Omar Campos Ferreira
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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

** 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 %.

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.