Os motores de combustão interna do ciclo Otto são máquinas térmicas que produzem energia mecânica de eixo a partir da energia química contida no combustível (WYLEN, 2003). A forma mais habitual de se fazer essa conversão de energia é por meio da configuração dos motores alternativos cuja principal característica é o movimento alternado de um pistão no interior de um cilindro, o qual é transformado em um movimento rotativo por um sistema biela-manivela, ver Fig. 2.1.
Figura 2. 1 - Transformação do movimento alternado do pistão em movimento rotativo.
Fonte: Página do blog Fábio Magnani1.
Também chamados de motores de ignição por centelha (ICE) ou motores à gasolina ou motores a gás, tem o seu funcionamento baseado em um ciclo formado pela sequência de quatro processos básicos: admissão, compressão, expansão/combustão e exaustão. A grande maioria dos motores Otto realiza esses processos em um ciclo de quatro tempos, ou seja, o pistão percorre quatro cursos dentro do cilindro, realizando, em cada tempo, um processo.
O processo de admissão nesses motores pode ocorrer de duas formas. O ar pode ser naturalmente aspirado pelo motor (motores aspirados) ou pode ser insuflado por um turbocompressor (motores turboalimentados), ver Fig. 2.2 (A) e (B). No motor aspirado, o ar é admitido devido à pressão atmosférica e ao movimento descendente do pistão, ver Fig. 2.2 (A). Já no motor turboalimentado, o ar é comprimido por meio de um turbocompressor e encaminhado para dentro do cilindro do motor, ver Fig. 2.2 (B). O turbocompressor usa parte da energia contida nos gases de escape para comprimir e fornecer uma maior quantidade de ar ao motor, ver Fig. 2.2 (B). Antes de ser introduzido no motor, o ar é resfriado em um trocador de calor com intuito de diminuir sua temperatura, pois ao passar pelo turbocompressor, tem sua temperatura elevada, ver Fig. 2.2 (B).
Figura 2. 2 - Ilustração dos motores aspirados (A) e turboalimentados (B).
Fonte: Compilação do autor2.
2.2.1 Indicadores de desempenho dos motores do ciclo Otto
De um modo geral, o desempenho dos motores ICE pode ser caracterizado por diversos parâmetros de desempenho. Neste trabalho é dado ênfase aos principais parâmetros de desempenho: rendimento térmico, consumo específico de combustível, relação ar-combustível e fator lambda, emissões gasosas, eficiência volumétrica e a pressão média efetiva (PME).
2.2.1.1 Rendimento térmico
O rendimento térmico dos motores do ciclo Otto é definido pela razão entre a energia produzida e a energia gasta, ou seja, é a relação entre a energia de eixo do motor e a energia liberada durante a combustão (WYLEN, 2003).
Caso o motor do ciclo Otto faça parte de um grupo gerador, considera-se, no cálculo do rendimento térmico, a potência elétrica produzida pelo gerador elétrico como energia produzida. O rendimento térmico do grupo gerador do ciclo Otto é calculado pela Eq. (2.1).
𝜂𝑜 = 𝑃𝐸
𝑃𝐶𝐼𝑑∗𝑉𝑜𝑙∗𝜌𝑑 (2.1)
Onde ηo é o rendimento térmico do grupo gerador, PE é a potência elétrica gerada, PCId é o poder calorífico inferior do combustível, Vol é o volume do combustível consumido por unidade de tempo e ρd é a massa específica do combustível.
2.2.1.2 Consumo específico de combustível
O consumo específico de combustível (bsfc) de um motor do ciclo Otto é expresso pela razão entre a vazão mássica de combustível (mcomb), independente se o combustível é gasoso ou não, e a energia de eixo ou potência elétrica produzida (PE), ver Eq. (2.2).
𝑏𝑠𝑓𝑐 = 𝑃𝐸
Esse parâmetro é inversamente proporcional ao rendimento térmico do motor (BRUNETTI, 2012).
2.2.1.3 Relação ar-combustível e fator lambda (λ)
Determinada pela razão entre a massa de combustível e a de ar que estão sendo consumida pelo motor, a relação ar-combustível é um parâmetro essencial do ponto de vista das emissões gasosas e do rendimento térmico do motor (GANESHAN, 2007). A mistura que contém quantidades de ar e combustível suficientes à combustão completa é chamada de mistura estequiométrica ou correta. Mistura com mais combustível do que a correta é denominada de mistura rica, e com menos, de mistura pobre.
O Fator lambda é a razão entre a relação ar-combustível real e a estequiométrica, podendo assumir os seguintes valores (ALVES, 2016):
λ = 1, no caso da relação ar-combustível ser estequiométrica;
λ > 1, a relação ar-combustível tem excesso de ar, caracterizando uma mistura pobre e
λ < 1, a relação ar-combustível tem combustível em demasia, ou seja, uma mistura rica.
O uso de misturas ricas resultará em maiores consumos específicos e menores rendimentos térmicos, por outro lado, a temperatura da combustão é mais baixa, o que evita desgastes excessivos dos órgãos do motor (FILHO, 1991). Do contrário, quando são utilizadas misturas pobres, o rendimento térmico do motor é maior, assim como a temperatura da combustão, provocando superaquecimento a partes do motor (HEYWOOD, 1988). Naturalmente, condições intermediárias de funcionamento são atingidas durante a operação à mistura estequiométrica.
2.2.1.4 Níveis de emissões gasosas
Sabe-se que os motores de combustão interna emitem poluentes na atmosfera devido ao processo de combustão dos combustíveis fósseis, e conforme senso global busca- se reduzir os efeitos negativos associados, diminuindo o uso de combustíveis mais poluentes, como os combustíveis fósseis.
Basicamente, os combustíveis fósseis são formados por hidrocarbonetos que, em um processo de combustão ideal estequiométrica, produzirá apenas CO2 e H2O. Dentre os quais, apenas o CO2 tem efeitos adversos à saúde humana e ao meio ambiente. No entanto, nos motores ocorrem processos não ideais, tais como a combustão incompleta, reações entre componentes a alta temperatura e pressão, combustão do óleo lubrificante e combustão de componentes diferentes dos hidrocarbonetos. Logo, nos processos reais de combustão serão incluídos outros tipos de poluentes, e os mais comuns e analisados são: hidrocarbonetos não queimados (HC), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOx) e o dióxido de carbono (CO2). A concentração de cada poluente vai depender da carga imposta ao motor e da relação ar-combustível que está sendo usada. 2.2.1.5 Eficiência volumétrica
A eficiência volumétrica de um motor natural aspirado relaciona o volume interno dos seus cilindros e sua rotação com o volume de ar/combustível que está sendo consumido pelo motor. Dessa forma, a Eq. (2.3) define a eficiência volumétrica (VolEff) como a razão entre o volume de ar e combustível consumido pelo motor (VarComb) e o volume que o motor é capaz de de succionar.
𝑉𝑜𝑙𝐸𝑓𝑓 = 𝑉𝑎𝑟𝐶𝑜𝑚𝑏 𝑉𝑜𝑙𝑀𝑜𝑡∗𝑅𝑀
60∗𝐶𝑖𝑐𝑅𝑜𝑡 (2..3) O volume succionado pelo motor depende de sua rotação (RM), em RPM, do volume interno dos cilindros ou cilindrada (VolMot), em m3, e da relação entre a quantidade de ciclos por rotação do motor (CicRot).
2.2.1.6 Pressão média efetiva
A capacidade de produzir trabalho por um motor pode ser medida através da pressão média efetiva (PME). A pressão média efetiva é definida pela relação entre a potência desenvolvida pelo motor, a cilindrada e rotação do motor, ver Eq. (2.4).
𝑃𝑀𝐸 = 𝑃𝐸
A pressão média efetiva é usada para comparar motores independente dos seus tamanhos.
Sabe-se que os motores de combustão interna necessitam de algum tipo de combustível para o seu pleno funcionamento. Os combustíveis mais usados nos motores do ciclo Otto são a gasolina, o álcool e o gás natural. Neste trabalho apenas os conceitos e características referente ao gás natural são abordadas.