Configurações de motores a pistão

A configuração do motor é em engenharia um termo que compreende a disposição dos componentes principais em um motor de combustão interna. As principais caracteristicas que diferenciam uma configuração de outra são: o número de cilindros e a forma com que estes estão dispóstos no motor.

Categorização quanto à disposição dos cilindros

• Motor monocilíndrico: motor com apenas um cilindro. É a configuração mais simples, e também a forma fundamental de motor a pistão. Todas as demais configurações derivam desta.O motor monocilíndrico é a mais simples das configurações de motores, sendo a mais adequada para motores de baixa potência.

Existem motores monocilíndricos de dois tempos, quatro tempos e ciclo diesel.

Esses motores apresentam bastante vibração e não atingem muita potência: em compensação, têm um elevado torque.

Usos em motocicletas

São produzidos em várias cilindradas desde ciclomotores como scooters de 50cc até motocicletas de grande porte de 1000cc.

Motores diesel

Os motores diesel monocilíndricos são largamente empregados para acionar equipamentos que demandam potências, em geral, inferiores a 20 cv. São usados em pequenos tratores, acionamento de bombas d'água, trituradores de grãos, picadores de forragens e em inúmeras outras aplicações agrícolas, entre outros usos.

Motores de dois tempos

São usados em motoserras, cortadores de grama, e outros equipamentos que demandam motores leves de pouca potência.

• Motor em linha: motor com mais de um cilindro alinhados em uma única linha de cilindros;

Os motores em linha são motores de combustão interna com os cilindros dispostos em uma única fileira, em número que varia de dois a seis nos modelos produzídos atualmente em larga escala.

A configuração de motor mais usada atualmente pela industria automobilística é o motor de 4 cilindros em linha.

Entretanto motores com grande número de cilindros em linha, apresenta limitações devido ao comprimento excessivo, embora sejam estreitos. Motores de oito ou mais cilindros em linha tem uso restrito praticamente só aos navios.

Uso em automóveis

Nos automóveis projetados atualmente a configuração mais usada é a de quatro cilindros em linha. O uso de motores de cinco cilindros é relativamente recente, e vem ganhando espaço. Por outro lado os motores de seis cilindros é cada vez menor. Os motores de oito cilindros em linha também foram usados em automóveis no passado.

A limitação no uso, em automóveis, de motores com seis ou mais cilindros, se deve ao limitado espaço disponível no habitáculo do motor. Isso se deve:

• ao largo uso da tração dianteira nos modelos atuais;
• à impossibilidade quase total de se intalar motores com mais de cinco cilindros em linha na posição transversal;
• à necessidade de se projetar automóveis com a extremidade frontal do habitáculo do motor baixa, o que limita o uso de motores longos na posição longitudinal.

Os dois últimos fatores, em especial, se devem a aspectos relacionados a aerodinâmica e ao design.

Uso em caminhões

Os motores de quatro, cinco e seis cilindros em linha são largamente utilizados pelos fabricantes de caminhões, visto que nestes o tamanho do motor não traz implicações na aerodinâmica.

Uso em motocicletas

São usados motores com dois, três e quatro em motocicletas. Os motores de seis cilindros em linha também foram usados.

• Motor em V: motor com duas linhas de cilindros alinhados, dispostos em ângulo geralmente de 60 ou 90 graus, formando um "V".

Motores em V são motores com os cilindros dispóstos de tal modo que formam um "V", quando visto ao longo da linha do eixo (virabrequim).

As configurações mais comuns são os V6 e os V8, sendo as mais freqüentemente encontradas nos automóveis produzidos atualmente, com cilindrada acima de dois litros. São usadas também em automóveis as configurações V10 eV12. As configurações V4 e V16 já foram usadas em automóveis.

A principal vantagem dos motores em V, na fabricação de automóveis, é o fato de serem mais compáctos que os motores em linha, isso permite melhorias no design e na aerodinâmica.

Os motores V2 e V4 são usados em motocicletas. Nas motocicletas com motor montado transversalmente, apresentam como vantagem principal o fato de tornar a motocicleta mais estreita do que aquelas equipadas com motores de dois ou quatro cilindros em linha.

Os motores diesel em V são menos utilizados do que aqueles do ciclo de Otto. Os automóveis a diesel visam principalmente a economia de combustível, geralmente possuem 1400cc a 2200cc e quatro cilindros em linha. No entanto, fabricantes como a BMW possuem motores de 3000cc e 4000cc. A Mercedes e a Audi também possuem motores de cilindrada elevada como por exemplo o conhecido motor 2500cc V6 TDI utilizado no Audi A6.

Relativamente à performance, atualmente um bom, motor a diesel possui uma potência igual ou superior a um motor a gasolina com a mesma cilindrada. A título de exemplo, um BMW 123d com motor de apenas 2000cc possui 204cv e um BMW 335d com 3000cc possui 282cv.

No caso dos motores de caminhões são usados em alguns modelos pesados motores a diesel V8. Também são produzidos caminhões com motores V6, entretanto a maioria é equipada com motor de seis cilindros em linha. O pouco uso dos motores em V nos caminhões se deve ao fato de que o comprimento dos motores de seis cilindros em linha não interfere no design e na aerodinamica.

Construção e funcionamento

Embora a construção de um motor em V seja um pouco mais complexa do que a de um motor em linha, os motores em V tem a vantagem de ser mais compactos, especialmente os motores com seis ou mais cilindros. No caso de motores de dois e quatro cilindros não há esta vantagem, uma vez que os motores de até quatro cilindros em linha não são demasiadamente longos.

O ângulo de abertura de V é um valor teórico que varia em função do número de cilindros. O ângulo de V ideal é aquele que permite que o inicio do ciclo de combustão em cada um dos cilindros ocorra em intervalos regulares (iguais). Motores com bastante cilindros podem ter mais de um ângulo ideal, entretanto motores com ângulo de V muito aberto tornam-se demasiadamente largos para a maioria das aplicações.

Os ângulos ideais são os seguintes:

• motor V6 e motor V12: 60°;
• motor V8: 90°;
• motor V10: 72° ou 144°;
• motor V16: 45°, 90° ou 135°

• Motor boxer: motor com os cilindros dispostos em ângulo de 180 graus.

O motor boxer é uma espécie de motor de combustão interna cujos pistões são contrapostos e trabalham paralelamente ao solo.

Os motores boxer têm os colos do virabrequim onde se ligam as bielas, distintos. Ao contrário de um motor em V que os colos são duplos e em cada colo vão 2 bielas (uma para cada lado com seu respectivo ângulo) os motores boxer trabalham de forma alternada, onde cada colo aloja uma única biela.

Uso em automóveis

• Alfa Romeo
  • Alfa Romeo Alfasud
  • Alfa Romeo Arna
  • Alfa Romeo 33
  • Alfa Romeo Sprint
  • Alfa Romeo 145
  • Alfa Romeo 146
• Citroen
  • Citroen 2cv;
  • Citroen Mehari;
  • Citroen Dyane;
  • Citroen Ami 6;
  • Citroen Visa Club;
• Volkswagen - é o fabricante de automóveis que produziu o maior volume de motores boxer, para os seguintes modelos:
  • Fusca/Carocha;
  • Brasília;
  • Kombi até 2000;
  • Variant/TL;
  • SP1/SP2;
  • Gol até 86.
• Porsche - vem utilizando esta configuração na maior parte dos automóveis produzidos, dentre eles podemos citar:
  • Porsche 356;
  • Porsche 911.
• Subaru - produz motores de 4 e de 6 cilíndros, denominados pela empresa "H4" e "H6" para diversos modelos dentre eles:
  • Subaru Alcyone SVX;
  • Subaru Impreza, inclusive no Mundial de Rali (WRC).
  • Subaru Legacy.
• Tatra - este fabricante da antiga Checoslováquia produziu diversos modelos com motor boxer.
• Gurgel - antigo fabricante brasileiro 2 cilindros:
  • BR-800;
  • Supermini.
• Ford - Inicialmente o motor adotado por esta empresa foi o Boxer de dois cilindros:
• Ford "Modelo A" (1903–1904).

Uso em Motocicletas

Os motores boxer são usados em motocicletas, principalmente nas de grande porte, com o "trem de força" montado longitudinalmente, ou seja: a transmissão da potência para a roda feita através de eixo cardã e motor montado com o virabrequim no sentido longitudinal.

Os seguintes fabricantes produzem motocicletas com motores boxer:

• BMW -
• Honda - modelo GL 1800 Gold Wing, motor de 6 cilíndos.

• Motor VR: é uma configuração intermediaria entre o motor em "V" e o motor em linha. Apresentam o ângulo de "V" muito estreito, com os cilindros quase em linha, e um único cabeçote para as duas linhas de cilindros.

• Motor em W: motor formado por três ou quatro linhas de cilindros.

Motor W é um motor constituído por duas bancas de motor tipo VR. O sistema VR originalmente foi desenvolvido pela Volkswagen, que queria um motor de 6 cilindros em um tamanho mais próximo possível de um 4 cilindros.¹

Um dos carros mais rápidos do mundo, o Bugatti Veyron, já tem essa tecnologia no motor, usando duas bancadas em W (VR8), totalizando quatro grupos de cilindros (W16).

• Motor em X: motor formado pela união de dois motores em V, voltados para lados opostos.

Em Engenharia Mecânica, motor em X é uma configuração de motor a explosão onde o motor possui quatro fileiras de cilindros com um único virabrequim.

Os motores em X são geralmente construídos a partir da união de dois motores em V, com o uso de um único virabrequim. Esta configuração tem como principal vantagem a possibilidade de compartilhar uma grande quantidade de componentes com os motores em V.

Utilização

Esta configuração é bastante incomum, sendo considerados o antecessores dos motores em estrela. Seu uso ocorreu principalmente em aviões, até a Segunda Guerra Mundial, quando passou a predominar o uso de motores radiais.

• Motor em H: motor formado a partir de dois motores boxer, um sobre o outro, com dois virabrequins.

Motor em H é um motor em que os cilindros estão dispostos de tal maneira que quando visto de frente, tem a aparência de uma letra H deitada.

Um motor em H pode ser entendido como sendo um unidade formada por dois motores boxer, sobrepostos. Os "dois motores" tem cada um o seu próprio virabrequim, que são ligados por engrenagens, de modo a trabalharem sincronizadamente. O fato de ter dois virabrequins contribui para que este tipo de motor tenha uma relação peso/potência pior do que outras configurações mais simples de motores. A única vantagem da configuração em H é permitir a construção de motores curtos com mais de doze cilindros. Isso é especialmente importante na construção de aviões, onde o seu tamanho compacto permite uma melhor aerodinâmica.

Motores com esta configuração foram usados na Fórmula 1 pela equipe BRM em 1966 e 1967. A motocicleta Brough Superior 1000cc Golden Dream apresentada no ano de 1938 usava motor H-4, mas poucas unidades foram de fato produzidas, no ano de 1939. Para uso aeronáutico foram produzidos motores em H de 16 e de 24 cilindros.

Os motores denominados H-4 e H-6, produzidos pela Subaru são na realidade motores boxer.

• Motor em U: motor formado pela união de dois motores em linha, com dois virabrequins.

Em Engenharia Mecânica, motor em U é uma configuração de motor a explosão onde o motor possui duas fileiras de cilindros paralelas, cada qual com um virabrequim.

Os motores em U são geralmente construídos a partir da união de dois motores em linha, com os virabrequins conectados por engrenagens ou correntes, na parte inferior. Esta configuração tem como principal vantagem a possibilidade de compartilhar uma grande quantidade de componentes com os motores em linha, contudo possui a desvantagem de serem mais pesados que os motores em V.

Variações

e o eixo de manivelas de um banco de cilindros e feito para girar no sentido oposto ao outro eixo o efeito giroscópio da rotação dos componentes se cancela. Esta solução contudo torna mais difícil a união da potência proveniente de cada um dos eixos de manivelas.

Nos motores Sulzer LDA, uma roda dentada em cada virabrequim transmite a potência a uma roda dentada um pouco menor no eixo de saída. O virabrequim gira a aproximadamente 750 RPM enquanto o eixo de saída de potência do motor gira a aproximadamente 1000 RPM. Isto permitiu o uso de geradores mais compactos, quando usado em locomotivas diesel-elétricas.

Motor quatro quadrado

Os "quatro quadrado" ou "square four" são motores em U com dois cilindros em cada linha de cilindros.

Esta configuração foi usada na motocicleta Ariel Square Four de 1931 até 1959.

Esta configuração foi utilizada novamente numa versão dois tempos de competição da Suzuki, e sua posterior versão de rua a Suzuki RG500. Apesar de algum sucesso das versões de competição, as versões de rua obtiveram pouco sucesso no mercado, sendo a versão descontinuada, em favor de motores de quatro tempos em linha.

Exemplos de uso

Motores a Gasolina

Um protótipo britânico de tanque pesado proposto em abril de 1916 utilizando um versão duplicada do Daimler 'Silent Knight' de 105 hp, no entanto este não era um verdadeiro motor em U. O tanque e o motor nunca foram produzidos.¹

O primeiro motor em U construído foi o 16 cilindros de 24.3 litros de cilindrada do Bugatti U-16, um motor aeronáutico projetado e patenteado por Ettore Bugatti em 1915-1916. Bugatti licenciou o projeto para a Duesenberg na América, que produziu cerca de 40, e Breguet da Franca, que construiu algumas unidades nos anos após o fim da Primeira Guerra Mundial. Posteriormente Bugatti usou a configuração no protótipo Bugatti Type 45 de 1928, mas somente dois foram produzidos.

A Matra desenvolveu um protótipo do Bagheera com motor de 2.6 L U8 produzido com dois motores de quatro cilindros em linha do Simca 1000 Rallye 2 conectados por correntes por volta de 1974. No entanto por causa da Crise do Petróleo de 1973 este carro nunca foi produzido.

Motores a Diesel

Vários tipos de motor diesel em U foram produzidos por companhias como Lister Blackstone⁵ e Sulzer Brothers Ltd. Um motor diesel de duas bancadas de cilindros para uso marítimo está descrito na patente americana 4167857.⁶ No entanto nenhuma aplicação de tal motor jamais foi relatada.

Sulzer Brothers desenvolveu um motor diesel para tração ferroviária com esta configuração, a série LD, na década de 1930, os quais permaneceram em produção por mais de cinco décadas. Divérsos tamanhos de cilindros foram produzídos, incluindo o 19 (diâmetro de 190 mm), 22 (diâmetro de 220 mm), 25 (diâmetro de 250 mm), 28 (diâmetro de 280 mm) e 31 (diâmetro de 310 mm). Os motores da série LD e posteriores, a série LDA, eram comumente encontrados nas configurações de 6 e 8 cilindros em linha e 12 cilindros em U. A configuração em U foi instalada em locomotivas que operam em diversos países, incluindo Grã-Bretanha, Bulgária, China, França, Polônia e Romênia. 

• Motor de pistões opostos: motor formado por um ou mais conjunto(s) de cilindros alinhados, contendo em cada um dois pistões, cada um ligado a um virabrequim diferente.

O motor de pistões opostos é uma configuração de motores de combustão interna, onde dois pistões estão alojados no interior de cada cilindro, transmitindo a força a dois virabrequins, situados nas extremidades do(s) cilindro(s). A disposição dos cilindros pode ser horizontal com os virabrequins situados nas laterais, ou vertical com um virabrequim localizado no cárter e outro localizado na parte de cima do motor, na posição que se encontra o cabeçote nos motores em linha.

Esta configuração de motor é freqüentemente encontrada em motores de dois tempos a diesel. A Detroit Diesel os produziu até 1998, quando passou a produzir somente motores diesel de quatro tempos.

O maior emprego de motores de pistões opostos se deu em locomotivas. A fabricante Faibanks-Morse introduziu este motor em toda sua gama de locomotivas diesel-elétricas.

Um exemplo de motor de pistões opostos. 1 Admissão de ar-combustível 2 Compressor 3 Coletor de admissão 4 Válvula limitadora de pressão 5 Cambota de saída (Funciona com um atraso de 20º em relação à outra, para alcançar um diagrama de controlo assimétrico) 6 Cambota de entrada 7 Cilindro com os orifícios de admissão e exaustão 8 Coletor de exaustão 9 Camisa de arrefecimento 10 vela Disponível também comanimação 

• Motor radial: motor com os cilindros dispostos em forma de estrela, em um mesmo plano.

Motores radiais, também chamados motores em estrela - são motores de combustão interna de simetria radial, com pistões dispostos em torno de um ponto central na árvore de manivelas. Esta configuração foi muito utilizada para mover as hélices de aeronaves.

Estes motores têm sido de utilização principalmente aeronáutica, sendo raros em outros tipos de veículos. Um exemplo de aplicação de um motor de 9 cilindros em estrela num veículo terrestre foi o tanque M4 Sherman. Um motor deste tipo foi utilizado na pouco convencional motocicleta Megola.

Também são utilizados em Dragas de extração de Areia e nos garimpos para extração de ouro.

• Motor giratório: motor com características parecidas com o motor radial, com a diferença que neste o virabrequim é fixo, e todas as demais peças do motor giram.

Motor Giratório é uma configuração de motores de combustão interna de simetria radial, onde a árvore de manivelas, permanece fixa e as demais partes do motor giram.

Esta configuração é semelhante ao motor radial, diferindo pelo fato que no motor radial os cilindros e as demais peças do motor permanecem fixas e a árvore de manivelas gira. Estes motores foram usados principalmente em aviões, no período que antecedeu a Primeira Guerra Mundial.

No início dos anos 20 do século XX, os motores giratórios tornaram-se obsoletos, principalmente devido ao baixo torque de saída, consequência da forma de trabalho do motor. Também estava limitado pela forma de aspiração da mistura ar-combustível, através do cárter seco, que afetava diretamente seu rendimento volumétrico. Por outro lado, em seu tempo, foi uma solução muito eficiente para os problemas de peso, potência e confiabilidade.

• Motor Wankel.

Motor Wankel - é um tipo de motor de combustão interna, inventado por Felix Wankel, que utiliza rotores com formato semelhante ao de um triângulo em vez dos pistões dos motores alternativos convencionais.

Wankel concebeu seu motor rotativo por volta de 1924 e obtém sua primeira carta patente em 1933. Durante a década de 1940, dedicou-se a melhorar o seu projeto. Houve um esforço considerável no desenvolvimento de motores rotativos nas décadas de 1950 e 1960. Eram particularmente interessantes por funcionar de um modo suave e silencioso, devido à simplicidade de seu motor e a um número reduzido de peças, comparado com os motores a pistão.

Diferentemente dos motores com cilindro e pistão, o motor Wankel não utiliza o princípio da biela e manivela. Ele não produz nenhum movimento alternativo, por isso tem um funcionamento mais suave, com menos atrito, menos vibração e mais silencioso. O conjunto inclui também um número reduzido de peças. Estas vantagens o tornam uma atraente solução técnica que encontra uma vasta gama de aplicações em todas as áreas de transportes (carros, motocicletas e aeronaves). As maiores dificuldades em sua aplicação em larga escala são a vedação interna entre as câmaras, baixa durabilidade e alto consumo de combustível, porém vem sendo aprimorado devido aos recursos do controle eletrônico e novas tecnologias de fabricação. Em 2009, no setor automobilístico, a Mazda era o único fabricante que ainda incorporava esses motores em seus veículos.

Em 22 de junho de 2012, a Mazda fabricou seu último motor Wankel, portanto, o motor parou de ser fabricado permanentemente, já que a Mazda era a única fabricante que o usava.

• Motor de Pistão Livre

O motor de pistões livres é uma variação interessante no motor de pistões opostos e foi patenteado em 1934 por Raúl Pateras de Pescara. Não tem nenhum eixo de manivela e os pistões são retornados após cada curso do acendimento pela compressão e pela expansão do ar em um cilindro separado. As aplicações adiantadas eram para o uso como um compressor de ar ou como um gerador do gás para uma turbina de gás. Há agora um interesse renovado nele para veículos usando o um alternador linear, por possuir pouco peso em relação a potência gerada.

Atualmente encontra-se sendo fabricado pela empresa Dyna-Cam, para uso aeronáutico e está homologado para instalação em aeronaves. A versão aeronáutica da Dyna-Cam possui doze cilindros de 82,55 mm, com curso de 95,25 mm, taxa de compressão de 8:1, comprimento 1.016mm, diametro 330mm, peso 136kgf (seco), com potência de 250 HP a 2.000 RPM versão turbo (em sua versão carburada 200 HP). Consumo cruzeiro de 8,5 Gal/h a 1.700 RPM (30,6 litros/h)

Os motores foram inventados pelos alemãs e irmãos Blesser, no incio da década de trinta, do século passado. A patente hoje pertence a familia americana Palmer, dona da Dyna-Cam.

("Amazine New Lightweight Turbine Engine" was the cover story in the February 1969 issue of Mechanix Illustrated magazine. It was actually a free-piston engine, not a turbine, and was used to power a go-cart.) (traducao livre do editor)

("Revista Skydive" ano 2, nº 9, ano 1995, página 44.)

• Motor de Ciclo Híbrido