Melhorias no desempenho energético dos motores de combustão interna

Através de uma pesquisa bibliográfica e revisão da literatura, na qual foram consultados livros de engenharia e artigos científicos sobre o tema, foi possível cumprir os objetivos do trabalho. Identificou-se que menos de um terço da energia química disponível no combustível é transformada em energia mecânica, sendo que as principais perdas ocorrem por transmissão de calor para o ambiente, má circulação e perdas no escoamento dos gases, além da ocorrência de combustão incompleta. Alternativas como o redesenho da geometria da câmara de combustão, aumento da taxa de compressão, recirculação dos gases de escape, atraso na ignição, pré-aquecimento de ar e de combustível, além de aumento na pressão de injeção ou uso de injeção de água, podem ser utilizadas para melhorar o desempenho energético dos motores, trazendo ganhos de até vinte e cinco por cento na eficiência energética.

Porém, algumas dessas propostas, apresentam desvantagens como o aumento na emissão de alguns poluentes específicos, como óxidos de nitrogênio, devendo ter um melhor estudo e avaliação antes de sua aplicação. Palavras-chave: Motor de combustão interna; Eficiência; Desempenho; Melhoria; Energia. Figura 3 – Imagem térmica de um motor em funcionamento. Figura 4 – Detalhe dos tubos de admissão e conexões em um motor de combustão interna. Figura 5 – Timing de abertura e fechamento das válvulas. Figura 6 – Perdas Energéticas em um Automóvel. Figura 7 – Uso da energia útil em um automóvel. Entre as principais máquinas utilizadas encontram-se os motores de combustão interna (MCI), os quais são responsáveis por atender à grande parte das necessidades de potência mecânica e também atender à grande maioria das necessidades de transporte urbano nas sociedades modernas.

Em alguns países, como é o caso do Brasil, a quase totalidade do transporte urbano (automóveis, caminhões e ônibus) funciona a partir da utilização de motores de combustão interna. No entanto, em um contexto mundial de escassez de recursos energéticos, especialmente os de origem fóssil, e em um cenário de cada vez maior conscientização do problema das mudanças climáticas causado pela emissão de gases de efeito estufa (como o dióxido de carbono), é fundamental investigar maneiras de melhorar a eficiência no uso dos combustíveis como recursos energéticos. No caso dos motores de combustão interna, uma maior eficiência pode se traduzir em realização de maior potência a partir de um menor consumo de combustível, provocando menores quantidades de emissões de poluentes, em nível local, e de emissões de gases de efeito estufa, em nível global.

Sendo o setor de transporte um grande responsável pelas emissões globais de poluentes, muitas grandes cidades europeias têm promovido iniciativas para favorecerem maior uso de veículos elétricos. Foram pesquisados livros clássicos da área de engenharia para esclarecer os fenômenos mecânicos de geração de potência e os princípios de termodinâmica referentes às trocas de energia e fluxos de massa. Também foram consultados livros consagrados da área específica de motores de combustão interna, para o estudo dos fenômenos relacionados especificamente ao desempenho dos motores, sejam eles de natureza de projeto ou de operação. Essa pesquisa foi realizada através da internet, procurando as obras completas quando disponível, ou 15 em biblioteca. Finalmente foram pesquisados artigos científicos de periódicos nacionais e internacionais, somente nas bases confiáveis de divulgação científica como Scientific Eletronic Library Online – SCIELO, Scopus e Web of Science (WoS), procurando-se sempre privilegiar as publicações mais recentes, de 2014 até 2019, de modo a encontrar-se o que há de mais atual no campo da pesquisa sobre a melhoria no desempenho energético dos motores de combustão interna.

FUNCIONAMENTO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI) O motor de combustão interna (MCI) é uma máquina térmica que converte a energia química de um combustível em energia mecânica, que é normalmente disponibilizada na forma de rotação de um eixo. São 17 os motores à gasolina e à etanol. Por outro lado, motores de ignição por compressão são normalmente preferidos para aplicações onde a economia de combustível é importante e quantidades relativamente grandes de potência são requeridas (grandes caminhões e ônibus, locomotivas e navios, unidades de potência auxiliares). São os motores alimentados com óleo diesel. No campo de aplicação intermediário, tanto motores de ignição por centelha como motores de ignição por compressão podem ser utilizados.

A figura a seguir mostra os elementos principais de um motor recíproco de combustão interna, consistindo em um pistão que se move para cima e para baixo (movimentos recíprocos) dentro de um cilindro equipado com duas válvulas. Segundo Pulkrabek (2014), em um MCI de quatro tempos, o pistão executa quatro movimentos distintos dentro do cilindro para cada duas revoluções do virabrequim: (1) Admissão: com a válvula de entrada aberta, o pistão faz um movimento para baixo arrastando uma nova carga para o cilindro. No caso de um motor de ignição por centelha, a carga é uma mistura de ar e combustível. No caso de um motor de ignição por compressão, a carga é formada por ar apenas. Compressão: Com as duas válvulas fechadas, o pistão realiza um movimento de compressão, aumentando a temperatura e a pressão da carga.

Este movimento requer trabalho, que é fornecido pelo pistão para o conteúdo do cilindro. Os motores de quatro tempos são mais eficientes pois fornecem duas rotações para cada ciclo (cada carga de combustão). No estudo da termodinâmica, a eficiência de um processo cíclico – isto é, um processo que opera entre determinadas condições e numa sequência de etapas de modo, ao final, sempre retorne ao seu estado inicial – é definida pela razão entre o trabalho útil realizado pelo processo e o calor fornecido ao sistema (MORAN & SHAPIRO, 2006). Embora os motores de combustão interna desempenhem ciclos mecânicos, o conteúdo do cilindro não executa um ciclo termodinâmico, pois a 20 matéria introduzida no motor possui uma determinada composição, sendo descartada posteriormente com uma composição diferente de seu estágio inicial.

Motores de combustão interna operam pela queima de um combustível em uma mistura de ar, que nunca retorna ao seu estado original. Desse modo, é conveniente utilizar uma definição de eficiência baseada na quantidade característica de energia que o combustível pode liberar em sua queima (TAYLOR, 1985). Existem vários tipos de motores de combustão interna, e estes podem ser classificados pelo tipo de ignição (por centelha ou por compressão), pelo ciclo do motor (quatro ou dois tempos) –como já visto – mas também pela localização das válvulas (na cabeça do pistão ou no bloco do motor), pelo desenho básico (motores recíprocos/alternativos ou rotativos), posição e número de cilindros, processo de admissão de ar, método de injeção de combustível, tipo de combustível, aplicação e tipo de resfriamento.

Apesar da grande variedade, os mesmos princípios básicos de funcionamento energético se aplicam a todos os motores. Além da questão energética, referente ao consumo de combustível, a questão ambiental também é fortemente influenciada pelo desempenho e eficiência energética dos motores de combustão interna. Os gases de exaustão emitidos pelos automóveis são um dos maiores contribuintes para o problema da poluição ambiental nas grandes cidades. Pesquisas e desenvolvimentos tecnológicos possibilitaram alguma redução nas emissões dos motores, mas o crescimento das populações urbanas e o uso extensivo de automóveis faz com que o problema continue existindo ainda por muitos anos. Segundo Pulkrabek (2014), dois métodos podem ser utilizados para reduzir as emissões danosas dos motores.

A primeira é aprimorar a tecnologia dos motores e combustíveis para que o desempenho geral seja melhorado, garantindo uma melhor 22 combustão, um melhor aproveitamento da energia gerada e a produção de menos emissões. O segundo método consiste em um tratamento dos gases de exaustão depois da sua produção. Isto pode ser feito utilizando-se conversores térmicos ou catalíticos que promovem reações químicas no fluxo de gases de exaustão. Essas reações químicas transformam os poluentes em gases como dióxido de carbono (CO2), nitrogênio (N2), e água (H2O). Esses fatores são brevemente apresentados a seguir. Trocas de calor ocorrem entre os gases de combustão e as paredes dos cilindros do motor e também com outras partes do motor que entram em contato com os gases.

Esse calor transferido dos gases para o motor é uma perda de energia, que causa o aquecimento do motor e do ambiente ao seu entorno. Trata-se da maior perda de energia na operação de um motor de combustão interna e a principal causa da redução da eficiência energética. A figura 3 a seguir mostra a imagem térmica de um motor em funcionamento. Essa variação é consideravelmente maior dependendo da velocidade de rotação do motor, podendo reduzir a potência realizada em 1% a 2%. Novamente, quanto maior a velocidade de rotação, maior será a perda de eficiência do motor por conta da falta de sincronia entre o ciclo termodinâmico e a efetiva abertura e fechamento das válvulas. A figura a seguir ilustra a variação de timing de abertura e fechamento das válvulas.

Figura 5 – Timing de abertura e fechamento das válvulas Fonte: Adaptado de PULKRABEK (2014, p. Em uma operação ideal, considera-se que a combustão é instantânea na primeira fase, a volume constante, e depois ocorre com uma velocidade adequada para manter a pressão constante, na segunda fase. A eficiência final de um motor de combustão interna normalmente fica na faixa de 30% (PULKRABEK, 2014). Alguns grandes motores de compressão, de baixa velocidade, conseguem ter eficiências de 50%. A figura 6 a seguir apresenta as principais perdas energéticas que ocorrem eu um motor de combustão interna de um automóvel. Considerando que o combustível é capaz de liberar 100 unidades de energia, cerca de 30% dessa energia é inerentemente perdida por irreversibilidades na combustão. A combustão não é um processo ideal e a oxidação das moléculas de combustível ocorre de maneira irreversível, com perdas significativas especialmente por transferência de calor para o ambiente (SMITH et al.

Concluindo, se for tomada como referência a energia total contida no combustível, a eficiência energética de um automóvel que se utiliza de um motor de combustão interna convencional é de cerca de 15% apenas (15 unidades de energia útil em relação a 100 unidades de energia consumida). Se for desconsiderada a parcela de energia que é inerentemente perdida na combustão, devido às irreversibilidades, a eficiência energética de um automóvel com motor de combustão interna é de aproximadamente 21,5% (15 unidades de energia útil em relação a 70 unidades de energia disponibilizadas nos gases de combustão). POSSIBILIDADES DE MELHORIA NO DESEMPENHO DOS MCI Como visto nos capítulos anteriores, existem vários fenômenos e parâmetros que influenciam na eficiência energética dos motores de combustão interna.

Ao projetar qualquer mecanismo térmico, o grande desafio está em tentar alcançar uma vantagem dupla, atingindo uma máxima potência mecânica em relação a um mínimo consumo de combustível, com menores emissões relacionadas. Embora não seja factível atingir plenamente o desafio anterior, é possível alcançar um bom compromisso entre a potência desempenhada pelo motor e seu consumo de combustível, através da mudança de algumas variáveis de projeto e operacionais (PULKRABEK, 2014). Nos últimos vinte e cinco anos, um número muito maior de pesquisas foi realizado em câmaras de combustão por injeção direta (também chamadas de câmara de combustão aberta) do que em câmaras de combustão por injeção indireta (câmara de combustão dividida).

Isto é devido ao fato que o uso da câmara de combustão dividida é frequentemente acompanhado por grandes perdas de combustível. No entanto, com o uso de câmara de combustão dividida, taxas de combustão mais rápidas podem ser alcançadas, diminuindo as perdas de calor para o ambiente (BENSON; WHITEHOUSE, 1989). Como a configuração da câmara de combustão, a taxa de compressão também é um parâmetro de projeto igualmente importante que possui um efeito importante nas características de desempenho e emissão do motor, isso porque a taxa de compressão é uma das principais preocupações do desenvolvimento de tecnologia de combustível flexível, ou flexfuel (COSTA; SODRÉ, 2011). Vários trabalhos foram realizados por cientistas em todo o mundo sobre os efeitos da variação da taxa de compressão no desempenho do motor.

Essa técnica se baseia na recirculação de parte dos gases de combustão, fazendo com que essa parcela retorne aos cilindros do motor. O efeito principal é diluir o oxigênio admitido no cilindro, reduzindo a temperatura da combustão. São as temperaturas altas que causam a formação dos óxidos de nitrogênio. Outro efeito é o aumento da eficiência do motor, por reduzir as perdas por transmissão de calor. Os efeitos positivos são sentidos para uma recirculação por volta de 15% dos gases de escape, ao passo que para recirculações acima de 40% as condições de combustão se deterioram. utilizaram o gás de escape para pré-aquecer o combustível de entrada, resultando em um fluxo mais fluido e uniforme de combustível, com menores emissões sendo geradas, porém foi verificada menor eficiência de conversão de energia e consequente maior consumo de combustível para uma mesma operação.

A menor potência de saída encontrada no estudo deve-se a perdas maiores na bomba e no injetor. Da mesma forma que as outras variáveis elencadas anteriormente, o efeito dos parâmetros de injeção no desempenho do motor é de grande interesse. Gumus et al. analisaram os efeitos cruciais do aumento da pressão de injeção de combustível em um motor diesel de injeção direta operado com misturas de diesel e biodiesel. • Retorno de parte dos gases de escape para os cilindros do motor, diluindo o oxigênio da nova carga e diminuindo a temperatura de combustão; • Diminuição das emissões de NOx e aumento da eficiência energética devido a menores perdas de calor. • A ignição deve ocorrer no momento exato para que a eficiência do ciclo seja máxima; • Melhor regulagem do motor para diminuir o atraso na ignição.

• Projeto mecânico mais complexo. Taxa de Compressão Recirculação dos gases de escape • Pode ocasionar maior nível de emissões poluentes (hidrocarbonetos e óxidos de nitrogênio), especialmente no uso de combustíveis gasosos. • Pode causar o entupimento de válvulas por causa dos gases recirculados, aumentando as perdas por fricção dos fluidos. CONSIDERAÇÕES FINAIS Motores desempenham grande parte das necessidades humanas de potência mecânica, sendo fundamentais para o atingimento dos níveis de capacidade produtiva e de transporte da sociedade moderna. Historicamente, a ampla oferta de combustíveis, especialmente os derivados de petróleo, privilegiou o desenvolvimento de motores de combustão interna para responder às necessidades de potência nas mais diversas aplicações. No entanto, a maior conscientização a respeito das mudanças climáticas causadas pelas emissões de gases de efeito estufa e também em relação à própria escassez dos recursos fósseis faz com que exista a necessidade de se buscar um uso mais racional desses recursos, privilegiando-se a eficiência energética.

Motores de combustão interna são máquinas térmicas que transformam a energia química de um combustível, através de sua combustão, em energia mecânica, na forma de rotação de um eixo. Existem vários tipos de motores, por exemplo com ignição por centelha (motores a gasolina) ou por compressão (motores a diesel), e variações tecnológicas. WHITEHOUSE, N. D. Internal combustion engines. Oxford: Pergamon,1989. COSTA, R. Acesso em: 18 out. GANAPATHY, T. GAKKHAR, R. P. MURUGESAN, K. The impact of fuel injection pressure on the exhaust emissions of a direct injection diesel engine fueled with biodiesel–diesel fuel blends. Fuel, v. p. JAICHANDAR, S. ANNAMALAI, K. LI, J. GONGCHANG, M. SU, Y. DOU, H. L. MDPI: 2019. MARTINS, J. Motores de Combustão Interna.

Porto: Publindústria, 2006. MORAN, Michael J. Effect of compression ratio on the performance and combustion of a biogas fueled spark ignition engine. Fuel, v. p. PULKRABEK, Willard W. Engineering Fundamentals of the Internal Combustion Engine. p. RAHEMAN, H. GHADGE, S. V. Performance of diesel engine with biodiesel at varying compression ratio and ignition timing. Contemporary Physics, v. n. p. SADEGHINEZHAD, E. et al. New York: McGraw Hill, 2005. TAYLOR, Charles Fayette. The Internal-Combustion Engine in Theory and Practice: Volume 1: Thermodynamics, Fluid Flow, Performance. Massachusetts: The Massachussets Institute of Technology Press, 1985. TESFA, B. visionlearning. com/en/library/Process-of-Science/49/The-Nature-ofScientific-Knowledge/185>. Acesso em: 18 out. WOMACK, J. P.