Um guia animado de um motor de quatro cilindros em linha: o ciclo de quatro tempos, a cambota a 180° e a ordem de ignição 1-3-4-2, dois tempos vs quatro tempos, as disposições dos cilindros (em linha / V / boxer), gasolina vs diesel, e onde ficam os anéis de pistão e o que fazem.
Abra o capô e cada som do motor a trabalhar é, na verdade, milhares e milhares de "batimentos cardíacos" repetidos com precisão. Um motor de quatro cilindros ao ralenti completa cerca de 400 ciclos completos por minuto—seis vezes mais depressa do que um batimento cardíaco humano—e cada um deles tem de selar uma explosão de mais de 50 bar de pressão.
A grande maioria dos motores automóveis são motores de "quatro tempos": o pistão faz duas viagens completas de subida e descida dentro do cilindro (a cambota dá duas voltas, num total de 720°) para completar um débito de potência. Os quatro tempos, por ordem, são:
① Admissão—o pistão desce, a válvula de admissão abre e ar fresco (ou mistura ar-combustível) é aspirado para o cilindro; ② Compressão—as válvulas fecham completamente e o pistão sobe, comprimindo o gás até alta temperatura e alta pressão; ③ Explosão—a mistura é inflamada e explode, e o gás de alta pressão impele o pistão para baixo; este é o único tempo que realmente produz "trabalho"; ④ Escape—a válvula de escape abre e o pistão sobe para expulsar o gás queimado. Depois começa o batimento seguinte.
Mas "quantos tempos são precisos para produzir um tempo motor" tem, na verdade, outra resposta—
Por cada débito de potência que um motor de quatro tempos completa, a cambota tem de dar duas voltas completas (720°); um motor de dois tempos concentra admissão, compressão, explosão e escape numa única volta (360°)—dispara uma vez a cada volta da cambota. Prescindindo dos tempos dedicados de admissão e de escape, recorre em vez disso a "janelas" na parede do cilindro em conjunto com o próprio pistão a funcionar como válvula. A conceção é mais simples e, para a mesma cilindrada, o débito é mais intenso.
A corrente dominante no automóvel. Admissão, compressão, explosão e escape são cada um independente, proporcionando combustão completa, funcionamento limpo e económico e controlo preciso das válvulas.
Comum em corta-relvas, motosserras e motos antigas. Elevado débito para a cilindrada, e leve, mas com maior consumo de combustível e emissões.
Observe a animação com atenção e vai reparar em algo interessante: os quatro pistões não seguem cada um o seu caminho—movem-se em pares cruzados. Os cilindros 1 e 4 sobem e descem sempre em conjunto, enquanto os cilindros 2 e 3 fazem exatamente o oposto. Muita gente, ao ver isto pela primeira vez, pergunta: está avariado? Na verdade, esta é a própria essência do quatro cilindros em linha.
O segredo está na cambota. Os moentes de um quatro cilindros em linha estão dispostos opostos a 180°: os moentes dos cilindros 1 e 4 apontam no mesmo sentido, enquanto os do 2 e do 3 apontam no sentido contrário. Esta conceção serve dois propósitos:
Um: mantém a potência contínua. A cada 180° que a cambota roda, um cilindro entra no seu tempo motor, e os quatro cilindros revezam-se ordenadamente ao longo dos 720° completos. A ordem de ignição é 1 → 3 → 4 → 2 (não 1-2-3-4), pelo que o local da combustão salta para trás e para a frente entre a parte dianteira e traseira do motor, e a cambota é solicitada de forma mais uniforme.
Dois: cancela a vibração. À medida que dois pistões sobem, os outros dois descem, e as suas forças de inércia compensam-se mutuamente, de modo que o motor não trepida por todo o lado como uma moto monocilíndrica. É por isso que parece que "os dois lados se cruzam"—é uma dança de equilíbrio deliberadamente concebida, não uma coincidência.
A animação de há pouco era um motor Em Linha—quatro cilindros alinhados numa única fila. Mas há mais do que uma forma de dispor cilindros, e disposições diferentes alteram a altura, a largura e as características de vibração de um motor—e, por sua vez, a direção das forças que atuam sobre os segmentos. As três disposições mais comuns:
A construção mais simples e a mais barata de manter, é a corrente absolutamente dominante nos automóveis familiares de quatro cilindros. Mais cilindros tornam-no comprido, e o I6 é, por natureza, soberbamente equilibrado.
Dois bancos de cilindros partilham uma única cambota, dispostos num ângulo de 60°–90°. O comprimento é bastante reduzido, permitindo concentrar mais cilindros—o preferido dos carros desportivos e de luxo.
Os pistões embatem horizontalmente um contra o outro, à esquerda e à direita, com as suas forças de inércia a cancelarem-se, para vibração mínima e um centro de gravidade muito baixo. A assinatura da Subaru e da Porsche, mas mais dispendioso de manter.
O ritmo de quatro tempos de um motor diesel é exatamente igual ao de um motor a gasolina; a diferença está em "como inflama". Um motor a gasolina aspira uma mistura ar-combustível e, depois de a comprimir, inflama-a com uma faísca da vela; um motor diesel aspira apenas ar puro, usa uma taxa de compressão tão elevada como 16–22:1 para comprimir esse ar acima dos 500°C, depois injeta gasóleo através de um injetor de alta pressão para que ele se inflame instantaneamente por si próprio—sem qualquer vela.
| Item | Motor a gasolina (SI) | Motor diesel (CI) |
|---|---|---|
| Método de ignição | A vela inflama a mistura | A elevada compressão faz o gasóleo autoinflamar-se, sem vela |
| Taxa de compressão | Cerca de 10–14:1 | Cerca de 16–22:1 |
| Pressão de combustão no cilindro | Mais baixa, cerca de 60–100 bar | Mais alta, até 150–200 bar |
| Rendimento térmico | Cerca de 30–35% | Acima de 40%, mais económico |
| Características | Rotações elevadas, suave e silencioso | Binário elevado a baixas rotações, ideal para cargas pesadas e longas distâncias |
| Foco da conceção do segmento | Segmentos mais finos, baixa tensão, revestimentos PVD/DLC | Segmentos trapezoidais (Keystone), secções mais espessas, revestimento duro em crómio/cerâmica |
O coração consegue bombear sangue eficazmente porque as suas válvulas asseguram que o sangue flui apenas num sentido e nunca para trás. Um motor é igual: tem de existir uma folga entre o pistão e a parede do cilindro para que ele deslize, mas o gás de alta pressão da combustão não pode de modo algum fugir por essa folga—e a peça que monta guarda é o segmento.
Os segmentos encaixam nas ranhuras (gornes) na parte superior do pistão. A configuração padrão são três segmentos, de cima para baixo, cada um com uma função diferente:
Não subestime estes três anéis de metal. Os segmentos têm de vedar, raspar óleo e conduzir calor tudo ao mesmo tempo, num ambiente de 300°C, milhares de ciclos de subida e descida por minuto e quase sem lubrificação, e aguentar mais de 200 000 quilómetros. O seu material, a forma da secção transversal e o tratamento de superfície são, cada um deles, um saber-fazer acumulado ao longo de décadas.
E porque os motores a gasolina e a diesel têm "intensidades de batimento" diferentes, a conceção dos seus segmentos segue em duas direções completamente distintas: os motores a gasolina perseguem o baixo atrito e a economia de combustível, tornando os segmentos cada vez mais finos e de menor tensão, associados a revestimentos PVD e DLC de carbono tipo diamante; os motores diesel, confrontados com o dobro da pressão de combustão e um ambiente carregado de fuligem, mudam o segmento superior para uma secção trapezoidal (keystone) para evitar a colagem, e combatem o desgaste com revestimentos duros e espessos como a cromagem e a cerâmica.
Dos três segmentos, o segmento de óleo na base é o de construção mais exigente. Tem de fazer duas coisas opostas ao mesmo tempo: espalhar exatamente a película de óleo certa na parede do cilindro para lubrificação, e raspar o óleo excedente de volta ao cárter para que não chegue à câmara de combustão e queime. Para equilibrar a força de raspagem com a conformabilidade, o segmento de óleo não costuma ser um único anel, mas sim um conjunto de várias peças. Há duas construções dominantes:
Feito de duas lamelas em cima e em baixo a envolver um expansor no meio. As duas finas lamelas de aço conformam-se cada uma à parede do cilindro por conta própria, para excelente conformabilidade, raspando o óleo de forma limpa com baixo atrito—a corrente dominante nos modernos motores a gasolina de segmentos finos. Tipos comuns: RIK／NPR／PC／TP／U-Flex／Hump Spring.
Feito de um corpo de anel de uma só peça mais um expansor helicoidal por detrás, sendo o expansor a proporcionar tensão radial uniforme. Com uma secção espessa e elevada rigidez, é usado frequentemente em motores diesel e de uso intensivo. Os materiais incluem aço, ferro fundido e ferro nodular.
A C.T.I. Traffic Industries dedica-se profundamente ao fabrico de segmentos desde 1973, fornecendo jogos de segmentos para motores a gasolina e diesel ao mercado de reposição global, numa gama completa de especificações que inclui ferro fundido, segmentos de aço, cromagem e DLC. Cada batimento do motor tem-nos a montar guarda.
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