MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA

Os motores de combustão interna são máquinas térmicas e, como tais, obedecem ao postulado de Lord Kelvin, cientista que estipulou que é impossível transformar em trabalho toda energia térmica extraída de uma única fonte. Logo, a fracção de energia térmica que não é utilizada para realizar trabalho é transferida para outra fonte a uma temperatura inferior. O presente trabalho trata do equipamento responsável pela dissipação de energia a uma fonte de menor temperatura para um motor de combustão interna.

Esta revisão começa tratando dos motores de combustão interna, que consiste de uma máquina que transforma a energia química de um combustível em energia mecânica, geralmente disponibilizada em um eixo de saída rotativo. Em motores do tipo alternativo, a conversão da energia química para a térmica ocorre dentro de um cilindro de volume variável, onde a combustão da mistura combustível-comburente consegue liberar a energia química do combustível. Esta energia térmica aumenta a temperatura e a pressão dos gases no interior do motor, que se expande contra as estruturas mecânicas do motor transmitindo assim movimento à parede móvel do cilindro, o êmbolo, cujo movimento alternado impulsiona o motor através do mecanismo biela - manivela. O eixo da manivela, por sua vez, está ligado a uma transmissão e/ou sistema de transmissão para transferir energia mecânica rotativa para o seu uso final desejado. O processo de conversão de energia dentro da câmara pode ocorrer em quatro etapas de um mesmo ciclo, como se apresenta na Figura 1.

Durante a transformação da energia química em mecânica, as peças do motor estão sujeitas a elevadas temperaturas, provenientes do processo de combustão e do atrito entre as peças móveis.

Segundo Herbet e James (1992), nos motores de combustão interna do tipo alternativo é comum observar temperaturas na câmara de combustão que variam entre 1600°C e 2400°C, enquanto as temperaturas dos gases de exaustão atingem valores entre 650°C e 925°C. Parte do calor gerado nas câmaras de combustão é absorvida pelas paredes e pelas cabeças dos cilindros, assim como pelos pistões. Estes, por sua vez, devem ser arrefecidos por alguns meios, de modo que as temperaturas não se tornem excessivas. Normalmente, a temperatura na parede do cilindro não deve ultrapassar 300°C, uma vez que temperaturas mais elevadas podem provocar a quebra da película de óleo, perdendo assim suas propriedades lubrificantes. No entanto, não é desejável que o motor funcione a temperaturas muito baixas, pois a eficiência térmica do motor se reduz em temperaturas muito baixas, obtidas por dissipação de calor excessiva, através das paredes e cabeças dos cilindros. Assim deseja-se que o motor trabalhe em temperaturas próximas aos limites impostos pelas propriedades do óleo. Na Figura 2, apresenta-se um esquema das temperaturas típicas atingidas por um motor a gasolina.

Figura 2 – Temperaturas comuns de combustão e descarga num motor a gasolina

Fonte: Herbet e James (1992)

Arrefecedor

Arrefecedor

Pistão Vela de ignição

Como comentado anteriormente, a eficiência térmica, ou seja, a proporção de energia do combustível que é transformada em trabalho útil pelo motor, é um dos parâmetros mais importantes a se levar em conta ao projetar e/ou avaliar um motor de combustão interna. Segundo Martyr e Plint (2007), a eficiência térmica em plena carga de motores de combustão interna varia de cerca de 20%, para pequenos motores a gasolina, até mais de 50%, para os grandes motores diesel de deslocamento lento, que atualmente apresentam a máxima eficiência entre os motores a combustão interna. Em seu trabalho, Martyr e Plint (2007) apresentaram um balanço termodinâmico para o volume de controle representado na Figura 3. Estes autores mostraram a distribuição de energia em diversos componentes de diferentes motores de combustão interna, sendo de interesse para o presente trabalho, sua análise da energia dissipada no fluido de arrefecimento de um motor de caminhão.

Figura 3 – Volume de controle de um motor de combustão interna, detalhando os fluxos de energia que intervém no balanço energético.

No balanço térmico, o combustível representa a entrada de energia, a qual é contabilizada pelo seu calor associado de combustão e pelo ar consumido no motor. As energias de saída são a potência desenvolvida pelo motor, a energia liberada nos gases de escape, a dissipação de calor na água (ou no ar de arrefecimento) e a convecção e/ou radiação trocada com o ambiente. Deste balanço termodinâmico resulta a seguinte equação:

1 s 2 3 1 2

H

 P H

H

 Q Q

onde cada termo tem unidades de potência e correspondem a: H1 = energia de combustão

Ps = potência do motor

H2 = entalpia dos gases de escape

H3 = entalpia de ar de entrada

Q1 = calor transmitido ao fluido de arrefecimento

Q2 = convecção e radiação

Medir cada um destes parâmetros não é uma questão simples. Martyr e Plint (2007) consideram útil ao projeto de sistemas de arrefecimento, apresentar os balanços energéticos em termos de perdas de calor por unidade de produção de energia. Os dados obtidos pelos autores para diferentes motores são apresentados na tabela 1.

Tabela 1 – Balanço de energia para diversos motores de combustão interna

Automóvel

gasolinaǂ Automóvel _diesel§ _{marítimo diesel}Motor ɣ

kW kW kW

Potência de saída 1,0 33% 1,0 38% 1,00 44% Calor da água de refrigeração 0,9 30% 0,7 27% 0,40 18% Calor do radiador de óleo - - - - 0,05 2% Calor de exaustão 0,9 30% 0,7 27% 0,65 29% Convecção e radiação 0,2 7% 0,2 8% 0,15 7%

Total 3,0 2,6 2,25

ǂ

 Motor a gasolina, cilindrada de 1.71 (1998)

§

 Motor diesel de aspiração natural, cilindrada de 2.51

ɣ_{Motor marítimo diesel turbo-carregado de velocidade media}

Os valores porcentuais são coerentes com o apresentado por Pulkrabek (1997), quem afirma que toda a energia química liberada na combustão é consumida nas seguintes proporções aproximadas: 35% convertida em trabalho útil, 30% deixada nos gases de escape na forma de entalpia e energia química e a restante, cerca de um terço da energia total, deve ser dissipada para o meio pelo sistema de arrefecimento.

Apesar dos motores de combustão interna ter eficiência média de 35% com relação à energia disponibilizada pelo combustível, estes são amplamente utilizados na propulsão de veículos, sejam eles automóveis, caminhões, motocicletas, locomotivas, embarcações marítimas ou aviões. Adicionalmente, existem também aplicações que utilizam motores estacionários para a impulsão de equipamentos como: serras, cortadores de grama, geradores elétricos, bombas hidráulicas entre outros.

2.2 SISTEMAS DE ARREFECIMETO DOS MOTORES DE