Como funciona o motor a diesel e suas vantagens

O motor de combustão interna é uma máquina que obtém energia mecânica diretamente do consumo de energia química de combustível queimado em uma câmara de combustão, que é uma parte integral de um motor.

Em 1867, na Alemanha, foi desenvolvido o motor Otto com pistão livre, por Nicolaus August Otto (1832-1891) e Eugen Langen (1833-1895), baseado na queima de uma mistura de ar e combustível por uma chama de gás dentro de um cilindro. Tal motor atingia uma eficiência térmica de 11%. Após evoluções no aspecto funcional visando maior eficiência térmica, Otto, em 1876, conseguiu desenvolver o motor baseado nos quatro tempos – admissão, compressão, expansão ou potência e descarga. Foi obtido um motor com peso e volume reduzidos e grande eficiência térmica. Este foi o avanço que efetivamente fundou a indústria de motores de combustão interna levando aos atuais motores movidos a gasolina, álcool e gás natural veicular (GNV).

Alguns anos depois, em 1892, Rudolf Diesel (1858-1913) desenvolveu um motor diferente, em que a alta taxa de compressão era utilizada na queima do combustível. O combustível era injetado próximo ao final da fase de compressão onde era então queimado pelo ar comprimido altamente aquecido. A eficiência deste motor era aumentada devido à alta taxa de compressão e relações de expansão. O motor Diesel atual é projetado no mesmo princípio de funcionamento e é desenvolvido em quatro tempos e em dois tempos.

USO DE MOTORES A DIESEL

No Brasil, é proibido o motor Diesel nos veículos automotores de passageiros, de carga e de uso misto, nacionais e importados, com capacidade de transporte inferior a 1.000kg, computados os pesos de condutor, tripulantes, passageiros e da carga, com exceção os veículos automotores denominados jipes, com tração nas quatro rodas, caixa de mudança múltipla e redutor.

No comparativo com outros motores, o motor Diesel é 30% mais econômico que seu similar a gasolina e as emissões de CO2 são 25% menores. Além do desempenho, apresenta maior torque. Apesar de custar de 10% a 12% mais caro que o motor a gasolina, o motor Diesel é o preferido para usuários que utilizam o veículo em grandes quilometragens, pois o retorno econômico se apresenta em função do menor preço do combustível, além da vantagem de maior durabilidade.

Teoricamente, este motor possui sua combustão a volume constante e utiliza alta taxa de compressão. São, geralmente, motores de baixa rotação, com a rotação entre 100rpm e 750rpm quando comparados aos 2.500rpm a 5.000rpm de um motor a gasolina. Alguns tipos, porém, trabalham em velocidades até 2.000rpm. Devido ao fato de usarem taxas de compressão de 14:1 ou mais, estes são geralmente mais pesados, e esta desvantagem é compensada pela sua grande eficiência e pelo fato de poderem ser operados com óleos combustíveis mais baratos.

No setor agrícola, os principais motores utilizados são de ciclo Otto de quatro tempos para motores de baixa cilindrada, e dois tempos para máquinas portáteis como motosserra, roçadoras, pulverizadores e perfuradores, e ciclo Diesel de quatro tempos, sendo este o mais empregado em condições de necessidade de alto torque nos tratores agrícolas, utilitários, caminhões e grandes geradores de energia.

COMPONENTES DOS MOTORES

As partes essenciais dos motores de quatro tempos são classificadas como partes estacionárias (bloco, cárter e cabeçote), partes móveis (pistão, biela, eixo virabrequim, eixo de comando de válvulas, válvulas, conjunto de acionamento de válvulas, engrenagens e polias), bombas (bomba de óleo e de água), mancais (de escorregamento e de rolamento) e componentes de vedação (juntas, anéis e retentores).

No bloco do motor estão localizados os cilindros. Na sua parte superior está o cabeçote e na parte inferior, o cárter. O bloco normalmente é construído por ferro fundido cinzento, por apresentar grande resistência ao desgaste e à compressão e baixo custo de fabricação. Motores de veículos mais modernos, que buscam leveza e maior capacidade de dissipação de calor, já são construídos em alumínio.

O bloco possui dutos internos para passagem de água para seu arrefecimento. Em alguns modelos, os cilindros são revestidos com uma camisa de liga de aço e níquel ou revestidos de cromo duro, normalmente mais resistentes que o bloco, para permitir maior vida útil, pois as camisas podem ser trocadas quando apresentam desgaste.

O pistão, normalmente fabricado em alumínio, trabalha em movimento alternado no cilindro, transmitindo a força do gás de expansão à biela e então ao ressalto do eixo virabrequim, que gira fornecendo a potência do motor aos demais setores. No pistão, estão localizados anéis de compressão e raspadores de óleo. Três anéis em aço são responsáveis pela compressão do motor, podendo ser cromados ou nitretados. Os anéis de óleo de duas peças são produzidos tanto em ferro fundido cinzento ou nodular quanto em aço. O primeiro anel que fica quase na cabeça do pistão tem a função de conter a pressão gerada pela explosão e evitando a perda de pressão na compressão. O segundo e o terceiro anel têm funções de ajudar a reter a compressão como o primeiro e de criar uma película de óleo quando o mesmo raspa as paredes internas do cilindro. O anel de óleo tem a função de raspar o excesso de óleo e criar uma fina película de lubrificação para que os outros anéis tenham o mínimo de atrito, evitando o desgaste entre anéis e cilindro.

A biela e o ressalto do eixo virabrequim transmitem o movimento linear do pistão em movimento circular do virabrequim. A extremidade menor da biela trabalha em movimento alternado junto ao pistão e a parte maior realiza o movimento rotacional com o virabrequim. A biela é normalmente fabricada em aço forjado, possuindo uma bucha e pino em liga de aço que a fixa ao pistão. Na parte oposta, possui casquilhos ou bronzinas de chumbo e estanho ou bronze.

O cabeçote é a tampa dos cilindros e é feito em alumínio ou ferro fundido e possui os bicos injetores. O cabeçote contém também o sistema de acionamento das válvulas e os bicos injetores. Os motores atuais apresentam quatro válvulas por cilindro – duas de admissão para permitir a entrada da carga de ar no cilindro e duas de descarga para a saída dos gases queimados do cilindro. As válvulas de admissão possuem maior diâmetro que as de descarga e são fabricadas em liga de aço. Como trabalham no ambiente de queima de combustível, estão expostas a temperatura de aproximadamente 700oC. As válvulas são acionadas através de um sistema de comando de válvulas e balancins. Normalmente estão fechadas por meio da pressão de molas. São abertas quando o ressalto do eixo de comando de válvulas aciona cada balancim. O eixo de comando de válvulas é acionado pelo eixo virabrequim por engrenagens, correia ou corrente dentada. Duas voltas do virabrequim fornecem uma volta ao comando de válvulas.

Na parte inferior do bloco do motor está o cárter, que fecha o bloco com uma tampa em aço moldado ou alumínio. O cárter funciona como o reservatório de óleo que lubrifica o sistema. O óleo lubrificante é succionado por uma bomba de óleo, acionada pelo eixo virabrequim, e é dirigido às partes móveis do motor através de canais internos. A bomba de água, o eixo do ventilador e o dínamo são movidos pelo eixo virabrequim por um sistema de correias e polias.

O óleo combustível é aspirado do tanque por uma bomba de baixa pressão, e após passar por uma série de decantadores e filtros, é conduzido à bomba injetora que tem a função de enviar aos bicos injetores uma determinada vazão de combustível a alta pressão, de acordo com a posição do acelerador.

FUNCIONAMENTO DOS MOTORES

O cilindro, usualmente fixo, é fechado em uma extremidade e é onde desliza um pistão intimamente ajustado. O movimento de ida e volta do pistão varia o volume do cilindro entre a face superior do pistão e a extremidade fechada do cilindro. A face inferior do pistão é ligada ao eixo virabrequim por meio de uma biela de conexão. O virabrequim transforma o movimento alternativo do pistão em movimento circular. Em motores com vários cilindros, o virabrequim tem uma parte excêntrica para cada biela, de modo que a potência de cada cilindro seja aplicada ao virabrequim no ponto apropriado de sua rotação. Os eixos virabrequins têm volantes pesados e contrapesos, que pelas suas inércias minimizam a irregularidade do movimento do eixo.

O motor de quatro tempos trabalha nas fases de admissão, compressão, expansão e descarga. Na admissão, só ocorre entrada de ar pela válvula de admissão, quando o pistão percorre o cilindro do ponto morto superior (PMS) ao ponto morto inferior (PMI). Nesta fase, apenas a válvula de admissão está aberta. Quando o motor possui o sistema de turbocompressor, a turbina deste sistema aumenta a quantidade de ar no cilindro, proporcionando maior quantidade de oxigênio disponível e fornecendo melhor queima e potência quando injetado mais combustível.

Na segunda fase, o pistão percorre do PMI ao PMS com as válvulas fechadas, o ar é comprimido a uma pequena fração de seu volume inicial e é aquecido a aproximadamente 440oC devido a esta compressão, com a pressão também sofrendo elevação. Quando o pistão quase atinge o PMS, o combustível é injetado na câmara de combustão pelo bico injetor e se queima instantaneamente devido à alta temperatura do ar na câmara. A ignição ocorre depois de curto atraso e a pressão aumenta rapidamente, ocorrendo uma onda de pressão.

Esta combustão movimenta o pistão para baixo na terceira fase. O trabalho é realizado pela pressão do gás sobre o pistão. Durante a fase de expansão, a temperatura e a pressão do gás queimado se reduzem. Quando o pistão se aproxima do PMI, a válvula de descarga se abre. Nesta fase é que ocorre a conversão da energia química contida no combustível em energia mecânica.

O quarto tempo ocorre com o pistão subindo e expulsando os gases queimados pela válvula de descarga. Próximo ao PMS, a válvula de descarga se fecha e a admissão se abre novamente e um novo ciclo é reiniciado com nova entrada de ar e a sequência das demais fases.

O motor e seu funcionamento

Ponto morto inferior (PMI) – É a posição que o pistão atinge na parte inferior do cilindro de seu curso.

Ponto morto superior (PMS) – É a posição que o pistão atinge na parte superior do cilindro de seu curso.

Câmara de compressão (Vc) – É o volume contido no cilindro na parte superior do pistão quando este se encontra no PMS.

Volume do curso do pistão (Vp) – É o volume varrido pelo pistão quando este se desloca do PMI ao PMS.

A cilindrada do motor é calculada multiplicando-se o volume do curso do pistão (Vp) pelo número de cilindros do motor, e se refere à capacidade que um motor tem de absorver, em volume, em todos cilindros do motor.

Volume do cilindro (V) – É o volume total do cilindro, incluindo o volume do curso do pistão e o volume da câmara de compressão.

Taxa de compressão (TC) – É a relação entre o volume quando o pistão está no PMI pelo volume quando o pistão está no PMS. Portanto, é a relação do volume total do cilindro (V) pelo volume da câmara (Vc).

Ricardo Ferreira Garcia, Uenf

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