Motores a pistão
Teoria e princípios /Motores 4 e 2 Tempos
Artigos / Cuidados / Vídeos sobre o funcionamento
Fontes: Aero Magazine, Cultura Aeronáutica, Apostilas da Anac e New
Os motores a pistão de quatro tempos, utilizados nas aeronaves leves atuais, foram inventados há 135 atrás, em 1876. Antes da introdução dos motores a reação, entre as décadas de 1940 e 1950, esses motores predominavam também na aviação militar e na aviação comercial.
Motor Continental IO-520
O motor ciclo Otto, de quatro tempos, em princípio, parece um verdadeiro trambolho tecnológico. Embora aperfeiçoado, é basicamente o mesmo motor de mais de um século atrás, mas continua a ser utilizado na grande maioria dos automóveis e aeronaves leves atuais. Por que?
Para utilização aeronáutica, o motor deve ter vários requisitos essenciais. Deve ser eficiente, de baixo custo, econômico em relação ao consumo de combustível e de despesas de manutenção, confiável, durável e capaz de produzir grande potência em relação ao seu peso.
No entanto, os motores a pistão não são, de forma alguma, máquinas eficientes, pois raramente conseguem converter mais de 25 por cento da energia contida no combustível em energia mecânica. Se comparado com um motor elétrico, por exemplo, que consegue converter quase 90 por cento da energia elétrica que consomem em energia mecânica, o motor a pistão é um grande desperdiçador de energia.
O motor a pistão funciona pela expansão dos gases produzidos na queima de um combustível, convertendo assim energia química em térmica, pela combustão, e energia térmica em energia mecânica, pela expansão dos gases.
Caso não houvesse perdas nesse processo, toda a energia química contida no combustível seria convertida em energia mecânica. Mas não é isso o que acontece. A potência que poderia ser obtida pelo motor, pela queima do combustível, sem nenhuma perda, é denominada potência teórica, e é impossível de se obter, na prática.
Para começar, nenhuma queima é realmente completa, algum combustível não queimado sempre vai restar nos gases de escapamento. Em segundo lugar, grande parte da energia térmica produzida pela queima simplesmente não vai ser convertida em energia mecânica. Por fim, grande parte da energia mecânica produzida vai ser novamente convertida em energia térmica pelo atrito interno no motor, ou consumida pelo próprio motor para acionar diversos acessórios, indispensáveis ao seu funcionamento.
A energia mecânica da expansão dos gases pode ser calculada, constituindo-se na chamada potência indicada. A fórmula simplificada para esse cálculo está abaixo:
Potência Indicada = (P x L x A x N x K)
33.000
Onde:
P = Pressão efetiva média indicada, em PSI;
L = Comprimento do curso do pistão, em pés ou fração;
A = Área da cabeça do pistão ou da seção reta do cilindro, em polegada quadrada;
N = Número de tempos de potência por minuto, ou seja, a RPM dividida por 2 (há um tempo motor a cada 2 voltas do eixo de manivelas);
K = Número de cilindros.
Na fórmula acima, a área do pistão multiplicada pela pressão efetiva média indicada dá a força, em libras-força, que é aplicada sobre o pistão que, multiplicada pelo curso, em pés, dá o trabalho desenvolvido em um tempo de potência, em libras.pé, o qual, por sua vez, multiplicado pelo número de tempos de potência em um minuto, nos dá a potência produzida pela expansão dos gases.
Motor Bristol Hydra, raro motor radial de 16 cilindros
Uma vez que um HP é definido como sendo a potência produzida por 33.000 libras-pé por minuto, o total de libras.pé de trabalho produzido pelos cilindros do motor deve ser dividido por 33.000 para se obter a potência indicada, em HP.
Até aí, portanto, conseguimos obter a potência da conversão de energia térmica em mecânica dentro do motor. Sem contar que boa parte do combustível não foi queimada, temos que considerar que grande parte da energia térmica produzida não se converte em energia mecânica, e que mesmo a energia mecânica dos gases expandidos não é totalmente aproveitada. Daí, pode-se deduzir que grande parte da potência teórica, entre 40 e 45 por cento, será simplesmente jogada fora, através dos gases quentes do escapamento.
A potência indicada, por sua vez, também não é totalmente aproveitada, já que uma parte dela vai ser consumida para vencer os atritos internos e para acionar acessórios, como comandos de válvulas, bombas de óleo e de combustível, magnetos, geradores e outros dispositivos.
Motor Lycoming IO-540
A potência que se consegue obter no eixo da hélice, também conhecida como potência efetiva, é medidA experimentalmente por dispositivos denominados dinamômetros. Ao se usar um dinamômetro, se obtém o torque, uma grandez vetorial da física que significa uma força multiplicada pela braço de alavanca, para fazer girar um eixo. O cálculo da potência efetiva é então definido pela fórmula:
Potência Efetiva = 2 x π x RPM
33.000
Portanto, depois de se conhecer tais cálculos, pode-se imaginar meios de aumentar a potência, a economia, ou os dois fatores juntos, o que resultaria em melhor eficiência, uma tarefa nada fácil.
Na maior parte das vezes, aumentar a potência do motor vai resultar em maior consumo de combustível, o qual é desproporcional, resultando quase sempre em piora da eficiência à medida em que se aumenta a potência.
O principal fator determinante da potência, em um motor aeronáutico, é a cilindrada, que pode afetar nada menos que três variáveis da fórmula do cálculo da potência indicada (L, A, K). É um fator tão importante que a maioria dos motores aeronáuticos é designada por sua cilindrada, em polegadas cúbicas.
Motor Ranger L440, de seis cilindros
Para aumentar a cilindrada, pode-se aumentar o diâmetro dos cilindros, aumentar o curso ou aumentar o número de cilindros. Qualquer um desses fatores, no entanto, tende a aumentar o peso e o tamanho do motor, ou a sua complexidade, caso se aumente o número de cilindros. Deve-se notar que cilindros pequenos são mais eficientes que os grandes.
Motor Pratt & Whitney R4360, de 28 cilindros
Para se aumentar a pressão efetiva média, pode aumentar a pressão de entrada, utilizando-se compressores (blowers) ou turbocompressores. Outra solução é aumentar o número de válvulas, ou o tempo de abertura delas, para admitir mais ar dentro do motor. Essas soluções, no entanto, têm a tendência de reduzir o torque em baixas rotações, e pode tornar a marcha lenta do motor irregular, pela mistura entre gases de escapamento e ar/mistura de admissão.
Por fim, resta o recurso de aumentar a velocidade do motor, solução muito utilizada em motocicletas, por exemplo, mas que é inconveniente para os motores aeronáuticos, por necessitar de uma pesada caixa de redução para acionar a hélice, que tem limitações aerodinâmicas de velocidade.
Dentre as poucas soluções imaginadas para reduzir a perda de potência pelo escapamento, que drena mais de 40 por cento da potência que um motor poderia produzir, estão os "Turbo Compounds". Esses dispositivos consistem em turbinas, acionadas pelos gases do escapamento, que são acopladas ao eixo de manivelas por um conversor de torque hidráulico. Tal dispositivo pode realmente aumentar a potência do motor, sem aumentar o consumo de combustível, recuperando a potência perdida no escapamento.
Motor Wright R3350TC, com um dos Turbo Compound em primeiro plano:
Os Turbo-Compound, quando foram introduzidos nos motores aeronáuticos Wright R3350 TC, causaram muitos problemas, no entanto. Esses motores foram utilizados nos últimos grandes aviões comerciais de motor a pistão, os Lockheed Super Constellation e Douglas DC-7, mas a tecnologia de materiais da época não era adequada ao uso de tais dispositivos, que muitas vezes falhavam catastroficamente, geralmente por superaquecimento. Foram praticamente abandonados, em favor do uso de motores a reação, e só recentemente os Turbo Compound voltaram a ser utilizados, não em motores aeronáuticos, mas sim em motores a diesel de caminhão.
Para demonstrar as perdas de potência em um motor a pistão turbocomprimido, vamos utilizar como exemplo um dos mais eficientes motores já construídos, o Rolls-Royce Merlin da década de 1940. A despeito de ser antigo, tal motor é considerado muito eficiente até mesmo pelos padrões de hoje:
Motor Rolls-Royce Merlin
Energia química do combustível (potência teórica): 5.410 HP;
Perdas:
1) Pelo escapamento: 2.790 HP (51,6%), sendo 2540 HP (47%) perdidos sob a forma de calor e energia mecânica, e 250 HP (4,6%) de energia química desperdiçada por produção de metano e monóxido de carbono pela combustão incompleta;
2) Perdas de calor da queima através do cilindro, absorvidas pelo sistema de refrigeração e pelo óleo, ou perdidas por irradiação direta: 660 HP (17,2%);
3) Potência absorvida pelo supercharger: 60 HP (1,1%);
4) Perdas mecânicas por atrito (reconversão de energia mecânica em térmica), ou para acionamento de acessórios: 300 HP (5,6%);
Potência efetiva, medida no eixo da hélice: 1.600 HP (29,6%)
A potência efetiva, ao se converter em tração, ainda sofre perdas, por atrito, viscosidade do ar e compressibilidade na hélice, equivalentes a cerca de 20 por cento da potência efetiva nas melhores hélices. No nosso exemplo, a potência útil ou tratora equivaleria a 1.280 HP.
Os cálculos acima foram feitos para a gasolina efetivamente queimada, não considerando, portanto, o combustível que entrou no motor e não foi consumido. Quando se usa mistura rica, há grande aumento de consumo, e mesmo com o uso de mistura pobre, uma certa quantidade de gasolina não será queimada.
Mesmo considerando a baixa eficiência dos motores a pistão, esses são bem mais eficientes que os motores a reação. Como os altamente eficientes, mas pesados, motores elétricos ainda não são praticáveis na aviação, exceto para algumas pesquisas experimentais, o motor a pistão ainda é a melhor opção para as aeronaves leves.
Vale dizer que os motores de ciclo Diesel são mais eficientes que os motores ciclo Otto, e devem ser uma boa opção para se equipar a aviação leve, no futuro próximo.
VÍDEOS:
Pistão do motor trabalhando
Veja o processo dentro do cilindro:
Motor 4 tempos - Animação:
Motor a pistão:
Como funciona um motor 4 Tempos:
RESUMO MOTOR 4 TEMPOS
Funcionamento do Motor de Combustão:
O motor de combustão ou de explosão funciona em quatro tempos: entrada da mistura combustível-ar, compressão dessa mistura, explosão e escape dos gases formados.
O motor que normalmente equipa os automóveis é o motor de explosão ou de combustão de quatro tempos. Ele é chamado assim porque seu funcionamento se baseia exatamente em quatro estágios ou tempos diferentes. Veja cada um deles:
1º Estágio: nesse estágio, o pistão do motor move-se para baixo e puxa a mistura de combustível (vapor) e ar atmosférico através da válvula de entrada.
Primeiro tempo do funcionamento do motor a explosão
2º Estágio: depois que a câmara de combustão foi preenchida, a válvula de entrada da mistura de ar e vapor de combustível é fechada e o pistão sobe, comprimindo essa mistura.
Segundo tempo do funcionamento do motor a explosão
É muito importante que o combustível aguente bem essa compressão, não explodindo antes do 3º tempo. Se o combustível explodir prematuramente durante a compressão, diminuirá a potência do motor e produzirá um ruído conhecido como batida de pino (knocking). Gasolinas com maior índice de octanagem são melhores por causa disso: quanto maior o índice de octanagem, mais resistente a gasolina será à compressão sofrida e melhor será o desempenho do motor.
É por isso também que se adicionam antidetonantes à gasolina, como o etanol.
3º Estágio: quando o pistão atinge o ponto máximo, a vela de ignição emite uma faísca elétrica que provoca a explosão, deslocando o pistão para baixo. A energia cinética dos gases em expansão é transmitida para o pistão, que movimenta o eixo do virabrequim, fazendo o carro se movimentar.
Essa parte é muito importante, pois é nela que a energia química (proveniente da combustão) é transformada em energia mecânica (que vai mover o automóvel).
Terceiro tempo do funcionamento do motor a explosão
Uma imagem da faísca produzida pela vela de ignição é mostrada a seguir:
Faísca produzida pela vela de ignição no terceiro tempo
4º Estágio: o pistão sobe novamente e a válvula de exaustão ou de saída é aberta, permitindo que os gases formados na combustão sejam liberados. Quando essa válvula se fecha, a válvula de entrada é aberta e o processo recomeça.
Quarto tempo do funcionamento do motor a explosão
Vídeo/Animação: Funcionamento motor 4 tempos internamente:
CUIDADOS COM O MOTOR A PISTÃO
A ausência de sensores de temperatura na maioria das aeronaves antigas explica a elevada ocorrência de panes
Jorge Filipe Almeida Barros em 28 de Fevereiro de 2012 às 11:04
Original: http://aeromagazine.uol.com.br/artigo/cuidados-com-o-motor-a-pistao_332.html#ixzz3DjOoItrH
As estatísticas de acidentes aeronáuticos do Cenipa (Centro de Investigação e Prevenção de Acidentes Aeronáuticos) apontaram uma alta incidência de falhas de motores em 2011. Todos eram convencionais e equipavam pequenas aeronaves. A opinião geral entre mecânicos é que motores a pistão emitem sinais de panes que estão por vir. Vibrações excessivas, funcionamento áspero, falhas ocasionais e a cor interna dos escapamentos podem significar sintomas de que algo não anda bem.
Isso reforça a ideia de que o operador tem como acompanhar a saúde de um motor: manter-se atento a esses e a outros sinais. Uma maneira simples é abrir e inspecionar o filtro retirado de uma troca de óleo. É fundamental certificar-se de que ele não apresenta limalhas significativas. A origem das limalhas é fácil de entender. Dentro dos motores, as partes mecânicas que se atritam são fabricadas em diversos tipos de metal. Se por algum motivo a fricção entre as partes não for mantida a níveis baixos, os metais começam a se decompor. O tipo de material encontrado no filtro dirá de onde vêm as fagulhas. Isso dará condições para que a oficina eleja qual área do motor será inspecionada meticulosamente.
Motor Lycoming:
Basicamente, são duas as grandes áreas de desgaste. A primeira é o volume interno do bloco. Lá estão o eixo de manivelas e o eixo de comando de válvulas. O eixo de manivelas é girado pelas bielas, que lhe transmitem a força da explosão do combustível, ocorrido nas cabeças dos cilindros. Esse eixo é grande e bastante resistente, mas está apoiado em partes firmes do bloco por meio de pastilhas arredondadas, chamadas bronzinas. Altos níveis de atrito nesses pontos causam desgastes e folgas que, por sua vez, vão gerar vibrações e podem levar a quebra de componentes internos ou travamento do eixo de manivelas. O mesmo pode acontecer com o eixo de comando de válvulas. Instalado na parte mais alta do motor, é ele que aciona hastes metálicas que vão comandar as válvulas de admissão e escapamento das câmeras de combustão dos cilindros do motor. Na medida em que esse eixo se desgasta, suas dimensões se reduzem e as válvulas deixam de ser abertas na amplitude necessária. Então, o volume de combustível a entrar é reduzido e a mistura já queimada tem dificuldades em sair para o escapamento.
O motor começa a perder força em ambos os casos, e deixa de ter o desempenho que o piloto espera. Esses dois eixos foram dimensionados para resistir a aproximadamente 2.000 horas de operação, período chamado de “tempo entre grandes revisões” ou TBO (Time Between Overhaul). Mas a resistência dos eixos pode diminuir se a operação do avião não acontece como o seu fabricante espera.
Já foi comprovado que os resíduos de carbono da combustão interna dos motores aeronáuticos a pistão, combinada com a umidade do ar impregnada no óleo, produzem ácidos. O óleo passa a abrigar, então, ácidos, que passam a corroer as partes internas do motor. Para preveni-los, deve-se manter o óleo livre de umidade. Daí a importância de evitar longos períodos de inatividade. A Lycoming orienta os clientes a voarem pelo menos uma hora por mês e, a Continental, uma hora por semana. Independente do uso da aeronave, o óleo deve ser substituído em, no máximo, quatro meses. É comum que alguns operadores se esqueçam desse período, fazendo a substituição apenas a cada 50 horas. Também são frequentes os casos de aeronaves que por restrições administrativas ou submetidas a grandes serviços de manutenção ficam inativas por longos períodos.
O PRÓPRIO OPERADOR PODE CUMPRIR OS PROCEDIMENTOS, QUE SÃO SIMPLES, COMO CORRIGIR CORRETAMENTE A MISTURA PARA O REGIME DE POTÊNCIA EMPREGADO NA ALTITUDE QUE SE PRETENDA VOAR
O maior desgaste, porém, concentra-se na cabeça dos cilindros. Nessa área, ocorrem as sucessivas explosões que provocam a expansão dos gases e o deslocamento dos pistões. O cilindro de um motor que gira com 2.700 rpm, por exemplo, ao longo de 2.000 horas de operação terá sofrido 162 milhões de explosões internas. Os impactos mecânicos provocam elevado estresse no metal, que se estiver fora da temperatura correta, pode sofrer danos prematuros. É conhecida como CHT (Cilinder Head Temperature) e se refere à temperatura da massa metálica da parte superior do cilindro. Um CHT baixo, ainda que reduza os desgastes, não permite uma grande expansão dos gases e deixa o motor fraco. Por outro lado, a elevada temperatura vai causar danos irreversíveis. A válvula de escape sofre deformação nas superfícies de contato com a sede e perde o assentamento. Isso a impede de reter a mistura de ar com combustível durante a fase de compressão. O motor deixa os gases escaparem antes de serem queimados e as explosões se enfraquecem.
Cabeça do cilindro fraturada por elevada CHT: note os resíduos de carbono
em cor dourada e o local do termômetro de CHT, ausente na época da falha:
em cor dourada e o local do termômetro de CHT, ausente na época da falha:
Corrosão interna do cilindro causada por longa inatividade:
Danos também podem ocorrer à haste da válvula. Se fraturada, libera fragmentos que causam impacto direto no pistão. O CHT elevado também danifica anéis de segmento e plugues metálicos e pode deformar as superfícies internas do cilindro. Tais danos podem ser identificados com um simples exame de boroscópio. O aparelho é composto de uma minúscula câmera de alta definição, instalada na ponta de uma haste flexível e introduzida na cabeça do cilindro pelo orifício de instalação das velas de ignição. As imagens internas são vistas em um monitor ao lado. Esse exame é muito pertinente àqueles que pretendem adquirir uma aeronave usada.
Para o operador de qualquer aeronave movida a pistão, é fundamental se assegurar que o piloto saiba e cumpra os procedimentos para evitar o CHT elevado. São procedimentos simples, como corrigir corretamente a mistura para o regime de potência empregado na altitude que se pretenda voar. Os manuais de operação trazem explicações simples de como o fazer. No entanto, em sua maioria estão escritos em inglês e, para algumas aeronaves, os procedimentos corretos fazem elevar a carga de trabalho do piloto. Este, por sua vez, só pode monitorar o CHT se a aeronave possuir sensores de temperatura. Mas a maior parte delas não tem. Isso explica a grande ocorrência de panes em motores de aeronaves antigas.
O conhecimento do funcionamento e de técnicas de operação de motores aeronáuticos deve ser do interesse de qualquer pessoa envolvida com a operação aérea. Antes de tudo, é um bom investimento na obtenção de produtividade e segurança
Material muito útil!!!
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