Economia & Energia
Ano II - No 7
Mar/Abr/1998

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Eficiência  do Motor  de Combustão Interna
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Vendas e Frota de Veículos Otto no Brasil
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Como Aumentar a Produtividade de Capital

Edição Gráfica:
MAK
Editoração Eletrônic
a
marcos@rio-point.com
Revisado:
Monday, 21 July 2003.

EFICIÊNCIA DO MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA

Omar Campos Ferreira
omar@ ecen .com

INTRODUÇÃO

O motor de combustão interna vem sendo desenvolvido pari passu com a tecnologia de extração e refino do petróleo. A importância do par motor-petrôleo no desenvolvimento econômico mundial no século XX e a escalada dos problemas ambientais inerentes ao seu uso traz preocupações quanto o horizonte de sua permanência. As questões básicas são: a) quais são as perspectivas para o suprimento do petróleo? b) até que ponto se pode aumentar a eficiência do motor? c) como se pode conciliar as vantagens do motor de combustão interna com as desvantagens da elevada emissão de poluentes atmosféricos e do dióxido de carbono?

Sobre o suprimento de petróleo a e&e apresentou uma resenha das projeções mais recentes que convergem em 220 bilhões de toneladas como a melhor estimativa da reserva original de óleo "convencional", das quais a metade já foi extraída e usada. Há também concordância de entidades especializadas no assunto sobre o andamento da exploração futura: até o ano de 2050 a extração estaria reduzida a 20% da atual. Como a eficiência alcança atualmente cerca de 32%, é óbvio que o desenvolvimento ulterior do motor não poderá compensar o declínio da extração do petróleo, ainda que o limite considerado fosse o imposto pelo Princípio de Conservação da Energia. Porém, tanto sob o ângulo econômico quanto sob o ambiental, a eficiência do motor tem importância fundamental pois, para uma dada demanda de energia motriz, maior eficiência implica menor consumo de combustível e menor emissão de poluentes.

AVALIAÇÃO EMPÍRICA DA EVOLUÇAÕ DA EFICIÊNCIA DO MOTOR.

Propomos uma avaliação que usa a mesma metodologia que empregamos na avaliação da reserva de petróleo, o que tem a vantagem de propiciar tratamento coerente para as duas questões. Inspiramo-nos em trabalho do Prof. José Israel Vargas ( "An Brazilian Energy Scenario and the Environment: an Overview ´CBPF- CS-003/92 ) e usamos a mesma fonte de dados ( "Energy and Power", Chauncey Starr, Scientific American, vol. 225,3 , 1971 ), um gráfico descrevendo a evolução da eficiência de conversão para energia motriz. Como o artigo apresenta também dados relativos à conversão para energia elétrica, estamos supondo que o autor se refere, no primeiro caso, ao motor de combustão interna, pois as turbinas a vapor são usadas atualmente quase que exclusivamente nas centrais termo-elétricas. Há outras vias úteis à projeção da eficiência, por exemplo, um estudo da evolução da tecnologia de materiais , porém mais complicadas por não contemplarem todos os fatores que condicionam a evolução, como os custos, a densidade de potência, a disponibilidade de combustíveis apropriados, etc. O gráfico abrange o intervalo de 1800 a 2000, com valores extrapolados a partir de 1960; usamos apenas os dados deste século, no qual o motor de combustão interna penetrou efetivamente no mercado e as turbinas a vapor estavam se retirando para as centrais elétricas. Entendemos também que os dados refletem a eficiência média do parque de motores, sem distinguir os motores Diesel dos Otto. No intervalo considerado, as turbinas ainda tinham pequena presença no parque.

A metodologia usada é a da projeção logística, já apresentada na E&E ( " Futurologia : Brincando com a Logística" Omar Campos Ferreira / l996 ). As equações fundamentais são:

        1 - Eq. Volterra-Lotka

             2 - deduzida de 1

   3 - transformada de 2

O primeiro passo para se determinar a eficiência como função do tempo é verificar se a função logística se adapta razoavelmente aos dados experimentais. No caso presente, o gráfico original já sugere a forma logística, mas para se ter uma projeção confiscável é necessário estimar as constantes da eq. 2. A via mais natural é determinar-se primeiramente o valor limite da eficiência e a constante (a) da equação ( 1 ) através do ajuste da taxa calculada de evolução da eficiência, em função da eficiência, à parábola (este ajuste é mais sensível a desvios do que o ajuste de uma função logarítmica, que os atenua). O cálculo da taxa de evolução da eficiência é elaborado a partir dos valores observados. Para cada intervalo de tempo resulta uma taxa que se põe em correspondência com o ponto médio do intervalo para fazer o ajuste pelo método dos mínimos quadrados. Obtidas as constantes, pode-se usar a eq. 3 para a extrapolação. Os dados de observação e os calculados estão na tabela a seguir.

Tabela 1

Ano 1902 1907 1912 1918 1923 1929 1935 1947 1958 1967 1975
h 4,0 5,0 7,0 10,0 20,0 28,0
h ´ 0,10 0,18 0,25 0,43 0,47
h ´ajust.* 0,15 0,19 0,25 0,38 0,49
F** -2,56 -2,32 -1,94 -1,52 -0,58 0,007
h ajust. 4,0 5,5 7,0 10,0 20,0 28,1

* h ´ajust..   - valor ajustado da taxa de evolução da eficiência.

** F=

As funções ajustadas estão mostradas nos gráficos 1 e 2) Como os valores iniciais da eficiência têm desvios relativos maiores, a parábola não se ajusta bem a esses valores. Para sanar esse inconveniente, pode-se reiterar o procedimento, o que deixamos de fazer porque o parâmetro de interesse é a eficiência limite, cujo valor de ajuste da parábola é 56 %.

Gráfico 1

wpe7.jpg (20161 bytes)
Gráfico 2wpeB.jpg (18607 bytes)

ANÁLISE DOS RESULTADOS DA AVALIAÇÃO

O valor encontrado para a eficiência limite é coerente com outros dados. Se considerarmos um Ciclo de Carnot entre as temperaturas de combustão adiabática da gasolina ( 2.300 K ) e a temperatura de trabalho admissível para o aço (925 K ), a eficiência esperada seria de 59 %. A maior eficiência já alcançada, em motor Diesel marítimo de 90.000 HP, é de 52%. Em motores do Ciclo Otto, os que usam a gasolina C ( com álcool anidro ) chegam aos 32% e os que usam o álcool hidratado alcançam 38%. Por outro lado, se considerarmos a eficiência como função exclusiva da razão de compressão, o motor a álcool hidratado, com razão de compressão 12:l deveria atingir a 52,5%. Vê-se, portanto, que existe ainda considerável margem para o desenvolvimento do motor, insuficiente para compensar a queda da extração do petróleo mas ainda significativa em termos de economia de combustível e de redução da emissão de CO2 e de poluentes atmosféricos ( C0, HC, NOx, aldeídos, etc.). A possibilidade de se usar mistura ternária gasolina-álcool-água, já demonstrada em experimentos preliminares, permitirá consorciar-se gasolina e álcool como combustível de transição para soluções futuras ( inclusive o próprio álcool hidratado ) combinando o maior poder calorífico do primeiro com as propriedades anti-detonantes do álcool e da água. É provável que o desenvolvimento do motor de combustão interna seja orientado por análise mais refinada dos respectivos ciclos termodinâmicos. Comparando a eficiência esperada para o motor do Ciclo Otto, calculada como função exclusiva da razão de compressão, com a eficiência medida nos motores da tecnologia atual, constata-se uma grande diferença, demonstrando a inadequação do modelo usado na análise do ciclo, baseada exclusivamente no Princípio de Conservação da Energia. O refinamento possível, à primeira vista, viria da consideração da irreversibilidade das transformações reais sofridas pela mistura combustível ( Segunda Lei da Termodinâmica ).

Entre as causas de perda de disponibilidade da energia do combustível, apontam-se a transferência de calor sob diferença de temperatura finita e o escoamento turbulento nas seções estranguladas ( válvula de controle da vazão de ar, ou borboleta, válvulas de admissão e de descarga ). A introdução de água no motor e sua vaporização no coletor de admissão, onde a pressão é menor do que a atmosférica, resfria a mistura permitindo diminuir-se a retirada de calor e, portanto, a irreversibilidade associada à refrigeração externa. Observa-se que a análise elaborada permite localizar saltos de desenvolvimento da tecnologia, como o observado na década de 40 com a introdução do chumbo tetra-etila, como anti-detonante, que permitiu elevar a razão de compressão de 5:1, suportada pela gasolina não aditivada, para 7:1. Os resultados obtidos com a mistura de álcool anidro à gasolina, no Brasil, mostram que o efeito anti-detonante seria mais propriamente atribuível ao radical etila do que ao chumbo.

Este exemplo de análise serve para corroborar a hipótese geralmente aceita de que o desenvolvimento tecnológico segue a lei logística, pois neste caso temos um parâmetro quantificável do estado da tecnologia que é a eficiência térmica do motor.