Motor Diesel

Um motor Diesel é uma máquina que aproveita a energia térmica para transformar em energia mecânica. A energia térmica obtém-se através da queima do combustível dentro de cada cilindro do motor. Neste tipo de motor não existem velas de ignição, ao contrário dos motores a gasolina. A ignição é provocada pela compressão que faz elevar a temperatura do ar na câmara de combustão até que atinja o ponto de auto-inflamação do combustível. O gasóleo é injetado na câmara de combustão sob alta pressão através de um injetor perto do final do tempo de compressão. Na câmara de combustão, o gasóleo inflama-se ao entrar em contato com o ar aquecido devido ao efeito da forte compressão.

O processo de combustão no interior de um motor diesel evoluiu ao longo do tempo, sendo que antes era comum haver injeção de combustível para uma pré-câmara (injeção indireta), Figura 3. Nestes casos, como a combustão não decorria a pressões tão altas como na

injeção direta, as tolerâncias de fabrico dos componentes eram não eram tão apertadas, que, por conseguinte, tornavam menores os preços da produção dos injetores.

Figura 3 - Exemplo de uma pré-câmara de combustão, Bmw 525 tds (adaptado de [8])

Durante os últimos anos têm havido evoluções no que toca à forma como o combustível é injetado. Isto deve-se a vários fatores, tanto económicos como ambientais. Derivado dessa situação, tem-se revolucionado os componentes existentes no sistema de injeção. Mais adiante serão abordados os diferentes sistemas de injeção assim como os seus componentes principais. Existem vários tipos de motores a gasóleo, podendo ser estes a dois ou quatro tempos. Um motor de 4 tempos a gasóleo é definido por ter 1 tempo para a admissão, para a compressão, combustão-expansão e escape. Seguidamente, na Figura 4 ilustra-se este processo.

Na admissão (1º tempo) a válvula de admissão é aberta e a válvula de escape permanece fechada, seguidamente o pistão, desce ao PMS (ponto-morto superior), aspira o ar do exterior e ocupa o cilindro a uma pressão igual à atmosférica (para motores sem turbo-compressor). Depois segue-se a compressão (2ºtempo), no qual a válvula de admissão e de escape se encontram fechadas, o pistão sobe do PMI (ponto-morto inferior) e comprime o ar na câmara de combustão até ao PMS, sendo que a temperatura do ar atinge aproximadamente 600ºC. No 3º tempo (combustão-expansão), as válvulas de escape e de admissão continuam fechadas. Antes do pistão se encontrar no PMS, é injetado gasóleo através da bomba injetora. Como a temperatura do ar é muito elevada, devido à compressão, o gasóleo inflama-se. Os produtos da combustão empurram o pistão para baixo ao longo do tempo de expansão. O último tempo corresponde ao escape, no qual a válvula de admissão permanece fechada e a válvula de escape aberta. Antes do pistão alcançar o PMI, abre-se a válvula de escape e parte dos gases queimados

são descarregados para a atmosfera (denominado como escape espontâneo). Por fim o pistão sobe do PMI até ao PMS, completando-se o escape dos gases queimados (escape forçado).

Figura 4 - 4 tempos de um motor diesel (adaptado de [8])

Os motores funcionam segundo ciclos e diferentes processos: admissão, compressão, fornecimento de calor, expansão, entre outros. Estes processos ideais podem ser agrupados de maneira a produzir-se o ciclo global de funcionamento do motor. Cada um pode ser próximo do processo físico, mas tendo em conta os ciclos teóricos, o funcionamento dos vários tipos de motores existentes pode-se englobar em:

 Ciclo de Otto ou de combustão a volume constante;  Ciclo Diesel ou de combustão a pressão constante;  Ciclo misto ou de pressão limitada.

Ciclo de Diesel

A principal diferença entre o ciclo Diesel e o de Otto encontra-se na fase de fornecimento de calor, em que este é fornecido a pressão constante ou a volume constantemente, respetivamente. Existe outra diferença, que reside na taxa de compressão, que é maior que a do ciclo de Otto. Tem de ser elevada para que no final da compressão a temperatura do ar seja alta de modo a produzir a ignição do combustível que é injetado. No caso do ciclo de Otto a compressão está limitada pela ocorrência de Knock. Como a injeção ocorre durante parte da descida do pistão, a combustão não é considerada instantânea, ao contrário do ciclo de Otto (Figura 5).

Figura 5 - Ciclo de Diesel teórico [6]

Na Figura 5 podem-se identificar as seguintes transformações:

1-2 Adiabática (isentrópica): Compressão do ar, fornecendo-se o trabalho W1-2, que aumenta a

energia interna.

2-3 Isobárica: O combustível é injetado e queimado durante o aumento de volume (combustão não instantânea), seguindo um processo de fornecimento de calor a pressão constante Q2-3 =

Cp.(T3-T2).

3-4 Adiabática: O fluido é expandido realizando o trabalho W3-4 devido à sua energia interna,

sendo esse a área limitada superiormente pela linha 3-4, do diagrama p-V. 4-1 Isocórica: Corresponde à perda de calor Q4-1 =Cv. (T4-T1).

Binário e potência, rendimento e consumo específico

Um motor é geralmente definido pelos valores de potência e binário máximos. Para se determinar o binário B (em N.m), utiliza-se um freio dinamométrico e do produto deste com a velocidade de rotação (N em rot/s) resulta a potência útil ou efetiva (em W).

Em suma, o binário está relacionado com o trabalho produzido enquanto potência representa a taxa a que esse trabalho é produzido.

O rendimento total é um parâmetro que nos permite verificar como a energia do combustível é transformada em trabalho.

𝜂 = 𝑊̇ 𝑚̇_𝑓× 𝑄

(2)

onde, 𝑚̇_𝑓 - caudal de combustível [g/s]

𝑄 - poder calorífico do combustível [J/g].

Também é possível obter a massa de combustível por trabalho efetuado pelo motor (também conhecido como consumo específico), sendo este:

𝐶𝑠 =

𝑚̇ 𝑊̇

(3)

Parâmetros geométricos

Os parâmetros geométricos mais importantes de um motor são a taxa de compressão, a relação diâmetro-curso do pistão e a relação comprimento da biela-raio da cambota. Por isso é que motores com a mesma cilindrada têm valores diferentes de potência, devido a estes parâmetros. Taxa de compressão: CC CC V PMS PMI V V V V V V V _{ }   min max 

Relação diâmetro-curso do pistão:

C D R_DC 

Relação comprimento da biela-raio da cambota:

R L R_DC  (4) (5) (6)

nos quais

V

V

D – diâmetro do cilindro; C – curso do pistão; L – comprimento da biela; R – raio da cambota.