Por que um motor parar? (transmissão manual)

Antes de escrever minha pergunta como uma que já foi respondida um milhão de vezes, quero esclarecer. Eu entendo que o motor precisa de uma certa rpm e quando você tenta engatar a embreagem de uma vez só, o motor não tem potência suficiente para mover o veículo naquela rpm e então o motor trava. Minha pergunta é: POR QUE o mecanismo precisa rodar a uma rotação mínima? Para esclarecer, há dois cenários específicos que quero discutir:

1.) Diga que você está indo do ponto final para o 1º. Você engata a embreagem muito rapidamente; o motor tenta mover o veículo, forçando o rpms a cair muito baixo, o que faz com que o carro pare. Por que os motores não podem ser projetados com rpm tão baixo que não equivale a um motor parado? Isso ocorre porque o motor vai superaquecer e isso serve como uma medida de proteção?

2.) Digamos que você está indo a 70 mph e, em seguida, você abrandar a 20 mph, enquanto ainda está na quinta marcha. Nessa situação (eu nunca fiz isso, mas estou apenas supondo), o motor provavelmente vai parar porque o motor quer ir a uma determinada rpm, mas na quinta marcha o motor precisa ir mais devagar do que a sua rotação mínima e o motor não tem energia suficiente para acelerar o carro. Isso está correto?

Obrigado pela vossa ajuda pessoal! Eu só estou aprendendo a dirigir pau, e eu quero entender como tudo funciona sob o capô também :)

O que vem a baixo é que existem trade offs. No caso do motor, é a saída de torque e a massa giratória versus a velocidade do motor ... continue lendo.

Primeiro, não é o poder que é necessário, mas o torque para manter um motor funcionando. Nos primeiros dias dos motores, cada um tinha um cilindro e não funcionava muito rápido. Para mantê-lo funcionando, tinha um volante muito grande preso a ele. Uma vez que o motor estava funcionando, ele continuou rodando porque há uma pequena declaração física que diz algo como "massa em movimento tende a permanecer em movimento" e, inversamente, "massa em repouso tende a ficar em repouso". O volante fornece a massa da qual estou falando.

( NOTA: Este é um motor a vapor monocilíndrico, mas o mesmo princípio se aplica.)

(Este motor monocilíndrico a gás tem duas massas volantes, uma de cada lado.)

Os motores de hoje não são diferentes dos antigos. Eles ainda exigem que a massa continue correndo. Sem algum tipo de volante, eles vão parar de correr. Uma transmissão manual tem um volante regular, que é a massa do seu motor. Uma transmissão automática tem um conversor de torque, que é a massa do seu motor. Sem isso, o motor vai morrer porque não há massa suficiente para mantê-lo entre as queimas do pistão. A massa do volante fornece o torque necessário para mantê-lo funcionando.

Mesmo com isso em mente, para manter um motor funcionando em velocidades mais baixas, é necessário que o motor produza mais torque. Pense em uma grande embarcação oceânica com um motor a diesel. O Wartsila-Sulzer RTA96-C é supostamente o maior motor a diesel do mundo. Ele funciona, cheio, a 127 rpm (que normalmente é 1/7 da velocidade do seu motor de carro médio). Como ele fica correndo nessa velocidade? Dois motivos: massa e torque. A massa total do motor é enorme ... eles não anunciam diretamente o que é a massa giratória (virabrequim, volantes, etc) do motor, mas se você olhar para o vídeo, você verá do que estou falando. A segunda parte é o torque. Eles anunciam que a saída KW para seu motor de 14 cilindros @ 127rpm é 80.080 KW. Se você executar isso através de alguns cálculos, 80.080 KW converte para 107,389.03 cavalos de potência, que no RPM determinado é 4,441,001.46 ft lbs de torque. Seu carro padrão de quatro cilindros é colocado na vizinhança de 150-180 pés de torque máximo, ou seja, a uma rotação muito mais alta, digamos entre 2500-6000. ( NOTA:Alguns motores de 4 cilindros podem ultrapassar isso, digamos, cerca de 300 ft lbs ou até mais. Eu estou apenas usando os números como uma diretriz geral.) É preciso uma quantidade mínima de torque para manter o motor funcionando. Eu nem acho que Jay Leno pensaria em colocar um motor Wartsila em um carro (embora aposto que isso não o impede de pensar no motor, lol).

A massa do volante só pode fazer muito. Assim que o virabrequim atingir um limiar baixo de rpm, o motor irá parar de funcionar. Quando um motor fica abaixo desse limite e tenta continuar a funcionar, uma grande quantidade de tensão é colocada sobre os componentes internos do motor. Pense no objeto imóvel (pistões e hastes) encontrando a força irresistível (a mistura ar / combustível explodindo). Quando o motor desacelera o suficiente, sua massa (assim como a massa do carro) atinge o ponto em que ele quer descansar (a outra extremidade do movimento de massa em movimento). Algo tem que dar e isso dá geralmente vem ao custo de pistão / vara. Quando você diminui a velocidade de um veículo enquanto mantém a transmissão em 5ª marcha, você fará o que é chamado de arrastar o motor. Você começará a sentir o motor sacudindo fortemente até parar de funcionar. Este sentimento repugnante é o que eu estava falando quando eu disse que seu motor vai começar a experimentar estresse extremo. Se isso for feito por tempo suficiente, o motor pode sofrer estresse suficiente para causar uma falha catastrófica. Mesmo feito por curto período de tempo pode ocorrer dano.

Portanto, o resultado final é que um mecanismo exige muita saída de torque para mantê-lo funcionando. À medida que o motor desacelera, esse requisito de torque sobe para mantê-lo funcionando. Em algum momento, um pequeno motor simplesmente não tem a massa necessária, nem pode produzir o torque necessário para mantê-lo funcionando.

O motor é otimizado para ser eficiente em altas rotações ou em baixas rotações (motor de corrida ou misturador de cimento, respectivamente), mas não pode ser eficiente em todas as velocidades possíveis, então cabe ao motorista escolher a melhor velocidade e velocidade as capacidades do motor que ele possui, ou seja, mantenha-o girando a uma rpm apropriada para a velocidade / torque exigida daquele tipo de motor.

Há um par de problemas com a tentativa de executar um motor de combustão interna lentamente.

Em um motor de combustão interna de quatro tempos, o cilindro passa por quatro batidas.

Suck-Squeeze-Bang-Blow

Somente no curso "Bang" o cilindro produz torque. Durante os outros golpes, especialmente o golpe de compressão e as transições entre os golpes, o cilindro consome torque. Se tivermos quatro cilindros ou menos, precisamos contar com a inércia para manter o motor girando. Abaixo de uma certa velocidade, isso não funcionará e o motor irá parar.

Se tivermos mais de quatro cilindros, evitamos esse problema. Há sempre pelo menos um cilindro no curso "Bang", mas temos outro problema.

Para que o motor forneça força em geral, os cilindros no curso "estrondo" devem fornecer mais força do que os cilindros consumidos no curso de compressão. Grande parte dessa força é gerada pela expansão térmica dos gases, mas a expansão térmica é um processo temporário. À medida que os gases nos cilindros "bang" se resfriam, eles não serão mais capazes de fornecer força suficiente para superar a força dos cilindros de "compressão" e do atrito no motor.

Motores a vapor são um assunto diferente. Combustão e geração de vapor são processos contínuos independentes da velocidade de rotação. Assim, desde que o motor tenha cilindros suficientes, ele pode produzir torque em velocidade zero em qualquer posição.