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Nos processos cíclicos discutidos, diversos valores são utilizados de maneira teórica, com a troca de calor ocorrendo de forma infinita e idealizada. O comportamento idealizado é baseado na suposição de um gás perfeito, mas na prática, os processos reais em motores de combustão interna não correspondem a esses pressupostos. A discrepância entre o modelo teórico e o real se deve a uma série de fatores que afetam a eficiência do motor e reduzem a conversão de energia. Vamos explorar esses fatores e como eles impactam a performance dos motores.
Em um motor de combustão interna real, a combustão nem sempre é completa, especialmente quando a quantidade de oxigênio disponível para a reação é insuficiente. Isso ocorre principalmente em áreas do cilindro onde a mistura ar-combustível não se mistura de maneira eficiente, resultando em uma liberação incompleta da energia química contida no combustível. O gás de exaustão que sai do cilindro ainda contém substâncias que poderiam, teoricamente, participar de uma reação adicional, mas essas possibilidades são desperdiçadas devido à combustão incompleta.
Além disso, há perdas significativas de calor após a combustão. Uma parte do calor gerado é dissipada através das paredes do cilindro e da coroa do pistão. Esse calor perdido não está mais disponível para ser convertido em trabalho mecânico. Uma das estratégias para melhorar a eficiência térmica do motor convencional é reduzir essas perdas. A redução da dissipação de calor na câmara de combustão não só aumenta a eficiência térmica do motor, mas também acelera o aquecimento do sistema de tratamento de gases de exaustão após a partida, o que contribui para a redução das emissões em partidas a frio.
Outro aspecto crucial que afeta a eficiência do motor é a fricção. A fricção inevitável nas peças móveis do motor causa perdas de energia. A maior fonte de fricção em um motor vem do pistão, onde os anéis de pistão e o pino do pistão (também conhecido como pino do estilhaço ou pino do torno) entram em contato com o cilindro, gerando atrito. As perdas de fricção também ocorrem nos mancais do virabrequim, onde a resistência ao movimento é significativa. Além disso, o motor precisa utilizar parte da energia mecânica que gera para vencer a resistência à fricção de outras partes móveis, como o sistema de válvulas, injeção de combustível, bomba de água, bomba de óleo e o alternador, o que reduz ainda mais o trabalho mecânico disponível para a transmissão.
Outro fator relevante é a perda por blow-by, que ocorre quando parte da energia utilizável escapa da câmara de combustão devido à falha no processo de compressão e à fuga de gases quentes durante a fase de combustão. Esse fenômeno reduz ainda mais a eficiência do motor. As perdas por blow-by são comuns em motores a diesel, onde a alta compressão pode resultar em vazamentos de gases quentes durante a combustão, comprometendo a conversão total da energia química.
Para otimizar a eficiência do motor de combustão interna, é fundamental considerar esses fatores. A redução das perdas térmicas, o controle da fricção e a minimização das perdas por blow-by são estratégias importantes para melhorar o desempenho do motor, tanto em termos de eficiência quanto de redução de emissões. Além disso, a eficiência dos sistemas auxiliares, como os sistemas de recuperação de calor residual e o gerenciamento eletrônico do motor, desempenham papéis importantes na maximização da performance do motor.
Entender essas limitações do ciclo real em comparação com o ciclo ideal é essencial para engenheiros e projetistas que buscam melhorias no desempenho e na eficiência dos motores. As inovações tecnológicas, como o aprimoramento de materiais para reduzir a fricção, o uso de sistemas mais eficientes de injeção de combustível e o desenvolvimento de tecnologias para reduzir as perdas térmicas, são áreas em constante evolução que podem fazer a diferença em motores mais eficientes e com menores impactos ambientais.
Qual a Composição e as Propriedades do Combustível Diesel?
O diesel é um combustível complexo, composto principalmente por alcanos, cicloalcanos e hidrocarbonetos aromáticos, cujas moléculas são formadas por cadeias de carbono e hidrogênio. Os alcanos são hidrocarbonetos saturados, ou seja, compostos por ligações simples entre átomos de carbono (CnH2n+2). Os cicloalcanos, por sua vez, são hidrocarbonetos que formam anéis (CnH2n), e os hidrocarbonetos aromáticos contêm estruturas de anéis com ligações duplas. No caso do diesel, as moléculas de hidrocarbonetos tipicamente apresentam de 9 a 22 átomos de carbono.
O processo de destilação do petróleo, que ocorre em uma faixa de temperatura entre 150 e 390°C, resulta na formação do diesel. Contudo, suas propriedades variam conforme a região, devido às diferenças nos processos de refinação e à composição do petróleo bruto utilizado. As regulamentações europeias 2003/17/EC e EN590 definem as características do diesel comercializado na Europa, mas, no nível global, não há normas unificadas, o que faz com que o diesel em alguns países tenha proporções significativamente maiores de enxofre do que na Europa.
Uma das propriedades fundamentais do diesel é sua densidade, que é de aproximadamente 0,838 kg/l a 20°C, conforme mostrado na Tabela 2.1. Além disso, o combustível tem um valor calorífico de 42,6 MJ/kg, o que significa que cada quilograma de diesel libera essa quantidade de energia quando queimado. A combustão de 1 litro de diesel, que pesa 0,838 kg, resulta na emissão de cerca de 2,65 kg de dióxido de carbono (CO2), como calculado com base na estequiometria da reação de combustão. A reação simplificada da queima de diesel pode ser representada pela equação:
Esse valor de emissão de CO2 por litro de diesel é um fator importante ao considerar os impactos ambientais do uso deste combustível, já que o dióxido de carbono é um dos principais gases de efeito estufa, contribuindo diretamente para o aquecimento global. Para os motores diesel, a correta dosagem de ar e combustível é essencial para garantir uma combustão eficiente e reduzir a emissão de poluentes. A relação entre a quantidade de ar presente e a quantidade de combustível necessária para uma combustão completa é definida pelo índice de equivalência ar-combustível (λ). Quando λ = 1, o combustível é completamente queimado com o oxigênio disponível no ar; valores superiores a 1 indicam excesso de ar (mistura pobre), enquanto valores menores que 1 indicam deficiência de ar (mistura rica), o que pode resultar em combustão incompleta e maior produção de poluentes.
Em climas mais frios, o diesel tende a se tornar mais viscoso, o que compromete suas propriedades de ignição. No entanto, a adição de aditivos ou a modificação do processo de refinação podem melhorar o desempenho do combustível em baixas temperaturas, permitindo seu uso em regiões mais geladas. Entretanto, essas melhorias muitas vezes envolvem um aumento nos custos de produção, já que a refinação para obter melhores propriedades invernais do diesel geralmente resulta em um rendimento inferior de combustível.
Além do diesel derivado do petróleo, há também os combustíveis alternativos provenientes de biomassa. Estes combustíveis possuem características físicas e químicas distintas do diesel fóssil, e sua mistura com o diesel tradicional é uma prática comum, especialmente na Europa, onde misturas com até 7% de biodiesel (B7) são utilizadas em veículos com motores a diesel desde 2009. O uso de biocombustíveis pode ser uma forma de mitigar o impacto ambiental do diesel tradicional, especialmente se forem produzidos a partir de fontes renováveis e com menor pegada de carbono.
Outros combustíveis, como o hidrogênio, têm sido pesquisados como alternativas viáveis ao diesel, especialmente considerando a necessidade de reduzir as emissões de CO2. O hidrogênio oferece uma vantagem significativa, pois sua combustão não gera CO2, mas sim vapor d'água, tornando-se uma opção promissora para motores de combustão interna com emissão neutra de carbono. Em um cenário futuro, os combustíveis sintéticos derivados do hidrogênio ou a partir de processos que capturam carbono da atmosfera podem se tornar importantes substitutos do diesel tradicional, especialmente para veículos comerciais.
Importante destacar que, apesar das melhorias possíveis em termos de composição e propriedades do diesel, a otimização dos motores e o controle rigoroso da qualidade do combustível são cruciais para garantir a eficiência energética e minimizar os impactos ambientais. Em motores modernos, sistemas como o tratamento de gases de exaustão são altamente sensíveis à qualidade do combustível, e combustíveis de baixa qualidade podem comprometer não só a eficiência do motor, mas também a durabilidade e o desempenho do veículo.