Ensaio sobre motores de combustão interna a gasolina

Técnicas para melhorar o rendimento de motores e diminuir a emissão de poluentes

Aluno: Matheus Silva Carneiro Fonseca RA: 27740

Motores de combustão interna são maquinas térmicas que transformam a energia proveniente de uma reação química em energia mecânica. De acordo com Belli[1], o primeiro motor de combustão interna foi feito pelo belga Jean Joseph Etienne Lenoir, em 1860. Lenoir desenvolveu um motor dois tempos que utilizava gás como combustível e uma vela de ignição para fazer a combustão desse gás.

Segundo Rocha [5], em 1866, Nikolaus August Otto patenteou o primeiro motor de combustão interna de quatro tempos, dando origem ao ciclo Otto. Esse ciclo é amplamente utilizado em motores atuais.

O surgimento desse tipo de máquina térmica, mais confiável e compacta que motores a vapor, foi de grande importância para o desenvolvimento devido a sua grande aplicação na indústria e nos transportes.

Nas últimas décadas surgiu uma grande preocupação com a poluição atmosférica, devido aos efeito nocivos à saúde e ao agravamento do Efeito Estufa. Grande parte dessa poluição é causada pela utilização de combustíveis fósseis, fluído responsável por fornecer a energia química para os motores de combustão interna.

Os veículos automotores são responsáveis por boa parte das emissões de poluentes nas regiões urbanas. Teixeira, Feltes e Santana (2007)[6] dizem que 90% das emissões de CO, 80 a 90% das emissões de NOx e hidrocarbonetos são geradas pela utilização de veículos.

Essa preocupação veio acompanhada do surgimento de novas leis que visam diminuir a emissão de poluentes de veículos automotores. No Brasil foi criado o PROCONVE, um programa que visa controlar as emissões de poluentes de veículos leves e pesados.

“[...] em 06 de maio de 1986, a Resolução nº 18 do CONAMA criou o Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos Automotores – PROCONVE, coordenado pelo IBAMA, e que veio definir os primeiros limites de emissão para veículos leves, e contribuir para o atendimento aos Padrões de Qualidade do Ar instituídos pelo PRONAR. Em 28 de outubro de 1993 a lei nº 8.723 endossou a obrigatoriedade de reduzir os níveis de emissão dos poluentes de origem veicular, contribuindo para induzir o desenvolvimento tecnológico dos fabricantes de combustíveis, motores e autopeças, e permitindo que veículos nacionais e importados, passassem a atender aos limites estabelecidos.”(PROCONVE:... 2015)[4].

Para atender a nova legislação as montadoras tiveram que investir em novas tecnologia s para diminuir o consumo e aumentar a eficiência do motores. Uma das grandes tendências é o downsizing que é, basicamente, a redução dos motores, seja em questão de peso ou cilindrada. Porém os veículos vendidos na América Latina e na  Europa costumam ter cilindradas menores que 2.0 l, se a potência dos motores fosse reduzida isso poderia desagradar os compradores. Então para que essa técnica pudesse ser empregada seria necessário um modo de manter a mesma potência do motor, deste modo a downsizing vem sendo empregada juntamente com outras técnicas.

As grandes marcas de automóveis veem substituindo, gradativamente, a matéria-prima de seus motores, trocando o ferro fundido por alumínio. Os motores feitos do metal substituto podem chegar a ter apenas 1/3 do peso dos motores de ferro fundido, o que ajuda na redução de peso dos veículos, além de precisarem de menos juntas, pois as ligas de alumínio apresentam coeficientes de dilatação semelhantes. Lozano, citado por Valêncio [7], ressalta a melhor transmissão de calor do alumínio, dessa forma o motor chega mais rápido à temperatura ideal de trabalho, economizando combustível.

O alumínio já havia sido empregado nos motores, mas entrou em desuso devido ao desgaste. Alguns motores de alumínio usam uma camisa de cilindro feita de ferro para contornar o desgaste, novas tecnologias que deixam o alumínio mais resistente ao desgaste também veem sendo testadas.

A utilização de compressores e turbo compressores também tem apresentado bom rendimento quando aplicados em conjunto com o downsizing. Esse método, que antes era usado para aumentar a potência, teve sua utilização expandida para diminuição de consumo de combustível por permitir a diminuição dos motores sem perda de potência. Calmon [2] fala que motores que fazem uso de um sistema de compressão podem ter um rendimento de 30 a 50% superior a motores aspirados naturalmente.

Apesar de serem sistemas com algumas diferenças, a função dos compressores e turbo compressores é injetar uma maior quantidade de oxigênio na câmara de combustão, proporcionando uma queima mais potente e eficiente do combustível.

 Os compressores são ligados diretamente ao motor por meio da correia da bomba de água ou pela correia do comando de válvula e há basicamente três tipos deles.

• Compressores centrífugos: assemelham-se ao turbos compressores, porém o compressor é ligado diretamente ao motor.
• Compressor Lysholm ou Twin-Srew: são compostos de dois parafusos montados paralelamente. Ao girar, os parafusos sugam o ar e o comprimem, forçando a entrada de mais oxigênio na câmara de combustão. Deve ser construído e dimensionado com muita precisão, tornando o tipo mais eficiente e mais mais caro.
• Compressor Roots ou Blower: apesar de ser considerado um compressor ele não comprimi o ar, apenas sopra mais ar no motor.

Os turbo compressores aproveitam a energia dos gases de exaustão para mover uma turbina, que toca um compressor. Depois de passar pelo compressor o ar segue para o intercooler, peça responsável por esfriar o ar. É necessário resfriá-lo, pois o ar esquenta com o processo de compressão, o que aumenta o seu volume.  Então, com uma temperatura mais baixa será possível injetar mais oxigênio no motor.

Os turbo compressores necessitam de certa rotação do motor para funcionar corretamente, o que gera um atraso na resposta. Esse problema vem sendo contornado com a melhora dos componentes do sistema. A montadora Volkswagen conseguiu corrigir, parcialmente, esse problema fazendo um sistema que, em baixas rotações, o compressor atua aumentando a potência, quando a rotação mínima exigida para o turbo compressor é atingida, o compressor é desligado e o turbo compressor passa a funcionar.

As montadoras também vem buscando uma maneira de evitar as perdas de desempenho dos motores causadas pelo atrito. Há 14 anos que a Koenigsegg, fabricante de carros esportivos, estuda um sistema de controle de válvulas. Nesse projeto o eixo comando de válvulas é substituído por atuadores pneumáticos, tornando cada válvula independente. A independência das válvulas permite controlar melhor o tempo de atuação e a abertura de cada uma delas separadamente, solucionando o problema de baixa potência, em baixas rotações, nos motores de 16 válvulas.