MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA: UM ESTUDO COMPARATIVO DOS TIPOS DE COMBUSTÍVEIS E SEU CONSUMO

INTERNAL COMBUSTION ENGINE: A COMPARATIVE STUDY OF FUEL TYPES AND THEIR CONSUMPTION

REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.8072138

Erick de Souza Dourado¹
Izaias Castro Farias²

RESUMO

Atualmente, o consumo de combustíveis derivados do petróleo em motores de combustão interna é de extrema importância, devido ao seu alto custo e ao esgotamento progressivo das reservas. Além disso, a poluição atmosférica e a redução da camada de ozônio causada pelos resíduos da combustão são preocupações crescentes. Diante disso, o objetivo deste artigo é comparar os diferentes tipos de combustíveis utilizados em motores de combustão interna, considerando seu impacto ambiental e consumo. Para isso, foram analisados os resultados de investigações sobre o consumo de combustíveis em motores a diesel e gasolina, levando em conta a massa e a potência desenvolvida. Com o auxílio do programa STATGRAPHICS Plus 5.1, estabeleceram-se correlações entre os índices e as características de projeto, obtendo-se equações de modelos ajustados. Este estudo é fundamental para a busca de alternativas mais sustentáveis e eficientes para o consumo de combustíveis em motores de combustão interna.

Palavras-chave: Manutenção, Gestão, Planejamento, Controle, Custos.

1. INTRODUÇÃO

Diversos veículos demandam fontes de energia específicas para alcançar seus destinos. A maioria deles, por sua vez, requer algum tipo de combustível para movimentar seus motores. O combustível, por sua vez, é um material que armazena energia potencial. Em geral, essa energia se encontra nas ligações entre as moléculas do combustível, caracterizando a chamada energia potencial química (MARTINS, 2013).

Uma reação de combustão é um processo que envolve a combinação de combustível e oxigênio. Na maioria das vezes, os combustíveis são compostos de hidrocarbonetos ou uma mistura deles. Quando ocorre a reação com o oxigênio, o resultado é a formação de dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). Além disso, as reações de combustão liberam energia térmica, sendo consideradas reações exotérmicas. Para aproveitar essa energia, a maioria dos veículos utiliza um motor, que é responsável por converter a energia térmica em energia mecânica. Essa energia é então transferida para as partes móveis do veículo, como as rodas e hélices, assumindo a forma de energia cinética – a energia do movimento. Em resumo, as reações de combustão são processos fundamentais para a geração de energia em veículos e outros equipamentos que utilizam combustíveis. Compreender esse processo é essencial para garantir o funcionamento adequado desses sistemas (ALVES, 2017).

Os combustíveis se apresentam em diferentes estados físicos, podendo ser sólidos, líquidos ou gasosos. A madeira e o carvão são exemplos de combustíveis sólidos amplamente utilizados, enquanto a gasolina, o diesel e o etanol são exemplos de combustíveis líquidos muito populares. Já o propano, o gás natural e o hidrogênio são exemplos de gases que também são utilizados como combustíveis. É importante destacar que a escolha do combustível ideal depende de diversos fatores, como a finalidade de uso e a disponibilidade local (BARROS, 2013).

Atualmente, a grande maioria dos veículos é movida por combustíveis líquidos e gasosos, porém, em tempos remotos, o carvão e a madeira eram os protagonistas no aquecimento de água e na criação de vapor. Os motores a vapor eram utilizados em carros, trens e navios para impulsionar rodas e hélices. Hoje em dia, os veículos se dividem em dois grupos principais: os que utilizam combustíveis derivados do petróleo e os que utilizam biocombustíveis (BARROS, 2013).

Os combustíveis fósseis, também conhecidos como derivados do petróleo, englobam uma variedade de produtos que vão desde o petróleo bruto não processado até os refinados. Entre os líquidos à base de petróleo, destacam-se a gasolina, o petrodiesel, a gasolina e o combustível de aviação, além do óleo combustível marítimo. Esses combustíveis são amplamente utilizados como fonte energética, mas sua exploração e consumo têm gerado preocupações ambientais e sociais. Como profissionais, é importante estarmos atentos a essas questões e buscar soluções sustentáveis para o futuro (CARVALHO, 2011).

Os combustíveis gasosos derivados do petróleo compreendem o gás natural e o propano, sendo este último armazenado em estado líquido. Já a gasolina é o combustível veicular mais utilizado, conhecida também como “gás” em alguns países anglo-saxônicos. Trata-se de um líquido inflamável, composto por hidrocarbonetos refinados do petróleo bruto e aditivos, incluindo o biocombustível etanol. Sua inflamabilidade é notável, tornando-a uma opção eficiente para a propulsão de veículos. (TAYLOR, 2018).

Os motores a gasolina são conhecidos por sua ignição por centelha, que utiliza velas de ignição para acender a mistura de combustível e ar. Comumente utilizados em carros, caminhonetes, vans, utilitarios esportivos, barcos a motor, motos de neve, scooters e motocicletas, a gasolina já foi um combustível que continha chumbo. No entanto, atualmente, somente é possível adquirir gasolina sem chumbo para abastecer seu veículo (BRUNETTI, 2012).

O óleo diesel é um combustível veicular de grande relevância, ocupando o segundo lugar em popularidade, logo após a gasolina. Ele é obtido através do refinamento do petróleo bruto, assim como a gasolina, sendo um hidrocarboneto líquido. Atualmente, novas versões de óleo diesel estão sendo desenvolvidas, como o biodiesel, um biocombustível. É importante destacar que a versão à base de petróleo é denominada petrodiesel, para diferenciá-la das opções de origem vegetal e animal. (CARVALHO, 2011).

Os motores a diesel são uma homenagem ao brilhante inventor alemão Rudolf Diesel, que revolucionou a indústria automotiva ao utilizar ar comprimido para inflamar o combustível. Diferentemente dos motores a gasolina, não necessitam de uma vela de ignição para funcionar. É por isso que o óleo diesel é amplamente utilizado em diversos veículos, como carros, caminhonetes, vans, utilitários esportivos, ônibus escolares, urbanos, trens, barcos a motor e balsas. Com sua eficiência e confiabilidade, os motores a diesel continuam a ser uma das escolhas mais populares para aqueles que buscam um desempenho excepcional e uma durabilidade incomparável (ALVES, 2017).

Assim como a gasolina utilizada em carros, o avgas é composto por hidrocarbonetos líquidos. No entanto, o que diferencia o avgas é a presença de chumbo tetraetila (TEL), uma substância tóxica que é adicionada para evitar possíveis interrupções nos ciclos do motor. Em outras palavras, o TEL garante que o motor funcione sem problemas de ignição. Vale lembrar que o uso do avgas é restrito a aeronaves e deve ser manuseado com cuidado devido à presença do TEL (ALVES, 2017).

As tintas são comumente misturadas ao avgas, visando facilitar a identificação de possíveis vazamentos. Esse tipo de combustível é utilizado em aeronaves de pequeno porte, tais como as antigas movidas a motores a pistão de ignição por faísca. É importante ressaltar que a adição dessas tinturas é uma medida de segurança fundamental para a aviação (TAYLOR, 2018).

O combustível utilizado na aviação é um líquido similar ao diesel que pode ser utilizado em motores de ignição por compressão ou motores de turbina. Este último, por sua vez, é um tipo de motor de combustão interna que utiliza uma turbina para girar. Existem dois tipos de combustíveis de aviação disponíveis: o querosene sem chumbo (Jet A, JP-5, JP-8) e a mistura de nafta-querosene (Jet B, JP-4). Ambos são refinados a partir de hidrocarbonetos curtos (12-16 átomos de carbono) extraídos do petróleo bruto, sendo que o segundo tipo é utilizado apenas em temperaturas muito frias. Pesquisadores têm se dedicado ao desenvolvimento de biocombustíveis para aviação à base de plantas, como algas e Camelina. Essa iniciativa visa reduzir a dependência dos combustíveis fósseis e suas emissões poluentes, além de promover a sustentabilidade na aviação (CARVALHO, 2011).

O biodiesel é um biocombustível de grande importância, produzido através de uma reação química entre gordura e álcool. Essa gordura pode ser de origem vegetal ou animal, e as matérias-primas utilizadas para sua produção são diversas. A canola é a fonte mais comum, mas também é possível utilizar soja, algas e resíduos de óleo vegetal como fontes vegetais, além de carne bovina e gordura de frango como fontes animais. Com sua produção em ascensão, o biodiesel é uma alternativa promissora para o setor de combustíveis, contribuindo para a redução de emissões de gases poluentes e para a busca por fontes de energia mais sustentáveis (TAYLOR, 2018).

Os motores a diesel possuem a versatilidade de operar com biodiesel em sua totalidade, porém, usualmente, a utilização deste combustível renovável varia entre 2% e 20% em relação ao diesel convencional. É importante ressaltar que a maioria das garantias dos motores a diesel permitem a utilização de misturas que variam de B5 (5% de biodiesel) até B20 (20% de biodiesel) (ALVES, 2017).

O biodiesel é um combustível amplamente utilizado em diversos meios de transporte, desde automóveis e caminhões até ônibus e trens. E, para surpresa de muitos, os cientistas estão até mesmo experimentando o uso de biodiesel em aeronaves. Desde 2011, o óleo diesel comercializado no Brasil é obrigado a ter pelo menos 2% de conteúdo renovável, ou seja, uma parcela de biodiesel deve estar presente em sua composição. Essa medida tem contribuído significativamente para a redução das emissões de gases poluentes e para a preservação do meio ambiente (BARROS, 2013).

A combustão é o processo químico que libera energia a partir da mistura de combustível e ar. Nos motores de combustão interna, essa reação ocorre dentro do próprio motor, convertendo parte da energia em trabalho. O motor é composto por um cilindro fixo e um pistão móvel, que é empurrado pelos gases de combustão em expansão. O movimento do pistão é transmitido ao virabrequim, que, por meio de um sistema de engrenagens, aciona as rodas do veículo. É a eficiência desse processo que determina o desempenho do motor e, consequentemente, do veículo. (BARROS, 2013).

A produção de motores de combustão interna se divide em dois tipos principais: o motor a gasolina de ignição por centelha e o motor a diesel de ignição por compressão. A grande maioria desses motores opera com o ciclo de quatro tempos, o que significa que quatro movimentos do pistão são necessários para completar um ciclo completo. Esse ciclo inclui quatro processos distintos: admissão, compressão, combustão e exaustão, cada um deles crucial para o funcionamento eficiente do motor (TAYLOR, 2018).

Os motores a gasolina de ignição por centelha e os motores a diesel de ignição por compressão apresentam diferenças significativas na forma como o combustível é fornecido e acendido. No caso dos motores de ignição por centelha, o combustível é primeiramente misturado ao ar e, posteriormente, introduzido no cilindro durante o processo de admissão. Em seguida, a faísca é gerada, dando início ao processo de combustão. A expansão dos gases resultantes da combustão empurra o pistão, gerando a força necessária para o funcionamento do motor. Já nos motores a diesel, apenas o ar é introduzido no motor e comprimido. O combustível é borrifado no ar quente comprimido em uma taxa adequada e medida, o que resulta em sua ignição. Essa diferença no processo de combustão entre os dois tipos de motores é fundamental para entender as particularidades de cada um deles (MARTINS, 2019).

Os motores de combustão interna são verdadeiras máquinas complexas, e o consumo de combustível é influenciado por uma série de fatores. No que diz respeito ao design e construção, diversos aspectos merecem atenção especial: a tecnologia de construção e os materiais utilizados, o número e a distribuição dos cilindros, a câmara de combustão e sua taxa de compressão, o sistema de abastecimento de combustível e ar, entre outros. Além disso, a exploração adequada do motor também é crucial para garantir um consumo de combustível eficiente. A manutenção e reparo regulares são igualmente importantes, e devem ser realizados por profissionais capacitados e experientes. Ao considerar todos esses fatores, é possível otimizar o consumo de combustível do motor de combustão interna. Desde o equilíbrio dinâmico do virabrequim até o uso de recursos como ar condicionado e freios, cada detalhe pode fazer a diferença no desempenho do motor. Por isso, é fundamental contar com a expertise de profissionais qualificados para garantir o melhor resultado possível. (TAYLOR, 2018)

A eficiência operacional, a manutenção adequada e os reparos pontuais são aspectos cruciais para maximizar o desempenho de um sistema. Ao seguir os valores e índices fornecidos pelo fabricante, é possível mensurar e avaliar a perda de potência, identificando o excesso de combustível utilizado em cada etapa do processo. Assim, é possível otimizar a utilização dos recursos e garantir um funcionamento mais eficiente e econômico. Nós somos especialistas em oferecer soluções profissionais para esses desafios (ALVES, 2017).

A maioria dos motores disponíveis no mercado atualmente conta com mecanismos de distribuição por correias plásticas e árvores de cames que atuam diretamente nas válvulas por meio de bujões hidráulicos ou mecânicos. Além disso, são equipados com árvores de cames na cabeça do cilindro, que podem ter até quatro válvulas por pistão, injeção direta para motores Diesel e injeção de combustível em motores a gasolina, com tensões de injeção eletrônica de 25 kV. Para garantir maior eficiência, esses motores contam com pistões mais leves, fabricados em liga de alumínio, e anéis de compressão, óleo e varredura de liga para reduzir o atrito. Além disso, possuem apenas três anéis por pistão, o que também contribui para diminuir o atrito. As peças e blocos de motor são feitos em alumínio fundido ou forjado, o que torna o motor mais leve e especial, com camisas intercambiáveis. Outros recursos incluem filtros de óleo e ar descartáveis de alta eficiência e substituição longa, que contribuem para a eficiência do motor. Em resumo, todas essas características foram projetadas para garantir que esses motores sejam mais eficientes e confiáveis.

Desta forma, o objetivo do presente artigo é comparar os tipos de combustíveis utilizados em motores de combustão interna e os que possuem menor impacto ambiental e menor consumo.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

Para a realização da obra, utilizamos dados técnicos precisos, como a massa, potência do motor, consumo de combustível, velocidade de deslocamento e características de construção dos quatro motores. Essas informações foram obtidas a partir de testes em tratores e automóveis, seguindo as referências literárias adequadas. Analisamos um total de 55 motores de trator turbo diesel, 172 motores de automóveis turbo e intercooler, 49 motores a diesel não turbo, 653 motores a gasolina multiponto sem turbo OU intercooler e 68 motores a gasolina com turbo e intercooler (Farias, 2014; Gonzaga, 2020; Oliveira, 2018). Todas as variáveis utilizadas são quantitativas e contínuas. O resultado final é um trabalho profissional e preciso.

O trabalho estatístico é uma tarefa que envolve a análise minuciosa de um conjunto de dados numéricos, que é dividido em duas partes principais: estatística descritiva e estatística inferencial. Na primeira parte, todas as técnicas de tratamento de dados são agrupadas, enquanto na segunda, as técnicas que permitem a tomada de decisão são reunidas com base nas conclusões obtidas ao analisar as características numéricas do fenômeno em estudo. Esta última parte é mais complexa e requer profissionais altamente treinados para sua execução e análise. Para este estudo, utilizamos a estatística descritiva, que tem como objetivo principal caracterizar os conjuntos de dados numéricos, revelando suas propriedades quantitativas para análise. Para processar os dados, empregamos o software estatístico STATGRAPHICS Plus 5.1, garantindo resultados precisos e confiáveis.

Para realizar a análise estatística, foi utilizado o modelo de regressão linear simples a partir das informações básicas de massa (kg), potência (kW), consumo de combustível (Gh para tratores) e (L/km para transporte).

-1 = r = 1
r = 0 existe uma relação direta e positiva;
r = 0 existe uma relação negativa e inversa;
r = 0 não existe uma relação linear simples.

A presente análise apresenta a equação do modelo ajustado, que foi obtida a partir do processamento dos dados referentes às correlações entre o consumo de combustível em velocidade mínima e as variáveis massa e potência para os tipos de motores em questão. Para cada análise, o consumo de combustível foi considerado como variável dependente, enquanto a massa e a potência foram consideradas como variáveis independentes. O modelo ajustado revela a dependência existente entre o índice de consumo de combustível (IC Vm) e os valores de potência do motor (N) e massa dos carros (M). Dessa forma, é possível prever o valor do índice de consumo de combustível em velocidade mínima para cada modelo de carro, a partir da substituição dos valores de massa e potência na equação do modelo. O resultado apresentado é de caráter profissional e técnico.

A estatística R2 indica a porcentagem (%) que o modelo explica da variabilidade da variável dependente. O erro padrão da estimativa pode ser usado para construir os limites de previsão para as novas observações.

Para decidir a simplificação do modelo, é levado em consideração o maior valor de p nas variáveis independentes. Se o valor p for menor que 0,01, o termo de ordem superior é estatisticamente significativo em um nível de confiança de 99%. Portanto, nenhuma variável deve ser removida do modelo.

3. RESULTADO E DISCUSSÃO

Motores de trator

Após o processamento dos dados, é possível conhecer as equações dos modelos ajustados que mostram a relação da potência (N) com a massa (M); consumo de combustível por hora (Gh) com massa (M) e potência (N) com consumo por hora (Gh) para tratores Motores a diesel.

Potência / massa

Coeficiente de correlação = 0,932787
R2 = 87,0091%
R2 (ajustado) = 86,5611%
Erro padrão = 36.3652
Erro médio absoluto = 23,3224
Valor P <0,01
Equação: N = 11,4554 + 0,0137364 * M

FIGURA 1. Gráfico de potência versus massa para motores de tratores a diesel.