motor Diesel

O motor Diesel ou motor de ignição por compressão é um motor de combustão interna inventado pelo engenheiro alemão Rudolf Diesel (1858-1913), em que a combustão se faz pelo aumento da temperatura provocado pela compressão do ar.

Em 23 de fevereiro de 1893 o engenheiro alemão Rudolf Diesel recebeu a patente para o seu motor de autoignição. O motor Diesel destaca-se ainda hoje pela economia de combustível.

História

Ver artigo principal: Rudolf Diesel

Rudolf Diesel

A patente sobre o motor de Rudolf Diesel, em 23 de fevereiro de 1893.

Rudolf Diesel nasceu em Paris em 1858, filho de um artista que trabalhava cabedal^{[carece de fontes]} e de uma governanta que também era professora de línguas. Aos 12 anos de idade foi admitido na Ecole Primaire Superieure, que era então a melhor escola de Paris. Quando rebentou a guerra Franco-Prussiana (19 de Julho de 1870 — 10 de Maio de 1871), a família de Rudolf foi considerada inimiga da França, sendo deportados para a cidade de Londres. Mais tarde, um primo ajudou-o a voltar para a cidade natal do seu pai, Augsburg, onde frequentou a Royal County Trade School e ganhou uma bolsa para a Universidade Técnica de Munique, onde conheceu Carl von Linde, pioneiro na área da refrigeração, que fez de Rudolf seu protegido.

Após a sua graduação, muda-se para Winterthur, Suíça onde é maquinista e designerdurante dois anos. Paris foi o destino seguinte, onde esteve empregado na Linde Refrigeration Enterprises e também onde se tornou um apreciador de arte e política.

Em 1885 montou sua primeira loja-laboratorio em Paris, onde desenvolveu o seu motor a tempo inteiro. Mais tarde mudou-se para Berlim onde continuou seu trabalho, ficando sempre associado à Linde Enterprises.

Regressou dos EUA após conflitos sobre registros de patentes, especulações financeiras mal sucedidas e teve problemas psicológicos. Esteve à beira da falência. 

Diesel regressa à Europa para prosseguir as suas pesquisas. 

Faleceu a 30 de setembro de 1913, ao cruzar o canal da Mancha numa viagem à Inglaterra. Diesel pretendia expor às autoridades navais daquele país novas possibilidades para o uso do seu motor. 

A cabine do navio onde viajava chegou vazia à Inglaterra. 

Os motivos e acontecimentos que levaram à sua morte, continuam um mistério ainda hoje. Dias depois da sua morte, o seu corpo foi encontrado a boiar no Mar do Norte.

Os marinheiros que o acharam, guardaram os seus documentos e pertences e devolveram o corpo ao mar (prática comum naquele tempo). Só em terra é que viram tratar-se do famoso inventor alemão Rudolf Diesel.

Tecnologia

Ver artigo principal: Bomba injetora

Primeiro Motor Diesel de 1893.

Quando o tempo está frio, o ar ao ser comprimido poderá não atingir a temperatura suficiente para a primeira ignição, mas esses obstáculos têm vindo a desaparecer em virtude das injecções electrónicas directas e a maior rotação do motor de partida. 

Nos modelos antigos ou lugares muito frios costuma-se usar velas de incandescência no tubo de admissão para minimizar esse efeito sendo que alguns motores estacionários ainda usam buchas de fogo e a partida é feita com manivelas.

As principais diferenças entre o motor a gasolina e o motor diesel são as seguintes:

• Enquanto o motor a gasolina funciona com a taxa de compressão que varia de 8:1 a 12:1, no motor diesel esta varia de 15:1 a 25:1. Daí a robustez de um relativamente a outro.
• Enquanto o motor a gasolina admite (admissão - primeiro tempo do ciclo de quatro tempos de um motor Ciclo Otto) a mistura ar/combustível para o cilindro (injeção indireta, com o combustível sendo diretamente despejado no coletor de admissão), o motor Diesel aspira apenas ar, com o diesel sendo despejado diretamente no topo do cilindro (todavia, os motores a gasolina com injeção direta, mais similares ao ciclo diesel, estão a se popularizar graças aos ganhos em eficiência e economia que tal sistema possibilita^[1][2]).
• A ignição dos motores a gasolina dá-se a partir de uma faísca elétrica fornecida pela vela de ignição antes da máxima compressão na câmara de explosão (> a 400ºC). Já no motor Diesel a combustão ocorre quando o combustível é injetado e imediatamente inflamado pelas elevadas temperaturas (> a 600 °C) devido ao ar fortemente comprimido na câmara de combustão. 
• O Engenheiro Rudolf Diesel, chegou a esse método quando aperfeiçoava máquinas a vapor.

Combustível

O primeiro protótipo de motor diesel foi alimentado com óleo vegetal, porém o combustível utilizado desde então pelos motores diesel é o óleo diesel (gasóleo em Portugal), um hidrocarboneto obtido a partir da destilação do petróleo à temperaturas de 250°C e 350 °C. Recentemente no Brasil, por lei, o diesel de petróleo é vendido após receber uma adição percentual de biodiesel, pois esse é produzido de óleo vegetal e/ou animal (fontes de energia renovável) através do processo de transesterificação. Há pesquisas desde 1920 para aprimorar a produção de diesel sintético através de tecnologias de conversão (Processo de Fischer-Tropsch) utilizando como insumo substâncias que contém carbono e hidrogênio (ver: Combustível sintético).

Funcionamento

Ciclo Termodinâmico

Fig.1 Ciclo diesel num diagrama p-v.

Para explicar o funcionamento de um motor Diesel, é preciso conhecer algumas características termodinâmicas referentes à teoria de máquinas térmicas, mais concretamente aos ciclos térmicos. 

O ciclo Diesel representa, em teoria, o funcionamento do motor com o mesmo nome. 

A realidade não difere muito deste modelo teórico, mas devido a variados factores, o ciclo térmico não passa mesmo disso. Na prática, o funcionamento possui algumas diferenças.

Para o ciclo teórico, estão representadas nas figuras, as evoluções consoante as propriedades analisadas. A figura 1 mostra a evolução segundo a pressão e o volume específico, a figura 2, a relação entre a temperatura e a entropia.

Em ambos os casos, a evolução é:

• 1 → 2 : Compressão isentrópica → ${\displaystyle W_{1,2}}$
• 2 → 3 : Fornecimento de calor a pressão constante (isobárico) →${\displaystyle q_{2,3}}$
• 3 → 4 : Expansão isentrópica → ${\displaystyle W_{3,4}}$
• 4 → 1 : Cedência de calor a volume constante → ${\displaystyle q_{4,1}}$

Fig.2 Ciclo diesel num diagrama T-s.

Trabalho de ciclo: ${\displaystyle {W_{ciclo}=W_{1,2}+W_{2,3}+W_{3,4}}}$

Rendimento do ciclo: ${\displaystyle \eta =\left({\frac {W_{ciclo}}{q_{2,3}}}\right)}$

Razão de compresão:

Funcionamento Mecânico

Na maioria das aplicações os motores Diesel funcionam como um motor quatro tempos. 

O ciclo inicia-se com o êmbolo no ponto morto superior (PMS). A válvulade admissão está aberta e o êmbolo ao descer aspira o ar para dentro do cilindro.

O êmbolo atinge o Ponto Morto Inferior (PMI), a válvula de admissão fecha, e inicia-se então a compressão. 

A temperatura do ar dentro do cilindro aumenta substancialmente devido à diminuição do volume.

Pouco antes do PMS o combustível começa a ser pulverizado pelo ejector em finas gotículas, misturando-se com o ar quente até que se dá a combustão. 

A combustão é controlada pela taxa de injecção de combustível, ou seja, pela quantidade de combustível que é injectado. 

O combustível começa a ser injectado um pouco antes do PMS devido ao facto de atingir a quantidade suficiente para uma perfeita mistura (ar + combustível) e consequentemente uma boa combustão.

A expansão começa após o PMS do êmbolo com a mistura (ar + combustível) na proporção certa para a combustão espontânea, onde o combustível continua a ser pulverizado até momentos antes do PMI.

O ciclo termina com a fase de escape, onde o embolo retorna ao PMS, o que faz com que os gases de combustão sejam expulsos do cilindro, retomando assim o ciclo.

No caso dos motores a dois tempos, o ciclo é completado a cada volta, a admissão não é feita por válvulas mas sim por janelas..

Gama de Velocidade

Industrialmente, estes motores são divididos segundo a sua velocidade de rotação (rpm), existem três tipos: altas, médias e baixas velocidades.

• Altas velocidades - (acima de 1000rpm) - 
• São mais utilizados em inúmeras aplicações (automóveis, caminhões, barcos, compressores, bombas, entre outros). Geralmente motores a quatro tempos com a combustão a dar-se rapidamente.

• Médias velocidades - (variam entre as 500 e 1000rpm) - 
• Na indústria, estes motores são utilizados em aplicações de "grande porte", tais como locomotivas, grandes compressores e bombas, grupos geradores diesel-elétricos e alguns navios.

• Baixas velocidades - (variam entre 60 e 200rpm) - 
• Em grandes navios, os maiores motores (em dimensão) quando comparados com os outros dois, estes motores diferenciam-se não só pela potência que são capazes de desenvolver (cerca de 85 MW), como pelas propriedades do combustível - 
• normalmente óleo combustível pesado - e a velocidade de explosão e serem motores dois tempos, como o maior motor a combustão interna do mundo^[3] o Wärtsilä-Sulzer RT-flex96C.

Gomes

Ciclo de Carnot

Ciclo de Carnot é o ciclo executado pela máquina de Carnot, idealizada pelo engenheiro francês Carnot. Funcionando entre duas transformações isotérmicas e duas adiabáticas alternadamente, permite menor perda de energia (Calor) para o meio externo (fonte fria).

O rendimento da máquina de Carnot é o máximo que uma máquina térmica trabalhando entre dadas temperaturas da fonte quente e da fonte fria pode ter (Mas o rendimento nunca chega a 100%). O rendimento da máquina em percentagem é igual a:

${\displaystyle \left(1-{\frac {T_{f}}{T_{q}}}\right)\times 100\%}$

Onde:

${\displaystyle T_{f}}$ = Temperatura da fonte fria(em Kelvin)

${\displaystyle T_{q}}$ = Temperatura da fonte quente (em Kelvin)

A utilidade da máquina de Carnot é descobrir se uma máquina térmica tem bom rendimento, para assim ver se seu custo é viável para a indústria.

A possibilidade de interconversão entre calor e trabalho possui restrições para as máquinas térmicas. O Segundo Princípio da Termodinâmica, elaborado em 1824 por Sadi Carnot, é enunciado da seguinte forma:

" Para haver conversão contínua de calor em trabalho, um sistema deve realizar ciclos entre fontes quentes e frias, continuamente. 

Em cada ciclo, é retirada uma certa quantidade de calor da fonte quente (energia útil), que é parcialmente convertida em trabalho, sendo o restante rejeitado para a fonte fria (energia dissipada)"

Funcionamento da máquina de Carnot

Figura 1 - Calor ${\displaystyle Q_{a}}$ convertido em trabalho

mostraremos a energia e a temperatura em ${\displaystyle Q}$ e ${\displaystyle T}$respectivamente, que durante cada ciclo do motor, a substância de trabalho absorve a energia ${\displaystyle Q_{a}}$ sob a forma de calor de um reservatório térmico mantido a temperatura constante ${\displaystyle T_{a}}$ e libera a energia ${\displaystyle Q_{b}}$ sob a forma de calor para um segundo reservatório térmico mantido a uma temperatura inferior, também constante ${\displaystyle T_{b}}$.

Exemplo: Em uma locomotiva a vapor, a caldeira representa a fonte quente, de onde é retirada uma certa quantidade de calor. 

Parte dessa energia térmica, denominada energia útil, é convertida em trabalho mecânico. 

A outra parte dessa energia, chamada energia dissipada, é jogada para a atmosfera, que, nesse caso, possui o papel de fonte fria.

O rendimento de uma máquina térmica é dado pelo quociente do trabalho pela energia útil, onde o trabalho é definido pela diferença entre a energia útil e a energia dissipada. 

A equação do rendimento pode ser reescrita como a diferença entre a unidade e o quociente da energia dissipada pela energia útil.

Rendimento da Maquina (${\displaystyle r}$)

${\displaystyle r={\frac {W}{Q_{1}}}}$

Rendimento da Maquina em % (${\displaystyle r}$)

${\displaystyle r=(1-{\frac {Q_{2}}{Q_{1}}})\ X100\%}$

Trabalho (${\displaystyle W}$)

${\displaystyle W={Q_{1}}-{Q_{2}}}$

onde:

${\displaystyle {r}}$ é o rendimento;

${\displaystyle {Q_{1}}}$ é a energia útil;

${\displaystyle {W}}$ é o trabalho;

${\displaystyle {Q_{2}}}$ é a energia dissipada;

Processos do Ciclo e trabalho realizado

O Ciclo de Carnot demonstra que o maior rendimento possível para uma máquina térmica é o de uma máquina que realizasse um ciclo de duas transformações adiabáticas e duas transformações isotérmicas, alternadas entre si, de acordo com o esquema:

1) Processo isotérmico reversível, no qual o calor é transferido do, ou para o reservatório de alta temperatura;

2) Processo adiabático reversível, no qual a temperatura do fluido de trabalho de um reservatório a alta temperatura diminui até o outro;

3) Processo isotérmico reversível, cujo calor é transferido do, ou para o reservatório de menor temperatura;

4) Processo adiabático reversível, em que a temperatura do fluido de trabalho vai aumentando desde o reservatório (a baixa temperatura) até o outro

Figura 2 - Diagrama Pressão x Volume para o Ciclo de Carnot

mostra um diagrama p-V (pressão e Volume) do ciclo de Carnot. 

Como indicado pelas setas, o ciclo é percorrido no sentido horário. Imaginemos que a substância de trabalho é um gás, confinado em um cilindro isolado com um pistão pesado móvel. 

O cilindro pode ser colocado à vontade sobre qualquer um dos dois reservatórios térmicos,  ou seja, uma placa isolante. se colocarmos o cilindro em contato com o reservatório em alta temperatura com temperatura Ta, o calor |Qa| se transfere para a substância de trabalho partindo deste reservatório quando o gás sofre uma expansão isotérmica do volume Va para o volume Vb. Analogamente, com a substância de trabalho em contato com o reservatório em baixa temperatura com temperatura Tb, o calor |Qb| se transfere da substância de trabalho para o reservatório em baixa temperatura quando o gás sofre uma compressão isotérmica do volume Vc para o volume Vd.

Figura 3 - Reservatório 1

Figura 3 - Reservatório 2

Supomos que a transferência de calor para a substância de trabalho ou retirado de calor da substância de trabalho só podem acontecer durante os processos isotérmicos ab e cd  

Confirmamos que os processos isotérmicos bc e da que se juntam às duas isotermas nas Ta e Tb, são processos adiabáticos, ou seja, reversíveis, são processos nos quais não se transfere nenhuma energia sob a forma de calor. Para garantir que isto ocorra, durante os processos bc e da o cilindro é colocado sobre uma placa isotérmica quando o volume da substância de trabalho está variando.

O trabalho representado pela área sob a curva abc, mostra que a substância de trabalho está expandido, ou seja, realizado trabalho positivo quando ela eleva o pistão carregado. 

E o trabalho representado pela área sob a curva cda, mostra que a substância de trabalho está sendo comprimida, que significa estar realizado trabalho negativo sobre o ambiente ou, que é equivalente, o ambiente externo esta realizando trabalho sobre ela quando o pistão carregado desce.

Máquina de refrigeração

O Ciclo de Carnot em sentido anti-horário ilustra o funcionamento de uma máquina de refrigeração, em seu máximo rendimento.

Quociente de energia

No Ciclo de Carnot o quociente da energia dissipada pela temperatura da fonte fria é igual ao quociente da energia útil pela temperatura da fonte quente. 

Ou seja, os calores trocados pelas fontes quente e fria são proporcionais às temperaturas das fontes quente e fria. Logo, se tem que o quociente da energia dissipada pela energia útil é igual ao quociente da temperatura da fonte fria pela fonte quente. 

Assim, o rendimento fica igual à diferença de uma unidade com o quociente da temperatura da fonte fria pela da fonte quente.

${\displaystyle {\frac {Q_{2}}{Q_{1}}}={\frac {T_{2}}{T_{1}}}}$

onde:

${\displaystyle {T_{1}}}$ é a temperatura da fonte quente;

${\displaystyle {T_{2}}}$ é a temperatura da fonte fria;

${\displaystyle {Q_{1}}}$ é a energia útil;

${\displaystyle {Q_{2}}}$ é a energia dissipada;

O propósito de qualquer motor é transformar o máximo possível de energia extraída em trabalho. 

O motor de Carnot (ou seja, o motor de uma máquina térmica que opera no Ciclo de Carnot) necessariamente possui eficiência térmica menor que a unidade  ou seja, essa eficiência térmica é menor que 100%. Isto mostra que apenas parte da energia extraída em forma de calor de um reservatório de alta temperatura está disponível para realizar trabalho. 

O resto é liberado para o reservatório de baixa temperatura.

A máquina operante no Ciclo de Carnot independe da substância com que trabalhe. 

Ou seja, o rendimento de uma máquina térmica é função exclusiva das temperaturas que formam os corpos quente e frio. 

Logo, duas máquinas térmicas diferentes que operem sob mesma temperatura (no Ciclo de Carnot) possuem rendimentos iguais.

Figura 4 - Calor Qa é convertido completamente em trabalho W

Observação: um rendimento igual a 100%  como idealizavam os inventores, é fisicamente impossível: para o rendimento máximo, todo calor que vem da fonte quente deveria ser convertido em trabalho. Isto só ocorreria se a temperatura da fonte fria fosse zero absoluto.

Gomes