Como as pressões podem influenciar no torque do motor

Quando dizemos que um motor tem potência de 200 cavalos e um torque de 20 Kgf.m, dados facilmente encontrados em sites com informações técnicas sobre automóveis, estes valores estão associados com uma determinada rotação do motor, assim sendo um motor aspirado de 20 kgf.m de torque não vai fornecer essa força em qualquer regime de rotação.

Eficiência volumétrica

Em rotações menores do motor como regime de marcha lenta, rotação esta que é suficiente para vencer as resistências mecânicas e manter o motor em funcionamento com o veiculo estático, o fluxo de ar no motor tem baixa energia cinética, com velocidades do ar subsônicas, quando o número de Mach é menor que 1 ( Mach<1). Por estas razões é mais difícil preencher o cilindro 100%, sendo assim a eficiência volumétrica do cilindro é baixa em rotações menores para motores aspirados, portanto o torque do motor nestas condições é menor.  Quanto mais ar dentro do motor, maior será o torque, desta forma à medida que a rotação do motor vai aumentando, como consequência terá maior volume de ar, ou seja, mais carga de ar no motor, com isso o enchimento do cilindro será mais eficiente, e como consequência teremos um torque maior, até que ele atinge seu ponto máximo de torque.  À medida que o fluxo de ar vai aumentando dentro do motor, o torque atingirá o pico máximo, e mesmo que a rotação aumente mais o torque não irá mais subir, este efeito ocorre devido às perdas de carga de ar, em regimes de altas rotações as válvulas de admissão e escape abrem e fecham muito rapidamente, dificultando a passagem de ar e assim sendo afetando o aumento de torque.  A curva de torque não é somente determinada pela eficiência volumétrica, temos outras eficiências que cooperam para tal objetivo, como eficiência térmica e eficiência mecânica.

Eficiência térmica

Com baixas rotações do motor, a velocidade de combustão é menor, assim a troca de calor do motor com o sistema de arrefecimento mantém o motor mais frio, logo em condições de altas rotações a troca de calor do motor é menor, favorecendo as condições de torque. 

Eficiência mecânica

Em contrapartida da eficiência térmica, altas rotações do motor podem vir a danificar as estruturas mecânicas do motor, devido ao aumento do atrito, sendo assim para todo objetivo de torque e potência do motor, tudo deve ser alinhado e trabalhado dentro dos parâmetros de segurança. Se o objetivo é torque, os elementos mecânicos devem ser suportados para tal carga, o óleo deve atender à viscosidade para tal condição, assim como as resistências mecânicas.

Massa específica dor ar

A massa específica do ar é medida geralmente em g/m³, o ar é composto por nitrogênio, oxigênio como principais gases e 1% de outros gases. O ar seco a nivel do mar, com pressão de 1 atmosfera e 15ºC, tem peso de 1225 Kg/m³, porém esse valor se altera conforme mudanças de temperatura e altitude.

Massa específica da gasolina E25

Sua massa específica é de 715 Kg/m³ a 20°C, sua composição é adicionada etanol anidro, fórmula química C8H18.

Massa específica do etanol

Sua massa específica é de 789 Kg/m³, também conhecido com álcool etílico, fórmula química C2H6O.
Cilindrada do motor - A cilindrado do motor é medida em litros, podemos dizer que um motor 2.0 de quatro cilindros é um motor de 2 litros, em que para cada cilindro temos 500 ml, para cálculos essa medida é usada em metros cúbicos m³, então um motor de 2 litros é 0,002 m³.

Relação ar/combustível

A relação ar/combustível é a proporção da massa de específica do ar em razão da massa específica do combustível, podemos verificar a relação A/f.

Poder calorífico do combustível

O poder calorífico do combustível é a quantidade de energia armazenada na substância do mesmo, quanto mais alto o poder calorífico do combustível maior será a energia emitida por ele, sua unidade de medida é em KJ/Kg,

As variáveis para trabalhar as condições de torque são:
Onde: T.e = (E.f).(E.v).(M.ar).(C.m).(A/f).(P.c.c) – At / 4π
T.e = Torque no eixo virabrequim
E.f = Eficiência térmica 
M.ar = Massa específica do ar
C.m = Cilindrada do motor
A/f = Relação ar/combustível 
P.c.c = Poder calorífico do combustível
At = Atrito do motor

Pressões atuantes no cilindro do motor

Durante a combustão do motor as pressões variam de acordo com o movimento rotacional do eixo de comando de válvulas e do movimento retilíneo do pistão. Temos alguns tipos de pressões atuantes no motor, são elas:

• 1. Pressão de compressão;
• 2. Pressão de combustão;
• 3. Pressão de admissão;
• 4. Pressão de exaustão.

Pressão de compressão

Esta pressão é encontrada dentro do cilindro do motor quando o pistão está em PMS (Ponto morto superior), comprimindo o ar sem o efeito da combustão.  A medição desta pressão pode ser realizada retirando uma vela de ignição e instalando um manômetro ou transdutor no orifício da vela, pressões estas podem variar de 10 a 16 Bar. Desligando a bobina de ignição, e aplicando partida no motor será possível medir a pressão de compressão. Os valores de compressão obtidos em um motor dentro do especificado garantem uma boa vedação dos elementos mecânicos. Baixa compressão do motor pode gerar consumo de óleo lubrificante, perda de potência, marcha lenta instável, difícil partida do motor, vela de ignição carbonizada. 

Pressão de combustão

Quando o pistão está comprimindo o ar partindo de PMI para PMS, o avanço de ignição irá atuar no melhor ponto para buscar o melhor torque do cilindro, quando o pistão está próximo do PMS, a pressão de compressão sem o disparo de ignição pode estar na casa dos 6 a 8 Bar de compressão em condições de marcha lenta, quando a centelha inflama a mistura ar/combustível, a pressão de combustão pode alcançar valores de 40 a 60 Bar de pressão, atingindo temperaturas de 2000 °C a 2400°C. 

Pressão de admissão

A pressão de admissão é a pressão do ar que irá entrar dentro do cilindro no momento da abertura da válvula de admissão. A pressão de admissão pode ser obtida com um sensor MAP ou um transdutor de pressão, sua pressão varia entre 0,3 e 0,5 Bar, esta pressão determina a carga do motor, e através destes parâmetros será determinada a injeção de combustível. A pressão atmosférica a nivel do mar sabemos que está em 1 Bar ou 1 ATM. Um motor com a borboleta máxima aberta irá ter 1 Bar de pressão de admissão, logo em um motor em regime de marcha lenta, o corpo de borboleta irá fechar praticamente mais de 90%, restringindo a pressão do ar atmosférico, logo as movimentações dos pistões geram vácuo, e isso faz com que a pressão do coletor de admissão trabalhe em regime de pressão abaixo da atmosfera, entre 0,3 a 0,5 Bar, esta diferença de pressão ajuda na velocidade do ar dentro do motor.

Pressão de escapamento

A pressão de descarga é a pressão do gás da combustão no final da exaustão, quando a válvula de escape se abre o gás flui pelos dutos de escape até a atmosfera novamente, esta pressão é de 1 bar até 2 Bar com o cilindro em combustão. Pressões acima destes valores caracterizam uma obstrução do catalisador, afetando assim o torque do motor. Ferramentas como transdutores podem observar estes fenômenos de obstrução dos gases, para isso deve se aplicar a ferramenta no local da vela de ignição para realizar a leitura das pressões, esta análise deve ser realizada com o motor apenas em regime de compressão sem combustão.