Tipo de Motores aplicados ao meio Naval

Introdução

O modelo de motor que conhecemos atualmente é fruto de anos de evolução. Este processo se iniciou no século XVIII e contou com a colaboração de diversos cientistas e engenheiros.

O primeiro motor a combustão interna foi patenteado na Itália em 1853, mas ele não foi produzido em grande quantidade. Naquela altura, o projeto consistia numa mistura explosiva de ar e hidrogênio.

Dentre todas as contribuições, sem sombra de dúvidas, uma figura importantíssima foi o engenheiro alemão Nicolaus Otto, ele desenvolveu o conceito de funcionamento do motor de combustão interna Ciclo Otto. Aqui tivemos um salto evolutivo interessante, uma vez que foi o primeiro a queimar o combustível dentro do cilindro, fato este que aumentou bastante a eficiência da máquina térmica e se tornou padrão.

     Nicolaus Otto

Tipos de Motores

Basicamente, existem dois tipos de motores: 4 tempos e 2 Tempos. E sobre esses dois que vamos nos ater. 

Ambos funcionam com ciclo Otto e Diesel e, para nosso entendimento, vale lembrar que 1 Tempo de funcionamento do motor é o percurso do Ponto Morto Inferior (PMI) ao Ponto Morto Superior (PMS), que equivale a meia volta do eixo de manivela.

                                            Motor a combustão interna ciclo Otto

Sobre a diferenciação entre os dois tipos de motores abordaremos ao longo desse artigo. No entanto, vale lembrar que a grande maioria dos motores usados em automóveis, motocicletas, embarcações das mais variadas se utilizam de motor 4 Tempos podendo ser ciclo Diesel ou Ciclo Otto.

Ciclo Otto x Ciclo Diesel

Existem algumas diferenças entre os dois tipos de ciclo, mas um não é melhor que o outro, o que há é apenas uma maior adequação para o uso de cada um em determinadas situações.

O Ciclo Otto é um ciclo termodinâmico que idealiza o funcionamento de motores a combustão interna de ignição por centelha.

Já o Ciclo Diesel não há a presença de um dispositivo gerador de centelha. A combustão se dá pelo aumento da temperatura dentro do cilindro provocada pela compressão do ar e combustível é injetado em altíssima pressão (por volta de 200bar) e então se dá a auto detonação.

Nos motores movidos a gasolina ou etanol (Ciclo Otto), durante o primeiro tempo admissão a válvula de admissão se abre, o pistão desce e enche a câmara com a mistura  ar/combustível, em seguida quando a válvula de admissão se fecha começa o tempo de compressão, onde o pistão sobe comprimindo essa mistura. Quando o pistão chega próximo do ponto morto superior (PMS), acontece uma centelha (vela de ignição) que explode a mistura ar/combustível iniciando o tempo de explosão, movimentando o pistão para baixo com muita força.

Na próxima meia volta do eixo virabrequim a válvula de escapamento é aberta e o pistão sobe novamente empurrando todos resíduos para fora da câmara de explosão.

Nos motores a Diesel, a válvula de admissão se abre e o pistão desce inundando a câmara somente com ar, em seguida, no tempo de compressão esse ar é comprimido o que eleva sua temperatura, quando o pistão chega próximo ao ponto morto superior (PMS) o diesel é injetado a uma pressão de cerca de 200 bar e se inflama instantaneamente ao se deparar com o ar aquecido, essa explosão cria uma grande força de expansão que faz com que o pistão desça para o ponto morto inferior (PMI). Na próxima meia volta do eixo vira brequim a válvula de escapamento é aberta e o pistão sobe empurrando todos os resíduos para fora.

Motor a gasolina (Ciclo Otto) x Motor Ciclo Diesel 

O Ciclo Diesel se difere do Ciclo Otto principalmente nas seguintes características:

  • Possui maior energia concentrada.
  • Possui queima mais lenta
  • Suporta pressão e temperatura superiores 
  • Admite uma maior quantidade de ar em cada cilindro e permite uma maior compressão do ar. Fato este que garante uma maior energia gerada em  cada ciclo
  • O fato da queima do diesel ser mais lente, favorece o maior curso do pistão, permitindo aproveitar mais a expansão dos gases em cada ciclo
  • Motores Diesel trabalham com rotações menores, pressões elevadas e maior torque. Então, se faz necessário estruturas mais robustas.

Os 4 Tempos do Motor Ciclo Diesel

Motor 2 Tempos

O motor 2 Tempos realiza todas as 4 etapas necessárias para a geração de energia assim como nos motores 4 Tempos, no entanto foi projetado para fazer tudo em apenas 2 Tempos, ou seja, Admissão, Compressão, Combustão e Exaustão em apenas 1 volta do eixo de manivelas, enquanto no motor 4 Tempos, são necessárias duas voltas para a conclusão.

Motor ciclo Otto 2 Tempos

O motor 2 Tempos não possui os comandos de válvulas existentes no motor 4 Tempos, o próprio cilindro funciona como válvula abrindo e fechando as janelas existentes na lateral. Sendo assim, os tempos de funcionamento são:

  1. Primeiro tempo -  Etapa de Admissão e Compressão 

O pistão sobe executando seu primeiro Tempo, comprimindo a mistura de ar e combustível e fechando as janelas de admissão e exaustão (Ciclo Otto).

  1. Segundo Tempo -  Etapa de Combustão e Exaustão

Após chegar no PMS, ocorre a ignição, que a partir da explosão gerada empurra o pistão novamente para baixo em que ocorre a exaustão de um lado e admissão do outro. Finalizando, assim, 1 ciclo, ou seja, uma volta do eixo virabrequim.

Esse motores ficaram bastante famosos em motocicletas, tendo como característica aumentar o giro muito rápido e também ficaram famosos no passado pelo uso em veículos, como foi o caso dos DKV. 

Há também o motor a Diesel 2 Tempos e esses serão ítem de grande interesse para nós, uma vez que navios de grande porte usam este tipo de motor, mas, abordaremos isso mais a frente.

Motor 4 Tempos

Como já visto, motores 4 Tempos são aqueles que, em cada cilindro, o pistão precisa executar 4 tempos para completar as 4 etapas necessárias para o funcionamento do motor: Admissão, Compressão, Combustão e por último, Exaustão, completando duas voltas do eixo virabrequim.

  1. Primeiro tempo -  Etapa de Admissão 

A mistura de ar e combustível é injetada no cilindro através da válvula superior (Ciclo Otto). Já no ciclo Diesel, somente o ar é admitido.

  1. Segundo Tempo -  Etapa de Compressão

A mistura ar/combustível é comprimida (ciclo Otto) e no Ciclo diesel, somente o ar é comprimido.

  1. Terceiro Tempo -  Etapa de Combustão

Nesta etapa os ciclos se diferem de fato. No ciclo Otto, nesta etapa de ignição, um mecanismo criador de centelha (Vela) inicia a explosão dentro do cilindro empurrando o pistão para baixo. É assim que a força do motor é gerada.

Já em motores Ciclo Diesel, nesta etapa o combustível é injetado a altíssima pressão, como já foi visto, e a explosão se dá automaticamente, sem nenhum dispositivo, somente com encontro do combustível sob altíssima pressão com o ar sob altíssimas temperaturas devido o processo de compressão.

  1. Quarto Tempo -  Etapa de Exaustão

Após a queima do combustível, a válvula de exaustão se abre e os gases são eliminados do cilindro.

Embarcações

É evidente que o meio naval não deixou de acompanhar a evolução dos motores.

Mas, é curioso o fato que atualmente, por mais que no meio terrestre tenham caído em desuso, os motores 2 Tempos ainda são largamente utilizados em navios de grande porte pois não há nada nos dias de hoje que seja mais eficiente que motor diesel 2 Tempos.

  • Embarcações Equipadas com Motor 2 Tempos

Como já dito anteriormente, não há nada nos dias de hoje que sejam mais eficientes que motores diesel 2 tempos. Mas, em termos tecnológicos há dois extremos: existem motores 2 Tempos que equipam pequenos motores de popa por apresentarem vantagens como:

  • Simplicidade de manutenção
  • Manutenção mais barata

Mas, em contrapartida, agridem mais o meio ambiente e apresentam consumo maior quando comparado com motores 4T.

Motor 2T Náutico 

Já na outra mão do extremo tecnológico do mundo de motores 2T, temos os motores Diesel de grande porte que equipam os maiores e mais modernos navios de deslocamento. Podemos salientar que o maior motor do mundo são os da série RT-flex96C da Wärtsilä-Sulzer. Eles são os motores de combustão interna que utiliza óleo pesado como combustível

Na sua maior versão, contando com 14 cilindros em linha, é o motor mais eficiente do mundo, gerando cerca de 80000 KW ou então 108800 CV (cavalo vapor) de potência a incríveis 102 RPM. Isso é o mesmo que a potência obtida em 1000 carros de passeio.

Wärtsilä-Sulzer RT-flex96C

Pesando 2300 toneladas, com cada pistão tendo um deslocamento de quase 1800 litros, e medindo 27 metros de comprimento por 13,4 metros de altura, no ano de 2006, esse monstro da engenharia moderna equipou o porta contentor dinamarquês Emma Mærsk pela primeira vez na história.

Emma Mærsk

  • Embarcações Equipadas com Motor 4 Tempos

Já as embarcações equipadas com motores 4T são a grande maioria, uma vez que no setor náutico esse predomínio é marca registrada. 

E esse predomínio se estende desde embarcações de lazer de pequeno porte com simples motores de popa a gasolina até grandes embarcações de luxo.

Já no ramo Offshore, o uso de motores 4T diesel é bastante comum, apesar de nos dias de hoje vemos uma certa mudança de tendência para motorização híbrida.

No exemplo abaixo vemos um PSV equipado com dois motores Wartsila diesel de média rotação com duas linhas de eixo convencionais.

            PSV

Mas, analisando a mudança de tendência vista em PSV, AHTS, Rebocadores entre outros, o desuso das linhas de eixo convencionais para dar lugar aos ditos propulsão híbrida, isto é, geradores elétricos que se encarregam de gerar a energia elétrica para propelir as embarcações, vem acontecendo em busca  de uma maior eficiência e também, sem sombras de dúvidas, eliminar a linha de eixo, que em embarcações de grande porte é ítem de extremo cuidado, pois, imagine a complexidade e a precisão da fabricação desses ítens, uma vez que eles são peças maciças de dezenas de metros de comprimento. Mas, esse papo fica pra uma próxima!

                     Rebocador com propulsão Híbrida Wartsila

É nítido que todos os dois tipos de motores apresentam suas vantagens e suas desvantagens, mas nos dias de hoje, a palavra da vez é sustentabilidade e cuidado com meio ambiente. Vemos cada vez mais o aumento de propulsão híbrida, seja no meio terrestre com carros e motocicletas, seja no meio naval, como dito a cima.

Após a última resolução da marpol que restringia a emissão de gases estufa os armadores se vem forçados a repensar o estilo de propulsão.

Acredito que num futuro talvez não tão distante a motores a combustão interna se tornem ítem apenas de colecionadores. 

Autor

Arthur Mendes- Graduando em Engenharia Naval na UFRJ

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