O Brasil, apesar de ser um contendor no mercado internacional de petróleo, não é autossuficiente em combustíveis dele derivado basicamente por não ter um parque de refino compatível com o petróleo que extraímos. Essa necessidade nos faz vender o petróleo, e importar combustíveis e óleos, e aqui entra a cotação internacional como vilã, pois o real, por um contexto bastante complexo de economia interna e externa, tem se desvalorizado fortemente frente ao dólar.
O nosso parque industrial de refino foi desenvolvido nas décadas de 1960 e 1970, objetivando refinar petróleos de alta qualidade como do oriente médio, porém com os avanços de extração (pré-sal, por exemplo), aumentou a disponibilidade de petróleo de refino mais difícil, de maneira desproporcional à evolução do refino. A solução é trazer combustíveis prontos, pois a estratégia do nosso maior produtor se focou na exploração nos últimos anos.
Para pontuar, temos estas três razões principais para tal situação:
1) Parque de refino antigo; Importávamos quase toda a matéria-prima do oriente médio no momento de definição do parque;
2) Atualmente extraímos petróleo de refino mais difícil;
3) Estratégia de exploração maior que refino na maior produtora do país;
Como se as coisas não fossem complicadas o suficiente, o brasileiro ainda conta com uma pesada carga tributária, que impacta fortemente os preços, alimentando um processo de inflação de maneira contínua. Combustível caro afeta todos os aspectos humanos, pelo maior preço de circulação dos bens de consumo, e o próprio deslocamento. Atualmente (2025) o preço da gasolina brasileira é composto pelo custo de produção, lucro dos distribuidores e postos, e impostos estaduais e federais.
Extra: link da Live com o Venicio T. Miguel, sobre as plataformas de petróleo.
Após entender o fluxo econômico do combustível, vamos avançar para um primeiro degrau técnico, com um diagrama bastante importante para trazer ordem de grandeza. O veículo moderno com motor de combustão interna possui um rendimento médio que varia entre 25% e 35%, ou seja, de toda a energia demandada pelo veículo para rodar, apenas cerca de ¼ vira propulsão, como na figura 1.
Depois desta introdução temos condição de pensar no segundo momento do combustível, depois que já o adquirimos. Sejamos nós pessoas comuns, profissionais do volante ou da engenharia, é sempre desejável obtermos mais eficiência, otimização e redução de custos operacionais do veículo. Mas o que fazer? Nesse escrito vamos trazer algumas definições introdutórias sobre como são as relações físicas e químicas do motor para o consumo de combustível, permitindo ao leitor realizar relações de regime de uso e consumo, tendo as bases teóricas mais sedimentadas.
Papel e caneta na mão? Vamos nessa.
O conceito de rendimento volumétrico
Não podemos falar sobre motores e seus comportamentos sem esbarrar no conceito de rendimento volumétrico, afinal ele define os regimes de entrega de torque e potência, e mesmo sem ouvir falar deve, logo fará a ligação do seu conceito à prática assim que terminar esse texto. Entende-se como rendimento volumétrico de um motor a eficiência dos cilindros ao encherem-se de ar, ou ar e combustível (mistura), em relação ao seu volume teórico. Por exemplo, imagine um motor monocilindro de 1-litro. Se num ciclo de admissão esse motor conseguisse admitir apenas 0,5 l diríamos que têm apenas 50% de eficiência naquela rotação medida, ao passo que se admitisse exatamente 1 l, teria 100% de rendimento volumétrico.
Portanto, de forma estática, podemos dizer que o rendimento volumétrico é a relação entre a massa de ar realmente aspirada pelo motor (ma) e a massa de ar que poderia ser admitida (mt) se as condições de entrada fossem mantidas (CNTP).
É possível que em alguns casos o rendimento volumétrico atinja valores maiores que 100%, ou seja, mais ar está entrando do que o volume teórico prevê, e a explicação pode estar em dois fenômenos: motores supercarregados, ou ressonância positiva da admissão ou do escapamento, que pela inércia dos gases e pelos fenômenos de mecânica dos fluidos, acabam arrastando massas maiores e comprimindo levemente o conteúdo dos cilindros.
Nos motores supercarregados ou turbocarregados, como a palavra sugere, a admissão que seria feita pela descida do pistão é complementada pela compressão feita pelo turbocarregador, colocando mais ar na mesma cilindrada.
Já nos casos de ressonância positiva, ou de ótimas admissões com pouca restrição, a admissão natural é tão boa que acelera o fluxo de ar, criando uma corrente de entrada de ar em determinados regimes que contribui muito para o rendimento como já citamos acima. É válido lembrar também que o rendimento volumétrico e eficiência do motor de maneira geral, também é afetado pela geometria dos dutos de cabeçote pelo comando de válvulas e design geral da admissão e cabeça do pistão. São essas características que definem, por exemplo, as formas de fluxo dentro dos cilindros, privilegiando um ou outro regime de uso, tipo de combustível, aplicação do veículo, etc.
Agora que tudo está colocado, vem uma sacada que pode mudar sua compreensão sobre os motores. Você já se perguntou o motivo de existir uma rotação ou região específica de rotação onde ocorre o torque máximo? Pois então, é na região onde o rendimento volumétrico é máximo, que o torque será máximo, pois a respiração do motor é ótima.
Em regimes mais baixos o rendimento não é alto por diversas razões, dentre elas:
- A mistura pode não ter energia e velocidade para entrar no regime mais otimizado de fluxo.
- O tempo de permanência da mistura na admissão é maior, o que causa aumento de sua temperatura. A consequência é uma diminuição da densidade e com isso, perda de rendimento volumétrico.
- A válvula-borboleta está normalmente mais fechada, o que causa grande perda de carga na admissão.
Em regimes mais altos de rotação do motor as perdas se explicam pelo aumento exponencial das perdas de energia do fluido escoando e sofrendo todas as restrições, seja do filtro de ar, borboleta (ainda que mais aberta), válvulas e dutos. Imagine respirar em repouso com uma máscara, e agora imagine fazer o mesmo só que praticando um esporte.
Além disso, mais um conceito pode ser explorado de maneira propícia neste ponto, que é o consumo específico nesta região de rendimento volumétrico máximo.
Imagine que sabemos por cálculos, ou mesmo por experimentos, que em determinada rotação haverá a máxima massa de ar disponível dentro do cilindro. Essa informação fornece uma condição muito mais controlada de combustão, fazendo com que o calculador possa controlar a injeção da massa mais precisa possível no cilindro através do tempo de abertura dos injetores. Essa determinação leva ao regime de consumo específico ótimo, aproximando a queima da condição estequiométrica rendendo ao máximo o aproveitamento de cada ciclo motor.
Mistura estequiométrica: a proporção entre ar e combustível na queima
Para fecharmos o raciocínio acerca de como o combustível é queimado, precisamos entender os balanços mássicos dos combustíveis, sua relação com temperatura e consumo em diferentes combustíveis para dominar a direção econômica. A liberação de energia do combustível ocorre através da queima da sua mistura com o ar, sob pressão, gerando uma força aplicada sobre a cabeça do pistão, e é esse passo que vamos entender, por meio da reação de combustão do combustível e o ar.
A equação que rege os balanceamentos dos compostos da reação é conhecida como relação estequiométrica, que é o arranjo das proporções de massas de cada constituinte, antes e depois da reação. Por exemplo, uma equação de base para a queima da gasolina é representada da seguinte forma:
Nessa equação, se utilizarmos as massas molares à frente de cada elemento e realizarmos uma razão entre os elementos combustíveis e o ar, teremos para a gasolina aproximadamente a seguinte fração: 14,7:1. A explicação mais simples que pode ser atribuída a este valor é que para cada 1 grama de gasolina, são necessários 14,7 g de ar para que a combustão seja completa. Um estudo similar pode ser feito para o etanol, resultando numa relação de aproximadamente 9 partes de ar para 1 de etanol. Curioso, o preço do etanol tem uma proporção muito parecida se comparada com a gasolina, coincidência? Diria que não Sherlock Holmes.
Agora, tendo estas relações em mente, podemos chegar a uma primeira conclusão importante, que é um dos motivos pelos quais o motor consome mais etanol que gasolina, pois a proporção de combustível em relação ao ar é maior no etanol. Outra informação crucial é a quantidade de energia sob a forma de calor que um combustível pode fornecer quando queimado completamente, que se chama poder calorífico. No caso do nosso estudo tratamos de gasolina e etanol, cujos poderes caloríficos típicos são, respectivamente, 9.600 e 6.100 kcal/kg. Mais uma vez, a proporção mágica aparece, quem diria, não é mesmo?
Dado que um mesmo motor capaz de trabalhar com os dois combustíveis, submetidos a um mesmo limite de giros, de volume de ar admitido (rendimento volumétrico) e razão de compressão, surge a terceira relação de suma importância: a diferença de potência gerada.
É comum que os motores a etanol sejam mais potentes que os a gasolina, e isso se explica, dentre outros motivos, pela calibração do motor e pela propriedade física do etanol de resistir melhor à compressão, podendo a centelha ser disparada em momento mais otimizado pois este combustível tem limite de detonação mais avançado, além da câmara de combustão estar mais fria por seu elevado calor latente de vaporização.
Riqueza de mistura
É possível que você já tenha ouvido falar sobre mistura rica e mistura pobre certo? As equações demonstradas acima para balanço estequiométrico das combustões, consideram a queima ideal, sem sobrar nem faltar combustível durante a reação. Qualquer valor que entre no balanço e traga mais combustível ou menos ar, tornará a mistura rica em combustível em relação ao ideal. O inverso vale com menos combustível ou mais ar, o que torna a mistura pobre em combustível.
O motor é uma máquina que opera sob milhares de variáveis, ainda mais em um carro onde a rotação raramente é constante, assim como a carga exigida no virabrequim. Na aplicação real a reação ocorre com uma sobra mínima de combustível, para que se garanta a queima mais completa possível, entretanto isso gera consumo desnecessário, além de aumentar a poluição do carro.
Os carros mais modernos operam com misturas cada vez mais pobres, buscando maximizar a eficiência da queima. O controle da combustão através de sensores modernos, computadores cada vez mais potentes permite esse avanço. É por isso que avançamos tanto em emissões nos últimos tempos, aprimorando o pós-tratamento dos gases de combustão, uma vez que a mistura pobre leva ao aumento da temperatura de chama e por consequência há formação óxidos de nitrogênio, que são poluentes e indesejáveis.
A dica de condução aqui é, evite regimes transientes, ou seja, mantenha a rotação do motor mais constante possível, e quando for necessário fazer a aceleração, faça de maneira suave. Quando o veículo está trafegando em velocidade de cruzeiro em terreno plano, a riqueza da mistura se aproxima da mistura estequiométrica = lambda 1. Ao se variar a rotação, ou se acelerar muito bruscamente a mistura sofre um enriquecimento, que em outras palavras, diminui a eficiência da combustão momentaneamente. O motivo é a entrada de um volume de combustível excedente enviado pelo calculador para garantir a combustão na condição de variação. Um volume deste combustível será queimado incompletamente e outra parte condensará nos dutos de admissão ou fluido lubrificante. A relação de potência e riqueza pode ser vista no diagrama teórico abaixo:
Finalmente chegamos no último conceito deste texto, o de Perdas Mecânicas, mas este fechamento ficará para a próxima postagem, até lá!
LEV7
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