Cilindrada, rotação, taxa de compressão e potência do motor

26 de agosto, 2013 às 8:32 | Postado em Máquinas térmicas, Termologia, termodinâmica

Professor Fernando

Li a sua resposta sobre: Qual carro é mais potente, 1.8 ou 2.0? http://www.if.ufrgs.br/cref/?area=questions&id=44

Gostaria de saber a razão da cilindrada do motor estar relacionada à potência e também à rotação do motor. O senhor falou em taxa de compressão e que ela também influi. Poderia explicar melhor tudo isto.

Espero não lhe incomodar e agradeço antecipadamente a resposta.

Bruno

Para responder a pergunta é necessário se ter algum conhecimento sobre o funcionamento dos motores de automóveis, das máquinas térmicas que produzem energia mecânica pela queima no seu interior de algum combustível.

A figura abaixo representa esquematicamente as parte principais de um cilindro de um motor do tipo Otto. As máquinas de Otto se caracterizam por admitir no cilindro, através do duto e da válvula de admissão a mistura de ar com vapor de combustível (gasolina, álcool, …). Os motores do tipó Diesel admitem apenas ar no cilindro e somente depois que este está altamente comprimido e aquecido graças à compressão rápida acontece a injeção do combustível (óleo Diesel ou outro combustível).

Uma simulação de um motor do tipo Otto pode ser acessada em http://www.if.ufrgs.br/~lang/Textos/otto.exe.

Inicialmente definirei o que é a cilindrada (volume deslocado no interior do cilindro) e taxa de compressão. A próxima figura representa o início do primeiro tempo, quando o volume no interior do cilindro é mínimo com o pistão próximo da válvula de admissão aberta e da válvula de escape fechada. Em seguida o pistão se deslocará de modo a aumentar o volume no interior do cilindro aspirando ar e combustível (motor Otto) ou apenas ar (motor Diesel).

A figura seguinte representa o pistão maximamente afastado da parte superior do cilindro quando então a válvula de admissão se fecha. A diferença entre este volume máximo e o volume mínimo da figura anterior é o volume deslocado ou cilindrada. Se o motor tiver mais de um cilindro a cilindrada do motor é a cilindrada de um único cilindro multiplicada pelo número de cilindros. Um motor de 2,0 L e quatro cilindros possui 0,5 L de cilindrada em cada um dos cilindros.

Quando o pistão, com as duas válvulas fechadas, reduz-se o volume no interior do cilindro (tempo de compressão) a taxa de compressão é definida como a razão entre o volume máximo e o volume mínimo.

Uma taxa de compressão de 10 (típica para motores Otto a gasolina) significa que o gás no interior do cilindro tem seu volume reduzido por 10 vezes. Como a mistura de ar é combustível sofre esta compressão rapidamente, a pressão de fato se eleva mais do que por um fator de 10, atingindo uma pressão mais de 20 vezes maior do que a pressão no início do tempo de compressão. Concomitantemente a temperatura também se eleva.

Nos motores do tipo Diesel a taxa de compressão é cerca de 20 ou maior, atingindo-se no final da compressão pressões mais de 60 vezes a pressão no início da compressão e altas temperaturas. A injeção do combustível para dentro deste gás altamente aquecido  é seguida de combustão por auto ignição e expansão dos gases. É o terceiro tempo, o  tempo de expansão. Nos motores Otto a queima da mistura de ar e combustível inicia-se no final da compressão por se produzir uma centelha elétrica na vela de ignição.

Na etapa que segue o tempo de compressão ocorre a queima da da mistura, com grande elevação da pressão (explosão) e em seguida o tempo de expansão. É na expansão do gás à alta pressão e temperatura que efetivamente o motor realiza trabalho, desenvolve potência mecânica. Em todas as outras etapas há absorça de trabalho pelo motor e, portanto, na etapa de expansão deve ocorrer uma realização de trabalho que compense e exceda todas as outras etapas em que há absorça de trabalho por este sistema.

O trabalho máximo que se pode obter na expansão depende da quantidade máxima de combustível que pode ser queimado e esta quantidade máxima a ser queimada é tanto maior quanto maior a massa de ar introduzida no cilindro na admissão. Daí se entende facilmente que o trabalho máximo realizado na expansão, que é possível devido a queima do combustível, será maior se a cilindrada do motor for maior. A pressão no interior do motor no final da expansão também é relevante pois esta esta, além do volume, influi na massa de ar ou de ar e combustível admitido. No motores simplesmente aspirados  esta pressão é no máximo igual à pressão externa ao motor, a pressão atmosférica. A possibilidade de aumentar a pressão no final do tempo de admissão é concretizada em alguns motores por se elevar a pressão no duto de admissão com um compressor. O tamanho das válvulas e o número de válvulas também pode afetar a massa de gás que entra e sai do cilindro, tendo efeito sobre o trabalho que a máquina produz. Outro fator importante para o trabalho realizado na expansão é a pressão máxima atingida dentro do cilindro na compressão e esta cresce com o aumento da taxa compressão.

A potência mecânica desenvolvida pelo motor é a razão entre o trabalho realizado e o tempo para realizá-lo. Ora, é fácil concluir então que a potência cresce quando este tempo diminui, isto é, aumenta a rotação do eixo de manivelas (virabrequim). Ceteris paribus (mantido todo o resto constante), isto é mantidos constantes a cilindrada, a taxa de compressão, …, a potência mecânica desenvolvida pelo motor cresce com o aumento da frequência de rotação do virabrequim. Não é para menos que os motores de alto desempenho como os da Fórmula 1 atinjam cerca de 20.000 rpm. Vide:

Potência e torque do motores de acordo com o curso dos cilindros

O torque máximo sempre ocorre em uma frequência de rotação mais baixa do que a da potência máxima em um motor?

Outros aspectos relativos ao motores podem ser encontrados em Máquinas térmicas à combustão interna de Otto e de Diesel, disponível no ResearchGate.

Outras questões relacionadas ao tema são:

Consumo de um carro 2,0 L pode ser menor do que de um carro 1,0 L?

Qual carro é mais potente, 1.8 ou 2.0?

“Docendo discimus.” (Sêneca)

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