O motor a pistão aproveita a energia da queima do combustível no interior de um cilindro, onde os gases da combustão impulsionam um pistão. O movimento do pistão é transformado em movimento de rotação através de uma biela acoplada a um eixo de manivelas. O motor funciona através da sucessão de impulsos sobre o pistão. O eixo de manivela também é chamado de virabrequim.
O motor a pistão é usado praticamente em todos os aviões de pequeno porte.
Durante seu movimento no interior do cilindro, o pistão, atinge dois pontos extremos que são o Ponto Morto Alto (PMA) e o Ponto Morto Baixo (PMB). A distância entre os dois pontos mortos chama-se curso.
Existem dois tipos de motores a pistão. Os motores a quatro tempos e os motores a dois tempos.
O motor a quatro tempos
O motor a pistão não parte por si só. É preciso girá-lo algumas vezes até ocorrer a primeira combustão no cilindro. O funcionamento do motor ocorre através da repetição de ciclos.
Um ciclo é formado pela sequência de quatro etapas denominadas tempos, durante os quais ocorrem as chamadas seis fases.
Os quatro tempos do motor são:
Primeiro tempo: Admissão
O primeiro tempo chama-se admissão e corresponde ao movimento do pistão do PMA para o PMB com a válvula de admissão aberta. Nesse tempo, ocorre a primeira fase que chama-se também admissão, porque o pistão aspira a mistura ar/combustível para dentro do cilindro. Quando o pistão chega ao PMB, a válvula de admissão se fecha e a mistura dica presa dentro do cilindro.
O mecanismo que abre e fecha as válvulas chama-se sistema de comando de valvular.
Segundo tempo: Compressão
O segundo tempo chama-se compressão e corresponde ao movimento do pistão do PMB para o PMA com as duas válvulas fechadas. Neste tempo, ocorre a segunda fase, que chama-se também compressão, porque o pistão comprime a mistura ar/combustível que ficou pre3sa dentro do cilindro. Essa fase de compressão é importante pois sem a mesma a combustão produziria pouca potência mecânica e a energia do combustível perder-se-ia sob forma de calor.
Terceiro tempo: Tempo motor
Antes do terceiro tempo ocorre a terceira fase, denominada ignição, quando a vela produz uma faísca, dando início a quarta fase, que é a combustão. O terceiro tempo, o tempo motor, corresponde a descida do pistão do PMA para o PMB, provocada pela forte pressão dos gases queimados que se expandem. Essa é a quinta fase de funcionamento do motor, e chama-se expansão. O motor pode agora funcionar sozinho, pois o impulso dado a hélice é suficiente para mantê-lo girando até a próxima combustão.
Quarto tempo: Escapamento
O quarto tempo chama-se escapamento, escape ou exaustão, e corresponde a subida do pistão do PMB para o PMA com a válvula de escamento aberta. Nesse tempo ocorre a sexta faz, que se chama também escapamento, porque os gases queimados são expulsos do cilindro pelo pistão. Quando este chega ao PMA, a válvula de escapamento se fecha, encerrando o primeiro ciclo, e então tudo se repete na mesma sequência.
O tempo é o conjunto das fases que ocorrem quando o pistão percorre um curso.
O ciclo Otto, como também é chamado o ciclo de quatro tempos, é completado em quatro tempos ou em duas voltas do eixo de manivela (giro de 720°), durante os quais o pistão recebe apenas um impulso motor. O motor permanece girando durante os demais tempos devido a inércia das peças girantes, principalmente a hélice. Os motores possuem quatro ou mais cilindros, e as combustões ocorrem em instantes diferentes, de modo a se auxiliarem mutuamente.
O quadro abaixo mostra, em resumo, o funcionamento básico do motor a quatro tempos.
Na pratica essas seis fases não correspondem exatamente aos quatro tempos como indicado no quadro, porque o ciclo teórico sofre modificações que levam em consideração alguns fatores como:
- A combustão real não é instantânea, e as válvulas não se abrem nem se fecham instantaneamente.
- As válvulas e as tubulações oferecem resistência passagem da mistura e dos gases queimados.
- A mistura e os gases queimados possuem inércia, havendo, portanto, um retardo no início e no termino do fluxo.
Existem determinadas modificações no ciclo a quatro tempos, feitas experimentalmente pelo fabricante do motor, para se obter a máxima eficiência durante o funcionamento minimizando assim o efeito citados anteriormente. As principais modificações são:
- Avanço na abertura da válvula de admissão;
- Atraso no fechamento da válvula de admissão;
- Avanço na ignição;
- Avanço na abertura da válvula de escapamento;
- Atraso no fechamento da válvula de escapamento.
Essas modificações são feitas para as condições de voo em cruzeiro. Pois as demais condições como marcha lenta, pouso e decolagem são transitórias e admite-se uma eficiência não ideal.
O avanço na ignição é alterado durante a partida do motor, atrás de um retardo introduzido automaticamente.
Modificações nos tempos de admissão
Essas modificações tem a finalidade de aumentar a carga combustível admitida no cilindro. São duas as modificações.
Avanço na abertura da válvula de admissão
O avanço na abertura da válvula de admissão é antecipado para que ela esteja totalmente aberta quando o pistão atingir o PMA. Esse avanço é medido em graus em relação ao moente do eixo de manivelas.
Atraso no fechamento da válvula de admissão
A válvula de admissão é fechada um pouco depois do pistão ter atingido o PMB. Isso é vantajoso porque permite a mistura continuar entrando no cilindro devido a inercia da mistura que e encontra ainda no tudo de admissão.
Modificações no ponto de ignição
A ignição deve ocorrer antes do PMA, porque a mistura leva certo tempo para se queimar. Portanto a combustão do motor real inicia-se no segundo tempo e termina no terceiro. Como a velocidade da combustão é constante, o avanço de ignição deve ser tanto maior quanto maior a velocidade de rotação do motor.
Modificações nos tempos de escapamento
Essas modificações tem a finalidade de eliminar os gases queimado da maneira mais completa possível. São duas modificações.
Avanço na abertura da válvula de escapamento
A válvula de escapamento é aberta antes do pistão atingir o PMB, para que os gases comecem logo a escapar e não exerçam muita oposição quando o pistão iniciar o curso ascendente logo a seguir.
Atraso no fechamento da válvula de escapamento
No final do escapamento, os gases queimados continuam a sair mesmo quando o pistão chega ao PMA, devido a inercia. O atraso no fechamento da válvula tem a finalidade de aproveitar esse fato, para melhorar a expulsão dos gases.
Cruzamento de valvular
Devido ao avanço na abertura da válvula de admissão e o atraso no fechamento da válvula de escapamento há um momento em que as duas válvulas ficam abertas simultaneamente. O nome dessa situação é cruzamento de válvulas.
O cruzamento favorece o funcionamento do motor em voo de cruzeiro, embora possa prejudicá-lo em outras condições.
Motor a dois tempos
O motor a dois tempos recebe esse nome porque seu ciclo é constituído por apenas dois tempos. Mecanicamente, ele é bastante simples e tem poucas peças móveis. O próprio pistão funciona como válvula deslizante, abrindo e fechando janelas ou luzes por onde a mistura é admitida e os gases queimados são expulsos.
Primeiro tempo
Admitindo que o motor já esteja em funcionamento, o pistão sobe, comprimindo a mistura no cilindro e produzindo uma rarefação no cárter. Aproximando-se o PMA, dá-se a ignição e a combustão da mistura. Ao mesmo tempo, dá-se a admissão da mistura nova no cárter, devido a rarefação que se formou durante a subida do pistão.
Segundo tempo
Nesse tempo, os gases da combustão se expandem, fazendo o pistão desce, comprimindo a mistura no cárter. Aproximando-se o PMB, o pistão abre a janela de escapamento, permitindo a saída dos gases queimados. Em seguida abre-se a janela de transferência, e a mistura comprimida no cárter invade o cilindro, expulsando os gases queimados.
Durante o ciclo de dois tempos ocorrem também seis fases, das quais quatro (admissão, compressão. Ignição e combustão) ocorrem no primeiro tempo e duas (expansão e escapamento) no segundo tempo.
O motor a dois tempos tem a vantagem de ser mais simples, mais leve e mais potente que o motor a quatro tempos, porque produz um tempo motor em cada volta do eixo de manivelas. Além disso seu custo é menor por isso é muito utilizado em aviões ultraleves e autogiros. Porém não é usado na aviação geral pois é pouco econômico, pois parte da mistura admitida no cilindro foge juntamente com os gases queimados. Após o escapamento, uma parte dos gases queimados permanece no cilindro, contaminando a mistura nova. O motor a dois tempos se aquece muito, porque as combustões ocorrem com maior frequência. A lubrificação é imperfeita, porque é preciso faze-la através do óleo diluído no combustível. E menos flexível do que o motor a quatro tempo, isto é, a sua eficiência diminui mais acentuadamente quando variam as condições de rotação, altitude, temperatura etc