METODOLOGIA PARA O ESTUDO DO RENDIMENTO TERMODINÂMICO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA CICLO OTTO

Transcrição

1 VI CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA VI NATIONAL CONGRESS OF MECHANICAL ENGINEERING 18 a 21 de agosto de 2010 Campna Grande Paraíba - Brasl August 18 21, 2010 Campna Grande Paraíba Brazl METODOLOGIA PARA O ESTUDO DO RENDIMENTO TERMODINÂMICO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA CICLO OTTO Márco Augusto Sampao de Carvalho, marco.carvalho@cmatec.eb.org.br 1 Ednldo Andrade Torres, ednldo@uba.br 2 Felpe Soto Pau, sotopau@hotmal.com 3 1 SENAI CIMATEC, Av. Orlando Gomes, 1845, Patã. CEP: , Salvador-Ba. 2 UFBA, Av. Arstdes Novs, 2, Federação. CEP: Salvador-Ba. Resumo: Dante do cenáro mundal, onde questões como aquecmento global, emssões de poluentes e sustentabldade são cada vez mas dscutdos, torna-se evdente a necessdade de máqunas mas ecentes e ontes de energas menos poluentes. Motores de combustão nterna aparecem como grandes vlões do aquecmento global devdo à sua utlzação como energa motrz de uma enorme rota de veículos exstentes e à sempre crescente produção anual mundal de veículos automotores, resultando entre outros problemas, na enorme quantdade de emssão de CO2. Mutas modcações de projetos aconteceram ao longo da evolução dos motores de combustão nterna que propcaram aumento da ecênca do sstema, tas como a utlzação de materas mas adequados às trocas térmcas e à dnâmca dos ludos, coletores de admssão e de válvulas varáves e sstema de gerencamento eletrônco do motor. Porém anda há um espaço consderável entre o que os motores apresentam em termos de rendmento e o máxmo rendmento possível, ou ecênca segundo o cclo de Carnot. Este trabalho apresenta uma metodologa para o estudo do rendmento energétco e exergétco de motores de combustão nterna cclo Otto que utlzam mas de um combustível (Flexíves). Os tópcos são apresentados através da exposção sobre o rendmento de motores de combustão nterna, com consderações de Prmera e Segunda Les da Termodnâmca, demonstrações de pontos possíves de otmzação do rendmento através das possbldades de melhora do que o motor entrega (Work Output), bem como através da contrbução entrópca de cada sstema do motor. Os resultados são apresentados em termos qualtatvos e quanttatvos dos pontos crítcos ao rendmento do sstema. A undamentação teórca do trabalho é baseada numa revsão bblográca obtda em peródcos e na lteratura técnca centíca especalzada sobre motores de combustão nterna, combustíves e análses termodnâmcas. Palavras-chave: Motores de Combustão Interna, Rendmento, Exerga 1. INTRODUÇÃO Motores de combustão nterna (MCI) anda utlzam o mesmo prncípo de unconamento desde a sua concepção e prmeros protótpos: mstura entre ar, combustível e uma onte de gnção. São máqunas térmcas que cumprem satsatoramente a unção básca de servr como energa motrz de dversos tpos de veículos, apresentando varações de dmensões, cclos de trabalho e característcas de projetos. Porém são máqunas que apresentam baxa ecênca quando comparadas a máqunas elétrcas, por exemplo. Gallo (1985) aborda os atores que contrbuem para a dmnução da ecênca dos motores de combustão nterna, tas como, atrtos entre os dversos componentes, trocas térmcas entre componentes e ludos, geração de entropa no sstema de escapamento e expansões não resstdas. As questões relaconadas com o Meo Ambente e Sustentabldade tem cada vez mas apontado e demandado ontes de energa mas ecentes e menos poluentes. O desenvolvmento tecnológco aplcado nos motores de combustão nterna tem mostrado a tendênca da utlzação de motores cada vez menores e mas ecentes (Downszng), com menor consumo de combustíves e menores índces de emssões de poluentes. Outra novação nos MCI o a preparação dos motores para a utlzação de mas de um tpo de combustível, chamados de motores lexíves. O comportamento dos processos dos motores que nluencam na combustão apresenta derenças de acordo com o combustível utlzado, que alteram característcas de consumo, rendmento e emssões.

2 V I C o n g r e s s o N a c o n a l d e E n g e n h a r a M e c â n c a, 1 8 a 2 1 d e A g o s t o , C a m p n a G r a n d e - P a r a í b a Numa análse dos atores que contrbuem para a dmnução da ecênca dos motores de combustão nterna devese utlzar a combnação das análses termodnâmcas de Prmera e Segunda Les da termodnâmca. Ao aplcar-se a análse de Segunda Le, com concetos de entropa, rreversbldades e utlzação da análse exergétca, torna-se possível uma análse mnucosa dos pontos crítcos relaconados ao rendmento do sstema dos motores de combustão nterna e às oportundades de melhoras dos projetos. A análse exergétca é erramenta de grande utldade na comparação entre o rendmento de motores de combustão nterna, podendo ndcar de orma quanttatva e qualtatva os prncpas pontos onde ocorrem as rreversbldades do sstema. 2. RENDIMENTO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA O rendmento de um sstema corresponde ao aprovetamento da energa ou recurso que o ornecdo. Uma manera smplcada de se denr o rendmento ou, ecênca, de um motor de combustão nterna é através da relação do que o motor entrega em orma de trabalho (work output) pelo que o motor recebe de energa para o seu unconamento (Fuel Energy). A equação abaxo (HEYWOOD, 1988) dene bascamente o enuncado: W n m c.. QHV (1) Onde, W c, representa o trabalho de saída do motor (Work Output); m corresponde à massa de combustível em um cclo; Q HV representa o poder caloríco do combustível. Heywood (1988) apresenta também o rendmento do motor com base no consumo especíco de combustível (sc), explctando que quanto maor a ecênca de um motor, menor será o valor do sc.. m ( g / h) sc( g / kw. h). (2) P( kw ) As análses de rendmento de MCI passam tanto por análses dos atores que nluencam as varáves de entrada do motor ar, combustível e gnção -, quanto pelas análses dos combustíves e dos processos nternos dos motores. 3. VARIÁVEIS DE ENTRADA QUE INFLUENCIAM NO RENDIMENTO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Na análse dos parâmetros mportantes do motor, como torque e potênca, as característcas da pressão de combustão no nteror da câmara são atores mportantes a serem estudados. Orunda da energa da reação químca da combustão, a pressão na câmara de combustão se transorma na orça aplcada sobre os pstões. Na equação do rendmento do motor, o que será entregue pelo motor será o trabalho, ou potênca de saída. Slva (2006) desenvolveu uma metodologa para determnação da potênca ndcada e estudou a obtenção de outros parâmetros dos motores de combustão nterna. Os estudos dos processos de combustão bascamente trabalham com a nluênca das varáves de entrada do motor. Também devem ser observados os enômenos da combustão, como detonação, auto-gnção e msre (alhas de combustão), que também aetam o rendmento e a durabldade dos motores. Para melhorar-se o trabalho (work output), pode-se buscar a melhora da ecênca volumétrca, taxa de compressão e varação do ponto de gnção, entre outros Ecênca Volumétrca Com relação à quantdade de ar admtda pelo motor, o parâmetro que a dene é a ecênca volumétrca. A melhora desse parâmetro está dretamente relaconada com o aprovetamento da pressão de combustão e, logo, ao desempenho e rendmento do motor. Heywood (1988) dene a ecênca volumétrca como o volume admtdo pelo clndro dvddo pelo volume dsponível pelo pstão dentro do clndro: n v 2 ma ρ V N a,. d (3) Onde, ρa, é a densdade do ar na entrada do clndro. Pode-se também descrever a ecênca volumétrca como:

3 V I C o n g r e s s o N a c o n a l d e E n g e n h a r a M e c â n c a, 1 8 a 2 1 d e A g o s t o , C a m p n a G r a n d e - P a r a í b a n v ma ρ V. a, d (4) Onde, ma é a massa de ar ntroduzda no clndro a cada cclo. Heywood (1988) mencona que, tpcamente, os valores máxmos de ecênca volumétrca para motores naturalmente asprados de gnção por centelha estão na axa de 80% a 90%. A ecênca volumétrca é também aetada por característcas do combustível, projeto do motor e outras varáves de operação do motor, tas como: 1) característcas da mstura ar/combustível; 2) transerênca de calor; 3) Relação de pressões entre os sstemas de admssão e exaustão do motor; 4) Taxa de compressão; 5) velocdade do motor (RPM); 6) Projetos dos sstemas de admssão e exaustão do motor; 7) Geometras, tamanhos e tempo de aberturas das válvulas de admssão e escapamento do motor. Nos motores de combustão nterna de aplcações veculares, os regmes de trabalho varam constantemente as rotações e cargas do motor. Conseqüentemente, a ecênca volumétrca também apresenta derenças de valores de acordo com cada regme de trabalho do motor. Inovações tecnológcas como varação do sncronsmo de válvulas de admssão e escapamento, coletor dos gases de admssão varável, turbo - compressores e compressores de ar lgados ao motor aparecem para a melhora da ecênca volumétrca em derentes condções de trabalho do motor Taxa de Compressão Através da órmula abaxo, verca-se que quanto maor a razão, ou, taxa de compressão aplcada no motor, melhor será o rendmento termodnâmco. Isso pode ser explcado pelo ato da reação de combustão ser exotérmca, onde, quanto maor or a pressão e a temperatura da reação, mas rápda será a reação, aumentando a potênca do motor. E 1 R 1 K 1 (5) Onde, R é a razão de compressão; K o coecente de expansão adabátca; E é a ecênca térmca (Cclo Otto). Pode se consderar que a melhora da ecênca volumétrca num motor de combustão nterna tem eeto análogo ao eeto do aumento da taxa de compressão, na medda em que, consegue-se colocar mas massa de ar para uma mesma taxa de compressão. Como exemplo, em alguns motores com equpados com sstema de turbo - compressor, utlza-se a taxa de compressão nomnal do motor menor, vsto que, a ecênca volumétrca é melhorada com a sobre almentação de ar. A octanagem do combustível é ator lmtante à taxa de compressão do motor, para evtar-se a detonação (Knockng) Ponto de Avanço de Ignção Mantdas constantes as quantdades de ar e combustível, pode-se obter a otmzação da pressão de combustão através da varação do ponto de avanço de gnção do motor em relação ao ângulo de gro do vrabrequm. Antecpandose o ponto de gnção em relação ao Ponto Morto Superor do Motor (PMS), obtém-se a antecpação do níco da combustão. A otmzação da pressão méda eetva nos clndros é obtda varando-se a posção do avanço de gnção até um ponto ótmo, denomnado MBT (mnmum advance or best torque) onde a máxma pressão méda eetva é alcançada. A partr do ponto ótmo, podem ocorrer detonações na câmara de combustão (Knockng), enômeno anormal da combustão assocado a característcas lmtantes dos combustíves em relação à pressão. A detonação é ator prejudcal ao rendmento e pode causar danos a componentes do motor. Outro eeto provém do excesso de antecpação da combustão ao ponto que a resultante da orça para o determnado projeto do motor começa a dmnur, resultando na dmnução de torque e rendmento do motor. Stone (1999) mencona que com o adantamento excessvo do ponto de avanço de gnção, o trabalho necessáro no tempo de compressão va ser maor do que o trabalho lberado no tempo de expansão, resultando em dmnução do rendmento do motor. No comportamento dos motores de gnção por centelha o unconamento do avanço de gnção é estabelecdo de acordo com a rotação e carga do motor. Mantendo o motor numa mesma axa de carga e ecênca volumétrca, à medda que a rotação aumenta haverá um correspondente aumento do ângulo de avanço de gnção. De acordo com o combustível utlzado, os motores lexíves apresentam em sua calbração, mapas de avanço derencados para cada combustível ou msturas de combustíves.

4 V I C o n g r e s s o N a c o n a l d e E n g e n h a r a M e c â n c a, 1 8 a 2 1 d e A g o s t o , C a m p n a G r a n d e - P a r a í b a Uma outra característca é que varando-se o ponto de avanço de gnção, pode-se trabalhar com outros atores como temperatura de chama na câmara de combustão e temperatura dos gases de escapamento, de orma a também melhorar-se as emssões de gases nocvos ao meo ambente. 4. DISCUSSÕES DE ANÁLISES DE PRIMEIRA E SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA E DA EXERGIA NO ESTUDO DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Em máqunas térmcas a aplcação da Prmera Le da Termodnâmca deve ser utlzada nas análses de ecênca dos processos. Em mutos aspectos dos motores de combustão, a Prmera Le permte que se entendam processos e possam ser realzadas equações que modelem a geração de calor e ou trabalho segundo o prncípo de conservação da energa: de δq δw (6) Para volume de controle em regme de escoamento unorme e não permanente a Prmera Le da Termodnâmca aparece como: δ Q + me. he δw + ms. hs + U U (7) V V Onde me e ms são as massas que entram e saem do clndro e as somatóras se estendem para todas as válvulas do motor (GALLO, 1985). A Segunda Le da Termodnâmca, outra erramenta, permte a obtenção de mutos argumentos para o estudo de observações íscas que têm larga axa de mplcações com respeto a projetos de engenhara e operação de sstemas térmcos. A Segunda Le pode, por exemplo, ser utlzada na determnação da dreção de processos, no estabelecmento das condções de equlíbro, para especcar o máxmo desempenho possível de sstemas térmcos e para dentcar aqueles aspectos do processo que trazem detrmentos para a perormance do sstema (CATON, 2000). A exerga, conorme Kotas (1985), é o máxmo trabalho que pode ser obtdo de uma dada orma de energa usando como reerênca os parâmetros do ambente. O método da exerga é uma alternatva baseada no conceto de exerga, popularmente denda como uma medda unversal do potencal de trabalho. A medção da perda de exerga, ou rreversbldade, proporcona uma medda da necênca de um determnado processo Geração de Entropa nos Motores de Combustão Interna A crescente preocupação em questões como meo ambente, conservação de energa útl e cumprmento de normas regulamentares têm aumentado as exgêncas de projetos e otmzação de processos e sstemas térmcos. A energa se conserva quanttatvamente mas não qualtatvamente. O conceto de exerga (ou dsponbldade) consdera e avala a qualdade da energa e, portanto, é de grande valor na análse de sstemas e processos térmcos (Gallo, 1985). A entropa, do ponto de vsta mcroscópco, pode ser vsta como uma medda mcroscópca do grau de ncerteza e aleatoredade de um determnado estado ou processo, Kotas (1985). Quanto maor a entropa gerada num determnado processo, maores serão as rreversbldades, ou exerga perdda.. Através da transormação da equação da desgualdade de Clausus numa gualdade, pode-se chegar à entropa gerada num sstema (Gallo, 1985): 2 S g S2 S1 δ Q / T (8) 1 Martns and Rbero (2009) estudaram o modelo de geração de entropa aplcado a motores de combustão nterna. No estudo, certa quantdade de massa que entra e outra que sa pelas válvulas devem também ser consderadas como parte do sstema. ds Q m s m s + { dt { T out n Varação deentropa Varação deentropa no volume decontrole. devdo atranserênca de calor. Varação deentropa devdo a luxo de massa novolume decontrole. S gen { Geração de Entropa (9)

5 V I C o n g r e s s o N a c o n a l d e E n g e n h a r a M e c â n c a, 1 8 a 2 1 d e A g o s t o , C a m p n a G r a n d e - P a r a í b a A varação de entropa gerada dentro do modelo teórco do cclo Otto é representada conorme a gura abaxo. Fgura 1 Dagrama TS teórco de um cclo Otto Padrão (Martns e Rbero, 2009). Nesse modelo, os processos de compressão e expansão são consderados adabátcos. Martns e Rbero (2009) consderam que para os processos entre 1 e 4 (compressão, combustão e expansão) a varação de entropa do cclo real é smlar ao do cclo teórco. No caso do processo entre 4 e 1 (exaustão), o autor explca que não se pode azer comparações entre o teórco e o real devdo aos motores reas serem modelados como sstemas abertos onde ocorre luxo de massa que entra e sa do sstema, que conduz a um dagrama T-S bastante derente do cclo teórco. A gura abaxo representa a derença entre um processo real e um processo teórco. Fgura 2 Geração de entropa num processo real do motor. Em todos os processos de um motor real são esperadas varações de entropa. No entanto o valor da entropa nal entre os sstemas real e o teórco não é a mesma (derenças entre os pontos 3 e 3 ). Isso se deve prncpalmente à entropa gerada durante o processo real entre os pontos 2 e 3. Para calcular a taxa total de entropa gerada no sstema, deve-se somar a entropa gerada devdo a cada processo partcular Contrbuções Entrópcas nos Sstemas dos Motores de Combustão Interna A ecênca global de um motor de combustão nterna no caso real dere da ecênca teórca do Cclo Padrão Otto. A entropa gerada em cada sstema em partcular rá corresponder à parcela de rreversbldade ou de perda de exerga no sstema. Martns e Rbero (2009) apresentam um estudo dos prncpas pontos de geração de entropa nos motores de combustão nterna. A gura abaxo mostra as contrbuções da geração de entropa em cada mecansmo:

6 V I C o n g r e s s o N a c o n a l d e E n g e n h a r a M e c â n c a, 1 8 a 2 1 d e A g o s t o , C a m p n a G r a n d e - P a r a í b a Fgura 3 Percentual de contrbução de entropas geradas em motores de combustão nterna (Martns, 2009). A nterpretação qualtatva e quanttatva da gura conduz ao entendmento de quas os prncpas pontos onde ocorrem as rreversbldades do sstema, ou destruções de exerga. No desenvolvmento dos estudos de rendmento de motores de combustão nterna, é mportante o aproundamento em cada um dos tens que contrbuem na geração de entropa (rreversbldades) do sstema. Através dos estudos de geração e varação de entropa nos processos rreversíves que ocorrem dentro do sstema, Martns e Rbero (2009) obtveram o modelo de rreversbldades do cclo Otto para um modelo de motor térmco. O modelo mostrou que o processo de combustão o responsável por 54% do total da entropa gerada. Expansões lvres dos gases de escapamento, transerênca de calor e luxo de massa através das válvulas oram os mecansmos de ordem de mportânca consecutvos. Atrto vscoso do ludo de trabalho dentro do motor não teve mpacto sgncatvo no total de entropa gerada. Nos estudos de Gallo (1985), o autor observou que no processo de combustão a rreversbldade aumenta volentamente: de uma a duas ordens de grandeza em relação aos demas processos. O Autor explca que embora haja um aumento de rreversbldade devdo à temperatura da combustão, a própra reação de combustão é a prncpal onte de rreversbldade. O autor anda complementa armando que uma orma bastante convenente de analsar cada processo que compõe o cclo completo consste em empregar os concetos de ecêncas exergétcas. 5. APLICAÇÃO DE ANÁLISE ENERGÉTICA E EXERGÉTICA EM MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA Segundo Torres (1999), a ecênca energétca é uma relação entre a energa eetvamente útl e a energa transerda ao sstema térmco. energa útl n (10) energa na entrada Esse crtéro norma quanto um equpamento ou uma planta utlza bem ou mal uma energa dsponblzada. O parâmetro apresentado conduz a uma mpereção na análse porque trata-se de uma relação entre energas onde nem toda energa dsponível na entrada é utlzável. Torres (2001) explca que a ecênca exergétca ou raconal é uma relação entre exergas e, portanto, como toda exerga pode teorcamente ser utlzável, esse parâmetro norma melhor o que está acontecendo com a operação do equpamento ou com o sstema térmco. A relação rreversbldade/exerga do processo mostra a perda total que o sstema ou a planta tem de acordo com os parâmetros operaconas. A derença entre a undade e as perdas do processo é a ecênca exergétca. I ε 1 (11) Insumo A perda de ecênca exergétca é dada pela parcela restante entre a derença da undade e a ecênca. δ 1 ε δ (12) j j A aplcação das análses energétcas e exergétcas em motores de combustão nterna exgem uma sére de consderações mportantes. MCI são máqunas térmcas que devdo à sua concepção de projeto e característcas de unconamento apresentam durante os város regmes de unconamento varações a cada cclo e de clndro para clndro, entre as varações estão trocas térmcas, luxos, atrtos, e trabalho de saída.

7 V I C o n g r e s s o N a c o n a l d e E n g e n h a r a M e c â n c a, 1 8 a 2 1 d e A g o s t o , C a m p n a G r a n d e - P a r a í b a Gallo (1985) desenvolveu análses exergétcas comparatvas entre um motor a álcool e a gasolna. No estudo o desenvolvda uma análse de rreversbldades em cada processo do motor. Assm como nos estudos de Martns e Rbero (2009), o estudo de ecênca exergétca de Gallo (1985) também mostrou que as rreversbldades durante o processo de combustão é da ordem de 2 vezes maor do que nos processo de admssão e escapamento Balanço de Exerga Aplcado nos Motores de Combustão Interna Um balanço de exerga é smlar a um balanço de energa, porém possu derenças undamentas que, enquanto um balanço de energa utlza o prncípo da le da conservação da energa, um balanço de exerga pode ser entenddo como um prncípo de le da degradação da energa, Kotas (1985). Segundo Teh (2009), a equação do balanço descrevendo a evolução da exerga do ludo de trabalho deve ser escrta como: X X dx ( δx n δx out δx dest) (13) Onde: X é a exerga ncal do sstema; X representa a exerga do ludo de trabalho que permanece no nal do cclo de operação do motor; o termo dx que representa a mudança derencal de exerga. Os termos δx representam as quantdades derencas de exerga transerda nternamente ou externamente ou destruídas por rreversbldades do processo (sto é, geração de entropa). A exerga destruída δx é devdo dest prncpalmente à entropa gerada durante o processo de combustão e não pode nunca ser recuperada. Teh (2009) consdera um sstema adabátco e nas consderações de Prmera le, onde du PdV, modelou o sstema como: δ X δ X ( P P dv du + P dv (14) ) n out 0 0 Transerêncas de calor não apareceram nessas consderações. A exerga destruída consderando-se a temperatura ambente (T 0 ): δ X T δs T ds (15) dest 0 gen 0 As equações podem ser reduzdas pelo balanço de equação a: X X U U ) + P ( V V ) T ( S S ) (16) ( Varáves para Abordagem em Estudos Exergétcos de Motores de Combustão Interna Motores de Combustão Interna apresentam como característcas de unconamento varações de luxos nos gases de entrada e saída a cada cclo do motor. De orma análoga ocorrem também alterações do luxo mássco de combustível e do ponto de gnção (por centelha ou por compressão). Observam-se alterações na reqüênca de trabalho RPM, valores de torque, potênca, consumo de combustível, temperaturas e vazões nas varáves de saída do motor. Dessa orma a realzação de um estudo de ecênca exergétca em motores de combustão nterna requer a aqusção de dados para os cálculos necessáros ao entendmento da ecênca de cada processo do motor. O estudo de Gallo (1985) é um exemplo de aplcação de análse exergétca em motores de combustão nterna. Na pesqusa, oram comparados os resultados de rendmentos exergétcos de um motor utlzando álcool e gasolna. O estudo comparou a nluênca de derentes varáves do processo para comparar as ecêncas exergétcas. Se exemplos de varáves que oram utlzadas e que nluencam exergetcamente no sstema: - Rotação: De acordo com a rotação (RPM), o motor apresenta derenças em parâmetros como carga, ecênca volumétrca, consumo e torque. No estudo oram comparados os resultados para duas rotações derentes, onde o constatado que houve aumento de rreversbldades nas rotações menores em comparação com rotações maores. Esse ato o atrbuído a haver maor troca térmca em rotações menores. - Coecente de ar teórco: Entende-se como a relação entre a mstura ar e combustível, também conhecdo como ator Lambda. Foram observadas derenças nas rreversbldades geradas decorrentes das derenças nas relações estequométrcas, porém, o modelo encontrado não o lnear e a tendênca o varar de acordo com o combustível utlzado.

8 V I C o n g r e s s o N a c o n a l d e E n g e n h a r a M e c â n c a, 1 8 a 2 1 d e A g o s t o , C a m p n a G r a n d e - P a r a í b a - Eeto do tempo de abertura e sncronsmo das válvulas de admssão e escape: São observadas alterações em velocdades e pressões das vazões másscas tanto no processo de admssão quanto de escapamento, que nluencam nas rreversbldades do processo. Mutos outros atores também nluencam e devem ser observados no estudo de rendmento, tas como, nluênca do ponto de avanço de gnção, trocas térmcas entre os materas, atrtos entre os dversos componentes e entre o lubrcante, ângulo de abertura da borboleta de aceleração e contra-pressão no escapamento. Dessa orma nas análses de rreversbldades é mportante também ser realzada a análse global que deve levar em consderação os valores de rendmento exergétco e do rendmento mecânco (leva em consderação atrto e outros) em cada processo e na análse global do cclo. Como exemplo, rotações mas elevadas apresentam valores de exerga maores do que rotações menores devdo a menor tempo para trocas térmcas, porém, os atrtos em rotações mas elevadas são maores, aumentando as perdas por atrtos. 6. RESULTADOS E DISCUSSÕES A aplcação das análses energétcas de Prmera e Segunda Le da Termodnâmca têm se mostrado erramentas útes para o entendmento dos atores responsáves pelo rendmento dos motores de combustão nterna. Gallo (1985) realzou um estudo de análse exergétca de motor a álcool e a gasolna. Seguem dscussões dos resultados: - Os processos de compressão e expansão têm suas rreversbldades devdas à transmssão de calor; sendo que as rreversbldades são menores na compressão do que na expansão devdo a menores temperaturas; - Na combustão, a destrução de exerga é devda undamentalmente às reações químcas, sendo que há também uma parcela devdo às temperaturas elevadas; - Com relação à velocdade do motor (RPM), do ponto de vsta do desempenho global do motor, quando a rotação aumenta, ocorre um lgero aumento do rendmento térmco ndcado devdo a uma menor transmssão de calor. O rendmento mecânco dmnu em unção do aumento do atrto tendo como conseqüênca o rendmento térmco eetvo decrescente. A orma como a rotação aeta as rreversbldades nternas para cada um dos processos (admssão, compressão, combustão, expansão e escape) pode ser avalada pelas análses exergétcas que ndcam o que ocorre em cada processo e como os processos se aetam mutuamente; - A comparação entre o motor a álcool e a gasolna mostrou que o motor a álcool possu melhor desempenho do que o motor a gasolna sob qualquer crtéro adotado (rendmento térmco ndcado e eetvo, ecêncas exergétcas global ou ndcada, pressão méda eetva); - A análse exergétca mostra que a ecênca de combustão no motor a álcool é melhor do que na versão a gasolna, quando comparados numa mesma axa de coecente de ar teórco para a combustão; - Os estudos comparatvos entre álcool e gasolna também oram realzados utlzando-se um motor com a mesma taxa de compressão, anda assm o desempenho com álcool o superor à gasolna. As ecêncas exergétcas são maores com álcool e as rreversbldades por undade de massa que quema também são menores. Isso mostra que o álcool possu uma combustão menos rreversível do que a gasolna. 7. CONCLUSÕES E SUGESTÕES Os estudos de rendmento de motores de combustão nterna envolvem mutos atores e varáves. MCI são máqunas térmcas que apresentam varações cclo a cclo orgnadas, entre outros atores, por sua concepção de projeto, onde sempre ocorrem derenças de luxos, atrtos e rendmentos de cclo a cclo e de clndro para clndro. A aplcação da análse exergétca com a realzação das análses entrópcas, cálculos de rreversbldades e vercações das perdas nos sstemas é erramenta de grande utldade para vercação da ecênca dos processos do motor e da ecênca global do sstema. Os estudos de Gallo (1985) mostrou um desempenho superor do motor quando utlzando álcool comparado com a gasolna. Mutos outros estudos, como Martns and Rbero (2009), Teh (2009), e Caton (2000) também utlzaram as análses de Segunda Le para a observação de MCI. Através das análses exergétcas, pode-se observar que o processo de combustão nterna tem a maor contrbução na geração entrópca, ou geração de rreversbldades do sstema. Os resultados conclusvos dos estudos também conduzem a pontos que podem ser utlzados na otmzação de novos projetos de MCI ou na melhora de atuas projetos. Na medda em que se otmzam o rendmento de MCI, otmzam-se também o aprovetamento do combustível. Dessa orma, as tendêncas uturas relaconadas a veículos que utlzam MCI, tendem a cada vez mas utlzar motores menores e mas ecentes (Down-szng), onde ao serem melhorados os índces de rendmento, melhoram-se também o consumo de combustível e as emssões de gases poluentes ao meo ambente. 8. REFERÊNCIAS HEYWOOD JOHN B. Internal Combuston Engne Fundamentals. McGraw-Hll Internatonal ed, 1988, 930p.

9 V I C o n g r e s s o N a c o n a l d e E n g e n h a r a M e c â n c a, 1 8 a 2 1 d e A g o s t o , C a m p n a G r a n d e - P a r a í b a MORAN, M. J., SHAPIRO, H. N. Fundamentals o Engneerng Termodynamcs. 5th ed ÇENGEL Y.A., BOLES M. A. Termodnâmca, Qunta edção, MC Graw Hll, MILHOR C. E. Sstema de Desenvolvmento para Controle Eletrônco dos Motores de Combustão Interna Cclo Otto. (Mestrado) Escola de Engenhara de São Carlos, Unversdade de São Paulo GALLO W.L.R. Análse Exergétca de Motores de a Gasolna e a Álcool, Tese de Doutorado Apresentada na Uncamp, SOTO F.P. Apresentação no Semnáro SAE, TORRES E. A., Avalação exergétca e termoeconômca de um sstema de cogeração de um pólo petroquímco, Tese de Doutorado Apresentada na Uncamp, MARTINS J.J.G. Thermodynamc Analyss o Spark Ignton Engnes Usng the Entropy Generaton Mnmsaton Method. Int. J. Exergy, Vol. 6, N. 1, TEH K-Y, Mller S. L., Edwards C. F. Thermodynamc Requrements or Maxmum Internal Combuston Engne Cycle Ecency. Part 1: Optmal Combuston Strategy. TEH K-Y, Mller S. L., Edwards C. F. Thermodynamc Requrements or Maxmum Internal Combuston Engne Cycle Ecency. Part 2: Work Extracton and Reactant Preparaton Strateges. TEH K-Y, Edwards C. F. An Optmal Control Approach to Mnmzng Entropy Generaton n an Adabatc Internal Combuston Engne. CATON J. A. A Revew o Investgatons Usng the Second Law o Thermodynamcs to Study Internal Combuston Engnes. SAE 2000 ( ). CATON J. A. On The Destructon o Avalablty (exergy) Due To Combuston Processes Wth Specc Applcaton to Internal-Combuston Engnes. Energy 25 (2000) GALLONI, E. Analyss About Parameters That Aect Cyclc Varaton In a Spark Ignton Engne. Appled Thermal Engneerng 29 (2009) TAYLOR, A. M. K. P. Scence revew o Internal Combuston Engnes. Energy Polcy 36 (2008) GONZÁLES, G. A., PALMA, A. C., GALICIA, A. L. Máxmum Irreversble Work and Ecency n Power Cycles. J. Phys. D: Appl. Phys. 33 (2000) METHODOLOGY TO STUDY THE THERMODYNAMIC EFFICIENCY OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES Márco Augusto Sampao de Carvalho, marco.carvalho@cmatec.eb.org.br 1 Ednldo Andrade Torres, ednldo@uba.br 2 Felpe Soto Pau, sotopau@hotmal.com 3 1 SENAI CIMATEC, Av. Orlando Gomes, 1845, Patã. CEP: , Salvador-Ba. 2 UFBA, Av. Arstdes Novs, 2, Federação. CEP: Salvador-Ba. Resumo: Global Warmng, emssons and sustanablty are ssues ncreasngly dscussed consderng envronmental problems. It becomes evdent the need o machnes more ecent and energy sources less pollutng. Internal combuston engnes appear as great evls o global warmng due to ts use as drvng energy o a huge leet o exstng and ever ncreasng annual worldwde producton o automobles, resultng among others problems, the enormous o CO2 emssons. Many desgn changes occurred durng the evoluton o the nternal combuston engnes that ncreased the ecency o the system, such as the use o more approprate materals or heat exchange and lud dynamcs, ntake manolds and varable valve tmng and eletronc management engne control. But there s stll consderable gap between a real engne ecency and a theorcal maxmum ecency, or second Carnot Cycle. Ths paper presents a methodology to study energy ecency and exergy ecency o nternal combuston Otto Cycle usng more than one uel (lexble). The topcs are presented through the exhbtonon the perormance o nternal combuston engnes, wth consderatons o the Frst and Second Laws o thermodynamcs. Keywords: Internal combuston engne, ecency, exergy.