TEORIA DO MOTOR CONVENCIONAL

Teoria Geral do Motor

1.          INTRODUÇÃO

Este trabalho é fruto da experiência adquirida durante os últimos 8 (oito) anos de docência da presente matéria na Escola de Aperfeiçoamento e Preparação da Aeronáutica Civil – EAPAC, onde já foram ministradas, pelo autor, cerca de 8.000 horas/aula em diversas disciplinas, sendo 6.000 horas/aula relativas à disciplina de motor convencional aeronáutico. Desta feita, a presente obra reproduz tudo aquilo que é ministrado em sala de aula, da maneira que entendemos ser a mais simples possível. E, por ser fruto de experiências adquiridas no dia-a-dia, sempre procuramos nos antecipar e responder as perguntas que mais freqüentemente são feitas durante o decorrer das 360 horas-aula que correspondem ao curso completo de Motor Convencional Aeronáutico.

Assim, uma das primeiras perguntas que surge é “o porquê de se estudar motores convencionais na atual fase aeronáutica?” A resposta, embora tenha várias vertentes, é muito simples: os alunos sempre pensam nos grandes centros, nas grandes empresas e em aeronaves modernas, porém, esquecem-se que a aviação não se restringe a estes; ademais, é bom mencionarmos a aviação de competição na qual encontramos uma gama imensa de aeronaves que utilizam motores convencionais aeronáuticos; por fim, é importante sabermos que para se alcançar o último degrau de uma escada, é preciso vencer, primeiramente, os primeiros, isto é, como entender, por exemplo, o funcionamento de uma injeção direta de combustível ou mesmo uma injeção eletrônica de combustível, sem que antes conheçamos um carburador e seus princípios de funcionamento?

Muitos alunos, também, afirmam ser a compreensão do motor convencional mais difícil do que a do motor à reação. Puro engano, pois, a diferença não está na dificuldade, mas, na maior ou menor complexidade. Assim, entendemos que o motor convencional é mais complexo no que diz respeito ao seu funcionamento, porém, menos complexo no que se refere às suas peças e componentes. Assim, na realidade há equilíbrio!

Por fim, pretendemos dividir a matéria para fins, meramente, didáticos em: teoria geral do motor, onde estudaremos definições, classificações e funcionamento dos motores convencionais; principais componentes do motor, onde de uma maneira rápida e objetiva procuraremos nomear e apresentar, para fins de familiarização, cada um destes; sistema de lubrificação; sistema de admissão; sistema de ignição; e, por fim, as demais considerações e sistemas que consideramos importantes para a compreensão do funcionamento e operação do motor convencional.

Frise-se ainda que o presente trabalho é ideal para todos aqueles que desejam adquirir conhecimentos básicos sobre motores convencionais aeronáuticos e, sobretudo, àqueles que planejam realizar exame para a Agência Nacional de Aviação Civil – ANAC, haja vista, nele encontrarmos o programa exigido, no que diz respeito à matéria de motores convencionais, aos exames para o Grupo Moto-propulsor; logo, sendo suficiente para quaisquer outros que também exijam tal matéria.

Por fim, como nossa pretensão é apenas apresentarmos conhecimentos básicos, não nos ateremos a nenhum motor específico, sendo os valores, limites ou regulagens, porventura aqui apresentados meramente exemplificativos. Entretanto, para nos mantermos fiéis aos nossos objetivos, ainda que exemplificativos, serão sempre os mesmos com os quais temos nos deparado nas mais diversas provas e exames.

2.          FORÇAS QUE ATUAM EM UMA AERONAVE

Em uma aeronave atuam 4 forças, a saber: tração (empuxo), arrasto, sustentação e peso.

Ora, assim para que uma aeronave empreenda o seu vôo é necessário que a sustentação supere o peso, de modo tal que se a sustentação for maior, a aeronave sobe; se for menor, a aeronave desce; e, ser forem iguais a aeronave empreenderá vôo nivelado.

Mas, como se dá a sustentação? Isto é fácil, pois a sustentação de uma aeronave se dá de 2 maneiras que se complementam, ou seja, cerca de 30% da sustentação é resultado do vento relativo que incide na “cambra inferior”[1] do aerofólio[2]  de modo que a pressão (dinâmica) aumenta nesta região para  empurrá-lo para cima. Isto é resultado da aplicação prática da “3ª Lei de Newton”[3]. Os outros 70% são o resultado da aplicação prática do “Princípio de Bernoulli”[4] na “cambra superior”[5], ou seja, o vento relativo ao fluir sobre a superfície da cambra superior do aerofólio faz com que a pressão (estática) na região diminua e, conseqüentemente, puxa o aerofólio para cima. Isto pode ser facilmente compreendido com o auxílio de uma simples folha de papel: pegue-a em suas mãos e assopre na parte inferior e ela subirá; agora, coloque a mesma folha na altura de sua boca e assopre novamente, mas, em sua parte superior. A folha também subirá.

Entretanto, tudo isto só acontece se o vento fluir pelo aerofólio, ou seja, é necessário que tenhamos o chamado vento relativo. Tal vento é conseguido através da movimentação da aeronave, por isso é chamado de relativo, ou seja, é relativo ao deslocamento da aeronave.

Assim, para que o aerofólio adquira a sustentação necessária ao vôo da aeronave é necessário que aquele esteja se deslocando e isto é função do conjunto motor (e hélice) que gera a tração (empuxo) necessária à produção da movimentação da aeronave e, consequentemente, cria o vento relativo.

Assim, o motor aeronáutico, seja convencional ou à reação, é o mecanismo responsável pela produção da energia mecânica necessária para tirar a aeronave de sua inércia; produzir força capaz de vencer a resistência ao avanço; e, gerar velocidade suficientemente elevada para a “produção” da quantidade necessária de vento relativo, de modo que se produza sustentação capaz de vencer o peso da aeronave. 

3.          TEORIA GERAL DO MOTOR

Aqui nos preocuparemos com o estudo dos principais conceitos que envolvem o entendimento do que venha a ser um motor; em diferenciar motor convencional do motor à reação; e, com a classificação do motor convencional quanto: à refrigeração, à sua forma ou posicionamento do cilindro e quanto ao ciclo operacional.

3.1.     MOTOR

Muito embora, no decorrer deste trabalho, bem como na vida prática, sempre usarmos a palavra “motor” em seu sentido mais genérico, é importante compreendermos que motor é, tão somente, “qualquer dispositivo do qual obtemos energia mecânica”. Assim, “motor”, “motor convencional”, “motor térmico”, “motor à combustão interna ou externa”, “motor elétrico”, por exemplo, possuem conceitos totalmente diferenciados. Ou seja, “motor é qualquer dispositivo, que transforma qualquer tipo de energia em energia mecânica”. Em outras palavras: a única certeza que temos é que de um “motor” obteremos sempre energia mecânica! Porém, para sabermos qual o tipo de motor é necessário que tenhamos outras informações, como por exemplo, a sua energia originária, isto é, precisamos saber o que vai ser efetivamente transformado em energia mecânica.

3.2.     TIPOS DE MOTOR

Em razão do exposto anteriormente e, a fim de facilitarmos o entendimento, apresentaremos alguns exemplos de motores, logo: 

1. Motor pneumático – é aquele que transforma a energia do ar-comprimido em energia mecânica.

2. Motor hidráulico – é aquele que transforma a energia dos líquidos em energia mecânica.

3. Motor elétrico[6] – é aquele que transforma a energia elétrica em energia mecânica.

4. Motor térmico - é aquele que transforma a energia térmica em energia mecânica; ou ainda, como preferem alguns autores, “é qualquer dispositivo que transforma a energia calorífica contida no combustível[7] em energia mecânica”.

       Não se esqueça que os combustíveis podem ser classificados em: sólidos, líquidos e gasosos.

3.3.     EVOLUÇÃO HISTÓRICA DOS MOTORES TÉRMICOS

Um motor térmico é um dispositivo que transforma a energia térmica, isto é, a energia calorífica contida no combustível em energia mecânica. A partir deste princípio o primeiro motor térmico de que temos conhecimento foi construído por volta do ano 250 AC, por Heron de Alexandria. Tal máquina foi chamada de Eolipila e não tinha nenhuma aplicação prática conhecida. Nas palavras de Acyr Costa Schiavo pode assim ser descrita: “consistia de uma esfera metálica oca tendo dois tubos diametralmente opostos dobrados em ângulo reto. No interior da esfera era fervida uma certa quantidade de água. O vapor saindo pelos tubos fazia a esfera mover-se por meio do princípio de ação e de reação[8]”.

Até início de 1800 o calor era considerado um fluido chamado calórico.

· 1783: LAPLACE e LAVOISIER introduziram o conceito de calor especifico;

· 1842: MAYER e POISSON calcularam a equivalência do trabalho em calor e definiram a equação do gás ideal;

· 1847: 1ª Lei da Termodinâmica: “todas as formas de energia são mutuamente conversíveis e, a energia de um sistema fechado e isolado permanece constante”;

· 1865: 2ª Lei da Termodinâmica: “a fonte de calor superior fornece calor ao meio em busca do equilíbrio”. É o clássico exemplo do equilíbrio de temperatura entre corpos que estejam em contato com temperaturas diferentes;

· 1652: Padre HAUTEFOILLE propõe a construção de um motor aproveitando a força expansiva dos gases provenientes da combustão da pólvora num cilindro fechado;

· 1821: W. CECIL desenvolveu um motor que funcionava com mistura de ar e hidrogênio, que foi realmente o primeiro motor a funcionar com sucesso;

· 1878: NICOLAS OTTO, alemão, caixeiro viajante e sócio de uma fabrica de motores a gás, é o inventor do motor de combustão por centelha;

· 1893: RUDOLF DIESEL, alemão, engenheiro, é o inventor do motor de combustão por compressão.

3.4.     CLASSIFICAÇÃO DOS MOTORES TÉRMICOS QUANTO AO TIPO DE COMBUSTÃO

Aqui o que se leva em consideração é o local onde a energia térmica será liberada e o local onde haverá a transformação desta em energia mecânica. Note, entretanto, que em qualquer dos casos estamos tratando, como daqui para frente, de motores térmicos. Assim, o motor térmico pode ser de:

1.                   Combustão externa – é aquele em que a queima (liberação da energia térmica) é realizada externamente ao local destinado à obtenção da energia mecânica. O melhor exemplo é a locomotiva, onde há um local externo e específico para a queima do combustível sólido (liberação da energia térmica, obtida do carvão) e outro onde esta energia é transformada em mecânica (pistão). Ou seja, o movimento do pistão, juntamente com a biela, ocorrem em razão da força dos vapores, sob pressão, gerados por uma caldeira.

2.                   Combustão interna – é aquele em que tanto a queima (liberação da energia térmica) e a obtenção da energia mecânica se dão, internamente, em um lugar chamado de câmara de combustão. São exemplos de motores térmicos de combustão interna: motor a reação e motor convencional.

De qualquer forma, a energia calorífica é liberada, SEMPRE, em um ponto do ciclo onde a pressão é alta em relação à pressão atmosférica. Isto para que a expansão dos gases seja mais eficiente (para que haja uma maior liberação de energia).

Isto pode ser facilmente compreendido através de um simples exemplo: separamos 2 (duas) pequenas porções idênticas de pólvora; uma delas é colocada em um recipiente aberto e a segunda em um recipiente fechado e sob pressão. Ao ateamos fogo em ambas as porções perceberemos que a primeira, simplesmente, queimará; enquanto, a segunda provocará uma explosão. Logo, mais pressão corresponde a uma maior liberação de energia térmica.

3.5.     MOTOR TÉRMICO ADEQUADO

Refere-se à escolha do tipo de motor que seja mais adequado ao tipo de operação da aeronave, por exemplo: motores à reação são apropriados para aeronaves que voem a grandes altitudes, dentre eles o jato alcança maiores altitudes em ralação ao turbohélice; motores convencionais são empregados em aeronaves que voam em menores altitudes e de menor porte. Assim, para que se saiba qual o motor térmico a ser utilizado em dada aeronave é preciso saber, dentre outras coisas: velocidade a ser desenvolvida; nível de vôo a se alcançado; potência a ser produzida; tamanho e peso da aeronave, etc.               

3.6.     MOTOR CONVENCIONAL

Este nome é utilizado em sentido genérico, porém, entendemos que o nome mais adequado seria motor alternativo, haja vista, o movimento alternado-linear do pistão. Alternado porque inverte constantemente seu movimento e linear porque este movimento sempre está limitado ao mesmo percurso linear (mesma distância sempre).

O nome “motor convencional” seria mais adequado àqueles tipos de motores, cuja fabricação se deu de maneira mais constante. Por exemplo: os motores em linha, oposto, radial e “V” são normalmente mais utilizados do que outros, razão pela qual deveriam ser chamados de convencionais; enquanto outros, tais qual o “W” (não mais usado) deveria ser chamado de alternativo. Sendo assim, poderíamos dizer que motor alternativo é gênero e motor convencional é espécie. Porém, tal distinção não possuí função prática alguma, razão pela qual ambas as expressões são, normalmente, utilizadas como sinônimas, sem maiores problemas.

O motor alternativo ou convencional é também conhecido como motor à reação indireta, em contraste com o motor à reação, que é chamado, também, de reação direta.

Por tudo o que foi visto, podemos definir motor alternativo ou convencional como sendo um motor térmico, de combustão interna, que necessita de um mecanismo intermediário para a obtenção da força propulsora, ou seja, necessita de uma hélice. Esta é uma das diferenças entre este e os motores a reação. Tal motor é chamado também de “motor à explosão”, haja vista, a utilização de combustível leve para a liberação da energia térmica, o que provoca uma queima semelhante a uma explosão.

A queima, então, se dá no interior de um cilindro, após a mistura de ar (oxigênio) e combustível (gasolina) ser comprimida por um pistão, sendo a energia liberada em um local interno ao cilindro chamado de câmara de combustão.

3.7.     DIFERENÇA ENTRE MOTOR CONVENCIONAL E MOTOR À REAÇÃO

O que diferencia um motor convencional de um motor à reação é a presença, no motor convencional, de um mecanismo (dispositivo) intermediário para a obtenção de propulsão, isto é, a HELICE.

Note que sem uma hélice, o motor convencional aeronáutico, não é capaz de desempenhar sua função que é tracionar a aeronave. Por outro lado, o motor à reação não depende da mesma.

Quando afirmamos isto em sala de aula, a primeira pergunta que se faz é sobre os motores turbohélice. Lembre-se que um motor turbohélice é um tipo de motor à reação, logo, seu escapamento é capaz de produzir empuxo. Tal empuxo, via de regra é desprezível, pois, gira em torno de 10% da potência produzida pelo motor, porém, note que, mesmo sendo desprezível ela existe; enquanto, não há de se falar em empuxo sendo produzido pelo escapamento do motor convencional, de modo tal que ele depende única e exclusivamente de sua hélice. Fique claro, entretanto, que o empuxo gerado pelo escapamento de um motor turbohélice é incapaz de fazer voar, ou mesmo deslocar, uma aeronave.

3.8.     HÉLICE – VISÃO GERAL

O corte na lamina da hélice ilustra  um aerofólio bem definido. Uma das superfícies da hélice é curva enquanto a outra é reta, tal qual uma asa.

Uma hélice de passo fixo é conectada diretamente ao eixo de manivelas. O motor gira o eixo de manivela que por sua vez gira a hélice, convertendo assim uma energia rotativa em tração. A hélice é a mais perigosa parte de uma aeronave, o que merece cuidado a todo momento. Hélices com velocidade constante evitam variação de RPM com alta pressão no indicador de pressão (manifold pressure).

Já as hélices de passo variável possuem um pistão hidráulico no centro da hélice que conecta cada lâmina por intermédio de uma biela (haste). Essas bielas estão ligadas nos garfos conforme item 1. O óleo com alta pressão entra neste cilindro vindo do governador pelo centro da hélice conforme item 2.  A pressão do óleo movimenta o pistão para diante e para trás no cilindro, movimentando a biela e garfos adiante conforme item 3. Os garfos empurram a mudança de passo de cada lamina para trás no centro, fazendo as hélices  movimentarem-se para uma posição de grande angulo.

3.9.     PRINCIPAIS PARTES DO MOTOR CONVENCIONAL – VISÃO GERAL

Ainda que de maneira bastante superficial, entendemos ser adequada uma visão geral sobre as principais partes constitutivas do motor. Tal estudo inicial justifica-se em razão de que, daqui para frente, sempre mencionaremos nomes de componentes do motor.

Note, entretanto, que as informações a cerca de cada componente, neste momento, serão dadas de maneira que o leitor possa, ao menos, identificá-lo, sem a preocupação de entendermos suas particularidades.

1. Cárter - é a estrutura propriamente dita do motor. É a carcaça do motor.

2. Cilindro - é o local onde é desenvolvida a potência do motor. Externamente encontramos as alhetas de refrigeração. Internamente, encontramos os pistões.

3. Pistão - é o componente responsável pela transformação da energia térmica em movimento alternado-linear (energia mecânica). Ele gera também sucção, compressão, além de expulsar os gases queimados do interior do cilindro. É também chamado de êmbolo.

4. Anéis de segmento - são anéis circulares instalados em volta do pistão, a fim de assegurar a compressão da mistura ar-combustível, evitar fuga de compressão, bem como lubrificar a parede interna do cilindro.

5. Pino do pistão- é um simples pino que prende o pistão à biela, mais precisamente ao “pé” da biela.

6. Biela - é um elo que liga o pistão ao eixo de manivelas. Podemos dizer que ela transfere a energia mecânica do pistão ao eixo de manivelas.

7. Eixo de manivelas - transforma o movimento alternado-linear do pistão em movimento circular para transmiti-lo a hélice. Há somente 1 eixo de manivelas por motor.

8. Mancais - são superfícies utilizadas com a finalidade de impedir o desgaste das peças principais, devido à fricção (atrito) entre metais.

9. Mecanismo de comando ou de operação de válvulas - são responsáveis pela abertura das válvulas (admissão e escapamento) no momento correto, além de permitir o seu fechamento. É composto por: eixo de ressaltos (anel ou platô nos motores radiais); tuchos; hastes; balancins; molas; conjunto retentor e válvulas.   

a. Eixo de ressaltos - contém os ressaltos sobre os quais se apóiam os tuchos.

Tais ressaltos vão permitir a abertura das válvulas no momento correto.

b. Tucho- transforma o movimento circular do eixo de ressaltos em movimentos alternados.

c. Haste impulsora - permite que o movimento do tucho seja transmitido ao balancim.

d. Envelope - é um invólucro (capa) colocado em volta das hastes impulsoras. Além de protegê-las, permite o retorno do óleo por gravidade ao cárter.

e. Balancim - inverte o movimento do tucho permitindo, assim, a abertura da válvula. Funciona como uma gangorra. Nele encontramos o parafuso de regulagem do claro de válvula.

f.  Molas - mantêm as válvulas presas em seus lugares, além de serem responsáveis pelo fechamento das mesmas. São pelo menos 2, por segurança.

g. Travas - mantêm as molas e válvulas presas.

h. Válvulas - permitem a entrada da mistura ar-combustível no cilindro (admissão), bem como a saída dos gases queimados (escapamento).

3.10.  PARTICULARIDADES DOS MOTORES CONVENCIONAIS

1.                   Principal método de compressão – refere-se à maneira como a mistura ar-combustível é comprimida, a fim de tornar a liberação de energia calorífica mais efetiva (explosão). Em motores convencionais o principal método de compressão é a PISTÃO.

Mas, por que principal? Há 2 razões óbvias. A primeira é utilizada em contraste com os motores a reação, pois, neles o principal método de compressão é o compressor. A segunda refere-se ao fato que os motores convencionais podem ser superalimentados, ou seja, podem possuir um compressor, seja interno, como no caso de motores radiais, ou externo, como no caso de motores que utilizam turbo-compressores. Ambos são tidos como métodos de compressão secundários. Mesmo sem a compressão gerada pelos mesmos, os motores funcionam perfeitamente, porém, não há como funcionarem sem a compressão gerada pelos pistões.

2.                   Fluído de trabalho – refere-se ao tipo de fluído responsável pela armazenagem da energia calorífica potencial que deve ser transformada em energia mecânica. Note que para que ocorra a queima é necessário calor, combustível e comburente. O calor é fornecido pela centelha liberada pela vela; o combustível em motores convencionais, em regra quase que absoluta, é a gasolina[9]; e, o comburente é o oxigênio existente na própria atmosfera. Assim, o fluído de trabalho de um motor convencional é a MISTURA AR-COMBUSTÍVEL.

3.                   Fluído de trabalho de propulsão – é o fluído responsável pela propulsão. Observe que a propulsão de um motor convencional se dá através da hélice, mas, esta não funcionaria, por exemplo, no vácuo, haja vista, necessitar do ar. Assim, o fluído de trabalho de propulsão de um motor convencional é o AR AMBIENTE (atmosfera terrestre).

3.11.  CARACTERÍSTICA DO MOTOR

Algumas característica de um motor, qualquer que seja, devem ser estudadas e entendidas, pois, são fundamentais para a compreensão dos fatores que conduzem à escolha ou fabricação de um motor.

1.                   Leveza - é a principal característica de um motor. Corresponde à razão da massa(m) pela potência (P), ou seja:

Ora, o que se busca de um motor com a leveza é que seja capaz de produzir o máximo potência em relação à sua própria massa que deve ser a menor