Motor de combustão interna

Um motor de combustão interna queima o combustível dentro de um cilindro fechado; o gás quente empurra um êmbolo que faz girar uma cambota. O motor a gás de quatro tempos de Nicolaus Otto, de 1876, fixou o esquema que a maioria dos motores de automóveis, barcos e geradores ainda segue.

O que é

Um motor de combustão interna produz o calor dentro da própria máquina. A máquina a vapor queima o combustível debaixo de uma caldeira separada e envia o vapor para o cilindro. Aqui, uma pequena carga de ar e combustível arde no cilindro, e o gás produzido empurra diretamente um êmbolo.

O motor desta prancha é um monocilíndrico vertical, como os que se construíam nas décadas de 1880 e 1890: um cilindro de ferro fundido com alhetas de arrefecimento, um êmbolo que desliza no seu interior, uma cambota por baixo e um volante pesado que mantém o veio a rodar entre duas combustões. Os motores de automóvel atuais têm vários cilindros e ligas mais leves, mas continuam a transformar o impulso sobre um êmbolo em rotação por meio de uma biela e de uma cambota.

Como funciona

O êmbolo é uma espécie de tampão bem ajustado que sobe e desce no cilindro. Uma biela liga-o a um moente da cambota, e assim o vaivém do êmbolo transforma-se em rotação, tal como os joelhos de um ciclista fazem girar os pedais.

Anéis elásticos alojados em ranhuras à volta do êmbolo vedam-no contra a parede do cilindro.

A maioria dos motores segue o ciclo de quatro tempos que Otto tornou prático. Num motor de ignição por faísca como o desenhado aqui, decorre assim. No primeiro tempo, o êmbolo desce com a válvula de admissão aberta e aspira uma mistura de ar e combustível. No segundo, as duas válvulas estão fechadas e o êmbolo sobe, comprimindo a mistura num pequeno espaço no topo do cilindro. Perto do ponto mais alto, uma faísca inflama-a (nos primeiros motores era uma chama ou um tubo incandescente). O gás aquece muito depressa e empurra o êmbolo para baixo: este terceiro tempo é o único que produz trabalho. No quarto, abre-se a válvula de escape e o êmbolo, ao subir, expulsa os gases queimados.

A cambota dá duas voltas por cada tempo motor, e o volante armazena energia suficiente para atravessar os outros três. Uma árvore de cames, que roda a metade da velocidade da cambota, abre cada válvula no momento certo.

Foi a compressão que deu vantagem ao motor de Otto. Uma mistura comprimida antes de arder liberta o seu calor a uma pressão mais alta, e uma parte maior desse calor transforma-se em trabalho. Na década de 1890, Rudolf Diesel levou a ideia mais longe: comprimia apenas ar até este ficar quente o bastante para inflamar o combustível nele injetado, sem qualquer faísca.

Como construir

Um motor que funcione é trabalho de precisão. São precisos uma fundição, um torno e uma mandriladora, instrumentos de medida ao centésimo de milímetro e um combustível fiável. O que se segue descreve como as peças eram fabricadas historicamente; não é um plano de construção.

Fundir o cilindro e a base. Os primeiros fabricantes fundiam o cilindro e a base em ferro fundido cinzento, fácil de maquinar e resistente ao desgaste. Depois, o cilindro era mandrilado perfeitamente redondo e direito. A camisa de água ou as alhetas faziam parte da mesma peça.

Fazer o êmbolo e os segmentos. O êmbolo, de ferro fundido e mais tarde de alumínio, era torneado um pouco mais pequeno do que o diâmetro do cilindro. Anéis abertos de ferro elástico ficam em ranhuras à sua volta e fazem pressão para fora contra a parede, para que o gás não passe.

Forjar a cambota e a biela. São as peças mais esforçadas. Forjavam-se em aço, eram depois torneadas e montadas em chumaceiras de bronze ou metal branco.

Afinar a distribuição e a ignição. As cames e, mais tarde, o magneto ou a bobina que produz a faísca têm de atuar no ponto certo do ciclo. Um erro faz o motor trabalhar mal ou dar um contragolpe.

Alimentar e arrefecer. Os motores de Otto funcionavam a gás de iluminação. Os motores a gasolina precisaram de um carburador para misturar ar e combustível na proporção certa. Qualquer motor precisa de arrefecimento a água ou a ar, e de óleo para que as peças móveis não gripem.

Segurança. O combustível e os seus vapores inflamam-se facilmente e podem explodir num espaço fechado. Os gases de escape contêm monóxido de carbono, que mata sem cheiro nem aviso: nunca ponha um motor a trabalhar no interior nem num espaço parcialmente fechado, mesmo com portas e janelas abertas. O volante, as correias e a manivela de arranque podem partir ossos, e um contragolpe ao arrancar à mão pode causar lesões graves. As peças quentes e a água de arrefecimento sob pressão provocam queimaduras.

História e evolução

Motores a gás fixos como este acionavam as máquinas das oficinas antes de os veículos a motor se generalizarem.

Havia dois séculos que se tentava mover um êmbolo com uma explosão. Christiaan Huygens fez experiências com pólvora na década de 1670, e em 1807 o suíço François Isaac de Rivaz patenteou um motor a hidrogénio, que mais tarde montou numa pequena carroça. O primeiro motor vendido em quantidade foi o motor a gás de Étienne Lenoir, de 1860. Parecia uma máquina a vapor de duplo efeito, mas queimava a mistura sem a comprimir e desperdiçava a maior parte do combustível.

Nicolaus Otto, caixeiro-viajante de Colónia, encomendou em 1861 a um mecânico local, Michael Zons, um motor segundo o modelo de Lenoir, para o estudar. Com o engenheiro Eugen Langen construiu um motor «atmosférico» que ganhou uma medalha de ouro na Exposição Universal de Paris de 1867; foram construídos vários milhares. Em 1876 Otto construiu o seu motor de quatro tempos com compressão. O francês Alphonse Beau de Rochas tinha descrito o mesmo ciclo num folheto de 1862 e, por esse motivo, a patente alemã de Otto foi anulada em 1886, deixando outras empresas livres para fabricar o motor.

O carro de Benz tinha um monocilíndrico de quatro tempos com menos de um litro.

Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybach, que tinham ambos trabalhado na empresa de Otto, construíram em 1885 um motor pequeno e rápido que girava a várias centenas de rotações por minuto. Os motores ficaram assim leves o bastante para um veículo. No mesmo ano, Carl Benz concluiu o seu automóvel de três rodas e pediu a patente em janeiro de 1886.

Em 1897, em Augsburgo, o motor de Diesel atingiu num ensaio um rendimento de 26,2 %, mais do dobro das máquinas a vapor da época. No século XX, os motores de combustão interna dominaram o transporte rodoviário, a agricultura, a navegação e os primeiros aviões. Os motores elétricos estão a substituí-los em muitos automóveis, mas a maioria dos motores de combustão construídos hoje ainda segue a sequência de quatro tempos que Otto pôs a funcionar em 1876.