SISTEMAS DE ARREFECIMETO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA

Como já exposto, o controle da temperatura dos motores de combustão interna se faz através do sistema de arrefecimento, objetivando que o motor opere sempre em sua condição ótima.

Desde os primeiros motores de combustão interna utilizados, já se observava a necessidade de rejeitar parte da energia de um motor para o ambiente. Segundo Weeks (2010), os motores fixos mais primitivos eram constituídos por um único cilindro e empregavam um tanque aberto com água para resfriar as paredes do cilindro. A água evaporada do tanque tinha que ser continuamente substituída. Buscava-se, desde este primeiro sistema, utilizar a engenharia para conseguir avanços no sentido de maximizar sua eficiência, gerando motores com maior potência útil.

Os sistemas de arrefecimento atuais incorporam outras funções e, portanto, são mais complexos. Um bom sistema de arrefecimento deve garantir maior eficiência no processo de combustão, com um menor consumo de combustível, além de incrementar a vida útil do bloco do motor, das câmaras de combustão, dos pistões, das bielas, das válvulas, dos anéis e do óleo lubrificante, principais elementos encarregados de transformar a energia química da combustão em energia mecânica.

Na atualidade, existem dois tipos principais de sistemas de arrefecimento para motores de combustão interna, diferenciando-se essencialmente pelo método de resfriamento.

2.2.1 Sistema de arrefecimento direto

O sistema de arrefecimento direto recebe esse nome porque o fluido de arrefecimento, geralmente o ar, dissipa o calor do motor por contato direto entre o motor e o ar. Para isto, o bloco do motor apresenta superfícies aletadas, que são resfriadas diretamente por o fluxo de ar. Como mostrado na Figura 4, motores de motocicletas de baixa cilindrada são um bom exemplo deste sistema. O arrefecimento direto é simples e econômico, porem só consegue dissipar baixas taxas de calor, quando comparados a motores de maior potência.

Figura 4 – Bloco de motor aletado trocando calor com o ar de sua vizinhança.

2.2.2 Sistema de arrefecimento indireto

O arrefecimento indireto se dá através do uso de um sistema mais complexo que o anterior, onde o motor não dissipa o calor diretamente para o ar da vizinhança, mas sim para um líquido de arrefecimento encarregado de transportar o calor até o radiador, onde ocorre a rejeição do calor para o ambiente.

O sistema de arrefecimento indireto opera num ciclo fechado de transporte de energia, onde um fluido refrigerante absorve o calor especialmente da região em torno da câmara de combustão, na zona da cabeça do cilindro do bloco do motor. O fluido é bombeado através do motor e, após absorver calor da combustão, circula no radiador, onde o calor é transferido para a atmosfera. O líquido arrefecido é então transferido de volta para o motor para repetir o ciclo, como se pode observar na Figura 5.

Figura 5 – Representação esquemática do funcionamento do sistema de arrefecimento veicular.

Fonte: Adaptado de Kays e London, 1984

De acordo ao trabalho de Weeks (2010), os primeiros circuitos fechados de arrefecimento nos motores de combustão utilizavam um sistema de convecção natural da água de arrefecimento, cuja circulação através de um radiador dependia da diferença de densidade entre a água quente e fria, como é mostrado na Figura 6. O primeiro carro construído por Henry Ford em 1896 utilizou pela primeira vez o referido princípio (termossifão), onde calor produzido no motor era conduzido para um tanque plano localizado sob o assento do motorista. Este tanque mantinha o assento quente no inverno, mas o sistema não era nem eficiente nem confortável no verão. As perdas por mudança de fase do fluido refrigerante foram problemas adicionais encontrados nestes dispositivos. O problema da evaporação foi atenuado usando um trocador de calor delgado, associado ao tanque. Já os carros mais sofisticados foram equipados com uma bomba para circular o fluido de arrefecimento através das peças do motor aquecidas pela combustão. Nesta época, as temperaturas eram detectadas pelo operador através do toque no radiador. Um acessório popular nos anos 20 era um termômetro de vidro colocado no topo do radiador em que o condutor observava a temperatura do refrigerante, enquanto o carro se movimentava.

Os primeiros automóveis, com baixa relação potência-peso, operavam com a válvula termostática totalmente aberta por longos

períodos, o que também agrava o problema de resfriamento, provocando uma maior rejeição do calor. Com o aumento da relação potência-peso, o problema de resfriamento excessivo foi desaparecendo, enquanto o problema de ebulição do líquido de arrefecimento piorava, considerando-se que o sistema de refrigeração operava na pressão atmosférica. Somente a partir da década de 1940 a indústria automobilística finalmente adotou a pressurização do sistema de arrefecimento.

Figura 6 – Motor arrefecido por água. Sistema de circulação por termossifão.

Fonte:Weeks, 2010

Na atualidade, os sistemas modernos são compostos basicamente por: trocadores de calor (mais especificamente de um radiador e de um sistema de calefação, o qual aproveita parte do calor do motor para aquecer a cabine, quando o condutor assim o desejar), mangueiras, líquido de arrefecimento, bomba, válvula termostática e ventilador. Um desenho do sistema de arrefecimento indireto é apresentado na Figura 7.

É importante ressaltar que motor e radiador foram evoluindo conjuntamente e que, ao longo do tempo, elementos têm sido adicionados para constituir o que hoje se conhece como o sistema de arrefecimento. Note-se que, desde sua origem até hoje, o radiador tem sido o elemento do sistema de arrefecimento que mais tem sido aprimorado, estudado e aperfeiçoado. No entanto, ainda hoje esforços de pesquisa são concentrados na otimização térmica de radiadores e na utilização de controle sofisticado (mecatrônica) de alguns componentes, como válvulas termostáticas, bombas de refrigeração e ventiladores, buscando maximizar a eficiência do motor (Setlur et al., 2005).

Figura 7 – Partes de um moderno sistema de arrefecimento veicular.

Fonte:Adaptado de

<http://www.crankshaftcoalition.com/wiki/Bulletproof_cooling_system> Segundo Gattei et al., (2008), o sistema de arrefecimento é atualmente representado por um complexo circuito com diversos componentes. Devido à maior complexidade desses sistemas, o custo de processos de otimização utilizando técnicas experimentais tem se tornado maior, pois requer o uso de dispendiosos túneis de vento climatizados e de pistas de testes especiais.

Koch e Haubner (2000) afirmam que a redução da emissão de gases poluentes e do consumo de combustível, são atualmente temas objetos de grande parte da pesquisa em motores. Note-se que ambos os fatores são altamente influenciados pela temperatura dos fluidos e materiais que compõem os motores, principalmente nas condições de baixa velocidade em que é reduzida a capacidade de arrefecimento. Estes pesquisadores apresentam dados obtidos a partir da utilização de veículos na Alemanha, em que 75% dos trajetos percorridos são menores que 10 km e propõem uma estratégia de controle para o gerenciamento inteligente de temperatura do líquido de refrigeração, a

partir da análise do comportamento térmico de motores. Com o uso deste sistema inteligente de arrefecimento (Intelligent Cooling System - ICS), é possível reduzir o tempo de aquecimento do motor e manter o motor em temperaturas convenientes de operação, consequentemente reduzindo o consumo de combustível e o nível de emissões de gases poluentes.

Soluções de engenharia visando baixo arrasto aerodinâmico, alta potência dos motores e estilo (design) de veículos são frequentemente limitadas pela dificuldade em se prover o arrefecimento necessário, criando conflitos técnicos na equipe envolvida no projeto e fabricação de veículos modernos (NG et al., 2002).

Justamente esta é a motivação da empresa parceira Volvo ao buscar parceria com o Labtucal: pesquisar mecanismos que promovam o aumento da eficiência térmica do radiador do caminhão, mantendo ou mesmo diminuindo as suas dimensões.