Capítulo 1: A evolução dos combustíveis nos motores de combustão interna

Por: Redação

Combustível é a denominação de qualquer corpo cuja combinação química com outro seja exotérmica, ou seja, transformações que liberam calor para o exterior. O motor a combustão interna depende diretamente de um combustível para o seu bom funcionamento, sendo que desde sua invenção foram utilizados alguns tipos de combustíveis para a geração de energia térmica para sua propulsão. Como cada combustível entrega ao motor de combustão interna características ímpares tan

to no seu funcionamento quanto nos componentes agregados a sua construção, estas mudanças não afetam somente o desenvolvimento destes produtos, sendo notável também o impacto direto no mercado de reparação destas máquinas térmicas. Desde 2003 esses desafios para o mercado de reparação são ainda maiores, pois os motores com a tecnologia Total Flex foram lançados no mercado automotivo, permitindo aos usuários de veículos automotores abastecerem seus veículos tanto com gasolina quanto com etanol. Por isso, para auxiliar os profissionais da reparação automotiva a melhor compreender o motivo dessas mudanças, bem como o funcionamento e propriedades especiais que cada combustível traz ao mercado de reparação, e que sejam capazes de diagnosticar estes tipos de sistemas mais facilmente, desenvolvemos o Passo-a-Passo desta edição.

Dentre as diversas máquinas térmicas desenvolvidas ao longo da história, uma das mais utilizadas atualmente é o motor de combustão interna. O seu desenvolvimento iniciou-se com os primeiros motores a vapor, desenvolvidos e construídos pelos jesuítas franceses Ferdinand Verbeist e Philippe Marie Grimaldi na China em 1665. Ainda no século XII outra ideia veio à tona: o uso de pólvora, como combustível, a fim de tentar produzir um movimento linear em um pistão dentro de um cilindro através da energia térmica da explosão da mesma, tentando aproveitar os mesmo conceitos das armas de fogo da época. Porém, essas invenções não foram eficientes o bastante para progredir e só serviram de inspiração para outras, como os dois veículos propulsionados a vapor construídos por Nicholas Cugnot de 1765 até 1770, ou a substituição do vapor por ar quente a fim de melhorar a eficiência do motor. Contudo, com a exploração do petróleo anos mais tarde ocorreu o ápice das mudanças em um motor de combustão interna: a substituição do combustível em forma gasosa pelo combustível em forma líquida.

Pesquisas sobre motores a combustão interna aumentaram e motores a vapor se tornaram obsoletos. O motor de combustão interna construído por Nikolaus August Otto foi o primeiro motor a combustão interna construído na história e foi aplicado pela primeira vez em um automóvel por Karl Benz em paralelo com Gottlieb Daimler. O primeiro combustível utilizado no motor de Otto foi o benzeno, hidrocarboneto pertencente à classificação aromática, contendo seis átomos de carbono.

O histórico do Combustível

Com apenas seis átomos de carbono o benzeno não era um combustível muito resistente à detonação, além de ser um composto muito prejudicial à saúde humana. Portanto, para solucionar alguns destes problemas o benzeno foi substituído pela gasolina, composto hidrocarboneto que pode conter de 4 a 12 carbonos, sendo sua maioria entre 5 a 9 carbonos.

O motor de combustão interna é, ainda hoje, a máquina térmica mais utilizada para propulsionar veículos automotores.

O motor de combustão interna é, ainda hoje, a máquina térmica mais utilizada para propulsionar veículos automotores.

As especificações deste combustível representam compromissos entre os requisitos de qualidade, desempenho e ambientais. Bem como também é necessário que a mesma tenha valores acessíveis de vendas para que possa ser comercializada. Visando então atender todas estas características, pesquisas foram realizadas e se concluiu que a maior parte da gasolina deveria ser composta de n-heptanos (com baixa resistência a detonação) e isooctanos (com alta resistência a detonação). Sendo a porcentagem desta mistura o valor que determina a octanagem da gasolina, que simplesmente é a porcentagem de isooctanas no composto. Por exemplo, se queremos um padrão de octanagem igual a 85, mistura-se 85% de octanas e 15% de outros componentes (predominando n-heptanos).

No início da utilização da gasolina como combustível para os motores de combustão interna o problema de resistência à detonação ainda existia. Uma das alternativas encontradas para solucionar este problema foi adicionar etanol, metanol ou éteres na gasolina (compostos oxigenados). Daí surgiu o modelo T construído por Henry Ford, projetado inicialmente para usar etanol. Outra alternativa encontrada para solucionar este desafio na época da Primeira Guerra Mundial foi adicionar Chumbo-Tetra-Etila (CTE) na gasolina.

Sendo esta última uma solução muito barata e eficiente, superando a adição de álcoois na época.

Porém, anos mais tarde, regulamentações ambientais proibiram em muitos países a adição do CTE na gasolina, por se tratar de um composto altamente tóxico. Com isso e com o início da Segunda Guerra Mundial, os álcoois voltaram a ganhar força novamente, chegando a vários países com grandes porcentagens de adição na gasolina.

Com o fim das guerras o uso do etanol passou a ficar obsoleto na maioria dos países. Porém no Brasil, como a maior parte da gasolina refinada ainda era importada e o país tinha regiões favoráveis à plantação de cana-de-açúcar (matéria prima do etanol), o governo brasileiro iniciou o incentivo à utilização do etanol e a adição deste componente na gasolina. Regulamentações liberaram aos fabricantes adicionar até 20% de álcool etílico anidro nas gasolinas e ainda a iniciarem a produção de veículos que fossem capazes de serem propulsionados somente pela energia oriunda do etanol hidratado. Com estes incentivos, grande parte da frota de veículos do Brasil passou a ser movida por etanol hidratado e aqueles que ainda eram movidos a gasolina passaram a receber este combustível com a adição entre 18 a 26% de etanol anidro.

Particularidades do mercado brasileiro

Como o etanol no Brasil é fabricado a partir da cana de açúcar, e estas plantações dependem bastante das regiões e são bem sazonais, foi identificado que em alguns momentos da história houve falta de abastecimento de etanol para os veículos, o que aumentou novamente a procura por veículos movidos à gasolina, perdurando esta predominância até o ano de 2003. Em março deste ano foi lançado o primeiro veículo equipado com a tecnologia Total Flex no Brasil: o Volkswagen Gol com um motor 1.6l.

O modelo Gol da Volkswagen foi o primeiro veículo que proporcionou aos consumidores escolherem entre a utilização de gasolina ou etanol no momento de abastecerem os veículos. Isto foi possível graças à implantação da tecnologia Total Flex no motor 1.6l deste veículo

A tecnologia Total Flex desde então vem sendo introduzida na maioria dos veículos comercializados no Brasil. Sendo que atualmente, segundo a ANFAVEA, aproximadamente 88% dos automóveis licenciados no Brasil possuem esta tecnologia, proporcionando total flexibilidade ao condutor no momento de abastecimento do veículo, pois o mesmo pode escolher entre abastecer com etanol ou gasolina, escolhendo aquele combustível que for mais vantajoso para ele naquele momento. Desta forma, um motor Total Flex é capaz de reconhecer qual combustível ou mistura entre eles está sendo utilizado e aperfeiçoa o funcionamento do motor para aquele combustível ou mistura detectada pelo gerenciamento eletrônico do mesmo.

O combustível

Denomina-se combustível qualquer corpo cuja combinação química com outro resulte em uma reação exotérmica, transportando calor do interior para o exterior de um corpo. Por isso, pode-se afirmar que tanto a gasolina quanto o etanol são combustíveis. Porém, quais são as principais propriedades destes combustíveis?

Atualmente a gasolina é composta por aproximadamente 400 componentes diferentes, com hidrocarbonetos variando entre 4 e 12 carbonos, tendo uma adição de etanol etílico anidro variando entre 18 a 26% na gasolina do tipo C, dependendo da produção de cana-de-açúcar e da exportação do açúcar refinado no Brasil. Este etanol adicionado à gasolina contém o teor máximo de água de 0,4% de seu volume.

Já o etanol hidratado é um combustível oxigenado que possui no máximo 4,9% do seu volume de água, segundo a resolução da ANP (Agência Nacional do Petróleo, gás natural e biocombustíveis).

Propriedades

Gasolina tipo C

Etanol hidratado

Estequiometria

13,8

8,9

Octanagem

± 81 (MON)

± 90 (MON)

Pressão de vapor*

± 38 kPa

± 9 kPa

Poder Calorífico

9.600 kcal/kg

6.100 kcal/kg

Calor de Vaporização

101 kcal/kg

201 kcal/kg

Densidade (a 20o C)

756 kg/m³

810 kg/m³

* Método segundo Grabner a 20oC

As principais propriedades dos dois combustíveis podem ser visualizadas na tabela acima:

A estequiometria indica a proporção de ar necessária para realizar uma combustão ideal daquele combustível. Isso significa que para cada 13,8 kg de ar é necessário 1 kg de gasolina ou para cada 8,9 kg de ar é necessário 1 kg de etanol hidratado para realizar uma queima perfeita destes combustíveis. Desta relação se explica porque o rendimento do etanol é menor que o da gasolina.

A octanagem expressa a resistência antidetonante do combustível, ou seja, quanto é possível comprimir este combustível na câmara de combustão do motor, antes que o mesmo tenha uma autocombustão (entre em combustão sem a necessidade da faísca das velas de ignição). Quanto maior for a octanagem, maior pode ser a taxa de compressão do motor e consequentemente maior será à pressão no momento da combustão da mistura ar-combustível (A/C).

Como a força gerada na superfície do pistão é diretamente ligada a pressão gerada no momento da combustão, se esta última for maior a força também será maior. Se a força exercida na superfície do pistão é maior, logo o torque e a potência produzidos por este motor também serão maiores. Daí um dos motivos de a potência e o torque terem valores mais elevados em um motor abastecido com etanol.

Pressão de vapor (PV) é a relação de equilíbrio entre líquido e vapor, sendo que a propriedade do combustível que mais influi nesta pressão é a volatilidade do mesmo. Baixos valores de PV indicam que este combustível terá problemas em uma partida a frio. Já valores muito altos de PV podem gerar tamponamento por geração bolhas de ar no sistema de alimentação de combustível.

O poder calorífico (PC) é a quantidade de calor liberado por unidade de massa de cada combustível. Contudo, é importante sempre levar em consideração a relação estequiométrica para realizar a comparação entre dois combustíveis, pois o volume de combustível admitido em um motor a etanol é maior que o valor de combustível admitido por um motor a gasolina. Sendo assim, se a relação entre PC e estequiometria for feita, o poder calorífico de um motor a gasolina é bem similar ao de um motor a etanol, assim como indicam os cálculos a seguir:

O calor de vaporização é a quantidade de calor necessária para evaporar uma quantidade mássica de combustível a sua temperatura de ebulição, valor este que depende diretamente da pressão em que se encontra o combustível. Isto significa que para evaporar 1 kg de etanol é necessário 100 kcal a mais do que para evaporar 1 kg de gasolina. Isto significa que é desprendida uma energia calorífica maior para evaporar o etanol do que para evaporar a gasolina, dificultando a vaporização do etanol, principalmente nas partidas a frio. Entretanto, quando o motor está aquecido, o etanol necessita de uma quantidade maior de calor do ambiente, isto faz com que o ar que esteja reagindo com o etanol seja resfriado, aumentando desta maneira a massa específica do ar para a combustão. Já que com o ar mais frio, maior será a densidade do mesmo, consequentemente em um mesmo volume é admitido um maior valor de massa de ar, pois as moléculas do mesmo estão mais próximas, podendo ser injetada uma massa maior de combustível, resultando em uma combustão mais “potente”, aumentando assim o torque e a potência resultante do motor.