Motor a combustão: Será que ele realmente é bom?

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Motor a combustão: Já parou para pensar em relação à eficiência dos motores? A resposta pode surpreender! Os motores de combustão revelam-se notavelmente ineficientes. A maioria dos motores diesel, por exemplo, não alcança uma eficiência térmica de 50%. Ao queimar um galão de diesel, menos da metade da energia resultante se converte em energia mecânica. Em outras palavras, em um motor diesel típico de uma caminhonete, menos de 50% da energia produzida efetivamente impulsiona o veículo.

A ineficiência é ainda mais acentuada nos veículos movidos a gasolina. Muitos deles desperdiçam cerca de 80% da energia gerada durante a combustão do combustível. Os motores a gasolina frequentemente liberam mais de 80% da energia pelo escapamento ou a dissipam para o ambiente ao redor.

motor a combustão
Motor a combustão!

Essa ineficiência dos motores de combustão é intrínseca às leis da termodinâmica, as quais determinam a eficiência térmica, ou, em termos simples, a ineficiência dos motores. Dessa maneira, os motores de combustão interna produzem trabalho mecânico através da queima de combustível, liberando calor que é apenas parcialmente transformado em energia mecânica. No entanto, grande parte dessa energia perde-se durante esse processo.

Explicar detalhadamente por que os motores de combustão são inerentemente ineficientes requer uma compreensão extensa da termodinâmica. Em uma explicação mais concisa, a diferença de temperatura entre a combustão do combustível, o motor e o ambiente ao redor determina a eficiência térmica, ou seja, a ineficiência do motor de combustão.

O que é eficiência térmica? E quais são as leis da termodinâmica?

A eficiência de um motor de combustão é avaliada como a soma da eficiência térmica, sendo esta última uma consequência direta da termodinâmica. LearnThermo.com define eficiência térmica como “uma medida do desempenho de um ciclo de potência ou motor térmico”.

A definição rigorosa de eficiência térmica, de acordo com o dicionário Merriam-Webster, é “a proporção entre o calor utilizado por uma máquina térmica e o total de unidades de calor no combustível consumido”. Para leigos, uma definição mais prática de eficiência térmica seria entender como a quantidade de energia produzida quando um motor de combustão queima combustível se relaciona com a quantidade dessa energia que se converte em energia mecânica.

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O gráfico a seguir evidencia como, ao longo do tempo, a eficiência do Motor Otto (motor de 4 tempos) vem aumentando. Porém, não é boa, ou melhor, é ineficiente.

A fórmula da eficiência térmica fornece uma explicação mais direta. A energia térmica, que é a quantidade de calor perdida, é dividida pela quantidade de calor colocada no sistema, sendo calor equivalente a energia. O resultado dessa divisão representa a taxa de eficiência térmica do sistema, indicando a quantidade de energia que efetivamente alimenta o virabrequim de um motor de combustão, pelo menos aqueles com pistões.

As duas leis da termodinâmica são fundamentais para determinar a eficiência térmica de um motor de combustão.

Primeira Lei da Termodinâmica:

A eficiência térmica, e, por conseguinte, a eficiência de um motor de combustão, é regida pelas leis fundamentais da termodinâmica. Conforme a primeira lei da termodinâmica, a produção de energia não pode ultrapassar a entrada de energia. Em outras palavras, a energia gerada por um motor, seja ela perdida ou utilizada para propulsão, nunca excederá o potencial energético do combustível inserido na câmara de combustão.

Essa lei é intuitiva, integrando-se à lei da conservação da energia, que afirma que a energia não pode ser criada nem destruída. A primeira lei da termodinâmica é, assim, uma fórmula que reforça a ideia de que a energia é uma constante. Se pensarmos em termos de dinheiro como metáfora para essa lei, não podemos obter mais do que quatro quartos de um dólar.

Embora a primeira lei seja crucial para entender a eficiência dos motores de combustão, é a segunda lei da termodinâmica que explica por que esses motores são ineficientes.

Segunda Lei da Termodinâmica:

Segundo a segunda lei da termodinâmica, atingir 100% de eficiência térmica é impossível. Existe um limite para a eficiência potencial de um motor de combustão, conforme estabelecido pelo Teorema de Carnot. Este teorema afirma que mesmo um motor ideal, sem atrito, não pode converter nem perto de 100% do calor recebido em trabalho. Os fatores limitantes são a temperatura na qual o calor entra no motor e a temperatura ambiente na qual o motor libera o calor residual.

Uma parcela significativa da energia gerada durante a combustão do combustível é perdida, aquecendo o motor. Isso ocorre por meio da transferência de calor condutiva. A energia perdida na forma de calor é responsável pelo aquecimento do ar ao redor do motor, por meio da transferência de calor por convecção. Em vez de se transformar em energia mecânica, o calor aquece o motor e a atmosfera circundante. Essa perda de energia para o ar ao redor do motor e para o próprio motor, devido às diferenças de temperatura, é a razão pela qual os motores de combustão são ineficientes.

Além disso, uma parte substancial da energia produzida por um motor de combustão é simplesmente expelida pelo escapamento, sem se converter em energia mecânica.

Calor – Energia – Perda e Teorema de Carnot

motor a combustão
Ciclo de Carnot para um motor a combustão!

A diferença de temperatura entre a queima do combustível e o ambiente circundante impacta diretamente na eficiência térmica de um motor. Quanto maior essa diferença, maior a perda de energia. O Teorema de Carnot evidencia que quanto maior a discrepância de temperatura entre a queima do combustível e o metal e o ar ao redor, maior será a ineficiência do motor.

O Limite de Carnot representa a quantidade máxima de energia produzida durante a combustão que se transforma em energia mecânica. Esse limite é determinado pela diferença entre o calor de combustão e a temperatura dos elementos e da atmosfera ao redor do processo de combustão. Quanto maior a disparidade de temperatura, menor será o Limite de Carnot, indicando uma menor eficiência na conversão de energia térmica em trabalho mecânico.

Qual é a eficiência térmica de um motor a gasolina versus um motor a diesel?

A eficiência térmica de um motor a gasolina é notavelmente baixa. Embora haja empresas que estão progredindo na melhoria da eficiência térmica dos motores a gasolina, igualar a eficiência de combustão dos motores diesel mais antigos é uma tarefa extremamente desafiadora. Segundo a Toyota, uma empresa empenhada em aprimorar a eficiência térmica de seus veículos, “a maioria dos motores de combustão interna é incrivelmente ineficiente na transformação do combustível queimado em energia utilizável”. A eficiência térmica desses motores a gasolina é, em média, cerca de 20%.

Em contraste, os motores a diesel geralmente apresentam uma eficiência térmica mais elevada, atingindo até 40% em alguns casos. A Toyota está atualmente em processo de desenvolvimento de um novo motor a gasolina que, segundo a empresa, alcança uma eficiência térmica máxima de 38%, superando qualquer outro motor de combustão produzido em massa.

Outro aspecto relevante para entender a eficiência térmica é analisar os custos de combustível. A cada dólar gasto em gasolina, aproximadamente 80 centavos são desperdiçados. Apenas 20 centavos de cada dólar realmente impulsionam um motor a gasolina. Apesar de ainda ser notavelmente baixo, os motores diesel comuns gastam pelo menos 40 centavos por dólar em trabalho mecânico.

Embora 60 centavos de cada dólar de diesel sejam perdidos devido à ineficiência térmica, esse valor ainda representa o dobro da eficiência de um motor a gasolina médio.

Por que a eficiência térmica de um motor diesel é superior à de um motor a gasolina?

Embora a Toyota afirme que a eficiência térmica dos motores a gasolina é de 20% e a dos motores a diesel é de 40%, o MDPI de Basileia, na Suíça, acredita que esses números são, na verdade, mais altos. Segundo o MDPI, os motores a gasolina apresentam uma eficiência térmica entre 30% e 36%, enquanto os motores a diesel podem alcançar uma eficiência térmica de quase 50%. Atualmente, os motores de ignição por centelha em produção operam com eficiência térmica de frenagem (BTE) entre 30-36%, enquanto os motores de ignição por compressão têm uma eficiência térmica que pode atingir de 40–47%.

Isso implica que a eficiência térmica de um motor diesel é aproximadamente 25% superior à de um motor a gasolina. Conforme afirmado pela Popular Mechanics, a razão pela qual os motores a diesel superam os motores a gasolina em eficiência térmica se deve a dois fatores principais: taxas de compressão e combustão pobre. “Quando se trata de percorrer grandes distâncias em velocidades de rodovia, os motores a diesel, com taxas de compressão mais elevadas e combustão pobre, oferecem uma eficiência que nenhum motor a gasolina pode igualar atualmente – pelo menos não sem a grande ajuda de um sistema híbrido caro.”

Eficiência Térmica e Taxas de Combustão

Em um motor de combustão, a eficiência térmica é, em parte, determinada pela taxa de compressão. A taxa de compressão refere-se à diferença entre os maiores volumes em uma câmara de combustão (quando o pistão está abaixado) e o volume na câmara de combustão quando o combustível injetado explode. Assim, a taxa de compressão de um motor a gasolina é consideravelmente inferior à de um motor a diesel.

A taxa de combustão em um motor a gasolina típico situa-se entre 8:1 e 12:1. “Se a compressão em um motor a gasolina ultrapassar 10,5, a menos que o índice de octanas do combustível seja alto, ocorre combustão detonante.” A detonação resulta da pré-combustão quando a gasolina entra em ignição devido à pressão de compressão, em contraste com a ignição provocada por uma faísca.

Motores a diesel possuem uma taxa de compressão significativamente maior, por duas razões principais. Primeiramente, os motores a diesel são motores de compressão, onde a compressão é responsável por inflamar o diesel na câmara de combustão, sem a necessidade de uma faísca. Além disso, os motores a diesel apresentam uma taxa de compressão mais alta devido à natureza mais estável do diesel como combustível. Mais pressão, ou seja, uma taxa de compressão mais elevada, é necessária para iniciar a combustão do diesel. A maioria dos motores a diesel opera com uma taxa de compressão entre 14:1 e 25:1.

Soluções para melhorar a eficiência do motor

Infelizmente, há limitações significativas no que um proprietário de veículo pode fazer para aumentar a eficiência térmica de um motor, devido às restrições de design e às limitações tecnológicas. No entanto, é possível implementar melhorias na eficiência da combustão, que é a taxa na qual um motor converte combustível em energia.

Especialmente em relação a combustíveis pesados de alta densidade energética, como gasóleo, óleo combustível e combustível de bancas, existem tecnologias disponíveis para melhorar drasticamente a eficiência da combustão. Estes combustíveis, compostos por moléculas de hidrocarbonetos grandes e longas, muitas vezes apresentam baixas taxas de eficiência de combustão devido à sua natureza.

Combustíveis de baixa densidade energética, como gasolina e gás natural, normalmente mantêm taxas de combustão mais consistentes, já que são compostos por moléculas menores de hidrocarbonetos de cadeia curta. No entanto, os combustíveis pesados podem ter dificuldades, pois as moléculas maiores têm a tendência de agrupar-se em aglomerados, impedindo a exposição ao ar e, consequentemente, a ignição.

Uma solução eficaz para melhorar a eficiência de combustão de combustíveis pesados é o uso de catalisadores de combustível. Esses catalisadores, muitas vezes compostos por metais nobres, desagregam os aglomerados de combustível, rompendo as cargas inerentes que causam a formação desses grupos.

Um exemplo notável é o Rentar Fuel Catalyst, que pode aumentar a eficiência da combustão e, por conseguinte, a eficiência do combustível em veículos rodoviários entre 3% e 8%. Em máquinas pesadas, o aumento na eficiência de combustível é ainda mais expressivo, podendo chegar a 30% ou mais ao adicionar um Catalisador de Combustível Rentar a uma fornalha ou caldeira que queima combustíveis pesados.

Embora seja desafiador evitar completamente o desperdício inerente a todos os motores de combustão, melhorar a eficiência da combustão é uma medida viável até que motores com maior eficiência térmica se tornem amplamente disponíveis.

Referências:

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