horizonte de eventos

De onde dizem que nem mesmo a luz consegue escapar...

Alexandre Beluco

Engenheiro, pesquisador, professor universitário. Especialista em energias renováveis. Apaixonado por motores de dois tempos

dois e quatro tempos são as únicas alternativas?

Os motores automotivos a explosão atualmente em sua grande maioria ainda são motores de ciclo Otto com quatro tempos. Os motores de dois tempos estão relegados a aplicações menores. E as opções sempre estiveram limitadas apenas a: dois e quatro tempos. Mas... existiriam motores com três tempos, com cinco ou seis tempos ou mesmo sete ou ainda oito tempos?


O ciclo Otto é um ciclo termodinâmico idealizado que descreve o funcionamento de motores a combustão interna que seguem em produção em larga escala, fornecendo potência para a maioria dos automóveis atualmente em circulação em todo o mundo. O nome é devido às contribuições teóricas e práticas do engenheiro alemão Nikolaus Otto, em meados do século XIX, que lhe valeram o registro de patente e levaram ao desenvolvimento do moderno motor de combustão interna.

O conceito básico do ciclo Otto apresenta quatro estágios de funcionamento, mais conhecidos como quatro tempos, e qualquer alteração nessas quatro etapas constitui algum tipo de improvisação. Desse modo, é possível dizer que o ciclo de quatro tempos é o ciclo fundamental para o funcionamento de motores de combustão interna. A improvisação mais famosa é o motor de dois tempos, no qual dois dos quatro tempos são improvisadamente "comprimidos".

A figura abaixo detalha esses quatro tempos. A figura mostra quatro momentos de um mesmo cilindro equipado com duas válvulas em sua parte superior. O primeiro tempo é a aspiração, mais à esquerda, no qual ocorre a entrada da mistura de ar e combustível na câmara de combustão. Essa entrada se dá pela abertura da válvula mais á esquerda. A câmara de combustão é o volume interno que se forma entre o cilindro e o pistão e que varia ao longo de cada giro da árvore de manivelas.

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O segundo tempo é a compressão. O pistão segue seu movimento e, depois de ter atingido o ponto inferior de sua trajetória, volta a subir. Nesse tempo, as válvulas permanecem fechadas e, conforme o pistão sobe, o volume na câmara de combustão diminui e seu conteúdo é comprimido. A emissão de faísca pela vela, que fica na parte superior da câmara de combustão (nessa figura, aparece entre as válvulas), deve ser sincronizada com a chegada do pistão no ponto superior de sua trajetória.

É no terceiro tempo que ocorre a explosão, provocada pela faísca produzida pela vela no momento de maior compressão do conteúdo da câmara de combustão. A mistura ar-combustível então explode violentamente empurrando o pistão para baixo e provoca transferência de energia ao eixo do motor. O quarto e último tempo é quando ocorre a exaustão dos gases produzidos pela explosão através da válvula à direita, aberta sincronizadamente com o movimento do pistão.

Nessa mesma figura, o cilindro mostrado à esquerda mostra também um carburador no tubo de admissão. É o componente que prepara a mistura entre ar e combustível para ser admitida na câmara de combustão. Nessa figura, ainda, o cilindro mais à direita mostra também um tudo de saída dos gases, consistindo basicamente de um silencioso que atenua o ruído produzido pelos gases e pelo motor, reduzindo os volumes associados às principais frequências que compõem o ruído do automóvel.

O motor de dois tempos opera com os tempos de admissão e de exaustão "comprimidos", permitindo que o motor tenha o ciclo completo de dois tempos executado a cada volta da árvore de manivelas. Desse modo, em uma meia volta ocorrem aspiração e compressão, enquanto na outra meia volta ocorrem explosão e exaustão. Admissão e exaustão ocorrem, na maioria dos modelos, por meio de janelas abertas ou fechadas pelo movimento do pistão no cilindro.

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Essa figura em movimento, acima, permite ver como ocorrem os tempos de admissão e exaustão, "comprimidos" respectivamente com os tempos de compressão e de explosão. Quando o pistão começa a subir, o efeito de depressão na câmara inferior abre a válvula e dá entrada para a mistura ar+combustível+lubrificante. Por outro lado, a depressão criada na câmara superior ao final da descida do pistão permite a admissão da mistura ar+combustível na câmara de combustão.

Essa mistura, entrando na câmara de combustão pela janela aberta à esquerda com o movimento do pistão, empurra os gases da explosão do ciclo anterior para fora, através da janela aberta à direita também pelo movimento do pistão. Essa mistura ainda traz óleos combustíveis não totalmente utilizados na câmara inferior e encontrará ainda restos de explosões anteriores, contribuindo para a pior de todas as características do motor de dois tempos: alto potencial poluidor!

Um ciclo de três tempos pode ser obtido com um primeiro tempo para expansão, um segundo tempo com exaustão e admissão "compactados" em um tempo apenas e um terceiro tempo para compressão, conforme um estudo em andamento em um centro de pequisas tecnológicas de Itajubá, em Minas Gerais. O objetivo é obter um ciclo que apresente um desempenho comparável ao ciclo de quatro tempos somado a ganhos em questões ambientais, com redução de emissões de poluentes.

Um ciclo de cinco tempos pode ser obtido com a união de dois cilindros de alta pressão com um cilindro mais largo, operando em menor pressão, para aproveitar a energia presente nos gases expulsos nos outros cilindros. Esse motor apresenta uma eficiência 10% melhor que os motores usuais com ciclo de quatro tempos. É um projeto do engenheiro Gerhard Schmitz, patenteado em 2000 nos Estados Unidos e em desenvolvimento pela empresa britânica Ilmor Engineering.

Um ciclo de seis tempos pode ser obtido tanto com um conjunto de cilindro e pistão quanto com dois conjuntos de cilindro e pistão. Os objetivos sempre incluem alcançar melhor eficiência no consumo de combustível e redução nas emissões de poluentes. Os tempos adicionais são obtidos ou de novos tempos para explosão e para exaustão, para conjunto único de cilindro e pistão, ou da combinação de movimentos conjuntos de dois pistões.

Um ciclo de oito tempos pode ser obtido com dois conjuntos de cilindro e pistão operando em ciclos de quatro tempos, com os tempos desses ciclos não coincidentes e defasados de modo que o ciclo conjunto possa ser considerado como a soma dos tempos dos ciclos dos dois cilindros. Uma patente foi registrada nos Estados Unidos em 2002 para um motor com ciclo desse tipo, no qual um conjunto de cilindro e pistão opera como escravo do outro conjunto.

Um ciclo de sete tempos (e mesmo um ciclo de seis tempos) pode(ria) ser obtido a partir de simplificações desse ciclo de oito tempos. Basta que um (ou dois) dos tempos desse ciclo, mais provavelmente tempos de admissão ou de exaustão, sejam "comprimidos". É aproximadamente o que acontece no ciclo de dois tempos (com os tempos de admissão e de exaustão) em relação ao ciclo de quatro tempos.

Respondendo então à pergunta proposta no título deste artigo, dois e quatro tempos não são as únicas alternativas, existindo estudos em desenvolvimento e patentes registradas para ciclos com três tempos, com cinco e com seis tempos, sete tempos e mesmo com oito tempos. Entretanto, é o ciclo com quatro tempos, pelas suas características, que se apresenta mais eficiente e que é a configuração empregada atualmente em aplicações automotivas.


Alexandre Beluco

Engenheiro, pesquisador, professor universitário. Especialista em energias renováveis. Apaixonado por motores de dois tempos.
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