 42 V e suas vantagens), sendo por esse motivo necessário dispor de um sistema que eleve a tensão para os12 000 volts ou mais necessários à produção da faísca.
A faísca é produzida por uma vela, conforme mostra a figura 11.
Os primeiros sistemas eram muito simples, basicamente formados por um circuito elétrico com um transformador (bobina), no entanto, com o tempo esse sistema foi evoluindo e hoje os sistemas de ignição levam muita eletrônica.
No entanto, os sistemas eletrônicos de ignição só serão estudados no próximo capítulo. Neste capítulo vamos nos dedicar ao sistema básico e seus elementos, analisando o seu princípio de funcionamento.
O sistema de ignição do automóvel não tem apenas a função de gerar a faísca de alta tensão necessária a combustão, mas também garantir que isso ocorra no instante certo.
A bobina de ignição
O componente principal do sistema de ignição convencional é a bobina de ignição cuja finalidade é justamente aumentar a tensão de 12 V da bateria para um valor suficientemente elevado que produza a faísca desejada nas velas.
Esta bobina é na realidade um "auto-transformador" que gera de 12 000 a 40 000 volts, dependendo do tipo do carro, e tem seu princípio de funcionamento analisado a seguir. Conforme mostra a figura 12 a bobina é formada por dois enrolamentos: primário e secundário.
O enrolamento primário tem poucas voltas de um fio mais grosso e o enrolamento secundário é formado por milhares de voltas de um fio mais fino.
Na verdade, o enrolamento secundário de uma bobina de ignição chega a ter dezenas de quilômetros de fio esmaltado fino!
A relação entre as voltas do enrolamento primário e do enrolamento secundário determinam a tensão que vai sair no terminal de alta tensão quando aplicamos os 12 V no enrolamento de baixa tensão.
Por exemplo, se o enrolamento primário tiver 100 voltas de fio e o enrolamento secundário 100 000 volta, a tensão ficará multiplicada por 1 000. Assim, aplicando 12 V no primário teremos 12 000 V no secundário, conforme mostra a figura 13.
No entanto, como qualquer transformador, a bobina de ignição é um componente que só funciona quando a corrente nos seus enrolamentos varia.
A bobina não funciona com corrente contínua pura. Se ligarmos o enrolamento primário diretamente à bateria não acontece nada e não saem os 12 000 V no secundário conforme mostra a figura 14.
A indução de uma alta tensão na bobina só ocorre em dois momentos: no momento em que o circuito é fechado e no momento em que o circuito é aberto, conforme mostra a figura 15.
No circuito da ignição do carro, este momento é determinado pela abertura e fechamento do platinado, que funciona como uma chave que liga e desliga a corrente.
Abrindo e fechando, ele determina então o instante em que a alta tensão é gerada e a faísca produzida na vela. Mas, o sistema de ignição não é apenas isso. Vamos fazer uma análise do circuito.
Transformadores comuns
Os transformadores que usamos nas aplicações comuns operam com correntes alternadas, por isso podem ser ligados diretamente aos circuitos, sem a necessidade de ficarem sendo ligados e desligados contantemente.
O teste básico de uma bobina de ignição pode sr feito com o multímetro, medindo-se a continuidade dos enrolamentos. No entanto, não é um teste conclusivo, pois não acusa eventuais curtos. Veja nos livros "Como testar Componentes" como fazer o teste de transformadores.
