Diesel, um motor de muitas peculiaridades

A interação dos tempos e durações de injeção com a turbulência ajuda a distribuir de forma homogênea a energia da combustão

 

Peculiaridades da calibração

Como já sabemos, as grandes vantagens do motor Diesel são não haver preocupação se vai detonar e poder-se injetar o combustível no melhor momento possível para a queima. Por outro lado, como lado negativo, o óleo diesel tem velocidade de queima bem menor que gasolina, álcool, GNV ou GLP, o que dificulta a operação em rotações maiores, bem como o uso da energia liberada no tempo certo (o ideal seria ter uma geração de pressão repentina e alta logo após o ponto-morto superior na fase de combustão).

Contudo, os sistemas dos motores Diesel atuais são capazes de atenuar essas duas características por meio da capacidade de operar até seis injeções durante a fase de combustão, com o objetivo de aumentar a eficiência de queima do combustível, produzir maior torque e reduzir emissões. Essas injeções fracionadas contribuem também para diminuir o nível de ruído do motor.

 

Injecoes-piloto

Injeções fracionadas permitem melhorar ruídos, combustão e emissões

 

Esse aumento de eficiência decorre dos seguintes fatores:

• Interação dos tempos e durações de injeção com a turbulência e os vórtices gerados: além de favorecer o contato do diesel com a maior quantidade de oxigênio possível, ajuda a distribuir de forma homogênea a energia (calor e pressão) obtida pela combustão.

• Pequena injeção inicial, antes, mas próximo ao ponto-morto superior (durante a fase final de compressão), traz aumento considerável na pressão e na temperatura dentro do cilindro, o que garante uma combustão mais veloz e completa da injeção principal (ou das injeções principais) de diesel durante a fase inicial de combustão.

• Pequena injeção final, no fim da fase de combustão, para que a temperatura dentro do cilindro não caia muito. Se isso ocorrer, favorece a queima incompleta do diesel, que eleva as emissões de hidrocarbonetos (HC). A medida resulta ainda em maior temperatura dos gases de escapamento, ideal para o melhor funcionamento do catalisador. Mas cabe cuidado com essa estratégia: se muito atrasada, pode haver contaminação do óleo do motor por diesel não queimado dentro do cilindro.

 

Outro fator que limita a potência é que, quanto mais perto da relação estequiométrica, maior a chance de formar material particulado

 

Como os motores Diesel estão sempre admitindo quantidades máximas de ar, eles necessitam de mais tempo para que o líquido de arrefecimento e o óleo lubrificante atinjam suas temperaturas ideais de trabalho, o que pode agravar a contaminação do óleo pelo combustível. Além disso, em uso normal a temperatura do catalisador é bem mais baixa que em motores Otto.

Isso pode ser uma vantagem sob plena carga (exigindo o máximo de torque e/ou potência) pois, ao contrário do Otto, não há como resfriar os gases de escapamento ou o interior dos cilindros com excesso de combustível. Quanto mais óleo diesel se injeta, maior a temperatura interna dos cilindros e dos gases de escapamento, a ponto de muitos motores Diesel terem sua potência máxima “estrangulada” para proteger peças como pistões e catalisador.

Outro fator que muitas vezes limita a potência máxima do motor Diesel é que, quanto mais perto da relação estequiométrica, maior a chance de formação de material particulado. A questão chega a ponto de produzir fumaça preta, comum em veículos Diesel antigos ao se requisitar mais torque/potência ou durante a variação repentina de carga. Exemplo dessa situação é o veículo estar em uma longa descida, engrenado, e de repente o motorista solicitar rapidamente um alto torque, injetando grande quantidade de diesel com os cilindros “frios” devido ao tempo que se ficou sem acelerar.

 

Fases de diluicao

 

As centrais eletrônicas atuais adotam estratégias bastante complexas para evitar a formação de fumaça preta, uma exigência das legislações de emissões atuais. Isso muitas vezes implica um retardo de resposta ao acelerador, dando a impressão de que é o turbo que responde lentamente (turbo lag). Para melhor entender, imagine que o motorista de uma picape roda em baixa velocidade, com motor próximo da marcha-lenta (no caso de caixa manual) ou parado (transmissão automática).

De repente ele crava o pé no acelerador para ter uma resposta tão rápida quanto possível. O que acontece nesse momento?

A câmara de combustão está em baixa temperatura, admitindo pouco ar devido à baixa rotação. Caso a central injete muito combustível, pode chegar perto da relação estequiométrica ou injetar uma quantidade que não conseguirá queima completa devido à baixa temperatura — o resultado será uma bola de fumaça preta na saída do escapamento. Para evitar essa situação a central analisa a massa de ar admitido, a variação da rotação do motor, a temperatura dos gases de escapamento e outros parâmetros para determinar o que se pode traduzir como “curva de crescimento do tempo de injeção”.

 

 

Isso significa que, em vez de injetar subitamente todo o diesel requerido, a central determina a injeção progressiva. Mas uma estratégia muito conservadora cria um tempo de resposta muito alto, que afeta a dirigibilidade e a sensação de desempenho do veículo. Por isso, turbinas de geometria variável, de tamanho reduzido ou mesmo dois turbos (sendo um deles pequeno para diminuir o tempo de resposta) são tão aplicados aos motores Diesel.

Pode-se dizer que o retardo do turbo acaba sendo multiplicado pela estratégia de evitar fumaça preta. Assim, quanto mais rápido o turbo “encher”, mais rápido se terá uma grande massa de ar dentro dos cilindros e menor será o tempo de resposta. Essa situação típica de motores Diesel modernos se agrava muito em grandes altitudes, onde o ar rarefeito aumenta o tempo de resposta do turbo. Veículos com caixa automática conseguem atenuar esse fenômeno com o uso de conversores de torque mais “soltos” (velocidade de estol mais alta), mas isso fica para um futuro artigo sobre transmissão.

 

A turbina de geometria variável contribui para menor tempo de resposta e mais agilidade

 

Se custo não for problema, há soluções como a do novo Audi SQ7, que usa um compressor elétrico junto aos turbos. Com resposta quase que imediata ao acelerador, o compressor elétrico enche rapidamente os cilindros de ar pressurizado, de forma a eliminar o retardo dos turbos em rotações baixas. Afinal, quem compra um carro como esse não quer ficar para trás em relação a carros “comuns” em uma saída de semáforo com mais vigor… É comum demorar até 2 s — uma eternidade quando se requer agilidade, como ao acessar uma via de alta velocidade — para se obter o torque máximo em motores Diesel.

Outra estratégia interessante para economizar óleo diesel, mas delicada para evitar fumaça preta, é reduzir ou eliminar a pressão de turbo em velocidades e acelerações moderadas, nas quais não se precisa de tanta pressão para produzir o torque necessário. As vantagens dessa estratégia estão em diminuir as perdas por bombeamento (quanto mais ar na admissão, mais energia se gasta na fase de compressão) e poder reduzir o uso de EGR, que em geral prejudica a eficiência do motor. Afinal, maior pressão de admissão significa maior temperatura nos cilindros e, em consequência, maior produção de óxidos de nitrogênio (NOx).

Por outro lado, as desvantagens são um pouco de retardo na resposta ao acelerador — sobretudo por causa da estratégia que evita fumaça preta — e probabilidade de maiores emissões de HC e CO (monóxido de carbono). O balanço ideal deve ser bem definido para que o tiro não saia pela culatra: além dos aspectos legais, nenhum consumidor gosta de ver seu carro novo soltando fumaça preta.

À primeira vista os motores Diesel parecem ser mais simples que os motores Otto, por não necessitarem de centelha e de todo o sistema de ignição. Contudo, as exigências cada vez maiores, tanto pelos órgãos regulatórios (emissões) quanto pelo consumidor (alta potência e baixos consumo, vibrações e ruídos), forçaram os motores Diesel a um elevado nível de complexidade, com impacto nos custos de peças e sistemas eletrônicos e crescentes desafios à engenharia de desenvolvimento.

Mais Técnica

 

Durabilidade: verdade ou mito?

Toyota BandeiranteA ideia de que motores Diesel são muito mais duráveis que os do tipo Otto consagrou-se no Brasil em outras épocas, quando picapes e jipes nacionais usavam motores Diesel de uso comercial (caso do Toyota Bandeirante, ao lado, com motor Mercedes-Benz), com maiores exigências de vida útil e menores em termos de desempenho e suavidade. Além disso, muitos associam a durabilidade dos motores Diesel a ônibus e caminhões, que chegam a rodar milhões de quilômetros sem ter de retificar o motor.

Mas isso se deve aos critérios de projeto do motor e não a ser um Diesel. Hoje, em aplicações de automóveis e utilitários leves, pode-se dizer que a durabilidade dos motores Diesel não difere muito da obtida pelos motores Otto. Afinal, não importando o tipo de motor ou de combustível, ambos precisam passar pelos mesmos testes de durabilidade exigidos por cada fabricante.

O fato de diversas partes do sistema de combustível serem lubrificadas pelo próprio óleo diesel, além de operarem com folgas reduzidas e pressões elevadas, faz que os motores Diesel sejam mais sensíveis a impurezas presentes no combustível. Além disso, a água presente no óleo diesel pode criar pontos de oxidação e comprometer peças vitais das bombas e injetores. Por isso veículos Diesel possuem sistemas de filtros robustos e, em alguns modelos, sistema integrado de separação de água do combustível.