quarta-feira, 27 de outubro de 2010

Como funcionam as locomotivas a diesel

A locomotiva híbrida a diesel é uma mostra inacreditável de energia e engenhosidade. Ela combina algumas das grandes tecnologias mecânicas, incluindo um enorme motor a diesel 2 tempos de 12 cilindros, a alguns motores elétricos grandes e geradores - e além disso um pouco de tecnologia da computação.
Esta locomotiva de 122.470 kg foi projetada para puxar vagões de passageiros a uma velocidade de até 177 km/h. O motor a diesel produz 3.200 cv, e o gerador pode produzir quase 4.700 ampères de corrente elétrica. Os quatro motores elétricos usam esta eletricidade para gerar 29.030 kg de empuxo. Existe um motor V12 separado e um gerador para fornecer energia elétrica para o resto do trem. Este gerador é chamado de unidade de força da locomotiva. Este gerador pode produzir mais de 560 quilowatts (kW) de energia elétrica.
Esta combinação de motor a diesel, geradores e motores elétricos faz da locomotiva um veículo híbrido



Por que híbrido? Por que diesel?

As locomotivas são híbridas porque isso elimina a necessidade de uma caixa de mudanças como a usada num carro. Vamos entender por que os carros têm caixa de mudanças.

Motor de 3.200 cv que aciona o gerador principal
Seu carro precisa de uma caixa de mudanças por causa da física do motor de combustão interna com pistões, que pode ser a gasolina, a diesel ou a gás natural. Em primeiro lugar, todo motor tem um limite, um número máximo de giros (indicados em rpm, de rotações por minuto), acima do qual o motor não poderia funcionar sem quebrar. Segundo, se você leu Como funciona a potência do motor , então sabe que os motores têm uma faixa estreita de variação de giros, onde os cavalos-vapor e o torque estão no seu máximo. Por exemplo, um motor pode produzir o máximo de cavalos-vapor entre 5.200 e 5.500 rpm. A caixa de mudanças permite a troca da relação de marcha entre o motor e as rodas à medida que o carro acelera e desacelera. Você muda as marchas para que o motor fique abaixo do limite e atinja a faixa de giros em que alcança o melhor desempenho (força máxima).
As 5 ou 6 marchas, na maioria dos carros, permite que eles cheguem a 180 km/h ou mais, com uma faixa de giros do motor entre 500 e 6.000 rpm. O motor, na locomotiva a diesel, tem uma faixa de giros muito menor. A marcha-lenta é 269 rpm e potência máxima é a 904 rpm. Com uma faixa de giros como esta, uma locomotiva precisaria de 20 ou 30 marchas para alcançar 177 km/h.
Uma caixa de marchas como esta teria de ser enorme (teria que lidar com 3.200 cv), complicada e ineficiente. Ela também teria que fornecer força para quatro conjuntos de rodas, o que aumentaria a complexidade.
Usando um conjunto híbrido, o principal motor a diesel pode girar a uma velocidade constante, acionando um gerador de corrente elétrica. O gerador envia corrente elétrica para um motor de tração em cada eixo, que passa força às rodas. Os motores de tração produzem torque adequado a qualquer velocidade, desde quando o trem está parado até 177 km/h, sem a necessidade de mudança de marchas.
Por que diesel?Os motores a diesel são mais eficientes do que os motores a gasolina. Uma locomotiva enorme como esta consome em média 325 litros de diesel a cada 100 km (0,31 km/l) quando está puxando cinco vagões de passageiros. As locomotivas que puxam centenas de vagões de carga totalmente lotados usam muito mais combustível do que isso - assim, mesmo com uma redução de 5 a 10% na eficiência, o aumento no custo do combustível seria expressivo. 

Rodas de aço

Você já imaginou por que os trens têm rodas de aço em vez de pneus como os carros? É para reduzir o atrito de rolamento. Quando seu carro percorre uma estrada, cerca de 25% da força do motor está sendo usada para empurrar os pneus. Os pneus se dobram e se deformam muito quando rodam, utilizando muita energia.
A quantidade de energia usada pelos pneus é proporcional ao peso que está sobre eles. Como o carro é relativamente leve, esta quantidade de energia é aceitável (você pode comprar pneus de baixa resistência de rodagem se quiser economizar um pouco de combustível).
Como um trem pesa milhares de vezes mais do que um carro, a resistência de rolamento é um fator importante ao determinar a quantidade de força usada para puxá-lo. As rodas de aço de um trem rodam em uma pequena área de contato; a área de contato entre cada roda e trilho é do tamanho de uma moeda de 10 centavos.
Ao usar rodas de aço em um trilho de aço, a quantidade de deformação é minimizada, reduzindo a resistência ao rolamento. Na realidade, o trem é a maneira mais eficiente de transportar produtos pesados.
O lado ruim de usar rodas de aço é que elas não têm muita tração.

Tração

A tração nas curvas não é um problema porque as rodas dos trens têm bordas que as mantêm nos trilhos. Porém, tração ao acelerar e frear constitui um problema.
Esta locomotiva pode gerar 29.030 kg de empuxo, mas para que o trem possa usar este empuxo de uma forma eficaz as oito rodas da locomotiva devem ser capazes de aplicar este empuxo aos trilhos sem patinar. A locomotiva usa um truque interessante para aumentar a tração.
Na frente de cada roda existe um bocal que usa ar comprimido para pulverizar areia, que está armazenada em dois tanques da locomotiva. A areia aumenta a tração das rodas motrizes. O trem tem um sistema eletrônico de controle de tração que aciona automaticamente os pulverizadores de areia quando as rodas patinam ou quando o maquinista faz uma parada de emergência. O sistema também pode reduzir a força de qualquer motor de tração cujas rodas estejam patinando.



O motor principal e o geradorO motor 2 tempos V12, superalimentado, e o gerador elétrico produzem a enorme quantidade de energia necessária para puxar cargas pesadas em altas velocidades. Só o motor pesa 13.608 kg, e o gerador pesa 8.029 kg.

CabineA cabine da locomotiva roda sobre seu próprio sistema de suspensão, que ajuda a isolar o maquinista dos solavancos. Os bancos também têm um sistema de suspensão.

Vista da cabine da locomotiva
Dentro da cabine existem dois bancos: um do maquinista (também chamado de condutor) e um do auxiliar. O maquinista tem fácil acesso a todos os controles da locomotiva; o auxiliar tem somente um rádio e um controle de freios. Também dentro do vagão, bem no nariz da locomotiva, existe um banheiro.
TrucksOs trucks são o conjunto completo de dois eixos com rodas, motor de tração, engrenagem, suspensão e freios. Discutiremos esses componentes mais adiante.


Unidade de força da locomotivaA unidade de força da locomotiva consiste em outro motor grande: um Caterpillar V12 a diesel, 4 tempos e biturbo. Este motor é mais potente do que qualquer motor de caminhão semi-reboque. Ele aciona um gerador que fornece 480 volts de corrente alternada trifásica para o trem. Este motor e o gerador fornecem mais de 560 kW de energia elétrica para ser usada em luzes, condicionadores de ar e instalações da cozinha. Usando um motor e um gerador completamente separados para estes sistemas, o trem pode manter os passageiros confortáveis, mesmo se o motor principal enguiçar. Isso também diminui a carga do motor principal.
Tanque de combustívelUm enorme tanque embaixo da locomotiva armazena 8.328 litros de diesel. O tanque é dividido em compartimentos; se qualquer um deles for danificado ou começar a vazar, bombas podem remover o combustível.
BateriasA locomotiva opera em um sistema elétrico nominal de 64 volts. A locomotiva tem 8 baterias de 8 volts, cada uma pesando 136 kg. Estas baterias fornecem a energia necessária para ligar o motor (o trem tem um enorme motor de partida), e também para fazer funcionar os equipamentos eletrônicos da locomotiva. Assim que o motor estiver funcionando, um alternador fornece energia para as baterias e para os eletrônicos.


Por que a maioria dos carros utiliza gasolina e não diesel?

Os motores a diesel nunca foram muito atraentes para os consumidores. Durante o final dos anos 70, os motores a diesel nos carros de passageiros tiveram um aumento nas vendas devido ao embargo do petróleo pela Opep (mais de um milhão forma vendidos nos EUA, neste período), mas essa foi a única alta que eles tiveram no mercado. Mesmo sendo considerados eficientes, oito problemas detiveram a popularidade dos motores a diesel.
  1. Pelo fato de possuírem uma taxa de compressão (20:1 para um motor a diesel ante 10:1 para um motor a gasolina), eles tendem a ser mais pesados do que um motor a gasolina equivalente.
  2. Eles tendem a ser mais caros.
  3. Devido ao peso e à taxa de compressão do motor a diesel, eles tendem a ter uma rotação máxima mais baixa que os motores a gasolina (leia aqui mais detalhes). Isso o faz ter mais torque do que alta potência e isso tende a deixar os carros com motores a diesel mais lentos em termos de aceleração.
  4. Os motores a diesel devem ter injeção de combustível e, no passado, injeção de combustível era cara e pouco segura.
  5. Eles tendem a produzir mais fumaça e "ter um cheiro estranho".
  6. Costumam ser mais difíceis de dar a partida em clima frio e, se tiverem velas incandescentes, é preciso esperar até que elas aqueçam antes de dar a partida.
  7. São mais barulhentos e tendem a vibrar.
  8. A disponibilidade do diesel é menor que a da gasolina.
Se fossem apenas uma ou duas, isso não seria problema, mas o conjunto das desvantagens torna-se sério impedimento para muitas pessoas.
Os dois pontos a favor dos motores a diesel são menor consumo de combustível e maior vida útil do motor. Ambos significam que, durante toda a vida do motor, você fará economia com um motor a diesel. Entretanto, você também tem que levar em conta seu alto custo inicial. Você precisa possuir e operar um motor a diesel por um bom tempo antes de a economia de combustível superar o alto preço da compra do carro com esse motor. A equação funciona muito bem em uma grande carreta a diesel que percorre 650 km por dia, mas não é, nem de longe, tão vantajoso em um carro de passeio. 

Como mencionado, a lista acima contém desvantagens históricas dos motores a diesel, Alguns dos novos projetos desses motores, que usam avançado controle por computador, estão eliminando muitas dessas desvantagens  – fumaça, ruído, vibração, custo e baixa potência estão sendo superadas. Num futuro próximo, provavelmente veremos muito mais motores a diesel nas ruas, como já ocorre hoje na Europa, em que metade dos carros novos vendidos é a diesel. Mas no Brasil é proibido automóvel a diesel, uma situação peculiar e única no mundo causada pelo perfil de consumo ser predominantemente de diesel, o que acarreta importação de 100.000 barris do produto por dia, apesar de o país já ser auto-suficiente em petróleo.

Como funcionam os motores a diesel 2 tempos

Como funcionam os motores de dois-tempos, descreve os motores pequenos de dois-tempos encontrados em motoserras, ciclomotores, jet skis, entre outros. Acontece que a tecnologia do motor a diesel é freqüentemente combinada com um ciclo de dois-tempos nos enormes motores a diesel encontrados em locomotivas, grandes navios e instalações de geração de energia elétrica

Se você já aprendeu que a grande diferença entre motores de dois e de quatro-tempos é a quantidade de potência que eles podem produzir. A vela de ignição dispara duas vezes mais em um motor dois-tempos (uma vez para cada volta do virabrequim, contra uma vez para cada duas voltas em um motor quatro-tempos). Isso significa que um motor dois-tempos tem o potencial de produzir duas vezes mais potência que um motor de quatro-tempos do mesmo tamanho.

O artigo sobre motor dois-tempos explica também que o ciclo do motor a gasolina, onde gasolina e ar são misturados e comprimidos juntos, não é exatamente ao ideal para o princípio do motor dois-tempos. O problema é que algum combustível não queimado pode escapar cada vez que o cilindro estiver sendo recarregado com a mistura ar-combustível

O fato é que o esquema do motor a diesel, que comprime apenas o ar e então injeta o combustível diretamente no ar comprimido, é uma combinação muito melhor para o ciclo de dois-tempos. Muitos fabricantes de grandes motores a diesel usam essa vantagem para criar motores de alta potência.

A figura abaixo mostra a disposição de um típico motor a diesel dois-tempos:


No alto do cilindro estão duas ou quatro válvulas de escapamento que abrem ao mesmo tempo. Há também o injetor de diesel (mostrado acima em amarelo). O pistão é alongado, como em um motor a gasolina dois-tempos, de modo que possa agir como válvula da entrada. O pistão, ao chegar ao final de seu curso, descobre as janelas para a admissão de ar. O ar de admissão (azul claro) é pressurizado por um turbocompressor ou um compressor. O cárter é estanque e contém óleo como em um motor a quatro-tempos.

O ciclo do diesel dois-tempos funciona assim:

1. Quando o pistão está no alto de seu curso, o cilindro contém uma carga de ar altamente comprimido. O combustível diesel é pulverizado no cilindro pelo injetor e inflama-se imediatamente devido ao calor e à pressão dentro do cilindro. É o mesmo processo descrito em Como funcionam os motores a diesel.

2. A pressão criada pela combustão do combustível empurra o pistão para baixo. Este é o ciclo de potência.

3. Quando o pistão se aproxima do fim de seu curso, todas as válvulas de escapamento se abrem. Os gases queimados são expelidos rapidamente do cilindro, aliviando a pressão.

4. Quando o pistão chega ao final do seu curso, descobre as janelas de admissão de ar. O ar pressurizado enche o cilindro, forçando para fora o restante dos gases queimados.

5. As válvulas de escapamento se fecham e o pistão começa a voltar a subir, fechando as janelas de admissão e comprimindo a carga de ar fresco. Este é o ciclo de compressão.

6. Quando o pistão se aproxima do topo do cilindro, o ciclo se repete a partir do primeiro passo.


Com esta descrição, você pode ver a enorme diferença entre um motor a diesel dois-tempos e um motor a gasolina dois-tempos: na versão a diesel somente o ar enche o cilindro, em vez da gasolina e o ar misturados. Isso significa que um motor a diesel dois-tempos não sofre nenhum dos problemas ambientais que atormentam um motor a gasolina dois-tempos. Por outro lado, um motor a diesel dois-tempos precisa ter um turbocompressor ou um compressor, o que significa que você nunca encontrará um diesel dois-tempos em uma motoserra (seria simplesmente caro demais).

Introdução de como funciona os motores a diesel


Rudolf Diesel desenvolveu a idéia do motor a diesel e obteve a sua patente alemã em 1892. Seu objetivo era criar um motor de alta eficiência. Motores a gasolina foram inventados em 1876 e, especialmente naquela época, não eram muito eficientes.





Foto cortesia de DaimlerChrysler Atego seis cilindros
Motor a diesel
 
Veja aqui uma animação que mostra como funicona o motor a diesel  
 
Para ter uma ideia melhor e comparar (opcional): veja como funciona um motor à gasolina 
 
 
As principais diferenças entre o motor a gasolina e o a diesel são:
  • Um motor a gasolina aspira uma mistura de gasolina e ar, comprime-a e faz a ignição com uma centelha. Um motor a diesel puxa o ar, comprime-o e então injeta o combustível no ar comprimido, o calor do ar comprimido inflama o combustível espontaneamente.
  • Um motor a gasolina comprime a uma taxa de 8:1 a 12:1, enquanto um motor a diesel comprime de 14:1 a 25:1. A taxa de compressão mais alta do motor a diesel leva a uma eficiência maior.
  • Motores a gasolina geralmente usam carburação, na qual o ar e o combustível são misturados bem antes do ar entrar no cilindro, ou injeção de combustível no duto de admissão, no qual o combustível é injetado imediatamente antes do tempo de aspiração (fora do cilindro). Os motores a diesel usam injeção direta de combustível o óleo diesel é injetado diretamente no cilindro. 
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Note que o motor a diesel não tem vela, ele aspira o ar e o comprime, e então injeta o combustível diretamente na câmara de combustão (injeção direta). É o calor do ar comprimido que inflama o combustível num motor a diesel.
Em um motor a diesel o injetor é o componente mais complexo, e tem sido objeto de um grande número de experimentos. Em um dado motor, ele pode ser colocado em diversos lugares. O injetor tem que ser capaz de suportar a temperatura e a pressão dentro do cilindro e ainda passar o combustível como uma fina névoa. Fazer a mistura circular no cilindro de maneira uniformemente distribuída também é um problema, de modo que alguns motores a diesel utilizam válvulas de admissão especiais, câmaras de pré-combustão ou outros dispositivos que produzam um turbilhão de ar na câmara de combustão ou, de alguma forma, melhorem o processo de ignição e combustão.




Potência do motor
Para uma explicação completa sobre o que é potência, leia Como funciona a potência do motor!
A grande diferença entre um motor a diesel e um a gasolina está no processo de injeção. A maioria dos motores de carros usa injeção antes da válvula de admissão ou um carburador, em vez de injeção direta. Portanto, em um motor de carro, todo o combustível é carregado para dentro do cilindro durante o tempo de aspiração e, então, comprimido. A compressão da mistura ar/combustível limita a taxa de compressão do motor - se ela comprime o ar demais, a mistura sofre ignição espontânea depois da ignição e provoca detonação. Um motor a diesel comprime apenas o ar, de modo que a taxa de compressão pode ser muito maior. Quanto maior a taxa de compressão, maior a potência gerada.
Alguns motores a diesel contêm algum tipo de vela de incandescência (não mostrado nesta figura). Quando um motor a diesel está frio, o processo de compressão pode não ser capaz de elevar a temperatura do ar o suficiente para inflamar o combustível. A vela de incandescência é um fio aquecido eletricamente (pense nos fios quentes que você vê em uma torradeira) que aquece a câmara de combustão e aumenta a temperatura do ar quando o motor está frio, de modo que o motor possa funcionar. De acordo com Cley Brotherton, técnico de equipamentos pesados da Journeyman:
    Em um motor moderno, todas as funções são controladas pelo módulo de controle eletrônico, ou ECM, em comunicação com um sofisticado conjunto de sensores, medindo tudo, desde rpm até temperaturas do líquido refrigerante e do óleo, e até a posição do motor (isto é, o ponto-morto superior). Hoje é raro usar velas de incandescência em motores maiores. O ECM mede a temperatura do ar ambiente e retarda a injeção do motor em tempo frio, para que o injetor borrife o combustível um pouco mais tarde. O ar no cilindro é mais comprimido, criando mais calor, o que ajuda na partida.
Os motores menores e os motores que não têm esse avançado controle computadorizado usam velas de incandescência para resolver o problema da partida a frio.
Diesel
Se alguma vez você comparou o diesel e a gasolina, sabe que são diferentes, até no cheiro. O diesel é mais pesado e mais oleoso, evapora muito mais devagar do que a gasolina e o seu ponto de ebulição é mais alto que o da água. Freqüentemente referem-se a ele como "óleo diesel", por ser tão oleoso.





Foto cortesia de DaimlerChrysler
Mercedes-Benz Conecto H com motor a diesel Euro 3 OM 457 hLA de seis cilindros
O Diesel evapora mais devagar porque é mais pesado, ele contém mais átomos de carbono em cadeias mais longas do que as da gasolina (a gasolina é tipicamente C9H20, enquanto o diesel é tipicamente C14H30). É exigido menos refino para produzir diesel, sendo este o motivo do diesel ser mais barato que a gasolina.
O diesel tem uma densidade energética mais alta do que a gasolina. Em média, 1 galão (3,785 litros) de diesel contém aproximadamente 155 x 106 joules (147 mil BTU), enquanto 1 galão de gasolina contém 132 x 106 joules (125 mil BTU). Isto, combinado com a maior eficiência dos motores a diesel, explica por que eles obtêm uma melhor quilometragem por litro do que motores a gasolina equivalentes.