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Este motor com cabeçote transparente é a aula de mecânica mais bonita que você vai ter

Há alguns dias, um vídeo bem interessante tem circulado pelas redes sociais, mostrando um motor monocilíndrico com cabeçote transparente em pleno funcionamento. E mais: o vídeo foi capturado usando uma câmera capaz de registrar imagens em até 4.000 quadros por segundo, permitindo que a gente observe todo o processo em ultra slow motion – 150 vezes mais lento do que o normal.

O resultado estético é mesmo impressionante – ver em detalhes o combustível sendo admitido para dentro da câmara, explodir e se transformar em gases que saem pelo sistema de escape é mesmo incrível. Mas, mais do que isto, o vídeo tem muito valor didático: ele mostra os quatro tempos do ciclo de combustão e outros conceitos que são mais difíceis de se compreender observando diagramas estáticos ou lendo explicações, por mais detalhadas que sejam.

Vamos conferir juntos e, depois, partimos para as explicações.

Trata-se de um motor monocilíndrico da Briggs & Straton, empresa especializada em motores a combustão de baixo deslocamento, para atuar como geradores ou mover cortadores de grama e outros equipamentos. A peculiaridade que tornou possível este vídeo é o fato de ser um flathead – ou seja: as válvulas ficam na lateral do bloco, ao lado dos cilindros. No vídeo o apresentador o chama de L-head que é um outro nome para esse tipo de motor, derivado de sua arquitetura: o formato do cilindro e da câmara de combustão formam uma letra “L” de cabeça para baixo.

FlatHeadLHead

Com isto, em vez de abrigar o trem de válvulas, o cabeçote é, em essência, uma tampa na qual ficam a câmara de combustão e o assentamento da vela. Foi isto que tornou possível a substituição do cabeçote por uma placa espessa de acrílico, que nos deixa ver toda a ação que acontece dentro do motor.

A primeira coisa que vale a pena observar são os quatro tempos (ou fases, o estágios) deste ciclo de combustão – o Ciclo Otto. 4-Stroke-EnginePrimeiro vem o ciclo de admissão, no qual a válvula de admissão se abre e deixa que a mistura ar-combustível entre na câmara. Neste ciclo, o pistão desce para comportar a mistura, e é possível ver isto acontecendo entre 1:36 e 1:40 do vídeo.

A fase de compressão acontece logo em seguida: pistão sobe (1:41 a 1:42), comprimindo a mistura (e nisso o virabrequim dá sua primeira volta completa. Logo em seguida, a centelha é disparada pela vela e a mistura comprimida entra em combustão (1:42 a 1:45), empurrando o pistão para baixo novamente. Nesta hora é que o espetáculo visual acontece, de fato – é possível ver as chamas se alastrando ao longo de toda a câmara e desaparecendo à medida em que só vão ficando os gases queimados.

explosao gasosa

Nesta parte, repare também como a centelha de ignição é disparada pelo distribuidor pouco antes do PMS (ponto morto superior, o ponto mais alto que o pistão atinge quando sobe). É isso o que chamamos de “avanço de ponto”: quantos graus do virabrequim a ignição está “avançada” em relação ao PMS. Este avanço é necessário para obter maior eficiência devido ao tempo de queima da mistura ar-combustível, como é possível conferir em ultra slow motion. Diferentemente de uma explosão, que libera energia de forma quase instantânea, a combustão tem uma queima progressiva. Se a centelha fosse disparada no instante que o pistão chega ao PMS, quando a combustão estivesse completa o pistão já estaria descendo.

Note na captura de tela abaixo que o pistão ainda não chegou ao seu PMS quando a centelha é disparada…

igniççai

… e que, quando ele finalmente chega ao PMS (aqui ficando alinhado com o topo do bloco), a mistura já está inflamada:

pms

Depois da combustão/expansão ocorre a fase da exaustão: o virabrequim completa sua segunda volta e o pistão sobe novamente, desta vez expulsando pela válvula de escape os gases queimados (de 1:46 a 1:48). Então, começa tudo outra vez.

Nessa fase é possível observar melhor o avanço do ponto de ignição, quando centelha é disparada sem ar-combustível na câmara e não há fogo encobrindo o pistão. Se você está se perguntando a razão de uma centelha na fase de exaustão, é porque este motor usa um sistema de “centelha perdida”, que é uma ignição sincronizada pelo virabrequim e mais simples de sincronizar. Em motores com controle eletrônico de ignição, é possível controlar a centelha com muito mais precisão – permitindo, por exemplo, uma sequência de duas centelhas em tempo curtíssimo, o que otimiza a queima do combustível.

No vídeo também podemos ver como o combustível é admitido pelo motor. Nos carburados ou motores com injeção indireta (monoponto ou multiponto), o combustível é despejado no coletor de admissão ou antes da borboleta. Quem “puxa” a mistura para dentro da câmara, além da gravidade, é o vácuo gerado pela descida do pistão na fase de admissão. É exatamente o mesmo princípio do enchimento de uma seringa.

alcool

Em um segundo teste o motor também é abastecido com álcool 91%, cuja combustão em câmera lenta e mostrada a partir do minuto 2:40. Na verdade, é bem difícil ver qualquer combustão pois o apresentador do vídeo acrescentou um grande volume de álcool, enriquecendo a mistura. É isso o que se chama popularmente de “afogar o motor”: há tanto combustível e tão pouco comburente (ar) que a combustão não acontece.

É por isso também que os carros movidos a etanol liberam o combustível pelo escape na fase fria do motor: o sistema de injeção eletrônica enriquece a mistura devido à baixa vaporização em temperaturas baixas e o combustível não queimado sai pela válvula de escape exatamente como no vídeo.

Além disso, a experiência com álcool exibe também uma situação de “calço hidráulico”, que é quando os cilindros são preenchidos por algum fluido líquido e o pistão o comprime. O problema é que líquidos não se comprimem (são fluidos incompressíveis), e por isso formam uma resistência ao movimento do conjunto virabrequim-biela-pistão. Na maioria dos casos você termina com uma biela quebrada, mas aqui é essa situação que trinca a tampa de acrílico. No final, o motor fica parecendo o interior de uma máquina de lavar.

acetileno

Por fim, o motor é alimentado com acetileno – um combustível bastante volátil que costuma ser usado em lâmpadas e lampiões a gás, e é muito comum para soldagem. Sua queima produz uma chama mais intensa, e também muito mais fuligem — como se vê saindo pela porta de escape. A fuligem é causada pela mistura igualmente rica (o motor está sem carburador) e exibe duas situações: uma excelente visualização do fluxo do fluxo dos gases de escape na fase de exaustão (a partir de 5:00) e também como acontece a tal carbonização do motor. Parte da carbonização é formada por estas partículas de fuligem quando impregnadas nas partes internas do motor.

Fascinante, não?

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