Motor de quatro tempos: simulador interativo passo a passo

O que o modelo mostra

Um motor de carro a 3000 rpm faz explosão em cada cilindro 25 vezes por segundo, rápido demais para acompanhar com os olhos. Este modelo desacelera o motor até você conseguir seguir cada tempo, e depois deixa você mudá-lo: mais cilindros, diesel no lugar de gasolina, outro comando de válvulas, menos acelerador.

O cilindro 1 está desenhado em todos os detalhes e cortado ao meio para que o interior fique à vista. As superfícies vermelhas são as faces do corte do bloco, do cabeçote e do cárter. Tudo o que se move aparece inteiro: o pistão e seus anéis, a biela, o virabrequim com seus contrapesos, as duas válvulas com suas molas, os dois eixos de comando, a correia dentada e o volante do motor. Em volta estão as peças que mantêm um motor vivo: a camisa d’água, a junta do cabeçote, os mancais principais, a bomba de óleo, a borboleta do acelerador, o bico injetor e o catalisador. São 24 peças com nome na lista de Peças.

As medidas são as de um cilindro de um motor comum de dois litros e quatro cilindros: 86 mm de diâmetro, 86 mm de curso e taxa de compressão de 10 para 1. Um cilindro desloca 499,6 centímetros cúbicos, e quatro somam 1998 cc. O painel de leituras no canto mostra o ângulo do virabrequim, o tempo em que está o cilindro 1, o volume de gás acima do pistão e uma pressão no cilindro calculada pelo modelo, com o ciclo pressão-volume e um gráfico de torque logo abaixo.

Por que um ciclo leva duas voltas do virabrequim

Um motor de quatro tempos precisa de quatro cursos do pistão, e portanto de duas voltas completas do virabrequim, para completar um ciclo. Por convenção, o ciclo é medido em graus de virabrequim de 0° a 720°, começando com o pistão no alto do seu curso, chamado ponto morto superior.

1. Admissão (0° a 180°). A válvula de admissão está aberta e o pistão desce. O espaço acima dele aumenta, a pressão cai um pouco abaixo da do ar de fora, e a mistura de ar e combustível entra pelo duto de admissão. No modelo, é o fluxo de pontos azuis.
2. Compressão (180° a 360°). As duas válvulas estão fechadas. O pistão sobe e espreme a mistura em um décimo do volume que ela ocupava embaixo. Comprimir aquece a mistura e aumenta sua pressão, o que torna a combustão seguinte muito mais eficaz. Os pontos ficam violeta à medida que se apertam.
3. Explosão (360° a 540°). Pouco antes do topo, a vela solta a faísca. A frente de chama se espalha a partir da vela em poucos milésimos de segundo, a pressão se multiplica várias vezes e empurra o pistão para baixo. É o único tempo em que o gás realiza trabalho sobre o pistão. Veja a meia esfera laranja crescer a partir da vela.
4. Escape (540° a 720°). A válvula de escape abre perto do fundo, a pressão que sobra sai de uma vez, e o pistão, ao subir, empurra o resto dos gases queimados para o duto de escape. Os pontos cinza saem pela direita.

Então a válvula de admissão abre de novo e o ciclo se repete. Um cilindro dá uma explosão a cada duas voltas: a 3000 rpm, são 25 explosões por segundo, cada uma durando só 10 milissegundos.

O que cada peça faz

Pistão e anéis. O pistão é um copo leve de alumínio que desliza no cilindro com folga de poucos centésimos de milímetro. Três anéis em canaletas perto do topo fazem a vedação: os dois de cima seguram a pressão do gás, e o de baixo raspa o óleo da parede do cilindro. Um pino de aço de 21 mm o liga à biela.

Biela e virabrequim. A biela liga o pino do pistão a um moente que fica a 43 mm do eixo do virabrequim. Quando o virabrequim gira, o moente descreve um círculo e o pistão se move 86 mm, o dobro do raio de manivela. As massas grossas do lado oposto ao moente são contrapesos que equilibram a massa que gira. O virabrequim gira em mancais principais: bronzinas finas revestidas de metal macio. Com o motor funcionando, o colo flutua numa película de óleo e nunca encosta nelas.

Volante do motor. Três de cada quatro tempos consomem energia em vez de fornecer. O volante é um disco pesado que guarda energia durante a explosão e a devolve nos outros tempos, mantendo o virabrequim girando.

Válvulas, molas e eixos de comando. Cada válvula é uma peça de aço em forma de cogumelo, mantida fechada por uma mola. Um ressalto do eixo de comando a empurra para abrir através de um tucho em forma de copo. O formato do ressalto decide quando a válvula abre, quanto e por quanto tempo. Neste modelo, cada válvula sobe 9,2 mm, e os ressaltos foram desenhados a partir da mesma curva de levantamento que move as válvulas.

Correia dentada. O virabrequim aciona os eixos de comando por uma correia dentada. A engrenagem do virabrequim tem 21 dentes e cada polia do comando 42, então os eixos de comando dão exatamente uma volta a cada duas voltas do virabrequim. Cada válvula abre uma vez por ciclo, e um ciclo leva duas voltas do virabrequim, então a relação não poderia ser outra.

Arrefecimento e lubrificação. Ligue "Arrefecimento e óleo". O líquido de arrefecimento (azul) sobe pela camisa d’água ao lado do cilindro, passa sobre a câmara de combustão e leva o calor ao radiador. A junta do cabeçote, uma chapa fina de aço em camadas, mantém separados o gás, o líquido de arrefecimento e o óleo onde o cabeçote encontra o bloco. O óleo (âmbar) é puxado do cárter por um pescador com tela pela bomba de óleo e mandado aos mancais principais, depois escorre de volta para baixo.

Acelerador e bico injetor. Num motor a gasolina, o acelerador é uma válvula borboleta na admissão. Fechá-la baixa a pressão do ar que entra, e é assim que o motorista pede menos potência. O bico injetor do duto pulveriza combustível nas costas da válvula de admissão fechada, e você pode ver o jato curto pouco antes de a admissão abrir.

Um cilindro ou oito

Mova o controle "Cilindros". Os cilindros extras aparecem como fantasmas no mesmo virabrequim, e eles seguem de fato suas próprias manivelas e sua ordem de ignição.

Um cilindro só dá um empurrão a cada duas voltas, então o torque no virabrequim oscila forte: bem positivo na explosão, um pouco negativo enquanto o pistão comprime a carga seguinte. O gráfico de torque do painel de leituras traça o torque total do gás em duas voltas, com uma linha tracejada na média. O número no alto à direita é a oscilação: a diferença entre o maior e o menor torque dividida pela média.

A oscilação é calculada pela curva de pressão do modelo, só com as forças do gás. Ela deixa de fora a inércia dos pistões, que pesa muito em alta rotação e é o motivo de os engenheiros se preocuparem com o balanceamento além dos intervalos de ignição. Um quatro em linha, por exemplo, faz ignição de forma regular, mas ainda assim vibra para cima e para baixo duas vezes por volta, porque seus pistões não se movem como uma onda senoidal perfeita. Por isso muitos motores de quatro cilindros maiores têm eixos de balanceamento.

O painel de Controles tem um gráfico de barras com a oscilação de cada configuração. Toque numa barra para pular para essa configuração.

Gasolina ou diesel

Ligue "Diesel". Três coisas mudam no modelo.

Primeiro, a cabeça do pistão sobe 4,5 mm, o que reduz o espaço acima do pistão no topo de 55,5 cc para 29,4 cc. A taxa de compressão passa de 10:1 para 18:1. Segundo, não há vela. Só o ar é comprimido com tanta força que chega a várias centenas de graus, quente o bastante para acender o óleo diesel no instante em que é pulverizado. Terceiro, o bico injetor vai para o centro do cabeçote e pulveriza direto no cilindro cerca de 10° antes do topo. O combustível queima à medida que entra, então a combustão começa de forma mais suave que com a faísca da gasolina e dura mais.

Um diesel não tem borboleta no sentido usual. Ele sempre aspira um cilindro cheio de ar e controla a potência injetando mais ou menos combustível. No modelo, o controle do acelerador muda a quantidade de combustível no modo diesel e a pressão de admissão no modo gasolina. Essa diferença é um dos motivos de os diesel desperdiçarem menos energia em carga parcial: um motor a gasolina rodando leve precisa aspirar sua carga por uma borboleta quase fechada, e bombear ar por esse estrangulamento custa trabalho.

Até que ponto ele pode ser eficiente?

O ciclo ideal de um motor a gasolina é o ciclo Otto: compressão e expansão sem perda de calor, e todo o calor fornecido de uma vez no topo. Sua eficiência depende só da taxa de compressão r e da razão entre os calores específicos do gás γ:

η = 1 − 1 / r^(γ−1)

Com ar (γ = 1,4) e r = 10, dá 60,2 %. A 14:1, a taxa dos motores a gasolina SKYACTIV-G da Mazda fora dos Estados Unidos, sobe para 65,2 %. O ciclo diesel ideal fornece o calor ao longo de um trecho do curso em vez de tudo de uma vez; com r = 18 e razão de corte 2, dá 63,2 %. A compressão mais alta é a principal vantagem do diesel. Um motor a gasolina não consegue passar muito de 10 a 14:1, porque a mistura quente explodiria sozinha antes da faísca, o que se chama batida de pino.

A linha "Eficiência ideal" do painel de leituras usa essas fórmulas. O laboratório no painel de Controles mostra também uma eficiência do modelo: o trabalho realizado no ciclo de pressão do modelo dividido pelo calor liberado nele. Com os ajustes iniciais, ela é de cerca de 48 % na gasolina e cerca de 51 % no diesel, e cai para 36 % na gasolina com um quarto de acelerador, enquanto o diesel fica perto de 50 %. Motores reais perdem mais: o calor vai para as paredes, a combustão não é instantânea, e o atrito e as bombas de óleo e de água levam sua parte. Na direção do dia a dia, o Departamento de Energia dos Estados Unidos estima que só cerca de 12 a 30 % da energia do combustível de um carro convencional acaba movendo o carro pela estrada, dependendo do tipo de direção.

Um comando de válvulas que você arrasta

Se as válvulas abrissem e fechassem exatamente nos pontos mortos superior e inferior, o motor respiraria mal em alta rotação, porque o gás tem massa e leva tempo para começar a se mover e para parar. Motores reais abrem as válvulas antes e as fecham depois. Este modelo começa com números típicos:

Fechar a admissão tarde deixa a coluna de ar em movimento continuar entrando no cilindro depois que o pistão já começou a subir. Abrir o escape cedo deixa a alta pressão sair antes que o pistão precise empurrar contra ela. Em torno do ponto morto superior, no fim do escape, as duas válvulas ficam um pouco abertas ao mesmo tempo por 20°; esse cruzamento de válvulas deixa o escape que sai ajudar a puxar a carga nova.

O círculo no painel de Controles é um diagrama do comando de válvulas. O ponto morto superior fica em cima, e uma volta no círculo é uma volta do virabrequim. O arco azul é o tempo em que a admissão fica aberta, e o cinza, o do escape. Arraste qualquer um deles em volta do círculo, ou use os botões embaixo. É isso o que faz um variador de fase num motor real: ele gira o eixo de comando alguns graus em relação à polia, de modo que a válvula abre e fecha antes ou depois, enquanto o tempo de abertura continua o mesmo. Os eixos de comando do modelo 3D giram com o seu ajuste.

Três números mudam enquanto você arrasta. O cruzamento é a fatia sombreada no alto. A taxa de compressão efetiva é o volume quando a admissão fecha dividido pelo menor volume, então fechar a admissão mais tarde a reduz. Motores feitos para o ciclo Atkinson ou Miller fazem isso de propósito, para ter uma taxa de expansão alta sem batida de pino. A eficiência do modelo acompanha o ciclo de pressão: abrir o escape mais cedo joga fora pressão que ainda poderia empurrar o pistão, e a eficiência cai.

Acelerador, rotação, torque e potência

O segundo gráfico do laboratório traça torque e potência em função da rotação do motor. A linha preta é o torque com o acelerador que você escolheu, e a laranja, a potência correspondente. Os traços cinza mostram o acelerador todo aberto. A linha pontilhada é uma carga parecida com a da estrada, que aumenta com a velocidade, e o ponto vermelho fica onde o torque do motor encontra a carga. Essa é a rotação em que o motor se estabilizaria. Feche o acelerador e o ponto desliza para uma rotação menor, que é como o motorista controla o carro.

O torque vem do trabalho do ciclo do modelo: um cilindro que realiza 625 joules de trabalho do gás por ciclo dá 625 / 4π ≈ 50 newtons-metro em média ao longo de duas voltas. A respiração muda com a rotação (é melhor perto de uma rotação média que se desloca com o comando de válvulas) e o atrito cresce com a rotação, então o torque chega ao máximo no meio e a potência continua subindo até perto do topo. Potência é torque vezes velocidade angular: P = T × 2πN / 60. Todas essas curvas são valores do modelo feitos para mostrar formas, não uma folha de dinamômetro.

Dois tempos em vez de quatro

Ligue "Comparar com dois tempos". Um desenho de um cilindro de dois tempos no mesmo virabrequim aparece no palco. Ele não tem válvulas. O próprio pistão descobre uma janela de escape e uma janela de transferência na parede do cilindro perto do fim do seu curso. A carga nova, já um pouco comprimida no cárter embaixo do pistão, entra correndo pela janela de transferência e empurra os gases queimados para fora pelo escape. Assim, cada descida é um tempo de explosão, e o motor faz ignição uma vez por volta.

A linha laranja no gráfico de torque é o torque do dois tempos. Ele faz ignição com o dobro da frequência, mas no modelo cada ciclo realiza menos trabalho (cerca da metade), porque as janelas ficam abertas por boa parte do curso e um pouco da carga nova escapa direto pelo escape. Esse combustível perdido é o motivo de os pequenos motores de dois tempos serem leves e simples, mas poluentes, e de a maioria dos veículos de estrada ter passado para quatro tempos. Os grandes diesel lentos de dois tempos dos navios resolvem o problema com sopradores e válvulas de escape, e estão entre os motores mais eficientes já construídos.

Motores reais

O catálogo de motores ajusta a configuração, o combustível e o tamanho dos cilindros do modelo aos de um motor real. Os cilindros são desenhados no tamanho certo, exceto os maiores, que são reduzidos e identificados. A taxa de compressão e as pressões continuam sendo valores do modelo.

As potências só aparecem quando um único valor foi confirmado para a versão indicada. Vários desses motores foram vendidos com mais de uma potência.

Os números, calculados

Como ler o ciclo pressão-volume

O gráfico pequeno do painel de leituras traça a pressão no cilindro em função do volume enquanto o virabrequim gira. O eixo vertical é logarítmico para que a pressão baixa da admissão e o pico alto da combustão caibam no mesmo gráfico. A área envolvida pelo ciclo é proporcional ao trabalho que o gás realiza sobre o pistão num ciclo. Feche o acelerador e veja o ciclo encolher e a linha de baixo cair abaixo da pressão atmosférica: o pequeno ciclo invertido embaixo é o trabalho de bombeamento.

A pressão aqui é um modelo simplificado, não uma medição. A compressão e a expansão seguem a relação politrópica pVⁿ = constante com n = 1,32, e a liberação de calor segue uma curva de combustão suave em forma de S que começa na faísca e dura 55 graus de virabrequim, o que coloca um pico de cerca de 51 bar a 20° depois do ponto morto superior com o acelerador todo aberto.

Limpando o escape

Queimar gasolina no ar deixa três poluentes principais: monóxido de carbono, hidrocarbonetos não queimados e óxidos de nitrogênio. O catalisador no cano de escape é uma colmeia de cerâmica revestida de platina, paládio e ródio. Num carro a gasolina, ele é um catalisador de três vias: oxida o monóxido de carbono e os hidrocarbonetos a dióxido de carbono e água, e reduz os óxidos de nitrogênio a nitrogênio. Ele só consegue fazer as três coisas ao mesmo tempo se o motor funcionar muito perto da mistura quimicamente correta, e por isso os motores a gasolina têm uma sonda lambda no escape. Os diesel funcionam com ar de sobra, então usam um catalisador de oxidação, um filtro de partículas para a fuligem e um sistema separado para os óxidos de nitrogênio.

De onde veio o motor de quatro tempos

Motores de combustão interna que aspiravam uma mistura e a acendiam sem comprimi-la antes já tinham sido construídos na década de 1860, mas eram pouco eficientes. Em 1876, Nicolaus Otto construiu na Alemanha o primeiro motor prático que comprimia a carga antes de acendê-la, usando o ciclo de quatro tempos mostrado aqui. É por isso que o ciclo ideal de quatro tempos a gasolina ainda se chama ciclo Otto. Na década de 1890, Rudolf Diesel desenvolveu o motor que acende o combustível só pela compressão.

Do trabalho do gás aos quilowatts: um exemplo calculado

O modelo dá a cada cilindro cerca de 625 joules de trabalho do gás por ciclo em plena carga. Tudo o que segue sai desse único número, e os mesmos passos servem para qualquer motor cuja ficha técnica se consiga ler.

1. Trabalho por ciclo de quatro cilindros. 4 × 625 J = 2500 J.
2. Torque médio. Um ciclo são duas voltas, ou seja, 4π radianos, então T = 2500 ÷ 4π ≈ 199 N·m. É a média do ciclo. O gráfico de torque do painel oscila acima e abaixo dela.
3. Potência a 3000 rpm. P = 2πNT / 60 = 2π × 3000 × 199 / 60 ≈ 62,5 kW. O atalho dá o mesmo: 2500 J por ciclo × 25 ciclos por segundo = 62.500 W.
4. Pressão média efetiva. Divide-se o trabalho por ciclo pelo volume deslocado: 2500 J ÷ 1,998 litro = 1,25 megapascal, cerca de 12,5 bar. É a pressão constante que, atuando no pistão durante todo o curso de potência, faria o mesmo trabalho. Ela permite comparar motores de tamanhos diferentes, porque não depende da cilindrada.
5. Potência por litro. 62,5 kW ÷ 1,998 L ≈ 31 kW por litro.

Aqui o modelo mantém o torque constante por simplicidade. Num motor real o torque muda com a rotação, então a potência a 6000 rpm não é exatamente o dobro. O exemplo serve para mostrar a cadeia de unidades: joules por ciclo viram newtons-metro, e newtons-metro vezes radianos por segundo viram watts.

O catálogo de motores mostra o quanto a potência por litro pode variar. Pelas potências nominais da tabela acima, o diesel Toyota 1GD-FTV dá 130 kW com 2755 cc, cerca de 47 kW por litro. O Volkswagen EA888 2.0 TSI dá 162 kW com 1984 cc, cerca de 82 kW por litro, e o Honda K20C1 entrega 228 kW com 1996 cc, cerca de 114 kW por litro. São valores nominais numa rotação para uma versão específica, e os motores turbo os alcançam forçando mais ar nos mesmos cilindros, não com um diâmetro maior ou um curso mais longo.

Taxa de compressão, detonação e combustível

A fórmula do rendimento η = 1 − 1/r^(γ−1) premia uma taxa de compressão maior, mas com ganhos decrescentes. Com γ = 1,4:

De 8 para 10 ganham-se 3,7 pontos percentuais. De 12 para 14, só 2,2. A curva achata e cada unidade extra de compressão rende menos.

Os motores reais também ficam bem abaixo desses números. O gás no motor não é ar com γ = 1,4: a mistura queimada tem uma razão de capacidades caloríficas menor, e com γ = 1,3 a mesma fórmula dá só 49,9 % a 10:1. O valor do modelo nos ajustes padrão, cerca de 48 %, está na mesma faixa. As perdas de calor para as paredes e o atrito reduzem ainda mais o valor real, para algo entre 30 e 40 % no melhor caso nos motores de série.

O que impede os motores a gasolina de simplesmente subir a taxa é a detonação. A octanagem mede a capacidade de um combustível de resistir à detonação, em que parte da mistura comprimida se inflama antes de a chama chegar. Uma taxa maior deixa o gás restante mais quente e denso, por isso é preciso um combustível que resista à autoignição. É por isso que o manual diz qual octanagem abastecer: o motor foi projetado para ela. Motores mais novos conseguem atrasar a ignição quando detectam detonação, o que os protege, mas custa potência e consumo. O diesel do modelo evita o problema comprimindo só ar e injetando o combustível depois.

Equívocos comuns

«O motor explode em todo curso.» Só um curso em cada quatro realiza trabalho sobre o pistão. Num monocilíndrico, os outros três tiram energia do volante. Aumente o controle «Cilindros» e observe a ordem de ignição: com oito cilindros os cursos de potência se sucedem a cada 90°, e por isso parece contínuo.

«Torque e potência são a mesma coisa.» O torque é a força de giro no virabrequim. A potência é o torque multiplicado pela velocidade de giro. Um motor pode ter o torque máximo numa rotação média e a potência máxima numa bem mais alta, que é o que as duas curvas do gráfico de rotação mostram.

«Mais cilindros sempre significam mais potência.» A potência depende do ar que o motor consegue queimar por segundo: cilindrada, rotação e quanto ar se coloca em cada cilindro. Um pequeno três-cilindros turbo da lista pode superar um motor maior sem turbo. Mais cilindros servem sobretudo para suavizar o torque e permitir cilindros menores, como mostra a coluna da oscilação.

«Fechar a borboleta faz o mesmo trabalho com menos combustível.» Entra menos ar no cilindro e o combustível é dosado de acordo. O custo é o trabalho de bombeamento: o pistão precisa aspirar o ar por uma válvula quase fechada. A pequena alça invertida do gráfico pressão-volume é essa perda.

«Octanagem maior significa mais potência.» A octanagem descreve a resistência à detonação, não a energia do combustível. Um motor que não detona com o grau mais baixo não ganha nada com o mais alto, e vale a recomendação do fabricante.

Experimente na tela

• Conferir o exemplo. Escolha quatro cilindros e gasolina em plena carga. A linha tracejada do gráfico de torque é o torque médio, e o gráfico de rotação do laboratório traça a potência correspondente. Compare as formas com os passos acima.
• Comparar as alças. Ligue e desligue «Diesel» e compare a alça pressão-volume, a taxa de compressão e a linha «Eficiência ideal». A taxa passa de 10:1 para 18:1.
• Observar a compressão efetiva. No círculo de comando, arraste o arco de admissão para mais tarde e leia «Compressão efetiva» e a eficiência do modelo enquanto mudam.
• Ver a perda por bombeamento. Reduza a borboleta na gasolina e veja a pequena alça invertida na parte de baixo do gráfico pressão-volume e a eficiência do modelo, que cai para cerca de 36 % com um quarto de borboleta.
• Comparar motores de tamanhos diferentes. Escolha duas entradas do catálogo de motores, por exemplo o Honda GX160 e o GM LS3, e compare os desenhos dos cilindros e os cc por cilindro na nota abaixo da lista.

Trinta motores, de 1876 ao porta-contêineres

O catálogo na aba «Controles» agora contém trinta motores. Você pode buscar pelo nome ou filtrar por anteriores a 1950, carros, motocicletas, motores pequenos, caminhões, competição e navios, além de ignição por faísca ou diesel. A escolha ajusta a configuração, o combustível e o tamanho dos cilindros: o desenho cresce do cilindro de cortador de grama ao de navio.

Dois casos precisam de uma nota. O modelo desenha um V6 a 60°, mas o motor de Fórmula 1 é um V6 a 90°: a configuração é próxima, não exata. Os cilindros do navio têm 960 mm de diâmetro, mais de onze vezes o diâmetro do modelo. Por isso a cena os desenha com o dobro do tamanho do modelo e avisa; os números mantêm as dimensões reais. O documento Wärtsilä não informa o rendimento em porcentagem. Ele vem do consumo: 171 gramas por quilowatt-hora, com combustível de 42,7 MJ por quilograma, dão 3.600 ÷ (0,171 × 42.700) = 49,3 %. É um motor de dois tempos; selecioná-lo abre essa comparação.

Um cilindro maior não pode girar tão rápido. O limite é a velocidade dos pistões; o modelo mantém sua velocidade média ao ampliar o cilindro. No tamanho do modelo, 7.000 rpm com curso de 86 mm dão 20,1 m/s de velocidade média. Ampliar 15 vezes, como para o navio, permite apenas cerca de 300 rpm à mesma velocidade de pistão. O motor naval real gira a 102 rpm porque seu curso é 2,6 vezes o diâmetro, resultando nos 8,5 m/s da tabela Wärtsilä.

Rotação real, depois câmera lenta

O botão «Girar a 3.000 rpm» mostra o que o modelo normalmente esconde. A 3.000 rpm, o virabrequim dá 50 voltas por segundo, cada cilindro tem 25 ignições por segundo e um tempo dura 10 milésimos de segundo. Numa tela de 60 Hz, são 300 graus de virabrequim entre imagens: as peças parecem saltar ou até girar para trás. É o efeito estroboscópico que também faz rodas girarem ao contrário nos filmes. Após três segundos, o modelo desacelera durante 3,5 segundos até 6 rpm, quando se pode acompanhar cada tempo. A faixa identifica o tempo do cilindro 1. Com «Som» ligado, as batidas se fundem num zumbido em alta rotação e voltam a se separar ao desacelerar.

Taxa de compressão, detonação e fechamento tardio da admissão

O controle de compressão muda a taxa do motor a gasolina de 6:1 a 15:1. Uma taxa maior aumenta o rendimento do modelo (47,6 % a 10:1), porque os gases se expandem mais depois da queima. Também comprime mais a mistura ainda não queimada. Se a parte final da carga ficar quente e densa o suficiente, ela se inflama antes da chegada da chama da vela, e as duas ondas de pressão se chocam. Isso é detonação: um ruído metálico, alta pressão máxima e, no motor real, pistões danificados.

A detonação depende do combustível, temperatura, formato da câmara e ponto de ignição. O modelo usa uma regra simples, indicada na tela: ela ocorre quando a pressão no fim da compressão passa de 20,5 bar. Com o comando inicial, o limite fica perto de 11:1 (20,2 bar, sem detonação); 12:1 chega a 22,7 bar e detona.

Há uma saída. Se a admissão fechar mais tarde, parte da carga volta ao coletor antes do fechamento, e o pistão comprime menos do que sugere a taxa geométrica. Com a admissão 40° mais tarde, a taxa de 13,5:1 termina em 17,9 bar, abaixo do limite, e o rendimento sobe a 50,9 %. A expansão ainda usa os 13,5:1 completos. É a ideia dos ciclos Atkinson e Miller: compressão curta e expansão longa. O Toyota 2ZR-FXE do Prius a utiliza, e Mazda e Toyota anunciam taxas de 13 e 14 para 1 em seus motores a gasolina mais novos.

Turbo e o retorno da detonação

O turbo aparece ao lado do escapamento quando instalado. Os gases giram a turbina; o compressor no mesmo eixo empurra ar para a admissão. Mais ar permite queimar mais combustível e obter mais potência da mesma cilindrada. O Departamento de Energia dos Estados Unidos descreve turbos como compressores que forçam ar adicional nos cilindros, permitindo injetar mais combustível, e cita até 8 % de economia com turbo e motor menor.

O controle de sobrepressão acrescenta pressão acima da externa. No monocilíndrico do modelo, 0,9 bar eleva a potência máxima de 19,1 kW para 29,4 kW. O custo é a detonação: a pressão no fim da compressão aumenta com a sobrepressão, e 0,6 bar a 10:1 já chega a 29,1 bar. Motores a gasolina turbo reais usam menor taxa, fechamento tardio da admissão, resfriamento do ar e injeção direta. No modelo, 0,9 bar funciona sem detonação a 8:1 com fechamento 40° mais tarde (18,1 bar). O diesel não tem esse limite, pois só injeta combustível quando ele deve queimar.

Desafios na cena

A lista «Desafios» em «Controles», também acessível pelo distintivo na cena, verifica suas ações no modelo. São onze: ganhar pelo menos 5 % de potência máxima pelo comando (o melhor ajuste verificado, admissão 15° antes e escape 30° depois, dá 10,7 %), alcançar 13:1 sem detonação, indicar a ordem do V8, ver o diesel vencer em carga parcial (50,7 % contra 43,6 % a meio acelerador), achar a configuração mais suave, girar na rotação real, comparar dois e quatro tempos, achar o motor mais eficiente e o mais antigo do catálogo, chegar a 0,8 bar sem detonação e abrir todas as vistas de perto. Os resolvidos continuam marcados ao voltar.

«Instantâneo» e «média» na leitura

A leitura mistura dois tipos de número, cada um identificado. O torque dos gases «instantâneo» é a força de rotação que os gases transmitem ao virabrequim naquele ângulo. Ele vai de valores negativos na compressão a centenas de newton-metros logo após a faísca; multiplicá-lo pela rotação não daria uma potência com sentido. Torque, rotação e potência marcados «média» pertencem ao mesmo conjunto: são a média de um ciclo completo após atrito e trocas gasosas, na rotação de equilíbrio com a carga. Multiplique esse torque pela velocidade em radianos por segundo para obter a potência da mesma linha.

Vistas de perto

Os botões aproximam uma peça e param o virabrequim na posição importante: moente a 90°, came de admissão em levantamento máximo, ambas as válvulas abertas perto do ponto morto superior, pistão na compressão, faísca antes do topo, injetor diesel no início da injeção e turbo. «Desmontar» separa as peças fundidas das móveis para mostrar pistão, biela e virabrequim funcionando sozinhos.