Motor de combustão interna: como funciona
Um motor de combustão interna queima combustível dentro de um cilindro fechado e usa a pressão dos gases quentes para empurrar um pistão. O pistão desce, gira um eixo, e esse giro chega às rodas. Num carro comum isso acontece dezenas de vezes por segundo em cada cilindro, e um bom motor a gasolina de produção transforma em trabalho perto de 40% da energia do combustível.
Este artigo explica como funciona o motor de combustão interna, com os quatro tempos, a fórmula do rendimento e as contas feitas com a ficha técnica de um motor 1.0 turbo vendido no Brasil. As fontes são o Departamento de Energia dos EUA, a NASA, o MIT, a Toyota, a Volkswagen e o Ministério de Minas e Energia.
Os quatro tempos
O ciclo tem quatro processos: admissão, compressão, combustão com expansão e escape, segundo o Departamento de Energia dos EUA. O motor é chamado de quatro tempos porque o pistão faz quatro movimentos em cada ciclo, na explicação da NASA:
- Admissão. O pistão desce com a válvula de admissão aberta e o cilindro se enche de ar já misturado ao combustível. Nos motores de injeção direta, como o do exemplo abaixo, entra só ar, e o combustível é injetado dentro do cilindro.
- Compressão. As válvulas se fecham e o pistão sobe, espremendo a mistura num espaço várias vezes menor.
- Combustão e expansão. A vela solta a faísca, a mistura queima, a pressão dispara e empurra o pistão para baixo. É o único tempo que produz trabalho.
- Escape. O pistão sobe de novo com a válvula de escape aberta e expulsa os gases queimados.
Cada tempo é meio giro do virabrequim, o eixo que transforma o vaivém do pistão em rotação. Quatro tempos somam duas voltas completas. Por isso cada cilindro só produz força uma vez a cada duas voltas, e os motores têm vários cilindros defasados entre si para a entrega ficar contínua.
O ciclo leva o nome do alemão Nikolaus Otto, que o desenvolveu em 1876, segundo a NASA.
As contas de um motor 1.0 turbo
A ficha técnica do Volkswagen Virtus 200 TSI dá os dados de um motor comum nas ruas brasileiras:
| Item | Valor |
|---|---|
| Cilindros | 3 em linha, 4 válvulas por cilindro |
| Cilindrada | 999 cm³ |
| Diâmetro × curso do pistão | 74,5 × 76,4 mm |
| Taxa de compressão | 10,5:1 |
| Potência com gasolina (E22, ficha de 2018) | 85 kW (116 cv) a 5.500 rpm |
| Potência com etanol | 94 kW (128 cv) a 5.500 rpm |
| Torque | 200 Nm de 2.000 a 3.500 rpm |
A cilindrada. É o volume que os pistões varrem. Para cada cilindro, é a área do círculo vezes o curso: π ÷ 4 × 7,45² × 7,64 ≈ 333 cm³. Com três cilindros: 3 × 333 ≈ 999 cm³, o “1.0” do nome.
Quantas explosões por segundo. A 5.500 rpm, cada cilindro queima uma vez a cada duas voltas: 5.500 ÷ 2 = 2.750 combustões por minuto, ou 45,8 por segundo. Nos três cilindros, são 45,8 × 3 ≈ 138 combustões por segundo.
A velocidade do pistão. A cada volta o pistão sobe e desce, andando duas vezes o curso. A 5.500 rpm: 2 × 0,0764 m × 5.500 ÷ 60 ≈ 14 m/s de velocidade média, cerca de 50 km/h (o pico é maior), parando e invertendo o sentido 183 vezes por segundo.
Torque e potência. Potência é torque vezes velocidade de giro: P = T × 2π × rpm ÷ 60. A 3.500 rpm, com 200 Nm: 200 × 2π × 3.500 ÷ 60 ≈ 73,3 kW. A 5.500 rpm, os 85 kW correspondem a um torque de 85.000 ÷ (2π × 5.500 ÷ 60) ≈ 148 Nm. O torque já caiu, mas o motor gira mais rápido, e a potência é maior. A grandeza em si está explicada em o que é torque.
Por que a taxa de compressão manda no rendimento
A taxa de compressão é a razão entre o volume do cilindro com o pistão embaixo e com o pistão em cima. Em 10,5:1, a mistura é espremida até ocupar menos de um décimo do volume inicial.
Para o ciclo ideal, o rendimento depende só dessa taxa, segundo as notas de termodinâmica do MIT:
η = 1 − 1 ÷ r(γ − 1)
em que r é a taxa de compressão e γ é uma propriedade do gás, igual a 1,4 para o ar. As contas, feitas por nós:
- r = 8: η = 1 − 1 ÷ 80,4 ≈ 56%
- r = 10,5: η = 1 − 1 ÷ 10,50,4 ≈ 61%
- r = 13: η = 1 − 1 ÷ 130,4 ≈ 64%
Quanto mais se comprime, mais trabalho se tira da mesma quantidade de combustível. O limite, nas mesmas notas do MIT, é que a temperatura no fim da compressão também sobe com a taxa. Passado um ponto, parte da mistura se inflama sozinha, fora do momento certo, a chamada detonação, que danifica o motor.
Do ideal ao real
O ciclo ideal não tem atrito, perda de calor pelas paredes nem combustão incompleta. O motor de verdade tem tudo isso. A Toyota anunciou, para o seu motor 2.0 de taxa de compressão 13, rendimento térmico de 40% (41% na versão híbrida, com taxa 14), e apresentou esses números, em fevereiro de 2018, como líderes mundiais, segundo a página técnica da empresa. Há anúncios mais recentes de outros fabricantes com números maiores, que não conferimos em fonte primária.
O ideal com ar puro, para r = 13, seria 64%. Com as propriedades reais dos gases quentes (γ perto de 1,3, premissa nossa), a mesma fórmula já cai para 1 − 1 ÷ 130,3 ≈ 54%, e o motor entrega 40%. Os outros 60% se perdem, quase tudo como calor, no escapamento, no radiador e no atrito. Num carro, ainda há perdas no câmbio e nos acessórios antes de a força chegar à roda. Esse desperdício é a principal razão técnica do avanço dos carros elétricos, cujo funcionamento está em o princípio de funcionamento dos motores elétricos.
Gasolina, etanol e diesel
No motor de ignição por faísca, o combustível é misturado ao ar, a mistura é comprimida e a vela a inflama, segundo o Departamento de Energia. É o caso da gasolina e do etanol. No Brasil, a gasolina comum já leva etanol: desde 1º de agosto de 2025 a mistura é de 30% de etanol anidro, o E30, segundo o Ministério de Minas e Energia.
A ficha do motor acima mostra o efeito do combustível: 94 kW com etanol contra 85 kW com gasolina, 94 ÷ 85 ≈ 1,11, ou 11% a mais de potência no mesmo motor. O etanol resiste melhor à detonação, o que permite ignição mais adiantada e mais pressão em alta rotação; o torque máximo é o mesmo com os dois combustíveis.
No motor a diesel não há vela. Só ar entra no cilindro e é comprimido; o combustível é injetado no ar quente e se inflama sozinho, na descrição do Departamento de Energia. Como só ar é comprimido, não há risco de o combustível queimar antes da hora, e o ciclo pode trabalhar com taxa de compressão maior que a do motor a gasolina, segundo o MIT. Taxa maior, rendimento maior: é uma das origens da economia do diesel.
Perguntas frequentes
O que é um motor de combustão interna?
É o motor em que o combustível queima dentro do próprio cilindro, e a pressão dos gases move o pistão. Na combustão externa, como na máquina a vapor, a queima acontece fora e aquece outro fluido.
Quais são os quatro tempos do motor?
Admissão, compressão, combustão com expansão e escape. Cada um é meio giro do virabrequim, e o ciclo completo leva duas voltas.
O que significa motor 1.0?
Que a soma do volume varrido por todos os pistões é de cerca de 1 litro, ou 1.000 cm³.
Qual é o rendimento de um motor a gasolina?
Um bom motor de produção fica perto de 40% de rendimento térmico. O restante da energia do combustível se perde, quase tudo como calor.
Por que o motor a diesel não tem vela?
Porque o ar é comprimido até ficar quente o bastante para inflamar o diesel no momento em que ele é injetado.
O que é taxa de compressão?
É quantas vezes a mistura é comprimida dentro do cilindro. Em 10,5:1, o volume cai para menos de um décimo.
O motor de combustão interna é uma máquina de quatro movimentos repetidos dezenas de vezes por segundo, e o seu rendimento é limitado pela taxa de compressão e pelo calor que escapa. Com a ficha técnica de qualquer carro, dá para refazer as contas deste artigo. Outras tecnologias de propulsão estão em como funciona a célula de combustível, e a origem de tudo, em o primeiro carro da história. Mais mecanismos com a conta feita estão em como funciona a engenharia.
