GABRIEL AUGUSTO BOLOGNINI · 2021. 4. 20. · BOLOGNINI, Gabriel Augusto. EFICIÊNCIA TÉRMICA EM MOTORES A COMBUSTÃO: CICLO OTTO PARA MOTORE FLEX.2020. 54. Trabalho de Conclusão

Cidade Ano

GABRIEL AUGUSTO BOLOGNINI

EFICIÊNCIA TÉRMICA EM MOTORES A COMBUSTÃO

CICLO OTTO PARA MOTORE FLEX

https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.unopar.com.br%2F&psig=AOvVaw2Esspdd2BEgIIoxd2lSIYQ&ust=1588629787344000&source=images&cd=vfe&ved=0CAIQjRxqFwoTCLjgi6TZmOkCFQAAAAAdAAAAABAD

Londrina 2020



Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à UNOPAR, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em engenharia mecânica.

Orientador: Eduardo Akamatsu





Trabalho de Conclusão de Curso apresentado à UNOPAR, como requisito parcial para a obtenção do título de graduado em engenharia mecânica.

BANCA EXAMINADORA

André Willian Tonatto

Prof(a). Titulação Nome do Professor(a)

Haustin Stelmastchuk Vieira

Prof(a). Titulação Nome do Professor(a)

Londrina, 13/09/2020

Dedico este trabalho principalmente a

minha mãe, que me auxiliou como

possível, ao meu irmão que em momentos

de desanimo me amparou, aos

professores com dicas e transmissão de

conhecimento e a Deus por ter-me

deixado chegar até aqui.

O Ronco do motor dá largada à corrida de

adrenalina pelo corpo. Sem freio,

acelerando a cada bombeada de gasolina, a

velocidade sanguínea aumenta provocando

uma combustão de prazer.

Luan Souza

BOLOGNINI, Gabriel Augusto. EFICIÊNCIA TÉRMICA EM MOTORES A COMBUSTÃO: CICLO OTTO PARA MOTORE FLEX. 2020. 54. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) – UNOPAR, Londrina, 2020.

RESUMO O presente trabalho tem como objetivo pontuar a eficiência térmica de motores a combustão em ciclo otto para assim analisar as diferenças utilizando diferentes níveis dos combustíveis gasolina e etanol homologados pelo inmetro no Brasil para que se possa ter clareza e consciência sobre o aumento, ou perda de parâmetros essenciais para a obtenção de performance do motor. Para a execução, foi-se analisado monografias anteriormente realizadas por outras universidades e professores, contendo características como eficiência de motores flex, partes essenciais de um motor de ciclo otto, gráficos demonstrativos entre os combustíveis descritos, e livros específicos para conhecimento dos cálculos utilizados pelos autores e entendimento de siglas. Para uma análise precisa, foi-se estudado um motor em específico sendo este um K7M da Renault, a pesquisa se encerrou ao obter como resultado que o motor contendo o álcool como o principal e único combustível garante um aumento de performance comparado com a mistura com gasolina.

Palavras-chave: história. motores. Especificações. combustível. comparativo.

BOLOGNINI, Gabriel Augusto. THERMAL EFFICIENCY IN COMBUSTION ENGINES: OTTO CYCLE FOR FLEX ENGINE. 2020. 54. Course Completion Work (Graduation in Mechanical Engineering) - UNOPAR, Londrina, 2020.

ABSTRACT

The present work aims to score the thermal efficiency of combustion engines in otto cycle to analyze the differences using different levels of gasoline and ethanol fuels approved by inmetro in Brazil so that one can have clarity and awareness about the increase, or loss of essential parameters to obtain engine performance. For the execution, monographs previously performed by other universities and professors were analyzed, containing characteristics such as efficiency of flex motors, essential parts of an otto cycle engine, demonstrative graphs between the fuels described, and specific books for knowledge of the calculations used by the authors and understanding of acronyms. For an accurate analysis, a specific engine was studied being this a Renault K7M, the research ended by obtaining as a result that the engine containing alcohol as the main and only fuel ensures an increase in performance compared to mixing with gasoline. Keywords: Story. Engines. Specifications. fuel. comparative

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Classificação das máquinas térmicas ..................................................... 07

Figura 2 – Elemento de um motor de combustão interna ........................................ 07

Figura 3 – Bloco do motor ....................................................................................... 08

Figura 4 – Cabeçote ................................................................................................ 09

Figura 5 – Cárter ..................................................................................................... 09

Figura 6 – Partes do pistão...................................................................................... 10

Figura 7 – Biela ....................................................................................................... 10

Figura 8 – Virabrequim ............................................................................................ 11

Figura 9 – Válvulas .................................................................................................. 12

Figura 10 – Curva de Torque, Potência e Consumo Específico .............................. 14

Figura 11 – Curva característica do motor 1.6 8V Hi-Power.................................... 18

Figura 12 – Comparativo de potência real e simulada para a gasolina E27 ............ 21

Figura 13 – Comparativo de torque real e simulado para a gasolina E27 ............... 22

Figura 14 – Comparativo de potência real e simulada para o etanol E100 ............. 22

Figura 15 – Comparativo de torque real e simulado para o etanol E100 ................. 23

Figura 16 – Comparativo do consumo específico de combustível entre o E25 e o

E100 ......................................................................................................................... 23

Figura 17 – Comparação do avanço de ignição para os combustíveis da aplicação

................................................................................................................................. 24

Figura 18 – Curva de potência e torque obtida para gasolina E27 .......................... 25

Figura 19 – Curva de consumo específico de combustível e emissão de NOx para

gasolina E27 ............................................................................................................. 26


etanol E100 .............................................................................................................. 27

Figura 21 – Curva de potência e torque obtida para mistura entre 75% E27 e 25%

E100 ......................................................................................................................... 28


mistura entre 75% E27 e 25% .................................................................................. 28


E100 ......................................................................................................................... 29

Figura 24 – Curva de consumo específico de combustível e emissão de NOX para

mistura entre 50% E27 e 50% E100 ........................................................................ 30


E100 ......................................................................................................................... 31


mistura entre 25% E27 e 75% .................................................................................. 31

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Parâmetro teóricos dos combustíveis .................................................... 19

Tabela 2 – Parâmetro dos combustíveis da aplicação ............................................. 20

Tabela 3 – Parâmetro utilizados para o combustível E27 ........................................ 25

Tabela 4 – Avanço de ignição x RPM para motores com 75% E27 e 25% E100 .... 27



LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

MIC Motor de Ignição por Centelha

MIE Motor de Ignição Espontânea

PME Pressão Média Efetiva

PMS Ponto Máximo Superior

PMI Ponto Máximo Inferior

AC Ar Combustível

GEE Gás do Efeito Estufa

AEHC Álcool Etílico Hidratado Combustível

AEAC Álcool Etílico Anidro Combustível

CO2 Dióxido de Carbono

NOx Oxido de Nitrogênio

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................... 13

2. MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA .......................................................... 14

3. METODOLOGIA DOS MOTORES TITULADOS FLEX ..................................... 20

4. ANÁLISE DAS CURVAS DE DESEMPENHO SOBRE O MOTOR GASOLINA E

ETANOL.................................................................................................................... 28

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................... 38

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 39

13

1. INTRODUÇÃO Em 1652, o padre Hautefoille propôs a primeira inovação em combustão do

mundo, consentia em aproveitar a força expansiva de gases provenientes de uma

combustão em um cilindro fechado.

Mas, o primeiro motor foi inventado apenas em 1876 por Nikolaus Otto, que

inventou a ignição por centelha, e o ciclo Otto, utilizado até os dias atuais. Com o

passar do tempo, houve aperfeiçoamentos no motor otto a fim de melhorar seu

desempenho e produtividade. Em 1970, houve a crise petrolífera o qual os países

desencorajavam a população com o uso de derivados de petróleo. Diante deste

cenário, o brasileiro Ernesto Stumpl projetou o primeiro motor movido a etanol.

A era dos motores a combustão biodegradável foi superada rapidamente, pois

a instabilidade do mercado não garantia vantagem sobre o novo comburente aos

motores derivados do petróleo. Diante desse fato, foram necessárias novas alterações

nos motores. Surge então, os motores flex, ou seja, movidos tanto a gasolina quanto

a etanol, possibilitando, assim, a troca de combustível para atender a economia

mundial.

Ainda assim, os motores flex não conseguiam atender de forma eficiente os

dois tipos de combustível. Pelo etanol ser mais resistente a compressão que a

gasolina, o motor flex precisou ser redimensionado obedecendo os restritivos de cada

combustível, prejudicando assim, o rendimento em ambos.

O problema de pesquisa deste trabalho foi “por que os motores que aceitam

gasolina e etanol são considerados ineficientes, comparados aos motores que

suportam apenas um tipo de combustível?”. O objetivo geral busca analisar quais as

possíveis causas e componentes para que haja uma maior eficiência em motores

denominados flex. Enquanto os objetivos específicos se resume a conceituar os

motores de combustão interna, além de estudar a metodologia dos motores titulados

flex e, por fim, analisar as curvas de desempenho sobre o motor gasolina e etanol. Foi

realizada uma revisão de literatura em artigos em fonte eletrônica e livros buscando a

literaturas entre os séculos XX e XXI relacionadas a área de interesse.

14

2. MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA

2.1. HISTÓRICO:

Motores de combustão interna são máquinas nas quais energia química é

convertida em energia térmica por meio da combustão de uma mistura de ar e

combustível e parte desta energia é transformada em energia mecânica a mistura ar

e combustível participa diretamente da combustão, sendo esta combustão iniciada por

uma centelha, motores de ignição por centelha – MIC (ciclo Otto), ou pela elevação

da pressão dentro da câmara de combustão, motores de ignição espontânea – MIE

(ciclo Diesel).(BRUNETTI, 2012; MARTINS, 2006).

Figura 1 – Classificação das máquinas térmicas

Fonte: Martins (2006)

Segundo Heywood (1988), os motores de combustão interna surgiram em 1876

quando Otto desenvolveu o primeiro motor de ignição por centelha. Vieira (2008)

expressa que o conceito do motor de quatro tempos com compressão foi apresentado

em 1862 pelo francês Eugène Alphonse Beau de Rochas.

Brunetti (2012) acrescenta que o aperfeiçoamento dos motores de combustão

interna com ignição por centelha deve-se a Nikolaus August Otto em 1876. A

importância dos aperfeiçoamentos faz com que os motores sejam conhecidos por

motores de ciclo Otto.

Figura 02 – Elemento de um motor de combustão interna

Fonte: Adaptado de Martins (2006)

15

Os motores a combustão interna são aqueles em que o combustível é queimado internamente. Um mecanismo constituído por pistão, biela e virabrequim é que transforma a energia térmica (calorífica) em energia mecânica. O movimento alternativo (vai e vem) do pistão dentro do cilindro é transformado em movimento rotativo através da biela e do virabrequim. (Martins, 2006) 2.2. PARTES COMPONENTES

2.2.1. Bloco:

De acordo com ufpel (2013), o Bloco é a maior parte do motor e sustenta todas

as outras partes. Nele estão contidos os cilindros, geralmente em linha nos motores

de tratores de rodas. São normalmente construídos de ferro fundido, mas a este

podem ser adicionados outros elementos para melhorar suas propriedades. Alguns

blocos possuem tubos removíveis que formam as paredes dos cilindros, chamadas

de “camisas”. Estas camisas podem ser “úmidas” ou “secas”, conforme entrem ou não

em contato com a água de refrigeração do motor.

Figura 3 – Bloco do motor

Fonte: ufpel (2013)

2.2.2. Cabeçote:

Em ufpel(2013), o cabeçote fecha o bloco na sua parte superior, sendo que a

união é feita por parafusos. Normalmente, é fabricado com o mesmo material do bloco.

Entre o bloco e o cabeçote existe uma junta de vedação.

16

Figura 4 – Cabeçote

Fonte: ufpel (2013)

2.2.3. Cárter:

O cárter como dito em ufpel(2013) fecha o bloco na sua parte inferior e serve

de depósito para o óleo lubrificante do motor. Normalmente, é fabricado de chapa

dura, por prensagem.

Figura 5 – Cárter

Fonte: ufpel (2013)

2.2.4. Pistão (êmbolo):

Tal como dito em Mendes, Lucas C. (2017) o Pistão recebe o movimento de

expansão dos gases. Normalmente, é feito de ligas de alumínio e tem um formato

aproximadamente cilíndrico. No pistão encontram-se dois tipos de anéis:

a) Anéis de vedação – Estão mais próximos da parte superior (cabeça) do pistão; tem

por função vedar o óleo para que não entre em combustão junto à combustão.

b) Anéis de lubrificação – estão localizados na parte inferior do pistão e têm a

finalidade de lubrificar as paredes do cilindro. O pistão liga-se à biela através de um

pino. O pino é normalmente fabricado de aço cementado.

A parte móvel da câmara de combustão, responsável por comprimir a mistura

de combustível + ar, ele recebe diretamente os esforços da expansão dos gases da

câmara de combustão e os transferem para a biela através de um pino que acopla o

pistão a biela.

17

O diâmetro do pistão, sua altura e o formato da cabeça, influenciam diretamente

no comportamento do motor, devendo então se atentar a esse fato no

desenvolvimento do projeto.

Figura 6 – Partes do pistão

Fonte: ufpel (2013)

2.2.5. Biela:

Liga o pistão ao virabrequim. Divide-se em três partes: cabeça, corpo e pé. A

cabeça é presa ao pistão pelo pino e o pé está ligado ao virabrequim através de um

material antifricção, chamado casquilho ou bronzina (Mendes, Lucas C., 2017).

É o braço que liga o pistão ao virabrequim e geralmente é feito em aço-liga

estampado ou alumínio, ela recebe os esforços do pistão e transmite ao virabrequim.

É o elemento que transforma o movimento retilíneo do pistão em movimento

rotativo do eixo de manivela (virabrequim). Sua geométrica é concebida de tal forma

a garantir rigidez suficiente para suportar os esforços e manter o seu centro de massa

próximo ao virabrequim, diminuindo assim os efeitos de inércia e facilitando o

movimento.

Figura 7 – Biela

18

Fonte: ufpel (2013)

2.2.6. Virabrequim:

Esse elemento conhecido também como eixo de manivelas ou árvore de

manivelas é instalado na parte inferior do bloco, onde gira sobre o seu próprio eixo

graças ao movimento retilíneo dos pistões que é transmitido ao virabrequim através

da biela.(Mendes, 2017).

a) Excêntricos – estão ligados aos pés das bielas;

b) De centro – sustentam o virabrequim ao bloco.

Figura 8 – Virabrequim

Fonte: ufpel (2013)

2.2.7. Volante:

É constituído por uma massa de ferro fundido e é fixado no virabrequim.

Acumula a energia cinética, propiciando uma velocidade angular uniforme no eixo de

transmissão do motor. O volante absorve energia durante o tempo útil de cada pistão

(expansão devido à explosão do combustível), liberando-a nos outros tempos do ciclo

(quando cada pistão não está no tempo de potência), concorrendo com isso para

reduzir os efeitos de variação do tempo do motor (ufpel, 2013).

2.2.8. Válvulas:

Existem dois tipos de válvulas: de admissão e de escape. Elas são acionadas

por um sistema de comando de válvulas. O movimento do virabrequim é transmitido

para o eixo de comando de válvulas por meio de engrenagens, correntes ou correias.

O eixo de comando de válvulas liga-se por uma vareta ao eixo dos balancins. Este,

por sua vez, é que acionará as válvulas

A abertura e o fechamento das válvulas estão relacionados com o movimento

do pistão e com o ponto de injeção, de modo a possibilitar o perfeito funcionamento

do motor. As engrenagens da distribuição podem ter uma relação de 1:2, o que

19

significa que cada rotação da árvore de manivelas corresponde a meia rotação da

árvore de comando de válvulas (Souza, 2016).

Figura 9 – Válvulas

Fonte: ufpel (2013)

2.2.9. Partes complementares:

São os sistemas auxiliares indispensáveis ao funcionamento do motor: sistema

de alimentação de combustível, sistema de alimentação de ar, sistema de

arrefecimento, sistema de lubrificação e sistema elétrico (ufpel, 2013).

20

3. METODOLOGIA DOS MOTORES TITULADOS FLEX 3.1. TORQUE

De acordo com Mendes(2017), a pressão gerada pelo processo de combustão

aplicada sobre o pistão gera uma força resultante sobre o ele, essa força é transmitida

para a biela e posteriormente ao virabrequim, dando origem a um momento torçor

(torque), Porém a pressão gerada no momento da combustão é função da massa da

mistura ar + combustível e da rotação existente, dessa forma, entende-se que o torque

varia com a rotação e carga.

O torque pode ser determinado através do uso de um equipamento chamado

dinamômetro.

3.2. POTÊNCIA INDICADA

Varella (2009) explica que a potência indicada é a potência desenvolvida no interior

do cilindro pelo ciclo termodinâmico que a mistura realiza. Pode ser estimada a partir

da pressão de expansão, da rotação do eixo virabrequim e das características do

motor assim como também pode ser medida através de um indicador de pressão que

permita traçar o ciclo do fluido ativo.

3.3. POTÊNCIA EFETIVA

É simplesmente a potência medida no eixo do motor, e pode ser definida como

o produto do torque pela velocidade angular do eixo. Assim como o torque, a potência

efetiva pode ser determina com o dinamômetro. Ela equivale a potência indicada

subtraída da potência gasta para vencer o atrito do movimento e os efeitos de

bombeamento. (Varella,2009)

3.4. CONSUMO ESPECÍFICO

Em Moratto (2015), cita-se que o consumo específico é um meio para se

determinar o quão eficiente é o motor, ele representa a relação entre o consumo de

combustível e a potência efetiva. Geralmente é expresso na unidade kg/kWh ou

g/kWh. O consumo de combustível pode ser medido de maneira gravimétrica ou

volumétrica.

𝐶 =�̇�𝑓

�̇�

Curva de Torque, Potência e Consumo Específico Essas curvas características

dos motores representam o comportamento do torque e da potência em relação ao

regime de rotação do motor. São amplamente utilizadas para conferir as

21

características de desempenho, durabilidade e confiabilidade dos motores. Os

ensaios realizados para se chegar a essas curvas são feitas em carga máxima,

apresentando assim os valores máximos ao longo de todo o regime de rotação

utilizado. Essas curvas são representadas em um gráfico, como mostrado na Figura

10. (Moratto, 2015)

Figura 10. Curva de Torque, Potência e Consumo Específico.

Trnka J., Urban J.: Internal combustion engines. Alfa Bratislava, 1992. Acesso em 12ago.2020.

Onde, de acordo com Trnka (1992), os valores de torque (linha azul) e potência

(linha vermelha) são representados pelos eixos das ordenadas e a rotação (rpm) pelo

eixo das abcissas. Pode-se observar que a potência sobe à medida que a rotação

aumenta, chegando a um máximo perto do regime de rotação máxima do motor, mas

acontecendo antes dele, depois disso a potência sofre uma queda devido a dois

fatores:

• Trabalhando-se em altos regimes de rotações o motor tem dificuldade de

admitir ar devido à grande velocidade com que ocorre a abertura e fechamento da

válvula de admissão, fazendo com que a quantidade de ar aspirado seja

insuficiente.

http://www.wikiwand.com/sk/Alfa_(vydavate%C4%BEstvo)

22

• Também devido ao alto regime de rotação, ocorre o aumento do atrito entre

os componentes do motor, fazendo com que o rendimento mecânico diminua

3.5. PRESSÃO MÉDIA EFETIVA

De acordo com Martins (2012), a pme é definida como o trabalho efetuado por

unidade de volume varrido pelo motor. É possível fazer a comparação de motores de

diferentes cilindradas, de modo a distinguir o motor com a melhor produção de

trabalho.

O trabalho em um ciclo termodinâmico desenvolvido no fluido ativo é igual a área

do ciclo desenhada pelo diagrama p – V, no entanto se esse trabalho for igual ao

trabalho desenvolvido por uma pressão aplicada sobre a cabeça do cilindro durante o

seu curso, dizemos que essa pressão é a pressão media efetiva (PME). (Martins,

2012).

Comandolli (2015) cita que, a pressão media efetiva é muito importante quando se

quer saber a eficácia com que o motor aproveita a sua cilindrada, pois ela representa

o trabalho por unidade de cilindrada, entendendo-se então, que um motor de pequena

cilindrada produz pouco trabalho e que um motor de grande cilindrada produz um

grande trabalho, é ainda de se esperar que motores de desempenho semelhantes

tenham pressões médias semelhantes.

As mesmas relações utilizadas para a potência também podem ser usadas para

descrever a pressão média efetiva, desse modo, temos a possibilidade de comparar

o desempenho de motores, mesmo que de tamanhos e potências diferentes. Pode-se

ainda afirma que o torque é proporcional a pressão média efetiva. (Comandolli, 2015).

3.6. EFICIÊNCIA VOLUMÉTRICA

É a relação entre a massa de ar que entra no cilindro durante o processo de

admissão (abertura da válvula de admissão e movimento do pistão do PMS para o

PMI), e a massa de ar que ocuparia o cilindro considerando a densidade do ar a

pressão atmosférica. “A eficiência volumétrica é de grande interesse como medida de

desempenho do conjunto cilindro como elemento de bombeamento” (BRUNETTI,

2012).

3.7. EFICIÊNCIA MECÂNICA

É a relação entre a potência efetiva e a potência indicada, ou seja, é uma medida

de quão eficiente é o motor quando se diz respeito a transmissão de potência entre

23

os órgãos móveis do motor. De acordo com Júlio César (2013), no motor de

combustão interna apenas uma parcela da energia é efetivamente disponível, sendo

que 35% dessa energia é retirada na forma de calor através dos gases de

escapamento, 32% na forma de calor dissipado pelo sistema de arrefecimento, 8% na

perda por atritos internos decorrentes do funcionamento do motor, e somente 25%

dessa energia efetivamente disponível no volante do motor.

3.8. EFICIÊNCIA TÉRMICA

Em Cândido (2013), a relação entre o calor que se transforma em trabalho útil e

todo o calor que o combustível poderia gerar para transformar em trabalho útil, ou

seja, é uma medida de quão eficiente é o processo de conversão de energia térmica

em trabalho.

𝜂𝑂𝑡𝑡𝑜 =𝑊3−4 −𝑊1−2

𝑄2−3= 1 −

1

𝑟𝑐𝑟−1

3.9. MISTURA AR COMBUSTÍVEL

De acordo com BRUNETT (2012), a mistura de ar e combustível em motores tem

que ser de tal forma que disponibilize a maior potência com a menor quantidade de

combustível, diminuindo assim o consumo específico de combustível. A perfeita

mistura entre ar e combustível (AC) é chamada de mistura estequiométrica e pode ser

representada pelas equações químicas genéricas para gasolina e etanol, conforme as

Equações 7 e 8, respectivamente.

C8H18 + O2 → CO2 + H2O + N2 (7)

C2H6O + O2 → CO2 + H2O + N2 (8)

A relação AC admitida dentro do motor pode ser expressa pela razão entre a

massa de combustível e a massa de ar real, pelo mesmo valor estequiométrico, da

seguinte forma:

𝜙 =

[𝑀𝑐

𝑀𝑎]𝑟𝑒𝑎𝑙

[𝑀𝑐

𝑀𝑎]𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞

Onde,

• representa a relação ar combustível;

• 𝑀𝑐 representa a massa de combustível;

24

• 𝑀𝑎 representa a massa de ar.

3.10. ESTADO DA ARTE

Segundo um estudo realizado por Marcela Tartaglia Reis (2016) em prol do

consumo de combustíveis líquidos e suas respectivas emissões no setor de transporte

no Brasil, verificou-se que o uso de etanol como combustível em motores flex pode

reduzir as emissões de gases de efeito estufa (GEE). Os biocombustíveis são uma

solução de curto prazo para reduzir as emissões de dióxido de carbono e reduzir a

dependência do Brasil de derivados de petróleo.

Na Escola Politécnica do Rio de Janeiro, Rafael Teixeira Chaves (2013), liderou

um estudo a respeito do uso das misturas de etanol hidratado e gasolinas automotivas

em um motor flex. Foi obtido como resultado que a adição de AEHC nas gasolinas

utilizadas proporciona um aumento do consumo absoluto de combustível.

Tadeu Cavalcante Melo (2012), obteve como conclusão de que a adição de etanol

proporciona calibração nos motores para maiores torques sem a ocorrência da

autoignição e também permite o uso de maiores ângulos de avanço, conforme

verificado também por BAÊTA (2006) e por MELO et al. (2007). Como consequência

disso, também constatou aumento das pressões máximas dos cilindros. Assim como

CHAVES (2013), Melo também constatou o aumento do consumo específico de

combustível quando houve adição de etanol nos combustíveis. Já o parâmetro foi o

parâmetro de entrada que mais teve influência nos dados de saída do software de

simulação utilizado em seu trabalho.

Em estudo de 2011 de Marcio Carvalho que avaliou o ciclo Otto MCI com diferentes

combustíveis, verificou-se que o combustível que proporcionava os maiores valores

de torque e potência para o motor era o AEAC. Nas misturas com gasolina, também

houve aumento de eficiência e desempenho com o aumento do percentual de AEAC.

De uma maneira geral, esse trabalho destacou o álcool combustível, tanto pelos

bons resultados de desempenho e eficiência, como do ponto de vista ambiental, por

ser provindo da biomassa, sendo sua fonte de origem considerada renovável e parte

das emissões de CO2 capturadas nos vegetais que dão origem ao combustível.

(CARVALHO, Márcio. 2011) Nayara de Freitas Gadelha (2016), em seu artigo a

respeito da eficiência técnica econômica dos combustíveis em motores ciclo Otto,

conclui que o etanol ganha maior destaque nos quesitos potência e desempenho

25

quando comparado à gasolina, embora este seja o combustível que melhor satisfaz o

quesito técnico-econômico, tendo em vista que, apesar de obter o maior preço em

relação ao etanol, ela detém o menor consumo. (GADELHA, Nayara. 2016)

O motor utilizado em Mendes (2017) para a validação do software por ele feito,

bem como para as análises apresentadas neste trabalho é de um carro popular no

Brasil. A linha Sandero e Logan 2013 que utiliza o motor da versão K7M de oito

válvulas e foi o escolhido para o estudo. Este motor também tem em sua especificação

técnica: possuir 4 tempos de funcionamento com 4 cilindros transversais em linha;

sendo seu diâmetro de 79,5 mm e curso de 80,5 mm, totalizando 1598 cm³ de

cilindrada; comando de válvulas no cabeçote; correia dentada, bloco de ferro fundido

e cabeçote de alumínio. Funciona a uma taxa de compressão de 12:1 e a formação

da mistura é realizada via injeção eletrônica sequencial. O motor 1.6 cilindradas, com

8 válvulas da Renault é denominado comercialmente por Hi-Power.

A curva característica de potência e de torque para esse motor, num intervalo de

1000 rpm à 6000 rpm com funcionamento a etanol E100 comercializado no Brasil e a

gasolina E25, de onde é possível observar os valores de máximo torque e potência,

pode ser observado pela Figura 11.

Figura 11 - Curva característica do motor 1.6 8V Hi-Power

Fonte: Adaptado por Mendes(2017).

Mendes (2017), cita que, de acordo com o fabricante, tanto a máxima potência,

quanto o maior torque são obtidos com o motor funcionando a etanol combustível, e

esses valores correspondem a 106 cv a 5550 rpm e 15,5 mkgf a 2850 rpm

26

respectivamente. Esses valores com o motor funcionando exclusivamente a gasolina

E25 equivalem a 98 cv de potência a 5550 rpm e 14,5 mkgf de torque a 2850 rpm.

3.11. PARÂMETROS DOS COMBUSTÍVEIS

Para Mendes (2017), realizar a simulação foi preciso além de dados confiáveis a

respeito do motor, também de dados específicos e bastante peculiares a respeito dos

combustíveis a serem injetados na câmara de combustão. Recorrendo a literatura, a

sites de automobilismo, bem como site de fabricantes de combustíveis, tornou-se

possível a elaboração da Tabela 1 de parâmetros, tanto para a gasolina, o etanol e a

água pura.

Tabela 1 – Parâmetro teóricos dos combustíveis

Parâmetro Gasolina Etanol Anídrico Água

Fórmula química 𝐶8𝐻18 𝐶2𝐻6𝑂 𝐻2𝑂

Fração mássica de carbono 0,842 0,521 0

Fração mássica de hidrogênio 0,158 0,130 0,111

Fração mássica de oxigênio 0 0,349 0,889

Poder calorifico 46 MJ/Kg 29 MJ/Kg 2,27 KJ/Kg

Densidade 720 Kg/m³ 799 Kg/m³ 1000 Kg/m³

Calor específico de vaporização 230 KJ/Kg 837,36 KJ/Kg 2261 KJ/Kg

Capacidade térmica 2500 J/(Kg.K) 2511,6 J/(Kg.K) 4186 J/(Kg.K)

Massa molecular 114 46 18

Fonte: Rodrigues, 2017

3.12. PARÂMETROS UTILIZADOS

Os parâmetros acima referidos não podem ser diretamente aplicados no software.

Para isso devemos aplicar o conceito de interpolação linear para então obtermos os

dados dos combustíveis utilizados a serem empregados como input de entrada no

software de simulação. Utilizando então interpolação linear, podemos montar a

seguinte Tabela 2 com os parâmetros referente a gasolina E25 e ao etanol E100,

combustíveis estes utilizados para a validação, visto que é com base nesses

combustíveis que temos dados do fabricante em relação a potência e torque.

27

Tabela 2 – Parâmetro dos combustíveis da aplicação

Parâmetro Gasolina E25 Etanol E100

Fórmula química − −

Fração mássica de carbono 0,788 0,512

Fração mássica de hidrogênio 0,152 0,130

Fração mássica de oxigênio 0,040 0,358

Poder calorifico 40,25 MJ/Kg 27,7 MJ/Kg

Densidade 737,25 Kg/m³ 808,7 Kg/m³

Calor específico de vaporização 381,84 KJ/Kg 907,11 KJ/Kg

Capacidade térmica 2503 J/(Kg.K) 2593,65 J/(Kg.K)

Massa molecular 99 44,63


28

4. ANÁLISE DAS CURVAS DE DESEMPENHO SOBRE O MOTOR GASOLINA E ETANOL 4.1. RESULTADOS

Para uma análise mais assertiva, utilizei apenas um titular para não haver

divergência de dados, pois os dados encontrados alteram entre motores, fazendo com

que haja inconstância dos dados.

De acordo com o software utilizado pelo Mendes (2017), foi possível gerar gráficos

comparativos, avaliando consumo, eficiência, torque, potência, níveis de emissão de

poluentes para cada mistura citada.

Para facilitar a comparação da potência e do torque simulado nesta fase do

estudo com os valores reais, as análises foram divididas para a gasolina E25 e para

o etanol E100. A análise da potência para a gasolina pode ser observada na Figura

16, enquanto seu torque é observado na Figura 12.

Figura 12 - Comparativo de potência real e simulada para a gasolina E27


29

Figura 13 - Comparativo de torque real e simulado para a gasolina E27


Respectivamente segue na Figura 14 e na Figura 15 a análise de potência e de

torque para o etanol E100 utilizado nas validações.

Figura 14 - Comparativo de potência real e simulada para o etanol E100


30

Figura 15 - Comparativo de torque real e simulado para o etanol E100


Ao estudo realizado por Mendes (2017) o consumo entre os combustíveis

álcool E100 e gasolina E24, se descreve no gráfico abaixo.

Figura 16 - Comparativo do consumo específico de combustível entre o E25 e o E100


Além disso, foi plotada a curva a seguir, representada na Figura 18, que mostra

os valores de avanço de ignição adotado para cada combustível. Esses valores se

mostraram condizentes com a literatura e os valores das misturas foram obtidos

através da interpolação desses valores. Mendes (2017).

31

Figura 17 - Comparação do avanço de ignição para os combustíveis da aplicação


4.2. FUNCIONAMENTO COM GASOLINA E27

Mendes (2017) diz que, A gasolina E27 será tomada como base para a

obtenção dos parâmetros das misturas, uma vez que é este o combustível

comercializado no país. De acordo com a legislação vigente, a gasolina

comercializada no Brasil possui 27% de etanol anidro. Para prosseguir, então, com as

análises, torna-se preciso a obtenção dos valores referente ao avanço de ignição e os

parâmetros específicos para este combustível. Assim sendo, a Tabela 4 traz

informações a respeito do avanço de ignição estipulado. Já a Tabela 3 acarreta os

parâmetros utilizados para o combustível E27.

Tabela 3 – Parâmetro utilizados para o combustível E27

Rotação (Rpm) 1000 2000 2850 3000 4000 5000 5500 6000

Avanço de ingnição

(Graus)

9,13 9,13 10,67 11,18 13,24 15,21 15,21 15,21


Rodrigues (2017) Realizou simulações para as mesmas rotações antes

analisadas, obtemos os seguintes gráficos de potência, torque, consumo específico

de combustível e emissão de poluentes, apresentados nas Figuras 22 e 23 a seguir.

32

Figura 18 - Curva de potência e torque obtida para gasolina E27


Figura 19 - Curva de consumo específico de combustível e emissão de NOx para

gasolina E27


33

4.3 FUNCIONAMENTO COM ETANOL E100

Como este combustível foi utilizado na fase de validação do software, os

resultados referentes a potência e torque já foram apresentados anteriormente neste

trabalho e estão representados nas Figuras 18 e 19.

Analogamente ao combustível anterior, segue na Figura 24 a representação do

consumo específico de combustível e a emissão de poluentes em função da rotação

do motor.


etanol E100


4.4 FUNCIONAMENTO COM 75% E27 E 25% E100

De acordo com Rodrigues (2017), a mistura de combustível leva em

consideração a união de 75% da gasolina comercial no Brasil com etanol E100,

também comercializado no país. Vale ressaltar que o etanol denominado como E100

não é o etanol anidro, chamado nesse trabalho por E100+, mas sim uma mistura rica

em álcool anidro, com cerca de 95,1% deste e o restante de água pura. Para geração

das informações de potência, torque, consumo específico de combustível e emissão

de gases nocivos às atmosferas, foram utilizados os dados contidos na Tabela 4 a

seguir.

34

Tabela 4 – Avanço de ignição x RPM para motores com 75% E27 e 25% E100

Rotação (Rpm) 1000 2000 2850 3000 4000 5000 5500 6000

Avanço de ignição

(Graus)

10,35 10,35 12,25 12,89 15,43 17,16 17,16 17,16


A partir desses parâmetros ajustados no software que já está previamente

programado com o motor 1.6 8V Hi-Power, nos é entregue como saída de dados um

relatório com informações e resultados a respeito dos dados da referida simulação. E,

a partir destes dados, torna-se possível a elaboração dos gráficos representados nas

Figuras 21 e 22 a seguir.

Figura 21 - Curva de potência e torque obtida para mistura entre 75% E27 e 25% E100


35


mistura entre 75% E27 e 25%


4.5 FUNCIONAMENTO COM 50% E27 Avanço de ignição x RPM para motores com

50% E27 e 50% E100E 50% E100

Analogamente à mistura anterior, foram gerados gráficos semelhantes, com as

mesmas grandezas, modificando apenas a mistura utilizada no motor. Para essa

mistura, tem-se como base a Tabela 5 a seguir:

Tabela 5 – Avanço de ignição x RPM para motores com 50% E27 e 50% E100

Rotação (Rpm) 1000 2000 2850 3000 4000 5000 5500 6000

Avanço de ignição

(Graus)

11,57 11,57 13,84 14,59 17,62 19,11 19,11 19,11


Os gráficos gerados nessa simulação estão representados nas Figuras 23 e 24

do presente trabalho.

36



Figura 24 - Curva de consumo específico de combustível e emissão de NOX para

mistura entre 50% E27 e 50% E100


4.6 FUNCIONAMENTO COM 25% E27 E 75% E100

Para finalizar as análises, foi repetido o procedimento para a mistura de 25%

de gasolina E27 com 75% de Etanol combustível E100. E, utilizando os modos de

operação indicados na Tabela 10 e os parâmetros dos combustíveis na Tabela 11, foi

possível então gerar os gráficos representados nas Figuras 26 e 27

37

Tabela 6 - Avanço de ignição x RPM para motores com 25% E27 e 75% E100

Rotação (Rpm) 1000 2000 2850 3000 4000 5000 5500 6000

Avanço de ingnição

(Graus)

12,78 12,78 15,42 16,3 19,81 21,05 21,05 21,05





mistura entre 25% E27 e 75%


38

5. CONSIDERAÇÕES FINAIS Foi avaliado um motor utilizando gasolina e etanol comercialmente distribuídas

no Brasil e também em outras proporções, que foram chamadas de misturas desses

dois grupos de combustíveis. Foi observado que a emissão de poluentes se deu

menos nociva quando o combustível continha mais etanol que gasolina em sua

concentração.

Os resultados mostraram que a maior proporção de álcool nas misturas dos

combustíveis causou melhorias no desempenho e na eficiência energética, e esses

resultados são atribuídos às diferenças nas propriedades do álcool em relação à

gasolina, como maior índice anti-detonação. No entanto, também houve aumento no

consumo de combustível com o aumento do percentual de álcool na mistura.

Nesse trabalho, foi utilizada a análise em um único motor, que possibilita a

operação com ambos os combustíveis e misturas do mesmo. Tudo indica que a

solução flex seja muito eficaz e prática, além de possuir grande aceitação dentre os

motoristas, pela sua versatilidade. Por outro lado, o fato de não funcionar em uma

faixa ótima de operação, nem para a gasolina nem para o etanol - mas, uma faixa de

bom funcionamento para ambos os combustíveis– impede que o máximo de energia

dos combustíveis seja aproveitada e minimiza a eficiência do motor, prejudicando

assim, o ótimo funcionamento do mesmo.

Se o etanol funciona bem e se mostrou eficaz no motor flex em questão, ele

poderia ser ainda mais eficiente em um motor parametrizado e projetado

exclusivamente para operação com esse combustível. Com relação às emissões,

embora as tecnologias em MCI aplicadas no controle de emissões tenham minimizado

os índices de poluentes provindos da combustão, nada ainda pode ser considerado

efetivo para mitigar as emissões, que são emitidas proporcionalmente ao consumo de

combustível nos MCI. Nesse contexto, a busca por fontes de propulsão mais eficientes

e limpas nunca foi tão necessária como hoje.

39

REFERÊNCIAS

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RENDIMENTO DO MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DO CICLO OTTO. In: MORATTO,

LUIS FERNANDO COSTA ARANHA SEBRIAN. SIMULAÇÃO DE CURVAS DE

RENDIMENTO DO MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DO CICLO OTTO. PONTA

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CENTELHA COM SOBREALIMENTAÇÃO MECÂNICA E TURBOALIMENTAÇÃO. In:

MENDES, LUCAS COSTA. ESTUDO DO DESEMPENHO DE MOTORES DE IGNIÇÃO

POR CENTELHA COM SOBREALIMENTAÇÃO MECÂNICA E TURBOALIMENTAÇÃO.

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INTERNA. PELOTAS: UFPEL, 2013. Disponível em:

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COMANDOLLI, GUILHERME DA COSTA. ANÁLISE NUMÉRICA DAS CONDIÇÕES DE

OPERAÇÃO DE UM MOTOR DE BAIXA CILINDRADA PARA COMPETIÇÃO DE EFICIÊNCIA

ENERGÉTICA. In: COMANDOLLI, GUILHERME DA COSTA. ANÁLISE NUMÉRICA DAS

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SANTA CATARINA, 2015. Disponível em:

https://repositorio.ufsc.br/xmlui/handle/123456789/157242

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40

FAGGI, RODRIGO. FORMAÇÃO DE MISTURA AR COMBUSTIVEL EM MOTORES DE

IGNIÇÃO POR FAISCA A QUATRO TEMPOS. In: FAGGI, RODRIGO. FORMAÇÃO DE

MISTURA AR COMBUSTIVEL EM MOTORES DE IGNIÇÃO POR FAISCA A QUATRO

TEMPOS. SAO CAETANO DO SUL: CENTRO UNIVERSITARIO DO INSTITUTO MAUA DE

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RODRIGUES, LEONARDO LUIZ VEIGA. AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DE MOTORES A

COMBUSTÃO INTERNA COM IGNIÇÃO POR FAÍSCA UTILIZANDO MISTURAS DE

GASOLINA E ETANOL. In: RODRIGUES, LEONARDO LUIZ VEIGA. AVALIAÇÃO DO

DESEMPENHO DE MOTORES A COMBUSTÃO INTERNA COM IGNIÇÃO POR

FAÍSCA UTILIZANDO MISTURAS DE GASOLINA E ETANOL. JUIZ DE FORA:

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GABRIEL AUGUSTO BOLOGNINI · 2021. 4. 20. · BOLOGNINI, Gabriel Augusto. EFICIÊNCIA TÉRMICA EM MOTORES A COMBUSTÃO: CICLO OTTO PARA MOTORE FLEX.2020. 54. Trabalho de Conclusão