Diesel, um motor de muitas peculiaridades

Visto como muito econômico e durável, ele tem características próprias e vem-se desenvolvendo a passos largos

Texto: Felipe Hoffmann – Fotos: divulgação

 

Bem sucedidos no mercado europeu, desprezados pelos norte-americanos, desejados por muitos brasileiros para seus automóveis, nos quais seu uso é proibido. Trata-se dos motores de ciclo Diesel, que se diferenciam daqueles do ciclo Otto (a gasolina, álcool, flexíveis, a gás natural ou gás liquefeito do petróleo) por muito mais que o combustível que consomem.

O Diesel, desenvolvido no fim do século 19 pelo alemão Rudolf Diesel e oferecido pela primeira vez em um automóvel no Mercedes-Benz 260 D de 1936, ganhou a fama de ser muito econômico e resistente, mas isso ainda se aplica aos motores atuais? E o que se perde com a escolha desse tipo de propulsor?

Das várias características especificas dos motores Diesel, a principal está na autoignição do combustível sem o auxilio de vela de ignição. Nos motores Otto procura-se usar combustível com alta resistência à detonação, qualidade mensurável pela octanagem no caso da gasolina (para o álcool usa-se uma equivalência, embora ele não tenha octanas), pois esse fenômeno é prejudicial ao motor. Do Diesel se espera o oposto, que seja o mais fácil possível detonar. Quanto maior o número de cetanas (CN), mais favorável à autoignição ele será. Vale lembrar que essa característica não está relacionada ao poder calorífico (energia liberada), o qual é semelhante ao da gasolina.

 

Muitos atribuem o torque limitado em altas rotações aos componentes mais pesados: na verdade, é pela menor velocidade de combustão do diesel

 

O conceito do motor Diesel é simples. Toda vez que se comprime ar, se aumentam sua pressão e sua temperatura — basta tentar encher um pneu com uma bomba manual e ver como ela esquenta após 10 ou 20 segundos. Agora imagine um motor que comprime o ar 15 a 17 vezes (taxa de compressão) a uma velocidade enorme: é comum atingir temperaturas da ordem de 600⁰C e pressões de 100 bars em motores Diesel turboalimentados durante a fase final de compressão, antes da combustão.

Contudo, o problema está durante a partida a frio, quando a temperatura do motor como um todo e a rotação de partida são baixas — por volta de 100 rpm em motores grandes —, fazendo que parte do ar comprimido literalmente vaze pelos anéis dos pistões. Grandes altitudes também influenciam: o ar menos denso produz menor temperatura na fase final de compressão. O motivo dessa dificuldade está em duas características do óleo diesel, conhecidas como temperatura do ponto de fulgor (temperatura mínima para que se forme vapor suficiente para começar uma chama) e temperatura mínima de ignição.

 

Combustível Temperatura do ponto de fulgor (1) Temperatura mínima de ignição (1)
Gasolina comum (2) – 43°C 300°C
Gasolina premium (2) – 43°C 400°C
Álcool 17°C 420°C
Diesel 53°C 250°C
Gás natural veicular (GNV) (3) 600°C
Gás liquefeito de petróleo (GLP) (3) 400°C
(1) temperaturas aproximadas; (2) sem álcool; (3) queima em qualquer temperatura por já estar em estado gasoso

 

Caso o combustível esteja a uma temperatura abaixo daquela de seu ponto de fulgor, ele não inflama quando se passa uma chama por cima dele ou mesmo se mergulha nele um palito de fósforo. Exemplo típico disso são os motores de injeção indireta (multiponto sequencial, em geral) que usam álcool: com a temperatura de fulgor desse combustível por volta de 17⁰C para o tipo hidratado (no álcool puro, 13⁰C), em dias frios o motor não liga mesmo havendo centelha.

Boa parte do combustível fica presa à válvula de admissão e o pouco vapor que entra no cilindro não tem temperatura suficiente para entrar em ignição. Por isso, ainda não se pode prescindir de sistema de preaquecimento do álcool ou da injeção de gasolina no momento da partida. Já em motores com injeção direta pulveriza-se o álcool durante a fase de compressão, quando o ar está em temperatura muito maior que 17⁰C, o que torna suficiente a combustão com ajuda da centelha.

 

Combustível Calor de vaporização (kJ/kg) Poder calorífico inferior (MJ/kg) Relação estequiométrica (kg de comb/kg de ar)
Gasolina comum (1) 380 a 500 41,2 a 41,9 14,8
Gasolina premium (1) 380 a 500 40,1 a 41,6 14,7
Álcool 904 25,1 8,5
Diesel 250 42,9 a 43,1 14,5
Gás natural veicular (GNV) (2) 403 14,0
Gás liquefeito de petróleo (GLP) (2) 46,1 15,5
(1) sem álcool; (2) já vaporizado em temperatura ambiente

 

No motor Diesel, porém, não há centelha e outra característica do combustível se torna importante: a temperatura mínima de ignição. Por outro lado, quanto menor for o calor de vaporização, menos energia o combustível “rouba” do ar para que evapore ou esquente. Ou seja, o ar dentro do cilindro tem de estar a pelo menos 400⁰C para que o óleo diesel atinja sua temperatura mínima (por volta de 250⁰C) e se inicie a combustão. Por isso, em motores Diesel usa-se uma resistência elétrica para partida a frio, a qual é responsável por aquecer o combustível antes de ser injetado no cilindro.

Vale abrir um parêntese. O calor de vaporização é o responsável por motores com álcool produzirem mais potência que com gasolina, uma vez que se necessita de praticamente o dobro de energia para vaporizar o combustível, “esfriando” a câmara de combustão. Isso permite maiores taxas de compressão e avanços de ignição, que beneficiam o desempenho. Junta-se a isso o fato de o álcool trabalhar com menor relação estequiométrica (menos ar para dado volume de combustível) e, no fim, precisa-se de mais de três vezes a energia para evaporar o combustível dentro do cilindro em alta temperatura.

Pode-se dizer então que o álcool “gela” o ar dentro do cilindro, tornando-o mais denso e permitindo mais avanço de ignição (maior eficiência de queima, menor consumo, mais potência). Por isso preparadores de motores gostam muito de passar o motor de gasolina para álcool: o calor “roubado” por ele mantém os cilindros em temperaturas toleráveis para evitar quebras de pistão, sobretudo ao instalar turbocompressor em um motor original de aspiração natural.

 

 

Maior torque, menor potência

Voltando ao Diesel, uma vez que a combustão se inicia, o processo se torna uma bola de neve. Quanto mais ciclos de combustão ocorrem, maior a temperatura dentro do cilindro e mais fácil, rápida e completa a queima do combustível. Contudo, há certas características inerentes a esse tipo de motor.

Muitos se perguntam por que motores Diesel fornecem grande torque em baixas rotações, mas obtêm menor potência em altos regimes que os motores Otto. Há dois fatores que influenciam nesse resultado:

1) Motor Diesel não tem problemas com detonação. No motor Otto, muitas vezes o torque é reduzido pela limitação de adiantar o ponto de ignição para obter o maior torque possível, o que o levaria a detonar. Já o Diesel não sofre com essa limitação: seu combustível pode ser injetado no melhor ponto para se obterem os maiores torque e rendimento possíveis naquela rotação e carga (abertura de acelerador). Junta-se a essa característica a alta taxa de compressão e garante-se alto torque — entenda eficiência — em qualquer rotação, o que favorece tanto o torque obtido quanto o consumo de combustível.

 

O Mercedes 260 D de 1936, primeiro carro de produção a diesel, e seu motor

 

2) Por ter maior taxa de compressão, necessita-se de maiores inércias de movimento (pode ser o próprio volante do motor) para obter uma rotação de marcha-lenta baixa, bem como baixas vibrações (veja consulta técnica sobre motor “arrastando-se”). Essa característica é percebida quando se está parado e tira-se o pé da embreagem de repente: em vez de o motor apagar, o carro dá um pulo.

Quanto ao torque limitado em altas rotações, muitos acreditam que o principal motivo sejam os pistões e outros componentes mais resistentes e pesados, cujas grandes massas não permitiriam trabalhar em grandes velocidades sem quebras. É claro que esse fator influencia na limitação de giros do motor, mas apenas justificaria a limitação de rotação — não diminuiria o torque em função da rotação.

O principal motivo, na verdade, é a velocidade de combustão ou de frente de chama do óleo diesel, relativamente bem menor que a da gasolina, do álcool ou do gás. Ou seja, quanto mais alta a rotação, menor o período de tempo da fase de combustão. Como exemplo, a 3.000 rpm temos apenas 4 centésimos de segundo (0,04 s) para realizar a combustão em cada ciclo.

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