» Motor Alternativo Diesel Lento





Generalidades

O motor Diesel é o tipo de motor mais usado a bordo como fonte de energia, quer seja para propulsão mecânica ou como gerador de electricidade. É barato, fiável, compacto e potente. 

Os motores Diesel, sejam eles quais forem, dividem-se em três classes:
  • Motores de regime rápido, que trabalham num regime superior a 1000 rpm;
  • Motores de regime de média velocidade, que trabalham entre as 250 rpm e as 1000 rpm;
  • Motores de regime lento, todos aqueles cuja velocidade é inferior às 250 rpm.


Fotografia de um hélice em cavitação.

Destas três classes de motores, apenas os motores lentos accionam directamente o hélice de navios sem recorrer a caixas redutoras, uma vez que a rotação do hélice a alta velocidade provoca cavitação (ver imagem em cima). O hélice (ou qualquer outro objecto) a mover-se rapidamente na água (ou outro fluido no estado líquido líquido) provoca uma depressão atrás de si. À medida que a pressão diminui, a temperatura à qual se forma vapor de água também diminui. Assim sindo, a partir de certas pressões, a água evapora à temperatura do ambiente que a rodeia (temperatura do mar), formando bolhas de vapor. Devido ao fluxo de água, essas bolhas são arrastadas para zonas onde a pressão da água começa a aumentar até um ponto onde se deixam de verificar as condições necessárias para que se mantenham no estado gasoso. Isto provoca a sua implosão quase instantânea, o que origina ondas de pressão fortes que ao embaterem nas superfícies em redor provocam a sua erosão. Num navio, o ruído de um hélice em cavitação é semelhante ao de alguém a estar do lado de fora com uma marreta a bater no costado nas imediações do hélice.

Os motores de média velocidade e os motores rápidos são também usados a bordo mas sobretudo como geradores. Em todos os navios é certo encontrar pelo menos um par de motores Diesel de média ou alta velocidade que accionem um alternador cada um. Em navios com máquina principal a turbina de vapor ou de gás ou ainda com motor Diesel lento, estes funcionam como geradores auxiliares, gerando energia eléctrica para alimentar todos os circuitos eléctricos do navio, desde a iluminação ao accionamento das diversas bombas, ventiladores ou aparelhos eléctricos; em instalações Diesel-Eléctricas, funcionam como máquina principal, gerando electricidade que accionará grandes motores eléctricos ligados ao veio, além de alimentarem, também, todos os circuitos eléctricos do navio. 

Independentemente do regime, os motores podem ser igualmente de dois ou de quatro tempos, isto é, podem completar um ciclo a cada dois ou quatro movimentos alternados do êmbolo, sendo que a cada volta do veio de manivelas correspondem dois tempos. Relativamente aos motores marítimos, existem tanto navios com motores Diesel a dois tempos como a quatro, sendo que os motores a dois tempos são muitas vezes preferidos aos de quatro tempos para máquina principal pelas razões que mais à frente serão enunciadas. Estes motores consomem uma enorme variedade de combustíveis, entre eles diversos G«gasóleos, óleos combustíveis, óleos pesados e intermédios entre outros.

O presente artigo visa estudar o funcionamento dos motores Diesel lentos a dois tempos com cruzeta, especialmente os de lavagem longitudinal ou unifluxo (uniflow scavenged, em inglês), sendo que abordagens pontuais a tipos de motores já a cair em desuso, como os de de lavagem transversal e em laço (crossflow scavanged e loop scavanged, respectivamente), serão igualmente feitas. O funcionamento dos restantes tipos de motor Diesel é, portanto, deixado para uma futura abordagem.

Um motor Diesel lento é constituído por diversas peças e equipamentos, tanto mecânicos, hidráulicos, pnaumáticos, eléctricos ou electrónicos. Antes de se explicar o seu funcionamento, faça-se uma breve e resumida lista dos elementos mecânicos principais que constituem os motores Diesel de dois tempos.



Peças constituintes

Em baixo segue-se uma lista de alguns dos constituintes de um motor Diesel a dois tempos de lavagem longitudinal e uma breve descrição de cada um desses constituintes. Cada um deles está numerado de modo a auxiliar a sua localização na imagem que se segue. A seguir ao nome dos constituintes em português, está, entre parêntesis, a sua denominação em inglês. Em alguns componentes são feitas analogias a outros tipos de motores tendo em vista estabelecer comparações.



Esquema em corte transversal do motor lento a dois tempos Wärtsilä
Sulzer RT-Flex 60C, com sistema de injecção de combustível Common Rail. Reproduzido e modificado com autorização da Wärtsilä Corporation. Protegido por direitos de copyright.


1
Câmara de Manivelas [Crankcase]


Espaço, definido pela base ou cárter [bedplate] e pela estrutura ["A" frame], no qual roda o veio de manivelas. Nos motores de pequena e média dimensão (rápidos ou média velocidade) o cárter está cheio de óleo que garanta a lubrificação do sistema mecânico de todo o motor, muitas das vezes feita por chapinhagem das manivelas nesse mesmo óleo; já nos motores lentos e de grandes dimensões, o cárter é seco, havendo um tanque localizado a uma cota inferior onde o óleo de sistema é armazenado e sendo a lubrificação do sistema garantida através de um circuito próprio de lubrificação.


2
Veio de manivelas [Crankshaft]


Também chamado, na gíria automóvel, cambota, é um veio excêntrico, inventado no séc. XIII no Iraque por Al-Jazari, que transforma o movimento alternativo e linear dos êmbolos num movimento rotativo. O seu nome deriva do facto de ser constituído por uma ou mais manivelas associadas. É uma peça comum a todos os motores alternativos, sejam eles a gasolina ou a Diesel, a dois ou a quatro tempos, lentos ou rápidos.


3
Tirante [Connecting rod]


Na gíria, são conhecidos como bielas e têm por função transportar a energia linear e alternativa do êmbolo ao veio de manivelas onde será transformada em energia rotativa. A sua cabeça abraça o moente do veio de manivelas, enquanto o seu pé está ligado à cruzeta. Tal como o veio de manivelas, é comum a todos os motores alternativos.


4
Cruzeta [Crosshead]


É o constituinte que articula a ligação entre o tirante e a haste do êmbolo, à qual está ligada rigidamente. A sua principal função é proteger o êmbolo de esforços transversais transmitidos pelo tirante que, de outro modo, seriam transmitidos ao feixe elástico e às paredes do cilindro, provocando o seu mais desgaste. A inclusão deste elemento nos motores permite que rodem a menores rotações. Permite, igualmente, proteger indirectamente o motor de explosões devido à entrada de ar para o bloco do motor ou de salpicos de óleo para a câmara de ar de lavagem, dado que a existência de uma cruzeta permite igualmente a existência de uma haste, vertical, que pode ser vedada por um bucim. 


5
Haste [Piston rod]


Efectua a ligação entre a cruzeta e o êmbolo, estando ligada a ambos rigidamente. Tendo em vista uma melhor vedação aos gases entre a câmara de combustão e a câmara de manivelas e aos salpicos de óleo provocados pelo veio de manivelas, é vedado por um bucim. Existe apenas nos motores com cruzeta.


6
Veio de ressaltos [Camshaft]


Conhecido na gíria automóvel como árvore de cames, é um veio excêntrico que pode ser accionado directamente pelo motor ou por uma fonte motriz externa cuja função é actuar mecânica ou hidraulicamente as válvulas de evacuação. Em muitos motores modernos, o veio de ressaltos foi inclusivamente substituído por uma centralina electrónica que acciona hidraulicamente as válvulas de evacuação. Poucos, e velhos, são os motores cujas válvulas de evacuação são actuadas de maneira totalmente mecânica.


7
Vedação da haste [Rod gland seal]


Organismo que faz a vedação entre o espaço onde roda o veio de manivelas e a câmara de ar de lavagem, evitando que salpicos de óleo entrem nas ditas câmaras ou que ar entre no espaço das manivelas, geralmente do tipo bucim e caixa de estofo ou simplex.


8
Janelas de ar de lavagem [Scavenge ports]


Tratam-se de orifícios na parte inferior da camisa do cilindro que permitem a substituição da atmosfera no seu interior nos motores a dois tempos. O êmbolo, no seu movimento descendente, descobre estes orifícios permitindo que o ar existente nas câmaras de ar de lavagem entre no cilindro. Substituem as válvulas de admissão existentes nos motores a quatro tempos.


9
Êmbolo [Piston]


É, também, conhecido na gíria automóvel por pistão. É o organismo que, ao ser empurrado para baixo pela expansão dos gases de combustão, transforma a sua energia química em energia cinética linear. Cilíndrico, é constituído pela coroa, o local onde as maiores pressões e temperaturas são atingidas, e pela saia, a parte inferior do êmbolo - que liga à haste, nos motores com cruzeta, ou directamente ao tirante, nos motores sem cruzeta. Os aros constituintes do feixe elástico, vulgarmente conhecidos na gíria automóvel como segmentos, envolvem o êmbolo e efectuam a vedação e limpeza das camisas do cilindro. Dividem-se em dois tipos: aros de lubrificação, cuja função é espalhar o lubrificante por toda a camisa do cilindro, no seu movimento ascendente, e remover o seu excesso no movimento descendente, localizados junto à saia do êmbolo; e em aros de compressão, cuja função é vedar a passagem de gases da parte superior do cilindro para a parte inferior, localizados na parte superior do êmbolo. Apesar de existirem motores com apenas um êmbolo, quanto maiores os motores mais cilindros têm. Isto permite evitar parte das vibrações causadas pelo movimento de um só cilindro de muito maior dimensão. Normalmente, os êmbolos de grandes motores são refrigerados internamente a óleo ou a água, dadas as grandes temperaturas envolvidas.


10
Camisa do Cilindro [Liner]


A sua função é guiar os êmbolos no seu percurso através dos cilindros. É independente do bloco pois, deste modo, permite que as camisas sejam constituídas de material mais resistente que o resto do bloco, além de permitir a sua expansão sem a criação de tensões nocivas ao funcionamento da máquina. Outro dos motivos para ser um órgão separado do bloco é o poderem ser substituídas quando gastas. Contêm uns orifícios por onde o ar de lavagem é admitido, chamados janelas de ar de lavagem, assim como uns outros, menores, por onde o óleo lubrificante de cilindros é bombeado. Este óleo é preparado para ser consumido, tendo inclusivamente substâncias que anulam os efeitos nefastos de substâncias geradas pela combustão, como o ácido sufúrico. Um motor pode consumir até 1 tonelada de óleo lubrificante diariamente. 


11
Válvulas [Exhaust valves]


Peças que permitem a exaustão dos gases de evacuação (exhaust valves). São accionadas mecanicamente, directamente pelo veio de ressaltos quando colocado na cabeça do motor ou por balanceiros, quanto o veio de ressaltos se localiza lateralmente ao bloco do motor; ou ainda hidraulicamente. Esta segunda opção tem vantagens no que toca à inversão do sentido de rotação do motor, quando necessário para efectuar marcha a ré. No caso de válvulas accionadas mecanicamente, são necessários dois veios de ressaltos (um para vante e outro para ré) ou um veio de ressaltos duplo que, ao mudar de posição longitudinalmente, altera a sequência de accionamento das válvulas. São peças constituintes da maioria dos os motores alternativos de combustão interna, seja como de admissão e evacuação, seja apenas de evacuação. Alguns motores marítimos de lavagem transversal e em laço não possuem qualquer válvula, tendo janelas de ar de lavagem e de evacuação, ambas accionadas pelo movimento linear dos êmbolos. Nestes motores, a saia do êmbolo é de maior dimensão pois tem que assegurar que ambas as janelas estão fechadas quando o êmbolo se encontra no ponto morto superior. 


12
Colector de evacuação [Exhaust manifold]


Colector para onde os gases de evacuação dos vários cilindros são despejados após abertura das diversas válvulas de evacuação. Daqui, seguem para os turbocompressores. 


13
Sobrealimentador [Supercharger]


Todos os motores marítimos estão equipados com sobrealimentadores. Os motores Diesel lentos possuem um ou mais sobrealimentadores accionados por motores eléctricos [auxiliar blowers] e um ou mais constituído pelo conjunto turbina e compressor radiais, vulgo turbocompressor [turbocharger], montados no mesmo veio, que aproveita parte da energia remanescente nos gases de evacuação vindos do colector de evacuação para comprimir o ar de lavagem. O sobrealimentador auxiliar entra em cena sempre que as rotações da turbina forem inferiores àquelas necessárias para garantir uma eficiente compressão, regra-geral no arranque e em regimes de baixas-rotações da máquina principal. Quando se tornam desnecessários, os sobrealimentadores auxiliares desligam-se automaticamente, dado consumirem potência mecânica, seja da própria máquina principal (se tiver gerador ao veio), seja grupos geradores. O turbocompressor, por seu lado, produz o mesmo efeito aproveitando uma parte da energia dos gases de escape que, de outro modo, seria libertada na atmosfera. 



Funcionamento de um motor Diesel

Os motores Diesel a dois tempos têm uma concepção, funcionamento e manutenção muito simples, sendo portanto muito baratos e fiáveis. São máquinas que necessitam exclusivamente de dois movimentos do êmbolo para completar um ciclo, rodando o veio de manivelas uma única vez por ciclo. São, por isso, os motores preferidos a bordo de muitíssimas embarcações, detendo a quase totalidade da quota de motores marítimos de propulsão (de grande porte). 

O mercado dos motores Diesel a quatro tempos é consideravelmente inferior, sendo, ainda assim, cada vez mais frequentes a bordo de navios de passageiros, onde, acoplados a grandes e potentes alternadores, geram a electricidade que alimenta tudo a bordo, desde as muitíssimas lâmpadas, aos motores eléctricos que accionam o hélice, estando, por isso, a reclamar uma cada vez maior quota de mercado. São motores que necessitam de quatro movimentos do êmbolo para completar um ciclo, havendo duas rotações do veio de manivelas por ciclo. 

Isto significa que o motor a dois tempos tem um rendimento de 1.8 em relação a um motor de quatro tempos, para o mesmo tamanho /em termos de motores de grandes dimensões. Não esqueçamos a grande inércia a que as partes mecânicas estão sujeitas a esta escala), sendo, por isso, estes últimos utilizados sobretudo como geradores de ou simplesmente como motores auxiliares. São também bastante pesados, para o mesmo tamanho, quando comparados com os motores a dois tempos, sendo este, portanto, outro ponto contra. Esta definição é, contudo, generalista, não significando de todo que não existam navios movidos com motores a quatro tempos.



Motor lento a dois tempos
Sulzer RT-Flex 96C da Wärtsilä. Reproduzido com autorização da Wärtsilä Corporation. Protegido pelos direitos de copyright.

O motor a dois tempos puro sofre, contudo, mais desgaste e consome mais combustível, uma vez que a queima é incompleta, havendo desperdício de combustível. Nos dias de hoje, graças a grandes desenvolvimentos nos campos eléctronico e de tecnologia de materiais, essas limitações estão bastante limitadas, sendo motores bastante fiáveis e potentes detendo por isso a fatia de leão do mercado mundial de máquinas propulsoras.

Resumidamente, e descontando os processos não mecânicos, um motor Diesel marítimo a dois tempos de lavagem longitudinal funciona do seguinte modo:

Começando com o início do movimento do êmbolo a partir do seu ponto morto inferior, na parte inferior do cilindro, o seu movimento ascendente fecha as janelas de ar de lavagem, localizadas a dada altura nas paredes do cilindro, comprimindo o ar aprisionado. Ligeiramente antes de atingir o ponto morto superior, é iniciada a pulverização de combustível nessa atmosfera altamente comprimida e quente, sendo que a pulverização de combustível verifica-se num varrimento angular do veio de manivelas entre 25º a 30º, conforme a máquina. A mistura ar-combustível ao inflamar-se provoca um aumento de pressão e de temperatura que podem chegar a 150 bar e 1500 ºC, aumentos esses que que darão origem ao movimento descendente do êmbolo. É nesta altura que é realizado trabalho. Esse movimento é depois transmitido ao veio de manivelas pelo tirante, convertendo-o em movimento rotativo. Antes do êmbolo voltar a abrir as janelas de ar de lavagem, as válvulas de evacuação são abertas, permitindo a saída de grande parte da atmosfera pela parte superior do motor que, de outro modo, sairia para o colector de ar de lavagem. Quando as janelas são descobertas, não só as válvulas de evacuação ainda estão abertas como a pressão a que o ar de lavagem se encontra, superior à pressão no interior do cilindro e colector de evacuação, irá fazer a lavagem do cilindro, arrastando quaisquer gases que lá ainda se encontrem para o colector de evacuação. 



Vista superior do motor Diesel a dois tempos Mitsui B&W 8L45GFC de 8 cilindros em linha, 7040 BHP, que motoriza o navio GALP LEIXÕES da portuguesa Sacor Marítima.
Fotografia de Pedro Baptista, protegida por direitos de Copyright.


O funcionamento dos motores Diesel a dois tempos de lavagem transversal ou em laço é análogo aos de lavagem longitudinal, sendo que as válvulas de evacuação são substituídas por janelas de evacuação. 

 

Nos motores de lavagem transversal, as janelas de ar de lavagem ocupam metade da camisa, enquanto as de evacuação ocupam a outra metade imediatamente em frente, sendo ambas abertas simultaneamente. A lavagem dá-se quando a pressão do ar de lavagem supera a pressão no interior do cilindro e arrasta os gases para fora deste, sendo que não há refluxo dos gases de escape para o interior do colector de ar de lavagem devido à existência de uma válvula unidereccional que permite, apenas, a passagem de ar para o interior do cilindro. A cabeça do cilindro, nestes motores, possui uma saliência destinada a direccionar o ar de lavagem para cima, de modo a melhorar a lavagem do cilindro.

 

Nos motores de lavagem em laço, as janelas de evacuação localizam-se acima das janelas de ar de lavagem a todo o perímetro da camisa, o que faz com que, ligeiramente antes estas últimas serem abertas pelo movimento descendente do êmbolo, a atmosfera gasosa resultante da combustão seja expelida para o colector de evacuação. Quando as janelas de ar de lavagem são abertas, parte dos gases de evacuação remanescentes são forçados a sair do cilindro. Ao iniciar-se o movimento ascendente do êmbolo, este fecha novamente as janelas de ar de lavagem, primeiro, e as janelas de evacuação, depois, e daí em diante o processo é igual ao do motor de lavagem longitudinal.

Os motores referidos atrás, apesar de mais simples de construir, não são tão eficientes ou tão potentes como os de lavagem longitudinal, dado que a limpeza do cilindro não é tão perfeita nos primeiros como neste último, sendo, por isso, queimado menos combustível por cada ciclo, com a consequente queda de desempenho. Por esse motivo, caíram em desuso e nos dias de hoje, praticamente, não se vêm motores deste tipo a bordo de navios senão aqueles já velhos e originalmente equipados com este tipo de motor.

Os gases de evacuação, a cerca de 600 ºC, após serem expelidos do cilindro para o colector de evacuação, são enviados para um ou mais turbocompressores, dependendo do tamanho do motor. Esses compressores rotativos bombeiam e comprimem o ar de lavagem a partir da casa-da-máquina e enviam-no para os cilindros. Antes de entrar nos cilindros, contudo, esse ar é arrefecido no arrefecedor de ar de lavagem. 

O combustível é injectado, em ambos os tipos de motores, a alta pressão, tendo em vista uma queima mais eficaz e gradual, fruto da pulverização fina. O combustível é comprimido pelas bombas injectoras. Em muitos modelos de motores, cada injector ou par de injectores tem a sua bomba, que funciona engrenada ao motor, sendo que outros modelos são do tipo common rail, ou seja, uma só bomba de alta pressão fornece combustível a pressão constante independentemente das rotações do motor a todos os injectores. O combustível é, em qualquer dos casos e à semelhança de qualquer outro motor de combustão interna, pulverizado de modo a que as gostas sejam o menor possível mas grandes o suficiente para penetrarem uniformemente na atmosfera comprimida.

Independentemente destes dois factores, o motor Diesel lento a dois tempos tem a enorme vantagem de poder ser acoplado directamente ao hélice, não necessitando de grandes, pesadas e complicadas caixas redutoras. Outras vantagens são: a economia de espaço quando comparado, por exemplo, ao conjunto caldeira - turbina a vapor; o baixo custo; a resposta rápida às solicitações; ou os combustíveis que permite queimar.

 


Arranque de um motor Diesel


O arranque de um motor Diesel lento é relativamente complexo e demorado.

Antes de se arrancar o motor, é imperativo garantir-se que a máquina está a uma temperatura mínima para minimizar o desgaste por fadiga causado por gradientes térmicos bruscos. Este aquecimento é feito através de vapor criado numa pequena caldeira exclusiva para tal tarefa. É prática comum manter-se sempre o motor quente, fazendo circular água quente pelo circuito de refrigeração água quando o motor está parado, mantendo-o sempre quente. 

Há, ainda, que se abrir válvulas e machos que tenham sido fechados, tais como a válvula principal do ar de arranque, as válvulas e machos dos ar de controlo e de comando, garantir a correcta lubrificação da máquina e abrir todas as purgas. É também prática normal pôr dois geradores ao quadro. Antes de se arrancar o motor a Diesel, e porque águas ou óleos são imcompressíveis, é necessário expulsá-los do interior dos cilindros. Para isso, a máquina é lentamente rodada pelo virador com as purgas abertas ou então, também com as purgas abertas, dá-se uma tacada de ar de arranque que, a 20 bar - 30 bar expulsa quaisquer resíduos acumulados no interior dos cilindros. Também é necessário garantir que os circuitos de arrefecimento estão em funcionamento (quer da máquina em si quer dos auxiliares como turbo-compressor e arrefecedor de ar de lavagem, óleo lubrificante, etc). 

Alguns motores funcionam exclusivamente a HFO (combustível pesado) enquanto outros arrancam a MD (Marine Diesel) e só depois é feita a mudança para HFO. De qualquer das formas, é necessário garantir a correcta temperatura do combustível. 

Após um destes procedimentos, as purgas de cada cilindro são fechadas e testa-se a máquina, a vante e a ré, caso seja máquina reversível, ou só a vante, caso seja não reversível. Só depois é que, em cada cilindro e pouco depois de cada êmbolo passar o ponto morto superior até pouco antes de a válvula de evacuação ser aberta, é injectado o ar comprimido, entre 20 e 30 bar, que empurra o êmbolo para baixo. Um arrancador eléctrico para estes motores seria tão grande que não seria viável, pelo que este sistema é significativamente mais barato e de longe mais compacto. O combustível a dada altura (cerca de 15 segundo após o início do arranque) começa a ser injectado, quando o motor já tem um certo balanço, e lentamente o motor começa a trabalhar por si só, sendo o ar de arranque cortado. A entrada do ar de arranque é controlada em cada cilindro por uma válvula principal, por sua vez controlada através de outras válvulas de ar controladas por um distribuidor. O distribuidor não é mais que um mecanismo, activado pelo veio de ressaltos, que vai accionando, através de válvulas de ar secundárias, as válvulas principais de ar de arranque na sequência correcta. O ar de arranque, depois de ser usado, pode ser libertado para um tanque de armazenamento ou ser directamente libertado para o exterior. No primeiro caso, como o ar nesse tanque de armazenamento ainda possui alguma pressão, uma nova compressão a partir dali é mais rápida e menos trabalhosa. 

Os tanques de armazenamento de ar de arranque, chamadas garrafas de ar de arranque, existem aos pares e têm que ter uma dimensão tal que lhes permita arrancar o motor 6 vezes, caso não seja reversível, ou 12 vezes, se o for, sem necessitarem de reabastecimento. Esses tanques deverão conter, também, uma válvula de segurança que liberte pressão quando esta subir acima de 10% daquela de funcionamento. Deverão, igualmente, ter válvulas de purga, como, aliás, qualquer reservatório de ar comprimido, e um barómetro. 

Já os compressores, também em duplicado, deverão ter a capacidade de encher ambos os tanques à pressão nominal em não mais de 1 hora partindo da pressão ambiente. Regra geral são compressores alternativos de dois estágios com arrefecimento a água.

Caso o virador do motor esteja engrenado, este impede mecanicamente o ar de arranque de entrar nos cilindros.

 



Virador

Trata-se de um motor eléctrico que actua sobre o volante dentado do motor, fazendo com que o veio de manivelas da máquina principal rode lentamente, tendo em vista: colocá-lo numa posição especifica para se levarem a cabo trabalhos de manutenção; para o rodar uma ou duas voltas antes do arranque, para expulsar quaisquer acumulações de água ou óleo; ou para evitar que se dêem quaisquer deformações por fluência no veio do hélice ou no veio de manivelas enquanto a máquina está parada, caso o navio possua uma longa linha de veios. As válvulas de purga devem estar abertas sempre que o virador estiver ligado.


 

Turbo-compressor

 

O turbocompressor dos motores marítimos tem a mesma função e funciona segundo os mesmos princípios dos turbocompressores dos motores automóveis, ou seja, comprimir o ar que será admitido nos cilindros. A indústria automóvel aproveitou-se de muitos avanços tecnológicos dos motores marítimos, sendo o turbocompressor um deles e o intercooler, de que falaremos a seguir, outro. O turbocompressor foi desenvolvido em 1905 pelo Engenheiro suíço Alfred Buchi, mas só na década de 1920 começou a ser implementado nos motores Diesel Marítimos e de locomotivas. Também os motores de aviões foram pioneiros no uso dos turbocompressores, na década de 1930, não com o propósito de lhes aumentar a potência mas sim para permitir voos a maiores altitudes. 

 

 

Turbina de compressão de um turbocompressor TPL80 fabricado pela ABB. Reproduzido com autorização da ABB Corportate. Protegido por direitos de copyright.

O ar sob pressão tem uma maior densidade, i.e., para o mesmo volume de ar, o ar comprimido pesa mais, logo possui mais oxigénio no mesmo volume. Isto permite, então, que se injecte mais combustível e por isso obter mais potência. Um mesmo motor se funcionar com ar à pressão atmosférica tem menos potência do que se funcionar sobrealimentado. De facto, cerca de 70 % da potência de um motor Diesel Marítimo é devido aos turbocompressores.

O turbocompressor, ao contrário dos compressores que utilizam parte da potência gerada pelo motor [ou, no caso das instalações marítimas, energia gerada pelos grupos alternadores] para comprimir o ar, utiliza os gases de evacuação da máquina para accionar uma turbina de um só andar (turbina essa que dá o nome turbo ao tipo de sobrealimentador) que está ligada directamente no mesmo veio a uma outra turbina de andar único, sobrealimentadora. Os gases de evacuação são encaminhados através de um difusor onde a pressão que transportam se converte em velocidade e direccionados axialmente para as pás da turbina, fazendo-a rodar a velocidades entre 10000 rpm e 15000 rpm, variando claramente conforme o tipo de equipamento e regime de funcionamento da máquina, sendo depois expelidos para o exterior da turbina e depois para a atmosfera por uma conduta de evacuação. No lado do sobrealimentador, o ar é sugado axialmente a partir da casa da máquina e, depois de comprimido, é enviado radialmente para o intercooler, onde é arrefecido, e, daí, para o colector de ar de lavagem. Estas duas turbinas estão separadas entre si, não havendo mistura entre os gases de evacuação e o ar de lavagem. Devido a esta separação, a diferença de temperaturas entre turbinas pode exceder as centenas de graus, dado a temperatura ambiente da casa da máquina rondar os 30 ºC - 50 ºC e a dos gases de evacuação mais de 500 ºC. Os gases de evacuação são, depois, encaminhados para uma caldeira recuperativa, ou economizador, onde grande parte da energia térmica que ainda transportam é aproveitada para vaporizar água, não sendo, portanto, redireccionados para o motor.



Intercooler

 

O turbocompressor ao comprimir o ar aumenta-lhe a densidade, conforme já foi referido. Contudo, o aumento de pressão implica, consequentemente, um aumento de temperatura. Ar, à mesma pressão mas a temperaturas diferentes tem densidades diferentes: quanto mais quente, menos denso é. Convém, então, diminuir a temperatura do ar à saída do turbocompressor e essa função cabe ao intercooler. Significa, então, que o ar de lavagem encontra-se a uma maior pressão que aquela da casa-da-máquina, de onde foi aspirado, mas a uma pressão inferior àquela à saída do turbocompressor. Esta perda de pressão não ultrapassa os 10 %, sendo que na actualidade houveram melhoramentos significativos no que toca às prestações destes equipamentos.

O intercooler não é mais que um permutador de calor, como um radiador automóvel. Nos motores marítimos, em vez do ar de admissão ser arrefecido pelo ar ambiente, o ar de lavagem é arrefecido por água do mar.

 



Fotografias de componentes

Porque as imagens ajudam a clarificar as ideias, em baixo segue-se uma série de imagens de diversos componentes de grandes motores Diesel lentos a dois tempos do tipo uniflow scavenged. Por se terem usado fotografias de alguns dos maiores e mais potentes motores do mundo, não significa que todos os motores tenham componentes deste tamanho. Muitos são, também, os motores lentos de menores dimensões.

As fotografias que se seguem estão protegidas por direitos de copyright. Reproduzidas com autorização do autor, Rick Vince.

  


 

Vista parcial do veio de manivelas e cabeça do tirante. A presença de um Engenheiro na imagem permite uma noção do tamanho destes componentes. 
 
Motor MAN B&W K98MC-C de 12 cilindros, 68,520 kW, que motoriza o navio MSC ESTHI


 

Uma das doze cruzetas do motor. Para se ter noção da escala, prestar atenção aos apoios de pés nas laterais.

Motor MAN B&W 12K98 de 12 cilindros, 68.640 kW, que motoriza o navio COSCO CHINA

 

 

 


 

Êmbolo no interior do cilindro, visto de cima, com a cabeça do motor desmontada. O local onde o Engenheiro apoia o pé é o cilindro.

Motor MAN B&W 12K98 de 12 cilindros, 68.640 kW, que motoriza o navio COSCO CHINA

 

Vista superior do interior de um dos cilindros. Na parte inferior são visíveis umas ranhuras na camisa: as janelas de ar de lavagem.

Motor MAN B&W 12K98 de 12 cilindros, 68.640 kW, que motoriza o navio COSCO CHINA

 

 

 


 

Vista de pormenor das janelas de ar de lavagem.

Motor MAN B&W 12K98 de 12 cilindros, 68.640 kW, que motoriza o navio COSCO CHINA


 

Um dos êmbolos do motor a ser retirado. A peça laranja é o equipamento usado para remover o pesado êmbolo e haste de dentro do cilindro.

Motor MAN B&W 12K98 de 12 cilindros, 68.640 kW, que motoriza o navio COSCO CHINA

 

 

 


 

Vista exterior de uma das válvulas de evacuação do motor.

Motor MAN B&W 12K98 de 12 cilindros, 68.640 kW, que motoriza o navio COSCO CHINA


 

Um conjunto êmbolo e haste a ser retirado do motor para manutenção.

Motor MAN B&W 12K98 de 12 cilindros, 68.640 kW, que motoriza o navio COSCO CHINA

 

 

 


 

 

Vista da parte superior do motor. São visíveis as 12 válvulas de evacuação [uma por cada cilindro] e o colector de evacuação.

Motor Wärtsilä Sulzer 12RTA96C de 12 cilindros, 56.848 kW, que motoriza o navio AXEL MAERSK


 

 

O motor em testes ainda no fabricante.

Motor MAN B&W 12K98MC-C de 12 cilindros, 69.440 kW, que motoriza o navio CSCL OCEANIA

 

 

 

 

 O motor em testes ainda no fabricante.

Motor MAN B&W 12K98MC-C de 12 cilindros, 69.440 kW, que motoriza o navio CSCL OCEANIA

 

A instalação do motor a bordo do navio durante a sua construção. O acoplamento das metades inferior e superior da câmara de manivelas.

Motor MAN B&W 12K98MC-C de 12 cilindros, 69.440 kW, que motoriza o navio CSCL OCEANIA

 

 

 

 

A instalação do motor a bordo do navio durante a sua construção. Na imagem são visíveis apenas a metade inferior da câmara e o veio de manivelas.

Motor MAN B&W 12K98MC-C de 12 cilindros, 69.440 kW, que motoriza o navio CSCL OCEANIA


A instalação do motor a bordo do navio durante a sua construção. A suspensão da parte superior da câmara de manivelas.

Motor MAN B&W 12K98MC-C de 12 cilindros, 69.440 kW, que motoriza o navio CSCL OCEANIA





Substituição de uma das camisas do motor. Os orifícios visíveis em baixo são as janelas de ar de lavagem.

Motor MAN B&W 10RTA96C de 10 cilindros, 54.900 kW, que motoriza o navio NEDLLOYD BARENTSZ


Substituição de uma das camisas do motor. O objecto cilíndrico atrás é o colector de evacuação do motor.

Motor MAN B&W 10RTA96C de 10 cilindros, 54.900 kW, que motoriza o navio NEDLLOYD BARENTSZ






Uma das válvulas de evacuação desmontada para permitir o acesso ao interior de um dos cilindros.

Motor MAN B&W 10RTA96C de 10 cilindros, 54.900 kW, que motoriza o navio NEDLLOYD BARENTSZ





Agradecimentos:
 
 
André Barroso
João Pinho
Rick Vince
Wärtsilä Corporation



Última actualização - Abril 2010


Pedro Baptista
Julho 2007
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