Dentro do cilindro

O motor de um carro tem uma função: transformar o calor da queima do combustível na rotação de um eixo. Quase todo carro a gasolina ou a diesel faz isso usando o mesmo truque, repetido em vários cilindros: um pistão que desliza para cima e para baixo dentro de um tubo, e um mecanismo que transforma esse movimento em linha reta em rotação.

As principais partes de um cilindro, de cima para baixo:

• Cilindro e cabeçote. O tubo onde o pistão desliza, fechado na parte de cima pelo cabeçote. O espaço entre o pistão e o cabeçote é a câmara de combustão.
• Válvulas. Duas ou mais pequenas portas no cabeçote: as válvulas de admissão deixam entrar ar fresco (e, em muitos motores, combustível); as válvulas de exaustão deixam o gás queimado sair. Um eixo de comando giratório as empurra para abrir nos momentos certos.
• Vela de ignição (motores a gasolina). Ela produz uma faísca que acende o combustível e o ar.
• Pistão. O êmbolo. Anéis ao seu redor vedam o espaço até a parede do cilindro.
• Biela. Uma haste resistente que liga o pistão ao virabrequim. Ela oscila enquanto se move.
• Virabrequim. Um eixo com uma seção deslocada, o braço de manivela. Quando o pistão empurra a biela, a biela empurra o braço, fazendo-o girar em um círculo, como um pé girando o pedal de uma bicicleta.
• Volante. Um disco pesado na ponta do virabrequim que armazena energia de rotação.

O curso é a distância que o pistão percorre entre seu ponto mais alto, o ponto morto superior (PMS), e seu ponto mais baixo, o ponto morto inferior (PMI). O raio da manivela fica a uma distância r do centro do eixo, então o pistão sobe r e desce r em meia volta: curso = 2r.

A altura do pistão resulta da geometria da manivela e da biela. Com o ângulo da manivela θ medido a partir do PMS e uma biela de comprimento l, a distância do centro do eixo ao pino do pistão é x(θ) = r cos θ + √(l² − r² sin² θ). Você não precisa fazer esse cálculo, mas observe o que ele mostra: cada posição do pistão é determinada pelo ângulo da manivela. Gire a manivela e o motor inteiro se move; nada pode sair de sincronia.

O pistão não gira. Ele desliza em linha reta; a biela oscila de um lado para o outro; somente o virabrequim gira. E o pistão realmente para por um instante no ponto mais alto e no ponto mais baixo, quando inverte a direção, e se move mais rápido perto do meio de cada curso.

Dois valores descrevem um motor. O volume deslocado (cilindrada) de um cilindro é a área do pistão multiplicada pelo curso: V = (π/4) × bore² × stroke. Para um diâmetro e um curso de 86 mm cada, V = (π/4) × 0.086² × 0,086 ≈ 0,0005 m³ = 0,5 litro, então quatro desses cilindros formam um motor de 2,0 litros.

A taxa de compressão compara os maiores e os menores volumes que o gás ocupa: CR = (V_swept + V_clearance) / V_clearance, em que o volume residual é o espaço que sobra acima do pistão no PMS. Se um cilindro desloca 500 cm³ e restam 50 cm³ no ponto mais alto, CR = 550 / 50 = 11 : 1.

Com que velocidade o pistão se move? Sua velocidade média é 2 × curso × (rotações por segundo). A 6 000 rpm (100 rev/s), com um curso de 86 mm, isso dá 2 × 0,086 × 100 ≈ 17 m/s, cerca de 62 km/h, subindo e descendo centenas de vezes por segundo. Essa é uma das razões para existir um limite de velocidade de rotação segura dos motores.