Metodologia Estudo Rendimento Termodinamico Motores Combustao Interna Ciclo Otto - Artigo

VI CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA VI NATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING 18 a 21 de agosto de 2010 Campina Grande Paraíba Brasil August 18 21 2010 Campina Grande Paraíba Brazil METODOLOGIA PARA O ESTUDO DO RENDIMENTO TERMODINÂMICO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA CICLO OTTO Márcio Augusto Sampaio de Carvalho marciocarvalhocimatecfieborgbr1 Ednildo Andrade Torres ednildoufbabr2 Felipe Soto Pau sotopaufhotmailcom3 1SENAI CIMATEC Av Orlando Gomes 1845 Piatã CEP41650010 SalvadorBa 2UFBA Av Aristides Novis 2 Federação CEP 40210630 SalvadorBa Resumo Diante do cenário mundial onde questões como aquecimento global emissões de poluentes e sustentabilidade são cada vez mais discutidos tornase evidente a necessidade de máquinas mais eficientes e fontes de energias menos poluentes Motores de combustão interna aparecem como grandes vilões do aquecimento global devido à sua utilização como energia motriz de uma enorme frota de veículos existentes e à sempre crescente produção anual mundial de veículos automotores resultando entre outros problemas na enorme quantidade de emissão de CO2 Muitas modificações de projetos aconteceram ao longo da evolução dos motores de combustão interna que propiciaram aumento da eficiência do sistema tais como a utilização de materiais mais adequados às trocas térmicas e à dinâmica dos fluidos coletores de admissão e de válvulas variáveis e sistema de gerenciamento eletrônico do motor Porém ainda há um espaço considerável entre o que os motores apresentam em termos de rendimento e o máximo rendimento possível ou eficiência segundo o ciclo de Carnot Este trabalho apresenta uma metodologia para o estudo do rendimento energético e exergético de motores de combustão interna ciclo Otto que utilizam mais de um combustível Flexíveis Os tópicos são apresentados através da exposição sobre o rendimento de motores de combustão interna com considerações de Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica demonstrações de pontos possíveis de otimização do rendimento através das possibilidades de melhoria do que o motor entrega Work Output bem como através da contribuição entrópica de cada sistema do motor Os resultados são apresentados em termos qualitativos e quantitativos dos pontos críticos ao rendimento do sistema A fundamentação teórica do trabalho é baseada numa revisão bibliográfica obtida em periódicos e na literatura técnica científica especializada sobre motores de combustão interna combustíveis e análises termodinâmicas Palavraschave Motores de Combustão Interna Rendimento Exergia 1 INTRODUÇÃO Motores de combustão interna MCI ainda utilizam o mesmo princípio de funcionamento desde a sua concepção e primeiros protótipos mistura entre ar combustível e uma fonte de ignição São máquinas térmicas que cumprem satisfatoriamente a função básica de servir como energia motriz de diversos tipos de veículos apresentando variações de dimensões ciclos de trabalho e características de projetos Porém são máquinas que apresentam baixa eficiência quando comparadas a máquinas elétricas por exemplo Gallo 1985 aborda os fatores que contribuem para a diminuição da eficiência dos motores de combustão interna tais como atritos entre os diversos componentes trocas térmicas entre componentes e fluidos geração de entropia no sistema de escapamento e expansões não resistidas As questões relacionadas com o Meio Ambiente e Sustentabilidade tem cada vez mais apontado e demandado fontes de energia mais eficientes e menos poluentes O desenvolvimento tecnológico aplicado nos motores de combustão interna tem mostrado a tendência da utilização de motores cada vez menores e mais eficientes Downsizing com menor consumo de combustíveis e menores índices de emissões de poluentes Outra inovação nos MCI foi a preparação dos motores para a utilização de mais de um tipo de combustível chamados de motores flexíveis O comportamento dos processos dos motores que influenciam na combustão apresenta diferenças de acordo com o combustível utilizado que alteram características de consumo rendimento e emissões VI C ongr es s o N a ci onal de E nge nhar i a M e c â ni c a 18 a 2 1 de A gos t o 2 0 10 C am pi na G ra nde Par a í ba Numa análise dos fatores que contribuem para a diminuição da eficiência dos motores de combustão interna deve se utilizar a combinação das análises termodinâmicas de Primeira e Segunda Leis da termodinâmica Ao aplicarse a análise de Segunda Lei com conceitos de entropia irreversibilidades e utilização da análise exergética tornase possível uma análise minuciosa dos pontos críticos relacionados ao rendimento do sistema dos motores de combustão interna e às oportunidades de melhorias dos projetos A análise exergética é ferramenta de grande utilidade na comparação entre o rendimento de motores de combustão interna podendo indicar de forma quantitativa e qualitativa os principais pontos onde ocorrem as irreversibilidades do sistema 2 RENDIMENTO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA O rendimento de um sistema corresponde ao aproveitamento da energia ou recurso que foi fornecido Uma maneira simplificada de se definir o rendimento ou eficiência de um motor de combustão interna é através da relação do que o motor entrega em forma de trabalho work output pelo que o motor recebe de energia para o seu funcionamento Fuel Energy A equação abaixo HEYWOOD 1988 define basicamente o enunciado HV f c f Q m W n 1 Onde c W representa o trabalho de saída do motor Work Output f m corresponde à massa de combustível em um ciclo QHV representa o poder calorífico do combustível Heywood 1988 apresenta também o rendimento do motor com base no consumo específico de combustível sfc explicitando que quanto maior a eficiência de um motor menor será o valor do sfc kW P g h m sfc g kW h f 2 As análises de rendimento de MCI passam tanto por análises dos fatores que influenciam as variáveis de entrada do motor ar combustível e ignição quanto pelas análises dos combustíveis e dos processos internos dos motores 3 VARIÁVEIS DE ENTRADA QUE INFLUENCIAM NO RENDIMENTO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Na análise dos parâmetros importantes do motor como torque e potência as características da pressão de combustão no interior da câmara são fatores importantes a serem estudados Oriunda da energia da reação química da combustão a pressão na câmara de combustão se transforma na força aplicada sobre os pistões Na equação do rendimento do motor o que será entregue pelo motor será o trabalho ou potência de saída Silva 2006 desenvolveu uma metodologia para determinação da potência indicada e estudou a obtenção de outros parâmetros dos motores de combustão interna Os estudos dos processos de combustão basicamente trabalham com a influência das variáveis de entrada do motor Também devem ser observados os fenômenos da combustão como detonação autoignição e misfire falhas de combustão que também afetam o rendimento e a durabilidade dos motores Para melhorarse o trabalho work output podese buscar a melhoria da eficiência volumétrica taxa de compressão e variação do ponto de ignição entre outros 31 Eficiência Volumétrica Com relação à quantidade de ar admitida pelo motor o parâmetro que a define é a eficiência volumétrica A melhoria desse parâmetro está diretamente relacionada com o aproveitamento da pressão de combustão e logo ao desempenho e rendimento do motor Heywood 1988 define a eficiência volumétrica como o volume admitido pelo cilindro dividido pelo volume disponível pelo pistão dentro do cilindro V N m n d i a a v 2 ρ 3 Onde ρai é a densidade do ar na entrada do cilindro Podese também descrever a eficiência volumétrica como VI C ongr es s o N a ci onal de E nge nhar i a M e c â ni c a 18 a 2 1 de A gos t o 2 0 10 C am pi na G ra nde Par a í ba d i a a v V m n ρ 4 Onde a m é a massa de ar introduzida no cilindro a cada ciclo Heywood 1988 menciona que tipicamente os valores máximos de eficiência volumétrica para motores naturalmente aspirados de ignição por centelha estão na faixa de 80 a 90 A eficiência volumétrica é também afetada por características do combustível projeto do motor e outras variáveis de operação do motor tais como 1 características da mistura arcombustível 2 transferência de calor 3 Relação de pressões entre os sistemas de admissão e exaustão do motor 4 Taxa de compressão 5 velocidade do motor RPM 6 Projetos dos sistemas de admissão e exaustão do motor 7 Geometrias tamanhos e tempo de aberturas das válvulas de admissão e escapamento do motor Nos motores de combustão interna de aplicações veiculares os regimes de trabalho variam constantemente as rotações e cargas do motor Conseqüentemente a eficiência volumétrica também apresenta diferenças de valores de acordo com cada regime de trabalho do motor Inovações tecnológicas como variação do sincronismo de válvulas de admissão e escapamento coletor dos gases de admissão variável turbo compressores e compressores de ar ligados ao motor aparecem para a melhoria da eficiência volumétrica em diferentes condições de trabalho do motor 32 Taxa de Compressão Através da fórmula abaixo verificase que quanto maior a razão ou taxa de compressão aplicada no motor melhor será o rendimento termodinâmico Isso pode ser explicado pelo fato da reação de combustão ser exotérmica onde quanto maior for a pressão e a temperatura da reação mais rápida será a reação aumentando a potência do motor 1 1 1 RK E 5 Onde R é a razão de compressão K o coeficiente de expansão adiabática E é a eficiência térmica Ciclo Otto Pode se considerar que a melhoria da eficiência volumétrica num motor de combustão interna tem efeito análogo ao efeito do aumento da taxa de compressão na medida em que conseguese colocar mais massa de ar para uma mesma taxa de compressão Como exemplo em alguns motores com equipados com sistema de turbo compressor utilizase a taxa de compressão nominal do motor menor visto que a eficiência volumétrica é melhorada com a sobre alimentação de ar A octanagem do combustível é fator limitante à taxa de compressão do motor para evitarse a detonação Knocking 33 Ponto de Avanço de Ignição Mantidas constantes as quantidades de ar e combustível podese obter a otimização da pressão de combustão através da variação do ponto de avanço de ignição do motor em relação ao ângulo de giro do virabrequim Antecipando se o ponto de ignição em relação ao Ponto Morto Superior do Motor PMS obtémse a antecipação do início da combustão A otimização da pressão média efetiva nos cilindros é obtida variandose a posição do avanço de ignição até um ponto ótimo denominado MBT minimum advance for best torque onde a máxima pressão média efetiva é alcançada A partir do ponto ótimo podem ocorrer detonações na câmara de combustão Knocking fenômeno anormal da combustão associado a características limitantes dos combustíveis em relação à pressão A detonação é fator prejudicial ao rendimento e pode causar danos a componentes do motor Outro efeito provém do excesso de antecipação da combustão ao ponto que a resultante da força para o determinado projeto do motor começa a diminuir resultando na diminuição de torque e rendimento do motor Stone 1999 menciona que com o adiantamento excessivo do ponto de avanço de ignição o trabalho necessário no tempo de compressão vai ser maior do que o trabalho liberado no tempo de expansão resultando em diminuição do rendimento do motor No comportamento dos motores de ignição por centelha o funcionamento do avanço de ignição é estabelecido de acordo com a rotação e carga do motor Mantendo o motor numa mesma faixa de carga e eficiência volumétrica à medida que a rotação aumenta haverá um correspondente aumento do ângulo de avanço de ignição De acordo com o combustível utilizado os motores flexíveis apresentam em sua calibração mapas de avanço diferenciados para cada combustível ou misturas de combustíveis VI C ongr es s o N a ci onal de E nge nhar i a M e c â ni c a 18 a 2 1 de A gos t o 2 0 10 C am pi na G ra nde Par a í ba Uma outra característica é que variandose o ponto de avanço de ignição podese trabalhar com outros fatores como temperatura de chama na câmara de combustão e temperatura dos gases de escapamento de forma a também melhorarse as emissões de gases nocivos ao meio ambiente 4 DISCUSSÕES DE ANÁLISES DE PRIMEIRA E SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA E DA EXERGIA NO ESTUDO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Em máquinas térmicas a aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica deve ser utilizada nas análises de eficiência dos processos Em muitos aspectos dos motores de combustão a Primeira Lei permite que se entendam processos e possam ser realizadas equações que modelem a geração de calor e ou trabalho segundo o princípio de conservação da energia W Q dE δ δ 6 Para volume de controle em regime de escoamento uniforme e não permanente a Primeira Lei da Termodinâmica aparece como i V f V U U ms hs W me he Q δ δ 7 Onde me e ms são as massas que entram e saem do cilindro e as somatórias se estendem para todas as válvulas do motor GALLO 1985 A Segunda Lei da Termodinâmica outra ferramenta permite a obtenção de muitos argumentos para o estudo de observações físicas que têm larga faixa de implicações com respeito a projetos de engenharia e operação de sistemas térmicos A Segunda Lei pode por exemplo ser utilizada na determinação da direção de processos no estabelecimento das condições de equilíbrio para especificar o máximo desempenho possível de sistemas térmicos e para identificar aqueles aspectos do processo que trazem detrimentos para a performance do sistema CATON 2000 A exergia conforme Kotas 1985 é o máximo trabalho que pode ser obtido de uma dada forma de energia usando como referência os parâmetros do ambiente O método da exergia é uma alternativa baseada no conceito de exergia popularmente definida como uma medida universal do potencial de trabalho A medição da perda de exergia ou irreversibilidade proporciona uma medida da ineficiência de um determinado processo 41 Geração de Entropia nos Motores de Combustão Interna A crescente preocupação em questões como meio ambiente conservação de energia útil e cumprimento de normas regulamentares têm aumentado as exigências de projetos e otimização de processos e sistemas térmicos A energia se conserva quantitativamente mas não qualitativamente O conceito de exergia ou disponibilidade considera e avalia a qualidade da energia e portanto é de grande valor na análise de sistemas e processos térmicos Gallo 1985 A entropia do ponto de vista microscópico pode ser vista como uma medida microscópica do grau de incerteza e aleatoriedade de um determinado estado ou processo Kotas 1985 Quanto maior a entropia gerada num determinado processo maiores serão as irreversibilidades ou exergia perdida Através da transformação da equação da desigualdade de Clausius numa igualdade podese chegar à entropia gerada num sistema Gallo 1985 2 1 1 2 Q T S S Sg δ 8 Martins and Ribeiro 2009 estudaram o modelo de geração de entropia aplicado a motores de combustão interna No estudo certa quantidade de massa que entra e outra que sai pelas válvulas devem também ser consideradas como parte do sistema 9 Entropia de Geração gen decontrole a fluxo demassa novolume deentropia devido Variação in out calor devido atransferênciade Variação deentropia volume decontrole deentropia no Variação S m s m s Ti Qi dt dS 4 44 3 4 44 2 1 VI C ongr es s o N a ci onal de E nge nhar i a M e c â ni c a 18 a 2 1 de A gos t o 2 0 10 C am pi na G ra nde Par a í ba A variação de entropia gerada dentro do modelo teórico do ciclo Otto é representada conforme a figura abaixo Figura 1 Diagrama TS teórico de um ciclo Otto Padrão Martins e Ribeiro 2009 Nesse modelo os processos de compressão e expansão são considerados adiabáticos Martins e Ribeiro 2009 consideram que para os processos entre 1 e 4 compressão combustão e expansão a variação de entropia do ciclo real é similar ao do ciclo teórico No caso do processo entre 4 e 1 exaustão o autor explica que não se pode fazer comparações entre o teórico e o real devido aos motores reais serem modelados como sistemas abertos onde ocorre fluxo de massa que entra e sai do sistema que conduz a um diagrama TS bastante diferente do ciclo teórico A figura abaixo representa a diferença entre um processo real e um processo teórico Figura 2 Geração de entropia num processo real do motor Em todos os processos de um motor real são esperadas variações de entropia No entanto o valor da entropia final entre os sistemas real e o teórico não é a mesma diferenças entre os pontos 3 e 3 Isso se deve principalmente à entropia gerada durante o processo real entre os pontos 2 e 3 Para calcular a taxa total de entropia gerada no sistema devese somar a entropia gerada devido a cada processo particular 42 Contribuições Entrópicas nos Sistemas dos Motores de Combustão Interna A eficiência global de um motor de combustão interna no caso real difere da eficiência teórica do Ciclo Padrão Otto A entropia gerada em cada sistema em particular irá corresponder à parcela de irreversibilidade ou de perda de exergia no sistema Martins e Ribeiro 2009 apresentam um estudo dos principais pontos de geração de entropia nos motores de combustão interna A figura abaixo mostra as contribuições da geração de entropia em cada mecanismo VI C ongr es s o N a ci onal de E nge nhar i a M e c â ni c a 18 a 2 1 de A gos t o 2 0 10 C am pi na G ra nde Par a í ba Figura 3 Percentual de contribuição de entropias geradas em motores de combustão interna Martins 2009 A interpretação qualitativa e quantitativa da figura conduz ao entendimento de quais os principais pontos onde ocorrem as irreversibilidades do sistema ou destruições de exergia No desenvolvimento dos estudos de rendimento de motores de combustão interna é importante o aprofundamento em cada um dos itens que contribuem na geração de entropia irreversibilidades do sistema Através dos estudos de geração e variação de entropia nos processos irreversíveis que ocorrem dentro do sistema Martins e Ribeiro 2009 obtiveram o modelo de irreversibilidades do ciclo Otto para um modelo de motor térmico O modelo mostrou que o processo de combustão foi responsável por 54 do total da entropia gerada Expansões livres dos gases de escapamento transferência de calor e fluxo de massa através das válvulas foram os mecanismos de ordem de importância consecutivos Atrito viscoso do fluido de trabalho dentro do motor não teve impacto significativo no total de entropia gerada Nos estudos de Gallo 1985 o autor observou que no processo de combustão a irreversibilidade aumenta violentamente de uma a duas ordens de grandeza em relação aos demais processos O Autor explica que embora haja um aumento de irreversibilidade devido à temperatura da combustão a própria reação de combustão é a principal fonte de irreversibilidade O autor ainda complementa afirmando que uma forma bastante conveniente de analisar cada processo que compõe o ciclo completo consiste em empregar os conceitos de eficiências exergéticas 5 APLICAÇÃO DE ANÁLISE ENERGÉTICA E EXERGÉTICA EM MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Segundo Torres 1999 a eficiência energética é uma relação entre a energia efetivamente útil e a energia transferida ao sistema térmico energia na entrada energia útil n 10 Esse critério informa quanto um equipamento ou uma planta utiliza bem ou mal uma energia disponibilizada O parâmetro apresentado conduz a uma imperfeição na análise porque tratase de uma relação entre energias onde nem toda energia disponível na entrada é utilizável Torres 2001 explica que a eficiência exergética ou racional é uma relação entre exergias e portanto como toda exergia pode teoricamente ser utilizável esse parâmetro informa melhor o que está acontecendo com a operação do equipamento ou com o sistema térmico A relação irreversibilidadeexergia do processo mostra a perda total que o sistema ou a planta tem de acordo com os parâmetros operacionais A diferença entre a unidade e as perdas do processo é a eficiência exergética Insumo I ε 1 11 A perda de eficiência exergética é dada pela parcela restante entre a diferença da unidade e a eficiência j δ j ε δ 1 12 A aplicação das análises energéticas e exergéticas em motores de combustão interna exigem uma série de considerações importantes MCI são máquinas térmicas que devido à sua concepção de projeto e características de funcionamento apresentam durante os vários regimes de funcionamento variações a cada ciclo e de cilindro para cilindro entre as variações estão trocas térmicas fluxos atritos e trabalho de saída VI C ongr es s o N a ci onal de E nge nhar i a M e c â ni c a 18 a 2 1 de A gos t o 2 0 10 C am pi na G ra nde Par a í ba Gallo 1985 desenvolveu análises exergéticas comparativas entre um motor a álcool e a gasolina No estudo foi desenvolvida uma análise de irreversibilidades em cada processo do motor Assim como nos estudos de Martins e Ribeiro 2009 o estudo de eficiência exergética de Gallo 1985 também mostrou que as irreversibilidades durante o processo de combustão é da ordem de 2 vezes maior do que nos processo de admissão e escapamento 51 Balanço de Exergia Aplicado nos Motores de Combustão Interna Um balanço de exergia é similar a um balanço de energia porém possui diferenças fundamentais que enquanto um balanço de energia utiliza o princípio da lei da conservação da energia um balanço de exergia pode ser entendido como um princípio de lei da degradação da energia Kotas 1985 Segundo Teh 2009 a equação do balanço descrevendo a evolução da exergia do fluido de trabalho deve ser escrita como 13 Onde i X é a exergia inicial do sistema fX representa a exergia do fluido de trabalho que permanece no final do ciclo de operação do motor o termo dX que representa a mudança diferencial de exergia Os termos X δ representam as quantidades diferenciais de exergia transferida internamente ou externamente ou destruídas por irreversibilidades do processo isto é geração de entropia A exergia destruída δX dest é devido principalmente à entropia gerada durante o processo de combustão e não pode nunca ser recuperada Teh 2009 considera um sistema adiabático e nas considerações de Primeira lei onde PdV dU modelou o sistema como P dV dU P dV P X X out in 0 0 δ δ 14 Transferências de calor não apareceram nessas considerações A exergia destruída considerandose a temperatura ambiente T0 T dS T S X gen dest 0 0 δ δ 15 As equações podem ser reduzidas pelo balanço de equação a 0 0 i f i f i f i f S T S V P V U U X X 16 52 Variáveis para Abordagem em Estudos Exergéticos de Motores de Combustão Interna Motores de Combustão Interna apresentam como características de funcionamento variações de fluxos nos gases de entrada e saída a cada ciclo do motor De forma análoga ocorrem também alterações do fluxo mássico de combustível e do ponto de ignição por centelha ou por compressão Observamse alterações na freqüência de trabalho RPM valores de torque potência consumo de combustível temperaturas e vazões nas variáveis de saída do motor Dessa forma a realização de um estudo de eficiência exergética em motores de combustão interna requer a aquisição de dados para os cálculos necessários ao entendimento da eficiência de cada processo do motor O estudo de Gallo 1985 é um exemplo de aplicação de análise exergética em motores de combustão interna Na pesquisa foram comparados os resultados de rendimentos exergéticos de um motor utilizando álcool e gasolina O estudo comparou a influência de diferentes variáveis do processo para comparar as eficiências exergéticas Se exemplos de variáveis que foram utilizadas e que influenciam exergeticamente no sistema Rotação De acordo com a rotação RPM o motor apresenta diferenças em parâmetros como carga eficiência volumétrica consumo e torque No estudo foram comparados os resultados para duas rotações diferentes onde foi constatado que houve aumento de irreversibilidades nas rotações menores em comparação com rotações maiores Esse fato foi atribuído a haver maior troca térmica em rotações menores Coeficiente de ar teórico Entendese como a relação entre a mistura ar e combustível também conhecido como fator Lambda Foram observadas diferenças nas irreversibilidades geradas decorrentes das diferenças nas relações estequiométricas porém o modelo encontrado não foi linear e a tendência foi variar de acordo com o combustível utilizado f i f i dest out in i f X X X dX X X δ δ δ VI C ongr es s o N a ci onal de E nge nhar i a M e c â ni c a 18 a 2 1 de A gos t o 2 0 10 C am pi na G ra nde Par a í ba Efeito do tempo de abertura e sincronismo das válvulas de admissão e escape São observadas alterações em velocidades e pressões das vazões mássicas tanto no processo de admissão quanto de escapamento que influenciam nas irreversibilidades do processo Muitos outros fatores também influenciam e devem ser observados no estudo de rendimento tais como influência do ponto de avanço de ignição trocas térmicas entre os materiais atritos entre os diversos componentes e entre o lubrificante ângulo de abertura da borboleta de aceleração e contrapressão no escapamento Dessa forma nas análises de irreversibilidades é importante também ser realizada a análise global que deve levar em consideração os valores de rendimento exergético e do rendimento mecânico leva em consideração atrito e outros em cada processo e na análise global do ciclo Como exemplo rotações mais elevadas apresentam valores de exergia maiores do que rotações menores devido a menor tempo para trocas térmicas porém os atritos em rotações mais elevadas são maiores aumentando as perdas por atritos 6 RESULTADOS E DISCUSSÕES A aplicação das análises energéticas de Primeira e Segunda Lei da Termodinâmica têm se mostrado ferramentas úteis para o entendimento dos fatores responsáveis pelo rendimento dos motores de combustão interna Gallo 1985 realizou um estudo de análise exergética de motor a álcool e a gasolina Seguem discussões dos resultados Os processos de compressão e expansão têm suas irreversibilidades devidas à transmissão de calor sendo que as irreversibilidades são menores na compressão do que na expansão devido a menores temperaturas Na combustão a destruição de exergia é devida fundamentalmente às reações químicas sendo que há também uma parcela devido às temperaturas elevadas Com relação à velocidade do motor RPM do ponto de vista do desempenho global do motor quando a rotação aumenta ocorre um ligeiro aumento do rendimento térmico indicado devido a uma menor transmissão de calor O rendimento mecânico diminui em função do aumento do atrito tendo como conseqüência o rendimento térmico efetivo decrescente A forma como a rotação afeta as irreversibilidades internas para cada um dos processos admissão compressão combustão expansão e escape pode ser avaliada pelas análises exergéticas que indicam o que ocorre em cada processo e como os processos se afetam mutuamente A comparação entre o motor a álcool e a gasolina mostrou que o motor a álcool possui melhor desempenho do que o motor a gasolina sob qualquer critério adotado rendimento térmico indicado e efetivo eficiências exergéticas global ou indicada pressão média efetiva A análise exergética mostra que a eficiência de combustão no motor a álcool é melhor do que na versão a gasolina quando comparados numa mesma faixa de coeficiente de ar teórico para a combustão Os estudos comparativos entre álcool e gasolina também foram realizados utilizandose um motor com a mesma taxa de compressão ainda assim o desempenho com álcool foi superior à gasolina As eficiências exergéticas são maiores com álcool e as irreversibilidades por unidade de massa que queima também são menores Isso mostra que o álcool possui uma combustão menos irreversível do que a gasolina 7 CONCLUSÕES E SUGESTÕES Os estudos de rendimento de motores de combustão interna envolvem muitos fatores e variáveis MCI são máquinas térmicas que apresentam variações ciclo a ciclo originadas entre outros fatores por sua concepção de projeto onde sempre ocorrem diferenças de fluxos atritos e rendimentos de ciclo a ciclo e de cilindro para cilindro A aplicação da análise exergética com a realização das análises entrópicas cálculos de irreversibilidades e verificações das perdas nos sistemas é ferramenta de grande utilidade para verificação da eficiência dos processos do motor e da eficiência global do sistema Os estudos de Gallo 1985 mostrou um desempenho superior do motor quando utilizando álcool comparado com a gasolina Muitos outros estudos como Martins and Ribeiro 2009 Teh 2009 e Caton 2000 também utilizaram as análises de Segunda Lei para a observação de MCI Através das análises exergéticas podese observar que o processo de combustão interna tem a maior contribuição na geração entrópica ou geração de irreversibilidades do sistema Os resultados conclusivos dos estudos também conduzem a pontos que podem ser utilizados na otimização de novos projetos de MCI ou na melhoria de atuais projetos Na medida em que se otimizam o rendimento de MCI otimizamse também o aproveitamento do combustível Dessa forma as tendências futuras relacionadas a veículos que utilizam MCI tendem a cada vez mais utilizar motores menores e mais eficientes Downsizing onde ao serem melhorados os índices de rendimento melhoramse também o consumo de combustível e as emissões de gases poluentes ao meio ambiente 8 REFERÊNCIAS HEYWOOD JOHN B Internal Combustion Engine Fundamentals McGrawHill International ed 1988 930p VI C ongr es s o N a ci onal de E nge nhar i a M e c â ni c a 18 a 2 1 de A gos t o 2 0 10 C am pi na G ra nde Par a í ba MORAN M J SHAPIRO H N Fundamentals of Engineering Termodynamics 5th ed 2004 ÇENGEL YA BOLES M A Termodinâmica Quinta edição MC Graw Hill 2006 MILHOR C E Sistema de Desenvolvimento para Controle Eletrônico dos Motores de Combustão Interna Ciclo Otto Mestrado Escola de Engenharia de São Carlos Universidade de São Paulo 2002 GALLO WLR Análise Exergética de Motores de a Gasolina e a Álcool Tese de Doutorado Apresentada na Unicamp 1985 SOTO FP Apresentação no Seminário SAE 2008 TORRES E A Avaliação exergética e termoeconômica de um sistema de cogeração de um pólo petroquímico Tese de Doutorado Apresentada na Unicamp 1999 MARTINS JJG Thermodynamic Analysis of Spark Ignition Engines Using the Entropy Generation Minimisation Method Int J Exergy Vol 6 N 1 2009 TEH KY Miller S L Edwards C F Thermodynamic Requirements for Maximum Internal Combustion Engine Cycle Efficiency Part 1 Optimal Combustion Strategy TEH KY Miller S L Edwards C F Thermodynamic Requirements for Maximum Internal Combustion Engine Cycle Efficiency Part 2 Work Extraction and Reactant Preparation Strategies TEH KY Edwards C F An Optimal Control Approach to Minimizing Entropy Generation in an Adiabatic Internal Combustion Engine CATON J A A Review of Investigations Using the Second Law of Thermodynamics to Study Internal Combustion Engines SAE 2000 2000011081 CATON J A On The Destruction of Availability exergy Due To Combustion Processes With Specific Application to InternalCombustion Engines Energy 25 2000 10971117 GALLONI E Analysis About Parameters That Affect Cyclic Variation In a Spark Ignition Engine Applied Thermal Engineering 29 2009 11311137 TAYLOR A M K P Science review of Internal Combustion Engines Energy Policy 36 2008 46574667 GONZÁLES G A PALMA A C GALICIA A L Máximum Irreversible Work and Efficiency in Power Cycles J Phys D Appl Phys 33 2000 1403 1409 METHODOLOGY TO STUDY THE THERMODYNAMIC EFFICIENCY OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES Márcio Augusto Sampaio de Carvalho marciocarvalhocimatecfieborgbr1 Ednildo Andrade Torres ednildoufbabr2 Felipe Soto Pau sotopaufhotmailcom3 1SENAI CIMATEC Av Orlando Gomes 1845 Piatã CEP41650010 SalvadorBa 2UFBA Av Aristides Novis 2 Federação CEP 40210630 SalvadorBa Resumo Global Warming emissions and sustainability are issues increasingly discussed considering environmental problems It becomes evident the need of machines more efficient and energy sources less polluting Internal combustion engines appear as great evils of global warming due to its use as driving energy of a huge fleet of existing and ever increasing annual worldwide production of automobiles resulting among others problems the enormous of CO2 emissions Many design changes occurred during the evolution of the internal combustion engines that increased the efficiency of the system such as the use of more appropriate materials for heat exchange and fluid dynamics intake manifolds and variable valve timing and eletronic management engine control But there is still considerable gap between a real engine efficiency and a theorical maximum efficiency or second Carnot Cycle This paper presents a methodology to study energy efficiency and exergy efficiency of internal combustion Otto Cycle using more than one fuel flexible The topics are presented through the exhibitionon the performance of internal combustion engines with considerations of the First and Second Laws of thermodynamics Keywords Internal combustion engine efficiency exergy