sábado, 21 de março de 2015

MOTOR DIESEL - INVENÇÃO MOTIVADA PELA ECONOMIA

Após refinamentos sucessivos, Diesel apresentou seu motor funcional em 1897 - Fonte: Wikipedia

PANORAMA NA ÉPOCA DO SURGIMENTO
O Motor Diesel foi o terceiro tipo de motor de combustão interna quanto ao ciclo de funcionamento.
Quando Rudolph Diesel conseguiu sua patente, em 1897, a Máquina a Vapor ainda imperava como principal força motriz. Entretanto, os motores a explosão já eram produzidos comercialmente há mais três décadas e haviam se tornado razoavelmente populares em alguns nichos, principalmente depois do motor de quatro tempos de Otto, a partir do qual os demais passaram a incluir uma fase de compressão, tornando-se muito mais econômicos, bem mais compactos e leves.

O principal combustível empregado nos motores a explosão era o gás de iluminação e de altos fornos. Porém, a nafta ou gasolina, até então considerada um indesejado subproduto da obtenção do querosene e que era descartado por falta de valor comercial,  começava a ser adotada como combustível nos motores a explosão, graças ao incentivo da indústria petrolífera e ao desenvolvimento do carburador.

Também já havia surgido um segundo tipo de motor de combustão interna há pouco mais de cinco anos; o  "Motor de Inflamação por Bulbo Quente para Combustíveis Pesados" que pode ser considerado o antecessor mais próximo do Motor Diesel. Seu grande atrativo era a possibilidade de funcionar consumindo uma grande variedade de combustíveis líquidos mais pesados e baratos que os combustíveis leves utilizados nos motores a explosão. Na verdade, os motores de bulbo quente se mostraram multicombustíveis, pois podiam consumir gás, gasolina, querosene e diversos tipos de óleos vegetais ou derivados de petróleo, até mesmo banha de porco e alcatrão vegetal (creosoto de madeira) são citados na literatura. Até seu surgimento, os únicos propulsores aptos a consumir óleos combustíveis eram a máquina a vapor e  o ainda pouco difundido motor Stirling, ambos de combustão externa.


MOTOR DE BULBO QUENTE - FONTE DE INSPIRAÇÃO PARA O MOTOR DIESEL

Motor de Bulbo Quente - predecessor do motor Diesel Fonte: Wikipedia

O conceito do motor de bulbo quente foi proposto por Herbert Akroyd Stuart, por volta de 1880 e sua produção comercial foi iniciada  pelos irmãos Hornsby, na Inglaterra, no ano de 1891, sob licença. 
De aspecto construtivo semelhante ao dos motores a explosão, o motor de bulbo quente  diferencia-se em seu ciclo, principalmente, por se valer do fenômeno da auto ignição para desencadear a combustão e, também, por empregar a vaporização do combustível por altas temperaturas para permitir o consumo de combustíveis pouco voláteis.

O motor de Akroyd Stuart obedecia o ciclo mecânico de quatro tempos semelhante ao dos motores Otto, mas não era provido de carburador ou de dispositivo sincronizado de ignição.  Nele na fase de admissão era aspirado apenas ar. O combustível era injetado durante uma fração da fase de compressão - num bulbo interligado ao topo do cilindro e que era aquecido externamente por um maçarico. O avanço do pistão e o consequente aumento da pressão interna do cilindro provocava simultâneos aumento de temperatura e de concentração de oxigênio no bulbo vaporizador até que ocorresse a auto ignição. Logo que o motor entrava em marcha, as combustões simultâneas eram suficientes para manter o bulbo na temperatura de trabalho, o que restringia a necessidade do maçarico apenas para a partida.

O destaque das vantagens comparativas inerentes aos motores de combustão em relação a máquina a vapor e da capacidade multicombustível em comparação ao motor a explosão,  fez com que  os motores de bulbo quente encontrassem, em pouco tempo, forte aceitação em algumas aplicações pesadas de uso contínuo como motores estacionários, tratores, moto-geradores, bombeamento d'água e embarcações, tendo, em tais aplicações, suplantado a máquina a vapor, desde que a opção fosse pelos combustíveis líquidos. Isso porque os motores de bulbo quente que não podia consumir diretamente carvão ou lenha, combustíveis largamente utilizados na máquina a vapor desde sua origem. Já nas aplicações mais leves, de uso intermitente ou que exigisse potências específicas mais altas o motor a gasolina prevalecia com larga folga.

Porém, haviam problemas de difícil solução e que podem ser considerados intrínsecos ao seu ciclo de funcionamento. Por não permitirem controle do ponto de ignição, os motores de bulbo quente eram bastante sensíveis a variação de carga e não ofereciam boa regularidade de marcha. Também apresentavam baixo rendimento térmico por conta da limitação da taxa de compressão que podia ser empregada, apresentando valores baixos, limitados a uma faixa entre  3:1 a 5:1 para evitar a ocorrência de pré-ignição. Alguns artifícios foram criados como a injeção de água, mas funcionavam mais como paliativos para situações extremas.
Uma mesma solução parece ter sido percebida por diversos estudiosos da época, passava por uma reconfiguração lógica do ciclo de funcionamento, na verdade, um refinamento que resultaria no motor de ignição por compressão. As alterações propostas visavam uma forma de se obter uma ignição controlada. Para isso a vaporização do combustível por temperatura deveria ser eliminada. A taxa de compressão deveria ser incrementada até um ponto em que o ar comprimido atingisse temperaturas suficientes para inflamar o combustível, que teria de ser injetado a alta pressão, em um tempo muito curto e pouco antes do pistão atingir seu ponto máximo superior. Com isso, a ignição passaria a ser determinada pelo tempo de início de injeção, o que eliminaria o risco de pré ignição.
Como veremos, esse foi o caminho seguido não por um mais por vários inventores, entretanto a concretização da ideia através da implementação de um mecanismo prático exigiu muito tempo, esforço,  determinação e, acima de tudo, capacidade de extrapolar as limitações técnicas dos processos de manufatura mecânica da época. Uma verdadeira corrida, na qual o sistema de patentes garantiria que apenas o primeiro a realizar o feito colheria os louros da vitória.

Motor Diesel construído pela MAN AG em 1906 - Fonte: Wikipedia


DAS PRIMEIRAS PROPOSTAS ATÉ O SUCESSO COMERCIAL
O motor diesel é caracterizado por utilizar a ignição por compressão. A primeira proposta para o ciclo de funcionamento que caracteriza o motor Diesel, segundo afirmam diversos autores, não foi de Rudolph Diesel. Mas do criador do motor de bulbo quente, Herbert Akroyd Stuart, que juntamente com Charles Richard Binney obteve patente para seu projeto em outubro de 1890 e construiu seu primeiro motor em 1892, enquanto Diesel só requereu patente para seu projeto no ano de 1893, e só veio a construir seu primeiro "motor de Combustão Lenta" no ano de 1894.
Entretanto, os primeiros protótipos de motores de ignição por compressão construídos, tanto por Diesel como por Akroyd, apesar de terem funcionado em conformidade com o princípio teórico, também demonstraram que seria necessário muitas melhorias para se obter um mecanismo confiável com os processos de manufatura disponíveis na época. O motor de Akroyd funcionou apenas algumas horas e o de Diesel explodiu durante um dos testes, por sorte o inventor não foi atingido.
Herbert Akroyd, que já detinha a patente do motor de Bulbo Quente, descontinuou seus trabalhos de desenvolvimento, ainda em 1893.
Mas, Diesel que previa um rendimento teórico de 75% para o motor de ignição por compressão e havia recebido apoio da MAN AG, ainda em 1893, para desenvolver seus trabalhos, manteve-se firme conseguindo resultados cada vez mais consistentes. E finalmente, em 1897 ainda contando com o apoio da MAN, conseguiu construir uma versão totalmente funcional e confiável.  A partir da qual Diesel passou a vender os direitos de fabricação a diversos fabricantes da Europa e dos Estados Unidos da América. Entre os atrativos os diversos atrativos do motor Diesel estava a capacidade de adequação ao trabalho com variação de cargas e com cargas pesadas devido a sua regularidade de marcha em diversos regimes e ao excelente torque em baixas rotações.


Apesar de apresentar a desvantagem comparativa em relação ao motor de Bulbo Quente de não trabalhar com combustíveis leves ou gás, o motor de Diesel também se mostrou um multicombustível, apto ao consumo de diversos tipos de combustíveis pesados como petróleo filtrado e óleos vegetais ou mesmo derivados de gorduras animais. Aliás, a preferência de Diesel durante seus testes foi para os óleos vegetais, tanto que na primeira apresentação de seu motor de 1897 Diesel utilizou óleo de amendoim.
Mas, o grande fator de sucesso do motor Diesel foi a comprovação de sua eficiência térmica, muito superior a qualquer outro tipo de motor de combustão, atingindo valores acima dos 40%, quando os valores típicos para a máquina a vapor, sua principal competidora, iam de 6% para as de escape livre a 10% para as dotadas de condensador. Seu predecessor, o motor de bulbo quente, também ficava muito aquém na mesma comparação, pois nas melhores situações alcançava os 12% de rendimento, além disso não lidava tão bem com variações de carga. Os motores que obtinham rendimento mais próximos eram os motores de ciclo Otto que chegavam a alcançar valores na ordem de 20% para os movidos a gasolina e 25% para os movidos a gás, entretanto não eram multicombustíveis  e exigiam combustíveis mais leves e caros. E vale ressaltar que quando a comparação da eficiência energética é feita para cargas parciais, a vantagem do motor Diesel aumenta em relação aos motores de ciclo Otto e à máquina a vapor.

O motor diesel, como foi concebido, tinha características que o apontavam para aplicações pesadas e, desde logo, foi visto como um forte sucessor do motor a vapor em quase todas aplicações.
Após a primeira década do século XX  o motor Diesel conquistou bastante espaço, seu desenvolvimento técnico ganhou forte impulso após a expiração da patente de Rudolf Diesel em 1910, evento que permitiu a outros inventores a se dedicarem a melhoramentos que resultaram em motores mais leves, mais rápidos e bem mais eficientes.

Rudolf  Diesel não viveu o suficiente para acompanhar o grande sucesso de seu motor, faleceu de forma trágica no final do mês de março de 1913, em circunstâncias que ainda fomenta muitas suspeitas de assassinato.  Apesar da teoria mais aceita ser a de suicídio.
Seu corpo foi supostamente encontrado no mar duas semanas após ter desaparecido de uma embarcação durante uma viagem entre a Bélgica e o Reino Unido. O termo "supostamente" vem do fato de que seu corpo não foi resgatado e entregue a família, pois o que se diz é que após recolherem objetos  e documentos em suas roupas, seu corpo foi novamente jogado ao mar, conforme costume da época de não se levar os mortos nas embarcações. Há um vídeo da History Channel que apresenta algumas teorias que apontam para o assassinato de Rudolf Diesel.. A quem se interessar, disponibilizei o vídeo no final desse post

Alguns autores afirmam que em 1912 já haviam 70.000 motores Diesel no mundo. Em cerca de três décadas o motor Diesel tornou a máquina a vapor praticamente obsoleta na maioria das aplicações onde reinava absoluta por mais de um século, tais como indústria em geral, bombeamento d'água, transporte naval e geração de energia. A mais tardia foi a do transporte ferroviário, em parte pela possibilidade do uso do carvão e da lenha nas locomotivas a vapor. A alta capacidade de arranque e de tração da máquina a vapor, também favoreceu sua longevidade na aplicação ferroviária, vez que dispensavam sistemas de transmissões  de múltiplas marchas e de acoplamento por embreagem ou conversor de torque, itens obrigatórios na tração Diesel. Essa vantagem só pode ser superada com o surgimento das locomotivas diesel-elétricas na década de 1960. 

O  desenvolvimento do motor Diesel também ofuscou prematuramente o sucesso do motor de bulbo quente, surgido sete anos antes e que nesse intervalo de tempo retro havia conquistado muitas expectativas de que seria o substituto inevitável da máquina a vapor. Porém, a eficiência apresentada pelo motor Diesel o fez superar, a ponto de tornar obsoletos, não só a máquina a vapor como o próprio motor de bulbo quente.  Entretanto o domínio do motor Diesel não se fez de imediato, sua complexidade construtiva para a época e o domínio da patente por Diesel resultou numa evolução lenta na sua primeira década e meia de vida. Por outro lado, o motor de Bulbo Quente tinha suas vantagens comparativas em relação ao motor Diesel como simplicidade construtiva, custo de produção bem mais baixo, maior robustez, fiabilidade e facilidade de manutenção, as quais certamente foram responsáveis por mantê-lo na concorrência com o motor Diesel por mais de meio século, ainda que ocupando pequenos nichos.

Já em relação ao motor a gasolina, o motor Diesel conseguia se destacar nas instalações de grande porte, mas era bastante pesado para competir no transporte rodoviário, aplicações leves, de uso intermitente ou onde potências específicas mais altas fossem exigidas.. De certa forma os dois tipos, motor Diesel e motor Otto, se tornaram complementares na grande faixa de aplicações dos motores térmicos, cada qual dominando uma fatia distinta. O binômio ”leveza x economia” seria o parâmetro de maior definição na escolha. A evolução e o aparecimento dos motores diesel ligeiros aumentaria em muito as aplicações em que os motores.diesel passaria a se sobressair em ralação ao motor Otto. Entretanto além das vantagens singulares de cada um, um fator importante passou a influenciar fortemente a manutenção do equilíbrio nessa queda de braço; o domínio dos derivados do petróleo no mercado dos combustíveis. A força das indústrias do petróleo praticamente monopolizou o mercado dos combustíveis. Sem perderem tempo, os magnatas do petróleo estrategicamente deram o nome ao óleo obtido na primeira fase de destilação do petróleo de Óleo Diesel, uma clara homenagem ao inventor do motor de ignição por compressão, mas, também uma eficiente campanha de fixação de produto. Sem dúvidas, uma jogada inteligente, já  que o derivado do petróleo era apenas um dos combustíveis que atendiam os requisitos de funcionamento do motor de Diesel, originalmente um multicombustível.

Como o óleo diesel e a gasolina são obtidos por destilação fracionada, a oferta de um estava ligada ao consumo do outro. É como se, do mesmo fruto, um comesse a polpa e o outro o caroço. Essa “simbiose” fez com que os dois encontrassem o equilíbrio na disputa e continuassem a evoluir em aplicações cada vez mais diversas, ao mesmo tempo em que praticamente punham fim ao reinado absoluto da máquina a vapor. O novo reinado das máquinas térmicas estava dividido entre os motores alternativos do ciclo Beau de Rochas e de ciclo Diesel. As turbinas a vapor e a gás surgiram como opção válida algum tempo depois, mas, não trouxeram ameaças de descontinuidade aos motores alternativos, pois a aplicação e a demanda de motores térmicos crescia de forma bastante acentuada. De forma que os dois tipos de turbina vieram muito mais para complementar à oferta e expandir as aplicações do que para concorrer em aplicações já estabelecidas.



VÍDEOS SOBRE O ASSUNTO DISPONÍVEIS NO YOUTUBE

 

Documentário sobre o desenvolvimento do Motor Diesel



Rudolph Diesel e o motor Diesel


Animação do funcionamento do Motor Diesel


Vídeo (um tanto sensacionalista) sobre as teorias de assassinato de Rudolf Diesel

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