CAP7- MCInterna

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Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.1
CAPÍTULO 7 
 
MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA (MCI) ALTERNATIVOS 
 
 
Flávio Neves Teixeira 
Vladimir Rafael Melián Cobas 
 
 
7.1- INTRODUÇÃO 1 
7.2- HISTÓRICO 2 
7.3- CLASSIFICAÇÃO DOS MCI ALTERNATIVOS 6 
7.4- COMPONENTES PRINCIPAIS DE UM MCI ALTERNATIVO 7 
7.5- CICLOS DE OPERAÇÃO DOS MCI ALTERNATIVOS 8 
7.6- CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS E PARÂMETROS DE 
DESEMPENHO DE MCI ALTERNATIVOS 17 
7.7- MCI NA GERAÇÃO TERMELÉTRICA 24 
7.8- CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS AUXILIARES 28 
7.9- EMISSÕES NOS MCI ALTERNATIVOS 37 
7.10- REFERÊNCIAS 50 
 
 
7.1- INTRODUÇÃO 
 
Os motores de combustão interna (MCI) são máquinas térmicas nas quais a energia 
química do combustível se transforma em trabalho mecânico, sendo que o fluido de trabalho 
consiste dos produtos da combustão da mistura ar-combustível, e a câmara de combustão e o 
próprio processo de combustão estão integrados ao funcionamento geral do motor. Representam 
a tecnologia mais difundida dentre as máquinas térmicas, devido a sua simplicidade, robustez e 
alta relação potência/peso, o que faz com que estes acionadores sejam empregados em larga 
escala como elementos de propulsão (automobilística, naval e aeronáutica), para geração de 
eletricidade contínua, de ‘back-up’ ou de carga de pico e para acionamento de bombas, 
compressores ou qualquer outro tipo de carga estacionária. No que diz respeito à geração de 
energia elétrica, os motores Diesel e a gás são competitivos principalmente pela alta eficiência 
térmica, tanto em operação a carga total como também em cargas parciais (a eficiência térmica 
apresenta pequena variação em uma faixa de 40 a 110 % de carga) (Niemi, 1997). Um fator 
adicional é que a eficiência dos motores não é tão sensitiva às condições ambientais locais 
(temperatura, pressão e umidade) quanto são as turbinas a gás. 
Além disso, deve-se considerar a possibilidade de se queimar diferentes combustíveis: 
podem operar consumindo combustíveis líquidos (gasolina, álcool, óleo combustível, Diesel, 
etc.) ou gasosos (gás natural, GLP, gases residuais ou manufaturados, etc.). Niemi, 1997, relata 
em seu trabalho a utilização, em escala de teste, de carvão betuminoso pulverizado, com 
partículas de 12 mícrons de diâmetro, contendo 2 % de cinzas e 36 % de voláteis, numa 
proporção de 50/50 carvão-água. 
Finalmente, outras características importantes são o curto tempo de construção da central e 
a rápida entrada em operação (‘start-up’), além dos motores serem bem apropriados para as 
condições de partidas e paradas diárias. 
Existem MCI do tipo rotativo (a grande maioria das turbinas a gás, motor Wankel, etc.) e 
do tipo alternativo (a pistão), sendo estes últimos subdivididos em motores de ignição por 
centelha ou Otto (uma mistura de combustível e ar é admitida na câmara de combustão e 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.2
inflamada por meio de uma vela de ignição) e de ignição por compressão ou Diesel (ar é 
admitido na câmara de combustão e comprimido até uma pressão e temperatura suficiente para 
que ocorra a combustão espontânea quando o combustível for injetado). Neste capítulo apenas 
tratar-se-á dos motores de tipo alternativo. 
A seguir é feita uma breve descrição com relação aos principais tipos de motores 
empregados na geração de eletricidade, subdividindo-se os motores em quatro grupos: motores 
Diesel, motores de ignição por centelha tradicionais ou a gás, motores duplo combustível e 
motores gás-Diesel. Nas centrais que operam em carga base, tanto os motores Diesel lentos de 
dois tempos como os de quatro tempo de média velocidade tem sido tradicionalmente utilizados 
em uma ampla faixa de potências. Os motores Diesel rápidos de menores capacidades tem sido 
amplamente utilizados na geração de eletricidade para o atendimento da carga pico. Uma 
característica própria destes motores é sempre trabalharem com misturas pobres. Os motores de 
ignição por centelha operam com combustão estequiométrica ou com misturas pobres, 
homogêneas ou estratificadas. Por sua vez, os motores de duplo combustível operam com 
mistura homogênea pobre, cuja ignição é realizada pela injeção de uma pequena quantidade de 
combustível piloto na câmara de combustão, antes do ponto morto superior. Finalmente, nos 
motores com injeção de gás ou gás-Diesel gás a alta pressão é injetado diretamente na câmara de 
combustão no fim do curso de compressão. A mistura entra em combustão através de um 
combustível piloto ou de uma vela de ignição. 
Os motores de ignição por centelha funcionam a 4 tempos (necessitam de duas rotações 
para completar um ciclo) ou a 2 tempos (necessitam de apenas uma rotação para completar um 
ciclo). São produzidos com potências que variam desde poucos quilowatts até cerca de 13 MW e, 
geralmente, utilizam como combustíveis hidrocarbonetos líquidos de elevado poder calorífico, e 
que se evaporam facilmente, como a gasolina e o álcool, ou combustíveis gasosos, como o gás 
natural e o gás liquefeito de petróleo (ASHRAE, 1996). A eficiência máxima dos motores de 
ignição por centelha de 4 tempos a gasolina assume valores que variam entre 27 e 30 % (PCI), 
ou maior, no caso de motores que empregam taxas de compressão elevadas, como os a álcool ou 
a gás natural otimizados, chegando até a 35%. 
Os motores de ignição por compressão também podem funcionar a 4 ou a 2 tempos. No 
entanto, os motores Diesel de 2 tempos não apresentam consumo de combustível superior aos de 
4 tempos, como acontece no caso dos motores Otto, pois na fase de admissão o combustível não 
está presente, logo não há perdas pelo escape (Fergurson, 1986). 
Os motores Diesel são similares, em importância e variedade de aplicação, aos motores de 
ciclo Otto; pertencem a esta vasta categoria os grandes motores Diesel lentos, estacionários e 
navais, com potências que ultrapassam 60 MW, assim como os motores Diesel rápidos 
empregados no transporte terrestre e embarcações de porte médio. Na faixa de pequenas 
potências (até 5 MW), os motores Diesel dominam o mercado de geração de energia e em 
sistemas de emergência (‘back-up’) e ‘standby’, devido ao seu menor custo de geração, ou seja, 
os motores de ignição por centelha possuem custos iniciais menores, mas um custo de 
combustível maior (Liss, 1999). Os combustíveis empregados nestes motores, geralmente, são 
hidrocarbonetos líquidos de características diferentes dos utilizados nos motores de ciclo Otto, 
menos voláteis e com pesos específicos superiores (ASHRAE, 1996). Um bom combustível para 
o ciclo Otto é mal combustível para o ciclo Diesel e vice-versa. 
 
7.2- HISTÓRICO 
 
Os primeiros MCI do tipo alternativo foram desenvolvidos a partir de meados de 1800, 
quando alguns pesquisadores apresentaram seus protótipos. A seguir é feito um breve histórico 
das datas mais importantes do desenvolvimento dos mesmos (Nebra, 2000). 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.3
• 1860- J.J.E. Lenoir: primeira tentativa, sem compressão prévia da mistura ar-combustível, 
alcançando até 4,5 kW (6 hp) e eficiência máxima de 5 %; 
• 1862- Alphonse Beau de Rochas: patente francesa de um motor de quatro tempos; 
• 1867- Nicolaus Otto e Eugen Langen: compressão da mistura e eficiência máxima de 11 %; 
• 1876- Nicolaus Otto: motor de quatro tempos, redução de 1/3 do peso do motor e 1/16 do 
curso do pistão, eficiência máxima de 14 %; 
• 1880- Dugald Clerk e James Robson e Karl Benz: desenvolvimento do primeiro motor de dois 
tempos; 
• 1892- Rudolf Diesel: data da patente, demora 5 anos para construir o motor de ignição por 
compressão; 
• 1957- Felix Wankel: primeiro teste bem sucedido de um motor rotativo; 
Foi em 1860 que os MCI vieram a ser uma realidade prática. Os primeiros motores 
comerciais utilizavam misturas de gás de carvão e ar na câmara de combustão, à pressão 
atmosférica, não havendo compressão antes da combustão. Um engenheiro francês, Lenoir 
(1822-1900), desenvolveu o primeiro motor destetipo. Em razão da própria combustão, a 
pressão era aumentada e os gases quentes impulsionavam um pistão e no curso de retorno do 
pistão ocorria a exaustão. Funcionava a menos de 10 rpm. Foram construídos 500 motores deste 
tipo entre os anos de 1860 a 1865, com uma potência de até 4,5 kW (6 hp) e eficiência máxima 
de 5 %. 
Um motor mais bem sucedido foi desenvolvido por Nicolaus Otto (1832-1891) e Eugen 
Langen (1833-1895), na Alemanha. Foi apresentado na Exposição Industrial de Paris, em 1867. 
O conceito deste motor era o de “pistão livre”, sendo este impulsionado pela explosão dos gases 
no cilindro e o pistão ligado a um volante através de uma cremalheira e uma engrenagem. O 
movimento do volante produzia a abertura e fechamento de uma válvula de admissão e ignição. 
Cerca de 5.000 motores deste tipo foram construídos e dominaram o mercado até o aparecimento 
do motor Otto de quatro tempos. A eficiência máxima alcançada era de 11 %. 
Nestes primeiros tipos de motores não havia uma compressão prévia da carga de 
combustível-ar, embora diversos pesquisadores apontavam para a vantagem de se introduzir esta 
etapa no processo (Lebon, francês, 1799; Barnett, inglês, 1838; Schimidt, alemão, 1861). 
Na França, em 1862, Beau de Rochas (1815-1893), listou as condições, sob as quais um 
melhor desempenho poderia ser obtido: 
• menor relação superfície/volume para o cilindro e o pistão; 
• processo de expansão o mais rápido possível; 
• máxima expansão possível; 
• máxima pressão possível no começo do processo de expansão dos gases dentro do cilindro. 
As duas primeiras condições visavam a redução das perdas de calor a um valor mínimo, 
conservando a exergia nos gases de exaustão. A terceira e a quarta visavam obter o máximo de 
potência possível. Beau de Rochas também indicou o método de operação desejável em um 
MCI: 
• 1- indução durante o deslocamento do pistão “para fora”; 
• 2- compressão durante o movimento do pistão “para dentro”; 
• 3- ignição da carga de ar-combustível no ponto morto superior do pistão, seguida por 
expansão durante o deslocamento seguinte do pistão, “para fora”; 
• 4- exaustão durante o curso seguinte do pistão, “para dentro”. 
Este processo é o que é utilizado até hoje. Beau de Rochas patenteou o princípio do motor 
de 4 tempos, em 1862, mas não o desenvolveu comercialmente. Em 1976, o alemão Nicolaus 
Otto construiu um motor de quatro cilindros que funcionava com os princípios estabelecidos por 
Beau de Rochas. Este motor era bem mais leve e compacto do que o anterior, fabricado por Otto 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.4
e Langen, e também tinha uma eficiência maior, 14 %. Em 1890, 50.000 motores deste tipo 
haviam sido construídos na Europa e Estados Unidos. 
Em 1880, vários engenheiros (Dugald Clerk, 1854-1913 e James Robson, 1833-1913, na 
Inglaterra e Karl Benz, 1844-1929, na Alemanha) desenvolveram com sucesso o motor de dois 
tempos, que tinha a vantagem de produzir potência em cada curso do pistão. Os motores de dois 
tempos, mais simples e menores, são indicados para pequenas potências. 
Na década de 1880-1890 foram feitos avanços nos sistemas de ignição e carburação. A 
razão de compressão dos motores não podia ser muito elevada à época, em razão da qualidade 
dos combustíveis. Para uma relação de pressões maior do que 4, ocorriam “batidas” no processo 
de combustão. No final da década, estavam disponíveis os primeiros motores a gasolina para 
automóveis. 
Na década de 1890-1900 foram construídos grandes motores de 6 cilindros, de 1,3 m de 
diâmetro, que utilizavam gás de alto forno como combustível, permitindo gerar 450 kW (600 hp) 
a 90 rpm. 
Em 1862, o engenheiro alemão Rudolf Diesel (1858-1913) registrou a patente do motor 
que leva até hoje o seu nome. A característica fundamental deste motor é que o combustível é 
injetado dentro da câmara de combustão, que já contem o ar aquecido, e a combustão da mistura 
se produz por compressão (combustão espontânea devido às condições de temperatura e pressão) 
e não por ignição através de uma centelha, como no caso dos motores Otto. Levou-se 5 anos para 
conseguir o desenvolvimento de um protótipo comercial. 
Félix Wankel desenvolveu o motor de pistão rotativo, que funcionou com sucesso pela 
primeira vez em 1957. 
Pode-se pensar que após um século de desenvolvimento, os motores alternativos 
alcançaram seu máximo grau de desenvolvimento tecnológico e, estão sujeitos a poucas 
melhorias. Tal pensamento é errôneo, pois tanto os motores Diesel quanto os motores Otto 
continuam demonstrando melhorias substanciais em termos de eficiência, potência específica e 
taxa de emissão de poluentes. Novos materiais possibilitam a redução de peso, custo e perdas de 
calor. Tipos alternativos de motores, tais como os que utilizam combustão estratificada, e que 
possuem maior tolerância quanto às propriedades do combustível, estão adquirindo um grau de 
desenvolvimento que possibilita a sua produção em escala comercial. 
A crescente adoção da geração elétrica descentralizada também tem levado a um aumento 
significativo das vendas de motores alternativos com potência entre 1 e 10 MW, principalmente 
em se tratando dos motores alimentados com gás natural, cujas vendas representavam 4 % do 
mercado de motores para geração de energia elétrica em 1990, e ultrapassaram a casa dos 20 % 
em 1999. Estes motores têm despertado o interesse devido a sua eficiência (32 - 35 % ou mais, 
base PCI), ao seu baixo custo inicial e a facilidade de manutenção, resultado de uma 
infraestrutura de serviços bem estabelecida (Liss, 1999). A Figura 7.1 apresenta um gráfico 
mostrando a evolução das vendas de MCI em unidades desde 1977 até 1996. Mostra-se também 
a evolução da potência instalada (Niemi, 1997). 
Liss (1999) relata ainda que o desenvolvimento de motores alternativos a gás de pequena 
capacidade (menores que 250 kW), em escala comercial, tem sido o objetivo de diversas 
pesquisas realizadas com apoio do Gas Research Institute - GRI, sendo que alguns fabricantes, 
entre eles, Kohler, Onan e Generac, e Tecogen, já dispõem de motores a gás nesta faixa de 
potências (GRID, 1999). 
Os motores alternativos também têm sido cada vez mais utilizados em sistemas de 
cogeração, onde é efetuada a recuperação do calor dos gases de escape, da água de resfriamento 
do motor e, em alguns casos, do óleo do sistema de lubrificação. Nestas instalações, a potência 
de eixo pode ser utilizada para gerar eletricidade, ou acionar uma bomba, um compressor ou 
qualquer outra carga. O calor recuperado pode ser utilizado para diversos fins, como por 
exemplo, fornecimento de água quente para lavanderias, cozinhas de restaurante, hotéis, 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.5
calefação e também para produção de frio (água gelada) em sistemas de refrigeração por 
absorção. 
 
 
 
Figura 7.1- Mercado de MCI Diesel, gás e de combustível dual para a geração de potência 
elétrica (Niemi, 1997). 
 
A Figura 7.2 mostra um balanço de energia típico de um motor alternativo, queimando gás 
natural, utilizado para acionar um gerador elétrico. Como pode ser observado, até 40 % da 
energia fornecida pelo combustível pode ser transformada em trabalho de eixo. A principal fonte 
para recuperação de calor está nos gases de escape, podendo reaproveitar até 29 % da energia em 
forma de vapor (normalmente com temperatura entre 350 e 500 °C e pressão de 7 a 8 bar ou 
mais). Da água do sistema de arrefecimento do motor (sistema de resfriamento dos cilindros) o 
calor pode quase que totalmente ser reaproveitado, porém a baixa temperatura (90 a 95 °C), 
como também pode ser recuperado o calor do sistema de resfriamento do óleo do motor, mas a 
uma temperatura ainda mais baixa (50 °C) e que poderiam ser utilizadas para fins sanitários. As 
perdas com radiação situam-se na faixa de 3%. 
 
 
 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.6
Figura 7.2- Balanço energético típico de um motor alternativoa gás operando em cogeração 
 
Além da possibilidade de recuperação de uma grande parcela de calor, conforme já 
mencionado, os seguintes fatores contribuem para o crescente interesse na utilização dos motores 
alternativos para a cogeração: 
• A grande disponibilidade de motores com funcionamento seguro e eficiente, em uma ampla 
faixa de capacidades. Sistemas compactos com potências inferiores a 100 kW, são produzidos 
nos Estados Unidos, desde 1980, pela Cummins Diesel e pela Caterpillar (Kaarsberg et al, 1998); 
• A disponibilidade de combustíveis de boa qualidade a preços atrativos, como é o caso do gás 
natural; 
• O aperfeiçoamento dos reguladores de eletricidade que asseguram a geração de eletricidade na 
freqüência desejada; 
• Bom desempenho em condições de carga parcial, principalmente para motores diesel, ignição 
por compressão. 
 
7.3- CLASSIFICAÇÃO DOS MCI ALTERNATIVOS 
 
Existe uma grande variedade de MCI e, dependendo do enfoque, os motores podem ser 
classificados segundo diferentes características, conforme a seguir (Heywood, 1988): 
• Segundo o método de ignição (esta é a classificação fundamental, que separa os MCI 
alternativos em dois grupos com características de operação e desempenho muito diversas): 
ignição por centelha (em motores convencionais, onde a mistura ar + combustível é uniforme ou 
em motores de carga estratificada, onde a mistura ar + combustível não é uniforme) e ignição por 
compressão (em motores Diesel convencionais e também em motores a gás quando se utiliza a 
injeção piloto de outro combustível). A principal diferença entre um MCI ignição por centelha e 
um MCI ignição por compressão é que o primeiro admite uma mistura de ar+combustível, sendo 
comprimida na câmara de combustão e posteriormente é realizada a ignição por meio de um 
centelhamento proveniente da vela. No segundo caso, somente ar é admitido ao cilindro, 
comprimido e somente então o combustível é injetado. O calor do ar comprimido é que irá 
provocar a ignição da mistura espontaneamente; 
• Segundo a aplicação: automotivo (carros e caminhões), aviões pequenos, marítimo, pequenos 
geradores portáteis e geração de energia; 
• Segundo o ciclo de funcionamento: de 4 tempos: naturalmente aspirado (admitindo ar à 
pressão atmosférica) e sistemas de indução forçada, ou seja, supercarregados (admitindo ar 
previamente comprimido) e turbocarregados (admitindo ar comprimido por um compressor 
movido por uma turbina, a qual é acionada pelos gases de exaustão do próprio motor). De 2 
tempos: aspiração pelo cárter (‘crankcase scavenged’), supercarregado e turbocarregado; 
• Segundo o combustível empregado: gasolina, óleo Diesel, gás natural, gás liquefeito de 
petróleo (GLP), metanol, etanol, hidrogênio, gases residuais ou manufaturados e duais (podem 
trabalhar com dois tipos diferentes de combustível: um líquido e outro gasoso); 
• Segundo o método de preparação da mistura ar + combustível: carburação, injeção de 
combustível na janela ou no duto de admissão e injeção direta nos cilindros do motor; 
• Segundo o projeto da câmara de combustão: câmara aberta (diversos tipos: hemisférica, 
triangular ou em cunha, ‘bowl in piston’, ou seja, a parte superior da cabeça do pistão tem a 
forma de uma concavidade, etc.) e câmara dividida (pequenas e grandes câmaras auxiliares de 
diversos tipos: ‘swirl’, aquelas que produzem um movimento rotacional da carga, pré-câmaras, 
etc.); 
• Segundo o método de controle da carga: estrangulamento do fluxo de ar + combustível 
conjuntamente, de modo que a composição da mistura não se altere, controle somente do fluxo 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.7
de combustível ou uma combinação de ambos, cuja opção depende do tipo de motor - ignição 
por centelha ou compressão; 
• Segundo o método de resfriamento: resfriamento por água ou ar. 
 
7.4- COMPONENTES PRINCIPAIS DE UM MCI ALTERNATIVO 
 
Neste tópico é feita uma breve descrição dos principais componentes de um MCI, e que 
podem ser observados na Figura 7.3. 
• Bloco: órgão estacionário fabricado de ferro fundido, onde são usinados os cilindros ou os 
orifícios para a colocação destes. Possui cavidades que constituem as galerias de escoamento da 
água de resfriamento; quando substituíveis são denominadas camisas d’água; na parte inferior 
estão os alojamentos dos mancais centrais onde se apóia o eixo de manivelas; 
• Cabeçote: fecha os cilindros e define parte da câmara de combustão, sendo preso ao bloco por 
meio de parafusos prisioneiros e por uma junta. Possui furos onde são instalados as velas de 
ignição ou os bicos injetores, bem como as válvulas de admissão e descarga, no caso de motores 
de 4 tempos ou de 2 tempos com válvulas de descarga; 
• Cárter: é também um órgão estacionário, fixado na parte inferior do bloco por meio de 
parafusos, sendo construído de alumínio ou ferro estampado. È o local onde se deposita o óleo 
lubrificante; 
• Cilindro: é o espaço por onde se desloca o pistão; 
• Câmara de combustão: é o espaço livre entre o ponto morto superior e o cabeçote, onde se 
procede a queima da mistura ar-combustível. Sua forma e o valor da taxa de compressão 
influenciam muito no rendimento e na potência do motor; 
• Pistão: pode ser construído de liga de alumínio, ferro fundido ou uma combinação dos 
mesmos ou ainda de aço. Tem forma aproximadamente cilíndrica, oca, sendo fechado na parte 
superior e aberto na inferior, adaptando-se perfeitamente ao diâmetro do cilindro ou camisa do 
motor. Tem a função de transmitir ao eixo de manivelas a força devido à pressão dos gases em 
expansão, através do pino e da biela. Serve para suporte e guia dos anéis de segmento; 
• Pino: é o elemento de articulação entre o pistão e a biela; 
• Anéis: são aros elásticos, colocados em canaletas situadas no pistão, cuja finalidade é impedir 
a fuga dos gases produtos da combustão entre a parede do pistão e do cilindro, e impedir a 
entrada de óleo lubrificante na câmara de combustão; 
• Biela: é o braço de ligação entre o pistão e a árvore de manivelas; 
• Eixo (árvore) de manivelas: também chamado de virabrequim, é o eixo motor propriamente 
dito, o qual se situa, na maioria das vezes, na parte inferior do bloco, recebendo o impulso 
devido à combustão de cada cilindro, via biela, imprime o movimento rotativo; 
• Volante: consiste de uma roda de grande massa, fundida em aço, ligada à árvore de manivelas 
para atenuar as variações de aceleração devida às forças periódicas exercidas pelos gases sobre 
os pistões e transmitidas à árvore de manivelas. Regulariza o movimento do motor absorvendo 
trabalho nos períodos de aceleração, para restituí-lo quando o trabalho motor é menor do que o 
resistente; 
• Eixo de cames (comando de válvulas): construído em aço, tem a função de mover as válvulas 
de admissão e escape no momento certo, de acordo com as disposições de seus ressaltos que 
elevam o conjunto tucho, haste e balancim. É acionado pela árvore de manivelas através de 
engrenagem, corrente ou correia dentada; 
• Válvulas: construídas em liga de aço de alta qualidade, as válvulas servem para a admissão da 
mistura ar-combustível e descarga dos gases queimados; 
• Vela de ignição: fornece uma centelha capaz de inflamar a mistura ar-combustível para que a 
combustão possa ocorrer; 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.8
 
 
A- Válvula de admissão, braço oscilante e mola; 
B- Tampa de válvula; 
C- Janela de admissão; 
D- Cabeçote; 
E- Refrigerante; 
F- Bloco do motor; 
G- Reservatório de óleo; 
H- Carter; 
I- Eixo de cames; 
J- Válvula de exaustão, braço oscilante e mola; 
K- Vela de ignição; 
L- Janela de exaustão; 
M- Pistão; 
N- Biela; 
O- Mancal da biela; 
P- Eixo de manivela. 
Motor de 4 tempos 
 
A- Câmara de combustão; 
B- Janela de exaustão; 
C- Carter; 
D- Vela de ignição 
E- Pistão 
F- Válvula de palheta; 
G- Admissão de combustível; 
H- Combustível. 
Motor de 2 tempos 
 
Figura 7.3- Componentes básicos de um motor de 4 tempos e 2 tempos, ambos de igniçãopor 
centelha (adaptado de www.howstuffworks.com) 
 
7.5- Ciclo de operação dos MCI alternativos 
 
Os componentes principais do ciclo de potência de um motor de combustão interna 
alternativo são cilindro, êmbolo, biela, manivela e árvore de manivelas (virabrequim) e estão 
apresentados na Figura 7.4: 
Algumas definições estão associadas a esta figura. O termo deslocamento (ou curso) é a 
distância que o pistão move em uma direção. Quando ele está no ponto morto superior (PMS) o 
volume do cilindro é mínimo e conhecido como volume morto ou de folga. Quando o pistão se 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.9
move para a posição de máximo volume do cilindro, ele se encontra no ponto morto inferior 
(PMI). O volume varrido pelo pistão quando ele se move desde o PMS até o PMI é chamado de 
volume deslocado. O conjunto biela-manivela (árvore de manivelas) tem como objetivo 
transformar o movimento alternativo do pistão em movimento rotativo no eixo de manivelas. 
A taxa de compressão ‘rc’, parâmetro importante e que determina a eficiência dos MCI, é 
definida como o volume máximo (no PMI) dividido pelo volume mínimo (no PMS). Nos 
motores de ciclo Otto o valor da taxa de compressão varia de 6 a 12, salvo casos excepcionais, 
enquanto que nos motores de ciclo Diesel oscila entre 14 e 24. (Heywood, 1988). Nos motores a 
gasolina (ciclo Otto), o limite superior da taxa de compressão está determinado essencialmente 
pela qualidade antidetonante do combustível utilizado, enquanto que para os motores Diesel esta 
relação é determinada, sobretudo, pelo peso da estrutura do motor, que aumenta com a taxa de 
compressão. No entanto, para aplicações estacionárias, o peso do motor, dentro de certos limites, 
não é um fator determinante, o que torna os motores Diesel adequados para esta finalidade. 
A possibilidade de trabalhar com maiores taxas de compressão permite que os motores 
Diesel de 4 tempos possuam eficiência que variam entre 32 e 42 % (base PCI) (Lizarraga, 1994). 
A maior eficiência dos motores de ignição por compressão é devida principalmente ao fato de 
operarem sempre com mistura pobre e ainda pela forma de controle da potência, baseada na 
variação da quantidade de combustível sem restrição da quantidade de ar - especialmente 
importante para a alta eficiência deste tipo de motor quando operando em cargas parciais 
 
 
 
Figura 7.4- Nomenclatura de um MCI alternativo 
 
No motor de quatro tempos cada cilindro requer quatro deslocamentos de seu pistão e, por 
sua vez, duas revoluções do eixo de manivelas, para completar a seqüência de eventos que 
produz um curso de potência. Tanto os MCI de ignição por centelha como os de ignição por 
compressão utilizam deste ciclo, o qual consta de (vide Figura 7.5): 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.10
• 1° Tempo - Curso de admissão, o qual começa com o pistão no PMS e termina com o pistão 
no PMI, aspirando uma mistura fresca para o cilindro. Para aumentar a massa induzida, a válvula 
de entrada abre um pouco antes do curso iniciar e fecha depois de seu final; 
• 2° Tempo - Curso de compressão, quando ambas as válvulas estão fechadas e a mistura dentro 
do cilindro é comprimida a uma pequena fração de seu volume inicial. Perto do final do curso de 
compressão, a combustão é iniciada e a pressão do cilindro aumenta rapidamente; 
• 3° Tempo - Curso de expansão ou de potência, o qual começa com o pistão no PMS e termina 
com o pistão no PMI, quando a alta pressão e temperatura dos gases (devido a combustão) 
‘empurram’ o pistão para baixo e forçam o eixo de manivelas a rodar. Cerca de três vezes mais 
trabalho é realizado no pistão, durante o curso de potência, do que o pistão tem de realizar 
durante o curso de compressão. Quando o pistão se aproxima do PMI, a válvula de exaustão se 
abre, para iniciar o processo de exaustão, e a pressão no cilindro cai a fim de se aproximar da 
pressão de exaustão; 
• 4° Tempo - Curso de exaustão, onde o restante dos gases queimado sai do cilindro (devido a 
pressão no cilindro ser mais alta do que pressão de exaustão) sendo varridos pelo pistão enquanto 
ele se move para o PMS. Quando o pistão se aproxima do PMS, a válvula de entrada se abre e 
justamente depois do PMS, a válvula de exaustão se fecha e o ciclo é iniciado novamente. 
 
 
Figura 7.5- Esquema de um ciclo 4 tempos (Adaptado de Heywood, 1988). 
 
Conforme já comentado, o ciclo básico de quatro tempos pode ser utilizado tanto em MCI 
com ignição por centelha como em MCI com ignição por compressão, sendo que a diferença 
principal encontra-se na forma de introduzir o combustível e na ignição propriamente dita. 
Assim de acordo com a Figura 7.6 temos: 
A Figura 7.7 nos dá um diagrama pressão-deslocamento tal como visualizado em um 
osciloscópio. Com a válvula de admissão aberta, o pistão realiza o curso de admissão a fim de 
aspirar uma carga nova ao cilindro (linha a-b). Para MCI de ignição por centelha, esta carga é a 
mistura ar-combustível, enquanto que para os MCI de ignição por compressão, a carga é apenas 
ar. Na seqüência, com ambas as válvulas (admissão e exaustão) fechadas, o pistão realiza o ciclo 
de compressão (linha b-c), aumentando tanto a pressão como a temperatura da carga. Isto requer 
um consumo de potência do ciclo. O processo de combustão é então iniciado (ambas as válvulas 
fechadas), resultando em uma alta pressão e temperatura da mistura (ou ar). A combustão é 
induzida perto do final do curso de compressão (linha c-d). Para MCI com ignição por centelha a 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.11
inflamação é feita através da vela e, em um MCI de ignição por compressão pela injeção de 
combustível no ar quente comprimido (o aquecimento do ar deve ser superior à temperatura de 
ignição espontânea do combustível empregado). Na seqüência é realizado o curso de potência 
(linha d-e) durante o qual a mistura de gás expande e realiza trabalho no pistão fazendo-o 
deslocar ao PMI. O pistão então executa o curso de exaustão (linha e-a) pelo qual os gases 
queimados são expulsos do interior do cilindro através da válvula de exaustão. 
 
MCI Otto MCI Diesel 
 
Aspiração da mistura ar+combustível 1° Tempo Aspiração de ar 
 
Compressão da mistura 2° Tempo Compressão do ar 
 
Ignição da mistura através da faísca 
elétrica de uma vela. Expansão dos 
gases e realização de trabalho motor 
3° Tempo 
Injeção de combustível e auto-ignição 
da mistura. Expansão dos gases e 
realização de trabalho motor 
 
Descarga dos gases produtos da 
combustão 4° Tempo 
Descarga dos gases produtos da 
combustão 
 
Figura 7.6- Comparação entre a forma de introduzir o combustível e a ignição de MCI Otto 
(ignição por centelha) e Diesel (ignição por compressão) 
 
 
Figura 7.7- Diagrama pressão-deslocamento para um MCI alternativo de quatro tempos. 
 
A seguir, apresenta-se a descrição do ciclo de operação de um motor de dois tempos de 
ignição por centelha (Otto) com aspiração pelo cárter (‘crankcase scavenged’). Normalmente 
estes motores não têm válvulas, eliminando-se assim alguns dispositivos como tuchos, hastes, 
balancins, engrenagens, etc. O cárter apresenta dimensões reduzidas, onde é lançada a mistura ar 
+ combustível, sendo cuidadosamente fechado, pois nele se realiza a pré-compressão da mistura. 
As janelas na camisa do cilindro, abertas ou fechadas pelo movimento do pistão, controlam os 
fluxos de admissão e exaustão enquanto o pistão se movimenta entra o PMS e o PMI (Figura 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.12
7.8.a). Cada ciclo do motor constituído de um curso completo de potência realiza as operações 
de admissão, compressão, expansão e exaustão e conduz a uma revolução no eixo de manivelas. 
Entretanto, é difícil preencher totalmente o volume deslocado (volume de carga fresca), pois 
parte desta nova carga flui diretamente para fora do cilindro durante o processo de lavagem. A 
seguir detalha-se os dois cursos do motor:• 1° Tempo - Curso de admissão-compressão, onde o pistão movimenta-se em direção ao PMS, 
comprimindo a mistura ar + combustível. Durante este processo, as janelas de exaustão e de 
transferência de carga do cárter para o cilindro estão fechadas pelo corpo do pistão. Entretanto, a 
janela de admissão do cárter está aberta admitindo carga nova no mesmo. Quando o pistão se 
aproxima do PMS, a combustão é iniciada; 
• 2° Tempo - Curso de expansão ou de potência, o qual é similar ao do de quatro tempos até o 
pistão se aproximar do PMI, quando, primeiro, as janelas de exaustão e, posteriormente, as 
janelas de admissão do cárter ao cilindro são destampadas. A maior parte dos gases queimados 
sai do cilindro no processo lavagem. Quando as janelas de admissão são destampadas, a carga 
fresca que foi comprimida no cárter flui para o cilindro. O pistão e as janelas, geralmente, são 
moldados para desviar a carga de admissão de modo que os gases de exaustão sejam 
direcionados para as janelas de exaustão e, dessa forma, garantir uma melhor remoção dos gases 
residuais. 
Um exemplo de um motor de ignição por compressão de dois tempos é apresentado na 
Figura 7.8.b. Neste caso o ciclo de funcionamento é o seguinte: no curso de admissão de ar, as 
válvulas de exaustão permanecem fechadas, as janelas de admissão, localizadas na parte inferior 
do cilindro, se abrem através do movimento do pistão e ar é induzido a alta pressão no cilindro. 
Durante o ciclo de compressão, com as válvulas de exaustão fechadas, o pistão move-se em 
direção ao cabeçote, comprimindo o ar no cilindro, aumentando a temperatura e a pressão. 
Próximo ao ponto morto superior, injeta-se o combustível que se auto-inflama e força o pistão 
para o curso de potência, através da expansão dos gases. Finalmente, no curso de exaustão, abra-
se as válvulas de saída do gás enquanto que as janelas de admissão permanecem fechadas pelo 
corpo do pistão. Os gases são expelidos antes que as janelas de admissão se abrem para realizar 
um novo ciclo. 
O MCI de dois tempos de ignição por compressão (Diesel) difere-se em alguns aspectos ao 
de ignição por centelha, por exemplo, ele não trabalha com uma pré-compressão no cárter. Ele 
tem um carregamento forçado por meio de um compressor de baixa pressão ou por um turbo-
alimentador. 
Devido às diferenças de operação apresentadas para os MCI de quatro e dois tempos, a 
seguir é feita uma comparação entre estes dois motores. Era de se esperar que um motor de dois 
tempos, na mesma rotação e da mesma cilindrada que um de quatro tempos, tivesse o dobro de 
potência, pois tem o dobro de carreiras motrizes. Isto não acontece porque a duração da operação 
de admissão e escape é bem mais curta que nos motores de quatro tempos e, portanto, a expulsão 
dos gases queimados e a admissão de nova mistura não podem ser tão boas quanto no motor de 
quatro tempos, o que significa uma massa de gases residuais substancialmente maior. Além 
disso, existe ainda o problema de que na fase de compressão as janelas de admissão e escape têm 
de ficar abertas durante certo período, reduzindo o curso de compressão e de expansão. Estes 
fatores diminuem o trabalho realizado sobre o pistão, trabalho este que é menor do que no ciclo 
de quatro tempos. Como os gases que entram têm de lavar o cilindro, estando as duas janelas 
abertas ao mesmo tempo, no caso de motor de ciclo Otto, uma parte da mistura se perde no 
escape, o que leva a um consumo de combustível ligeiramente superior ao de um motor de 
quatro tempos com a mesma potência e também a uma emissão de hidrocarbonetos não 
queimados substancialmente maior. Este problema não acontece nos motores de ignição por 
compressão, pois apenas ar é admitido no cilindro. Com efeito, os motores diesel mais eficientes 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.13
são exatamente os de grande porte, de dois tempos e baixa rotação (típicos para navios de grande 
porte). 
 
 
Figura 7.8.a- Ciclo de operação de um motor Otto de dois tempos com admissão pelo cárter 
(Adaptado de Heywood, 1988). 
 
 
 
Figura 7.8.b- Ciclo de operação de um motor Diesel de dois tempos (Adaptado de Elliot, 1997). 
 
Um dos parâmetros utilizados para descrever a performance dos MCI alternativos é a 
pressão média efetiva, ou pme. A pme é a produção líquida de trabalho do motor por volume 
deslocado, ou em outras palavras, é a pressão teórica constante que, se agisse no pistão durante o 
curso de potência, produziria o mesmo trabalho líquido que o desenvolvido realmente em um 
ciclo. Uma alta pressão média efetiva indica uma alta compacidade do motor térmico. 
 
 
deslocado volume
ciclo um de líquido trabalho
pme= (7.1) 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.14
 
Para dois motores de iguais volumes deslocados, aquele com a maior pressão média efetiva 
produzirá o maior trabalho líquido e, se o motor gira na mesma velocidade de rotação, maior 
potência. 
Um estudo detalhado da performance dos MCI alternativos deve levar em conta muitas 
características. Nestas incluir-se-ia o processo de combustão que ocorre dentro do cilindro e os 
efeitos da irreversibilidade associados com o atrito e com os gradientes de temperatura e pressão. 
A transferência de calor entre os gases e a parede do cilindro e o trabalho requerido para carregar 
o cilindro e exaurir os gases produtos da combustão também deveriam ser considerados. Devido 
a estas complexidades, modelagens detalhadas destes tipos de motores, normalmente envolvem 
simulações computacionais e, devido a estas complexidades, não serão tratadas neste trabalho. 
Porém, pode-se desenvolver uma análise termodinâmica elementar, empregando os ciclos 
padrões de ar Otto, Diesel e Duplo (Dual), onde se introduzem consideráveis simplificações. Tal 
análise é tratada no Capítulo 3 deste livro. 
Desde 1920, atenção tem sido dada ao desenvolvimento de MCI híbridos, os quais 
combinam as melhores características de um motor de ignição por centelha e as de ignição por 
compressão. A meta tem sido operar tal uma máquina o mais próximo da relação de compressão 
ótima para eficiência (na faixa de 12 a 15) por (Heywood, 1988): (1) injeção de combustível 
diretamente na câmara de combustão durante o processo de compressão (e deste modo minimizar 
os problemas de ‘batida’ ou ignição espontânea que limitam a taxa de compressão dos MCI de 
ignição por centelha com carga pré-misturada); (2) ignição do combustível quando ele mistura 
com ar por meio de faísca para fornecer controle direto do processo de ignição (e deste modo 
evitar requerimentos de qualidade na ignição do combustível); (3) controle do nível de potência 
do motor pela variação da quantidade de combustível injetado por ciclo (com o fluxo de ar não 
estrangulado para minimizar o trabalho de bombeamento de carga ‘fresca’ no cilindro). Tais 
motores são denominados motores de carga estratificada. 
Também dignos de menção são os motores de duplo combustível (‘dual-fuel engines’), 
cujo principal característica é a versatilidade de uso de combustíveis, que significa que um 
mesmo motor pode operar tanto com combustíveis líquidos como gasosos. Quando operando no 
modo gás, o motor trabalha de acordo com o processo Otto, onde uma mistura pobre de ar-
combustível (isto é, há mais ar do que o necessário para a combustão) é alimentada nos cilindros 
durante o curso de admissão (Figura 7.10). A ignição é iniciada pela injeção de uma pequena 
quantidade de óleo Diesel, a fim de garantir a estabilidade da chama e evitar falhas na combustão 
pobre. Por outro lado, quando operando em modo Diesel (ignição por compressão), a operação é 
realizada conforme os motores Diesel convencionais (Figura 7.11). Este tipo de motor é 
essencial onde o fornecimento de gás natural não é confiável, ficando a utilização de óleo Diesel 
para situações de emergência (‘back-up’). Quando operando no modo gás é possível transferir 
instantaneamente para a operação do combustível de ‘back-up’ a qualquer carga,no caso de uma 
situação de emergência. A válvula de injeção de Diesel, localizada no centro do cabeçote do 
cilindro, é utilizada tanto como combustível piloto como para o caso da operação no modo 
Diesel normal (Energy News/Wärtsilä, 1999). 
 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.15
 
 
Figura 7.10- Esquema do conceito de motor de combustível dual operando no modo gás 
(adaptado de Energy News/Wärtsilä, 1999) 
 
 
Figura 7.11- Esquema do conceito de motor de combustível dual operando no modo Diesel 
(adaptado de Energy News/Wärtsilä, 1999) 
 
Finalmente, considerando a possibilidade do aumento da potência desenvolvida por um 
motor, pode-se citar os motores turbocarregados (ou turboalimentados) e supercarregados 
(ou superalimentados), ambos também denominados sistemas de indução forçada. Estes 
processos comprimem o ar que flui no motor permitindo assim introduzir uma carga de ar maior 
no cilindro. Mais ar significa que mais combustível também pode ser introduzido, resultando em 
uma potência global maior do que nos motores sem indução forçada. A utilização destes sistemas 
é a maneira mais eficiente de aumentar a potência de um motor, sem aumentar suas dimensões, 
melhorando inclusive a eficiência do mesmo. A diferença entre a turboalimentação e a 
superalimentação reside no fornecimento da potência. No primeiro, o aumento da carga é 
conseguido por meio de um conjunto turbina-compressor. Os gases quentes que saem do motor 
acionam a turbina que, conectada ao compressor, permite que se admita uma massa de ar maior 
para o interior do cilindro, do que nos motores convencionais, conforme mostrado na Figura 
7.12.a. No caso do supercarregado coloca-se uma correia conectando o compressor diretamente 
no motor. Teoricamente, os motores turbo-carregados apresentam uma eficiência superior devido 
utilizarem a energia residual dos gases de exaustão, porém criam uma pequena contrapressão no 
sistema de exaustão. Um sistema de turboalimentação de um MCI a gás e seu respectivo sistema 
de controle é apresentado na Figura 7.12.b. 
 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.16
 
 
Figura 7.12.a- Esquema de um sistema de turboalimentação (adaptado de 
www.howstuffworks.com) 
 
 
 
Figura 7.12.b- Esquema típico de um motor a gás turboalimentado E seu respectivo sistema de 
controle (adaptado de Ulstein Bergen) 
 
 
 
 
 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.17
7.6- CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS E PARÂMETROS DE D ESEMPENHO DE 
MCI ALTERNATIVOS 
 
Neste tópico, algumas relações geométricas básicas, e os parâmetros freqüentemente 
utilizados para caracterizar a operação do motor são apresentados. Alguns fatores importantes 
quando da opção de se empregar um MCI são: 
• O desempenho do motor em sua faixa de operação; 
• O consumo de combustível dentro e fora de sua faixa de operação e os respectivos custos 
operacionais; 
• As emissões sonoras e de poluentes atmosféricos e os custos de sua mitigação; 
• Os custos iniciais do equipamento e acessórios, o de instalação e os decorrentes de 
manutenção; 
• A confiabilidade e a durabilidade do motor, seus requerimentos de manutenção e como estes 
afetam a disponibilidade e os custos de operação do mesmo. 
Estes fatores, entre outros que poderiam também ser mencionados, influenciam e 
controlam os custos operacionais totais dos motores e permitem avaliar se operam dentro das 
faixas ambientais de limites de emissão satisfatórias. 
O desempenho desses motores é mais precisamente definido por: (Heywood, 1988) 
• Máxima potência (ou o máximo torque) disponível em cada velocidade dentro da faixa útil de 
operação do motor; 
• Faixa de velocidade e potência nas quais a operação é satisfatória. 
As seguintes definições para a avaliação da operação também são freqüentemente 
utilizadas: 
• Potência nominal máxima: a maior potência em um motor somente é admitida em pequenos 
períodos de operação; 
• A potência nominal ‘normal’: a mais alta potência que é permitida para o motor operar 
continuamente; 
• Velocidade nominal: corresponde à velocidade rotacional da manivela na qual a potência 
nominal é desenvolvida. 
 
7.6.1- Propriedades geométricas de MCI alternativos 
Os seguintes parâmetros definem a geometria básica de um motor alternativo (Figura 
7.13): 
Taxa de compressão rc: 
 
 
c
cd
c V
VV
cilindro do mínimo volume
cilindro do máximo volume
r
+== (7.2) 
 
sendo Vd o volume deslocado ou varrido e Vc o volume morto. A seguir duas relações úteis para 
o cálculo das propriedades geométricas são definidas. A primeira delas é a razão entre o 
diâmetro do cilindro (B) e o curso do pistão (L), designada por Rbs e a segunda relação é a razão 
do comprimento da biela (l) pelo raio do eixo da manivela (a), designada por R, ou seja: 
 
L
B
Rbs = 
pequenos e médios motores: 0,8 a 1,2; 
grandes motores de baixa velocidade: 0,5 
a
l
R = pequenos e médios motores: 3 a 4; 
grandes motores de baixa velocidade: 5 a 9 
 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.18
 
 
Figura 7.13- Geometria do cilindro, pistão, biela e manivela, sendo: ‘B’ o diâmetro, ‘L’ o curso, 
‘l’ o comprimento da biela, ‘a’ o raio da manivela e ‘θ’ o ângulo de posição da manivela. Ainda 
nesta figura, Vt é o volume total e correspondente à soma do volume morto Vc e do volume 
deslocado Vd. (Adaptado de Heywood, 1988) 
 
O volume do cilindro, em qualquer posição do eixo, é dado pela fórmula: 
 
 ( )sal
4
B 
 V V
2
c −+⋅
⋅π+= (7.3) 
 
onde s é a distância entre o centro do eixo da árvore de manivelas e a linha de centro do pino do 
pistão, cujo valor é dado por: 
 
 ( )21222 senalcosas θ⋅−+θ⋅= (7.4) 
 
O ângulo θ, apresentado na Figura 7.13, é denominado ângulo da manivela. Combinando-se as 
equações anteriores, chega-se na relação entre o volume do cilindro e o do volume morto 
(mínimo volume): 
 
 ( ) ( ) 




 θ−−θ−+⋅−⋅+= 2
1
22
c
c
senRcosR11r
2
1
1
V
V
 (7.5) 
 
A área superficial da câmara combustão em qualquer posição da manivela é determinada 
por: 
 
 ( )salBAAA pch −+⋅⋅π++= (7.6) 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.19
 
sendo Ach a área superficial do cabeçote do cilindro e Ap a área do topo do pistão e, para pistão 
de ‘cabeça’ plana, Ap = π⋅B2/4. Rearranjando a equação anterior vem: 
 
 ( )








θ−−θ−+⋅⋅⋅π++= 2
1
22
pch senRcosR12
LB
AAA (7.7) 
 
7.6.2- Torque e potência no freio 
O torque de um motor, normalmente, é medido com um dinamômetro. O motor é fixado 
em uma bancada de teste e o eixo é conectado ao rotor do dinamômetro. A Figura 7.14 ilustra o 
princípio de operação do dinamômetro. O rotor é acoplado eletromagneticamente, 
hidraulicamente ou por fricção mecânica ao estator, o qual está apoiado em pequenos mancais de 
fricção. De acordo com a notação da Figura 7.14, o torque (T) exercido pelo motor é: 
 
 bFT ⋅= (7.8) 
 
A potência (P) desenvolvida pelo motor e absorvida pelo dinamômetro é o produto do 
torque pela velocidade angular, ou seja: 
 
 TN2P ⋅⋅π⋅= (7.9) 
 
sendo N a velocidade de rotação do eixo de manivela. Nesta fórmula, para se calcular P em [W], 
N deve estar em [rev/s] e T em [N⋅m]. O valor da potência do motor medida como descrita acima 
é denominada potência no freio e corresponde à potência útil desenvolvida pelo motor para uma 
carga, que neste caso é um freio. 
 
 Estator 
Rotor 
Força F 
Célula de 
carga N 
b 
 
 
Figura 7.14- Esquema básico do principio de operação de um dinamômetro 
 
7.6.3- Trabalho indicado por ciclo 
Os dados de pressão para o gás no cilindro, durante o ciclo operacional da máquina, podem 
ser usados para calcular a transferência de trabalho do gás para o pistão. A pressão no cilindro e 
o correspondente volume por todo o ciclo do motor pode ser plotado em um diagrama p-v como 
mostrado na Figura 7.15. A potência indicada por ciclo, Wi,c, por cilindro, é obtida integrando ao 
redor da curva, ou seja, 
 
Capítulo 7 Motores de combustãointerna (MCI) alternativos 7.20
∫=⇒=⋅== dV pWdV PdxA Pdx FdW c,i (7.10) 
 
dx 
P 
 
 
Para os ciclos de dois tempos (Figura 7.15.a), a aplicação da integral é direta. Com a 
adição dos cursos de exaustão e admissão para o ciclo de quatro tempos, duas definições de 
produção indicada são usualmente utilizadas (Figuras 7.15.b e 7.15.c): 
• Trabalho bruto indicado por ciclo, Wi,cb, que é o trabalho desenvolvido pelo pistão durante 
apenas os cursos de compressão e expansão (potência). Na figura é representada pela área (‘A’ + 
‘C’); 
• Trabalho líquido indicado por ciclo, Wi,cl, que é o trabalho desenvolvido pelo pistão durante 
todo o ciclo quatro tempos. Na figura é representada pela área [(‘A’ + ‘C’) - (‘B’ + ‘C’)], ou seja, 
área (‘A’ - ‘B’); 
A área (‘B’ + ‘C’) é o trabalho transferido entre o pistão e os gases no cilindro durante os 
cursos de admissão e exaustão e denominado trabalho de bombeamento, Wb. O trabalho de 
bombeamento transferido será para os gases do cilindro se a pressão, durante o curso de 
admissão, for menor do que a do curso de compressão. Esta é a situação que ocorre com os 
motores naturalmente aspirados. Caso contrário, o trabalho de bombeamento será transferido 
pelos gases do cilindro para o pistão, que normalmente ocorre para os motores supercarregados. 
A potência por cilindro é relatada como trabalho indicado por ciclo pela equação: 
 
 
r
c,i
i n
NW
P
⋅
= (7.11) 
 
sendo nr o número de revoluções da árvore de manivelas, por cilindro, para cada curso de 
potência. Para o ciclo de quatro tempos, nr = 2 e, para dois tempos, nr = 1. 
A potência indicada é a taxa de transferência de trabalho do gás dentro do cilindro para o 
pistão. Ela difere da potência no freio pela potência absorvida superando a fricção do motor, bem 
como a potência de acionamento de acessórios do motor (bomba de óleo, bomba de água, 
alternador, ventilador, ar condicionado, etc.) e, no caso da potência indicada líquida, da potência 
de bombeamento. Tanto a potência indicada como a no freio são usadas para descrever outros 
parâmetros tais como a pressão média efetiva, o consumo específico de combustível e as 
emissões específicas do motor. 
 
7.6.4- Pressão média efetiva 
A pressão em um cilindro muda durante o curso de expansão, primeiro aumentando devido 
a adição de calor e, posteriormente, decrescendo devido ao aumento no volume do cilindro. Da 
definição do trabalho indicado, a pressão média efetiva indicada pode ser calculada como: 
 
 
d
c,i
ic,i V
W
pmedV pW =⇒= ∫ (7.12) 
 
A pressão média efetiva pode também ser encontrada para o trabalho de fricção (devido à 
fricção nos mancais e anéis) e no freio. 
 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.21
 
d
f
f V
W
pme = (7.13) 
 
 
d
b
b V
W
pme = (7.14) 
 
 
Figura 7.15- Exemplos de diagrama p-v para (a) MCI dois tempos, (b) MCI quatro tempos e (c) 
cursos de exaustão e admissão para MCI quatro tempos ignição por centelha a carga parcial. 
(Adaptado de Heywood, 1988) 
 
Segundo Kirkpatrick, um motor ciclo Otto naturalmente aspirado apresenta um valor da 
pmeb em torno de 1.000 kPa, enquanto que para um turbo carregado a pmeb está por volta de 
1.500 kPa, podendo atingir valores bem maiores no caso de motores de ignição por compressão. 
Outras maneiras de se calcular a pme são: 
 
 
NV
nP
pme
d
r
⋅
⋅= (7.15) 
 
e 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.22
 
 
d
r
V
Tn2
pme
⋅⋅π⋅= (7.16) 
 
sendo P a potência, nr o número de revoluções do eixo de manivelas (igual a 2 para motores de 
quatro tempos e 1 para de dois tempos), Vd o volume deslocado, N a rotação do motor e T o 
torque. 
 
7.6.5- Eficiência mecânica 
Conforme já comentado, parte da potência ou trabalho indicado bruto por ciclo é usado 
para expelir os gases de exaustão e induzir carga nova no cilindro. Uma parte adicional é usada 
para superar a fricção dos mancais, anéis, pistões e outros componentes do motor e para acionar 
os acessórios do motor. Todos estes requerimentos de potência são agrupados juntos formando a 
denominada potência de fricção (Pf). Portanto, a potência bruta indicada (Pi,b) é a soma entre a 
potência ao freio (Pb) mais a potência de fricção (Pf): 
 
 fbb,i PPP += (7.17) 
 
A potência de fricção é difícil de se determinar com precisão. Uma aproximação 
comumente realizada para motores de alta velocidade de rotação é motorizar o motor com um 
dinamômetro (operar o motor sem queima) e medir a potência que necessita ser fornecida pelo 
dinamômetro para superar todas as perdas por fricção (Heywood, 1988). 
A razão da potência de frenagem entregue pelo motor pela potência indicada é denominada 
eficiência mecânica, ηmec, e vale: 
 
 
b,i
f
b,i
b
mec P
P
1
P
P −==η (7.18) 
 
7.6.6- Consumo específico de combustível e eficiência de conversão de combustível 
Em testes com motores, o consumo de combustível é medido como o fluxo mássico por 
unidade de tempo, combm
•
. Um parâmetro utilizado com mais freqüência na análise de MCI é o 
consumo específico de combustível, cec, definido como o fluxo de combustível por unidade de 
potência, ou seja, é a medida de quão eficiente é um motor usando um combustível para gerar 
potência. 
 
 
P
m
cec comb
•
= (7.19) 
 
Baixos valores de cec são, obviamente, desejados. Para MCI ignição por centelha, os 
melhores valores típicos do consumo específico de combustível, considerando a potência no 
freio, estão por volta de 270 g/kWh e, para MCI ignição por compressão 180 g/kWh (Heywood, 
1988). Porém, deve-se ressaltar que uma das dificuldades no uso do conceito de consumo 
específico reside no fato de que este conceito não permite uma comparação entre motores que 
operam com diferentes combustíveis (por exemplo, entre motores a gasolina e a álcool, ou entre 
motores a gás natural e a gás pobre). 
 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.23
Uma medida da eficiência do motor muito utilizada é a que relaciona o trabalho produzido 
por ciclo com a quantidade de energia fornecida pelo combustível, ou seja, a massa de 
combustível vezes o poder calorífico do mesmo, denominada eficiência de conversão do 
combustível. 
 
 
( )
( ) PCIm
P
PCN/nm
N/nP
PCm
W
combrcomb
r
comb
c
comb
⋅
=
⋅⋅
⋅=
⋅
=η •• (7.20) 
 
sendo mcomb e combm
•
 a massa e vazão de combustível por ciclo, respectivamente. Combinando-se 
a equação do consumo específico de combustível com a da eficiência de conversão do 
combustível, tem-se: 
 
 
PCIcec
1
comb ⋅
=η (7.21) 
 
7.6.7- Relação ar/combustível e combustível/ar 
Em testes de motores, tanto a vazão de ar como a de combustível são geralmente medidas. 
A razão destas taxas de fluxo é útil na definição das condições de operação do motor, ou seja: 
 
 ( )
comb
ar
m
m
A/C lcombustíve/ar relação •
•
= (7.22) 
 
e 
 
 ( )
ar
comb
m
m
C/A ar/lcombustíve relação •
•
= (7.23) 
 
• A relação A/C é chamada ‘estequiométrica’, se a mistura contem a quantidade mínima teórica 
de ar que forneça oxigênio suficiente para uma combustão completa do combustível. Se a 
quantidade de ar é menor do que a estequiométrica, a relação A/C é chamada de ‘rica em 
combustível’; inversamente, se a quantidade de ar é maior, a relação A/C é chamada de ‘pobre 
em combustível’. Para faixas de operação normais de motor de combustão por centelha 
convencional, operando com gasolina, 12 ≤ A/C ≤ 18. Para motores de combustão por 
compressão, operando com diesel, 18 ≤ A/F ≤ 70 (Heywood, 1988). 
 
7.6.8- Eficiência volumétrica 
O sistema de admissão (filtro de ar, tubo de alimentação, janelas, válvulas, etc.) restringe a 
quantidade de ar que poderia ser induzida em um motor de dado deslocamento. O parâmetro 
utilizado para medir a eficácia do mecanismo de admissão em um motor é a eficiência 
volumétrica, definida como a massa de ar efetivamente admitida no cilindro dividida pela massa 
de ar nas condições (de pressão e temperatura) existentes no coletor deadmissão e que ocuparia 
o volume deslocado pelo cilindro, ou seja: 
 
 
dar
ar
dar
ar
v V
m
NV
m2
⋅ρ
=
⋅⋅ρ
⋅=η
•
 (7.24) 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.24
 
sendo ρar a massa específica do ar nas condições de pressão e temperatura do coletor de 
admissão. 
 
7.6.9- Relação entre os parâmetros de desempenho 
A importância dos parâmetros definidos anteriormente para o desempenho do motor torna-
se evidente quando a potência, o torque e a pressão média efetiva são expressos por meio dos 
mesmos. Combinando-se equações anteriores tem-se: 
 
( )
r
acomb
n
A/CPCNm
P
⋅⋅⋅⋅η= 
 
( )
π⋅
⋅ρ⋅⋅⋅η⋅η=
4
A/CPCV
T ardvcomb 
 
( )A/CPCpme arvcomb ⋅ρ⋅⋅η⋅η= 
 
Estas relações ilustram a importância direta para o desempenho do motor considerando: 
• Alta eficiência de conversão do combustível; 
• Alta eficiência volumétrica; 
• O aumento da produção de energia pelo aumento da massa específica do ar de admissão; 
• A máxima relação (C/A) durante a combustão; 
• Alta velocidade média do pistão. 
Observar ainda que se os demais parâmetros não variassem, a potência cresceria 
linearmente com a rotação e que a alta eficiência volumétrica é o principal motivo pelo qual os 
motores de ignição por compressão possuem alta eficiência em cargas parciais, ao contrário dos 
motores de ignição por centelha, que estrangulam a entrada de ar. 
 
7.7- MCI NA GERAÇÃO TERMELÉTRICA 
 
A eficiência térmica dos MCI modernos é considerável, alcançando naqueles de maior 
porte valores superiores a 40 %, conforme é mostrado na Figura 7.16 (Grone e Hellmann, 1997). 
É bom assinalar que a eficiência das CTE de ciclo combinado de alta capacidade pode chegar a 
valores superiores ao assinalado nesta figura, alcançando 57 a 58 % (Vide Capítulo 12). Para o 
atendimento de potências na faixa entre 20 a 50 MW, os MCI atingem eficiências maiores que os 
ciclos combinados. Além disso, os MCI, quer sejam do ciclo Otto ou Diesel são eficientes 
mesmo trabalhando a cargas parciais, podendo-se manter quase a mesma eficiência para valores 
de carga entre 40 e 110 % do valor nominal, porém com os motores do ciclo Diesel apresentando 
melhores desempenhos. Um dos avanços significativos neste sentido foi a introdução do turbo-
compressor que aproveita a energia dos gases de exaustão para comprimir o ar de alimentação 
antes de entrar na câmara de combustão. 
O gás é hoje e será nas próximas décadas uma das mais importantes fontes de energia do 
mundo. Considerando-se o aspecto ambiental, com exigências cada vez maiores para o uso de 
fontes mais limpas para a geração de energia, o gás natural é considerado o melhor combustível e 
o seu uso representa, portanto, uma alternativa para esta nova conjuntura. Sacrifica-se, porém a 
eficiência, que não é a mesma dos motores Diesel em plena carga e menor ainda em cargas 
parciais 
Novos conceitos de ignição utilizam tanto a tradicional ignição por centelha em câmaras de 
pré-combustão, como a ignição de misturas pobres de ar-gás com a injeção de Diesel. O controle 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.25
do funcionamento de cada cilindro é feito de forma independente e a admissão de gás para cada 
um deles é controlada eletronicamente com relação ao tempo e à quantidade de gás para cada 
ciclo de combustão. Outros novos conceitos permitem a operação com gases de baixo poder 
calorífico (residuais). 
 
 
 
Figura 7.16- Comparação das eficiências para diferentes tecnologias (Grone e Hellmann, 1997). 
Uma conclusão a que se chega é que, para pequenas capacidades, os motores apresentam a mais 
alta eficiência dentre as máquinas térmicas. Também, nota-se que o valor da eficiência para 
ciclos combinado apresentada pelo autor está abaixo dos valores atuais. De acordo com o 
Capítulo 12 - Ciclos Combinados - constata-se que estes valores podem chegar a 58 % de 
eficiência, com expectativas de curto prazo em ultrapassar 60 %. 
 
A utilização dos motores alternativos em unidades de geração tende, atualmente, a 
apresentar uma construção modulada. Este tipo de construção oferece como principais 
vantagens: 
• A instalação e a partida podem ser muito mais rápidas. O trabalho no local é minimizado, o 
que resulta num tempo de execução mais curto da totalidade do projeto; 
• No caso em que no futuro houver a necessidade de aumento de carga, a instalação modular 
padronizada dá flexibilidade para um aumento gradual da capacidade instalada, evitando-se 
elevados investimentos iniciais; 
• A central elétrica padrão é projetada para o menor espaço físico possível. É possível construir 
uma central de cogeração de 2,5 MW, de acordo com todos os regulamentos de emissões e 
ruídos, numa área de 100 m2 (ANEEL, 2000); 
• Os motores modernos podem trabalhar com diferentes alternativas de combustíveis. Além 
dos tradicionais (Diesel e óleos pesados), o gás natural e o gás liquefeito do petróleo podem 
também ser usados, assim como outras variantes que incluem gases menos nobres, álcool e óleos 
vegetais. Mas as tecnologias e o desempenho variam substancialmente de acordo com o 
combustível escolhido; não há flexibilidade de escolha com manutenção de mesmo desempenho 
(potência, eficiência, emissões, etc.) 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.26
 
Tabela 7.1- Dados de fabricantes de grupos geradores (Diesel and Gas Turbine Worldwide 
Catalog, 2000). 
Modelo Tipo (1) Faixa de 
velocidade de 
rotação (rpm) 
Máxima pressão 
média efetiva ao 
eixo (bar) 
Faixa de 
potência - baixa 
(kW) 
Faixa de 
potência - alta 
(kW) 
Caterpillar, Inc. 
3054 D 2.400 - 2.600 10,4 56 83 
Série 3300 SI 1.000 - 1.800 10,5 41 164 
3056 D 2.400 - 2.600 10,4 83 135 
3116 D 1.800 - 2.800 16,9 86 261 
3176 D 1.800 - 2.300 22,6 201 448 
Série 3400 SI 1.000 - 1.800 12,4 93 504 
3406 E D 1.800 - 2.300 18 269 597 
3412 E D 1.200 - 2.100 18 373 783 
Série 3500 SI 1.000 - 1.400 11,7 192 999 
3516 B D 1.000 - 1.925 20,2 984 2.237 
Série 3600 SI 750 - 1.000 14,2 928 3.509 
3612 D 750 - 1.000 22 2.980 4.500 
12CM32 D 750 22,7 5.365 5.590 
12CM43 D 500 - 514 24,4 10.480 10.480 
18CM43 D 500 - 514 24,4 15.710 15.710 
Wärtsilä Corporation 
W20 D 720 - 1.000 24,6 - 25,8 720 1.620 
W200 D 1.200 - 1.500 21,2 - 23,2 2.100 3.600 
W26 D 900 - 1.000 23,0 - 24,3 1.860 5.850 
Vasa 32 GD DF 720 - 750 21,3 - 24,0 1.480 7.380 
W32 D 720 - 750 22,9 23,3 2.700 8.280 
RTA48T-B D 102 - 127 19 5.100 11.640 
W38 D 600 24,5 - 26,5 3.960 13.050 
RTA58T-B D 84 - 105 19 7.450 17.000 
W46GD DF 500 - 514 21,9 - 24,3 5.430 17.550 
RTA68T-B D 75 - 94 19 10.300 23.520 
RTA84T-D D 61 - 76 18,5 14.350 36.900 
RTA84C D 82 - 102 17,9 11.360 48.600 
RTA96C D 90 - 100 18,2 23.040 65.880 
Rolls-Royce 
21/30 SI 1.000 6,9 672 1.008 
Série 2000 D, DF 720 - 1.000 15,15 507 1.584 
KRM D 750 22 1.215 1.820 
KVGS SI 1.000 15,7 2.220 3.330 
KVG D 750 22 2.430 3.645 
B32:40A D 750 24,9 3.000 4.500 
32CLX D 600 21,5 4.280 6.420 
B32:40A D 750 24,9 6.000 9.000 
PC2-6 D, DF 500 - 520 22,7 5.500 9.900 
Série 5000 D 720 - 750 26 3.150 10.500 
41HX D 500 - 514 23,23 - 24,35 11.768 13.230 
PC2-6B D, DF 600 23,9 9.000 15.000 
46HLX D 429 22,98 13.760 15.480 
(1) D: Diesel ou óleo pesado; SI: Ignição por centelha; DF: Combustível dual. 
 
Em várias unidades disponíveis no mercado, o motor duplo combustível apresenta uma 
necessidade mínima de aproximadamente 3% de combustível líquido piloto, o qual pode ser 
Diesel ou óleo pesado, e em tecnologias mais avançadas, esse valor atinge 1 % (Wideskog, 
1998). Este fato criou um argumento positivo para este tipo de equipamento, significando que 
podem ser usados diversos insumos alternativamente na mesma instalação, mas com diferentes 
eficiências (Mohr, 1998). Para estes motores, necessita-se controlar a injeção do gás e do 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.27
combustível líquido de acordo com a seleção do modo de operação e proteger o motor contra 
falhas no sistema de fornecimento de gás. O modo de operaçãoé escolhido pelo toque de um 
botão, sem interrupção do funcionamento ou variação na carga. A característica mais importante 
do sistema de controle mostra-se quando o fornecimento de gás é interrompido. Em fração de 
segundos o motor é automaticamente transferido do modo gás para combustível líquido, sem 
alteração perceptível de freqüência e mantendo-se a mesma potência (ANEEL, 2000). 
É ampla a faixa de aplicações dos grupos moto geradores, encontrando-se centrais 
geradoras desde poucos kW até aquelas com mais de 350 MW de potência, com aplicações em 
geração isolada e interligada, propulsão e iluminação de navios, unidades de emergência, etc. A 
Tabela 7.2 mostra um levantamento das usinas brasileiras acionadas por MCI (Memória da 
Eletricidade, 2000). 
A disposição típica das plantas consiste de dois grupos principais: mecânico e elétrico. Os 
componentes do sistema mecânico proporcionam as funções necessárias para operar o motor. Os 
componentes do sistema elétrico garantem a eletricidade para o funcionamento das diferentes 
unidades auxiliares do sistema mecânico. 
 
Tabela 7.2- Exemplos de usinas termelétricas com MCI no Brasil em operação isolada 
(Memória da Eletricidade, 2000) 
 
Usina Potência instalada total (kW) Descrição por unidade (kW) 
Altamira (PA) 12.400 2 x 1.700 + 3 x 1.000 + 8 x 700 + 1 x 400 
Boa Vista II (RR) 17.500 7 x 2.500 
Caracaraí (RR) 6.876 2 x 536 + 1 x 600 + 3 x 320 + 2 x 300 + 
3 x 648 + 1 x 356 + 1 x 660 + 1 x 684 
Costa Cavalcante II (AC) 32.760 9 x 2.500 + 5 x 1.752 + 1 x 1.500 
Itacoatiara (AM) 15.260 2 x 2.500 + 3 x 2.320 + 3 x 1.110 
Itaituba III (PA) 18.060 1 x 1.300 + 2 x 1.750 + 1 x 1.300 + 1 x 11.456 
Manacapuru (AM) 7.708 1 x 630 + 1 x 2.320 + 2 x 1.252 + 2 x 1.100 
Pimenta Bueno (RO) 13.000 4 x 2.500 + 2 x 1.500 
Pontinha do Coxo (MS) 288 2 x 144 
Porto Murtinho (MS) 3.140 7 x 256 + 3 x 260 + 1 x 304 + 1 x 264 
Porto Velho III (RO) 14.880 3 x 5.270 
Rolim de Moura (RO) 14.500 1 x 1.000 + 4 x 1.500 + 3 x 2.500 
Santa Tereza (MS) 180 1 x 180 
Vilhena (RO) 14.000 3 x 1.000 + 4 x 1.500 + 2 x 2.500 
 
Na Figura 7.17 apresenta-se um diagrama genérico de um ciclo combinado MCI?Turbina a 
vapor e na 7.18 um típico diagrama de Sankey de um MCI mostrando-se as principais perdas que 
ocorrem em instalações que empregam estes acionadores. 
 
 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.28
 
Figura 7.17- Esquema de uma central de ciclo combinado com MCI/turbina a vapor. (Energy 
News/Wärtsilä, 1998) 
 
 
 
Figura 7.18- Diagrama de Sankey típico de uma instalação de MCI de ciclo diesel . (Adaptado 
de Ulstein Bergen). Na figura acima, os 35,5% de perdas referem-se aos gases de exaustão 
 
7.8- CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS AUXILIARES 
 
7.8.1- Sistemas mecânicos 
A filosofia do projeto das novas plantas geradoras é incorporar os componentes auxiliares 
como bombas, filtros e outros do processo, no próprio motor ou separadamente em grupos 
modulares. Esses módulos pré-projetados são fabricados e testados separadamente antes de 
serem incorporados na planta. Desta forma, além de se garantir a confiabilidade no 
funcionamento, esta construção modular também garante a rápida instalação dos equipamentos 
como também facilita quando se necessitar um aumento da capacidade de geração. Na Figura 
7.20 é mostrado um esquema simplificado destes blocos. Na realidade o trabalho a ser feito na 
montagem da planta vai ser a união dos diferentes módulos pela instalação das tubulações e 
cabos necessários entre eles. 
 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.29
 
 
Figura 7.20- Sistema em blocos numa planta de MCI 
 
7.8.2- Sistema de óleo combustível 
 
O sistema de óleo combustível consiste do conjunto de descarga e estocagem, 
transferência, tratamento, alimentação e coleta do óleo de retorno. Esta disposição deve garantir 
o suprimento contínuo do óleo combustível nos níveis corretos de fluxo, pressão, limpeza e 
viscosidade. Os sistemas que trabalham com óleo pesado são projetados para utilizar 
combustíveis mais leves no caso de emergência, ou durante a manutenção dos motores e na 
partida. A Figura 7.21 apresenta um sistema óleo combustível numa planta Diesel e a interação 
entre suas partes componentes. 
 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.30
 
 
Figura 7.21- Sistema típico de fornecimento de óleo combustível numa planta com MCI. (Power 
Master, Wärtsilä NSD) 
 
Os motores que funcionam com dois combustíveis geralmente são desenvolvidos para 
trabalharem com combustíveis gasosos e o óleo Diesel é usado como emergência. No modo gás 
é possível converter, instantaneamente, para o modo Diesel operando a qualquer nível de carga. 
A razão típica para o uso de dois combustíveis é a prevenção da falta de suprimento do gás, além 
das vantagens associadas às emissões de poluentes (como já mencionado, o motor a gás opera 
segundo o ciclo Otto, com todas as desvantagens associadas a este ciclo no que se refere à 
eficiência). 
 
7.8.3- Sistema de óleo de lubrificação 
 
O sistema de lubrificação tem três funções básicas: lubrificar mancais e partes deslizantes 
do motor, esfriar as cabeças dos pistões e levar partículas sólidas para fora do motor a fim de 
serem removidas no sistema de separação e filtração. O óleo lubrificante é cuidadosamente 
filtrado antes de entrar no motor. O tratamento dos óleos lubrificantes também inclui separadores 
centrífugos para remover água ou qualquer partícula indesejável no óleo após da lubrificação. 
Um esquema de um sistema de óleo de lubrificação é mostrado na Figura 7.22, e na Figura 7.23 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.31
um diagrama de fluxo de óleo apresentando-se os tanques de armazenagem de óleo novo e 
usado, as tubulações de distribuição, as unidades de separação e filtragem, de resfriamento e 
bombeamento. 
 
 
 
Figura 7.22- Arranjo de um sistema de óleo de lubrificação. (Power Master, Wärtsilä NSD) 
 
7.8.4- Sistema de ar comprimido 
 
Este sistema é necessário para a partida do MCI, sendo também utilizado nos 
equipamentos de instrumentação e controle pneumáticos e ferramentas próprias da operação e 
manutenção. A disposição deste sistema é mostrada na figura 7.24. 
 
 
 
Figura 7.24- Esquema de um sistema de ar comprimido (Power Master, Wärtsilä NSD) 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.32
 
Figura 7.23- Diagrama de fluxo de óleo de lubrificação. (Power Master, References) 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.33
7.8.5- Sistema de resfriamento 
 
Este sistema é dividido em dois circuitos: baixa e alta temperatura. Sua função é o 
resfriamento do motor, cujo propósito é o controle da temperatura no nível adequado, a fim de se 
manter a combustão em qualquer carga, mantendo a máxima eficiência térmica sem prejudicar as 
características mecânicas dos componentes metálicos. O sistema de baixa temperatura resfria o 
óleo lubrificante e o ar de alimentação. O sistema de alta temperatura resfria o bloco do motor, ar 
de alimentação e cabeça dos cilindros. Os métodos de resfriamento normalmente utilizados são 
os radiadores e as torres de resfriamento ou trocadores de calor a água. Os radiadores são 
recomendados quando a disponibilidade de água é pouca, utilizando-se ventiladores a ar para o 
resfriamento, e desta forma, se elimina a dependência do suprimento de água de evaporação. Na 
Figura 7.25 é mostrado um esquema básico desta instalação, porém deve-se salientar que estes 
sistemas tendem a consumir mais potência, o que reduz um pouco a eficiência global da 
instalação. As torres de resfriamento e os trocadores de calor a água são usados quando se dispõe 
de uma fonte de água abundante, porém deve-se atentar quanto ao requerimento da alta 
qualidade da mesma. Maiores detalhes podem ser visto no Capítulo 8. 
 
 
 
Figura 7.25- Esquema de um sistema de resfriamento por radiadores. (Power Master, Wärtsilä 
NSD) 
 
7.8.6- Sistema dos gases de exaustãoOs gases de exaustão do processo de combustão saem do motor a temperaturas que variam 
entre 250 e 400 °C, dependendo da carga desenvolvida pelo motor e do combustível empregado. 
Antes de serem lançados à atmosfera, estes passam através de um silenciador (para a redução dos 
índices de emissão sonora) e, no caso dos sistemas de cogeração, por uma caldeira recuperativa 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.34
(para a recuperação do calor dos gases de exaustão através da geração de vapor). Em 
dependência dos níveis de emissões e da legislação ambiental local, pode ser necessária a 
instalação de equipamentos de tratamento destes gases. 
 
7.8.7- Sistemas elétricos 
 
Para otimizar o custo de construção e minimizar as perdas, os sistemas de transmissão são 
projetados para altas tensões e potências consideráveis. Deste modo, as pequenas centrais, 
unidades de potência entre 500 kW e 2 MW, geralmente são conectadas a redes de 0,4kV. 
Centrais de maior porte, entre 30 - 40 MW são, geralmente, conectadas às redes de média tensão 
(6 - 33 kV), e as centrais, maiores de 50 MW (designadas plantas independentes) são conectadas 
na rede de 132 ou 220 kV. 
As plantas com potências entre 30 e 50 MW são conectadas através de disjuntores de 
média tensão. As plantas com capacidades elevadas são divididas em seções de entre 30 e 50 
MW, para manter os níveis de curto-circuito no disjuntor menores de 40 kA. 
Os sistemas elétricos são divididos nos seguintes componentes principais: 
• Geradores: Módulos padronizados que garantem uma rápida instalação; 
• Disjuntores de média tensão; 
• Sistemas de serviço: Incluem transformadores e disjuntores de baixa tensão para fornecer 
energia às unidades auxiliares como bombas, ventiladores, aquecedores, etc; 
• Sistema de fornecimento auxiliar de energia: Sistemas de CC (corrente contínua) e de 
UPS garantem a energia para o controle contínuo dos disjuntores de média tensão, e para os 
equipamentos de proteção e automação; 
• Sistemas de proteção a terra; 
• Sistemas de automação e controle: Variam desde painéis de controle convencionais, 
baseados em relés até PLC e complexos sistemas de controle distribuídos. O controle e 
automação consistem de processos de monitoramento de parâmetros, ‘data logging’, sensores e 
operação seqüencial no controle e proteção dos motores, bombas, aquecedores, ventiladores, etc. 
A automação do tipo PLC é comumente a solução mais efetiva, pois oferece a facilidade de um 
controle a ‘laço fechado’ com o mínimo de funções. O sistema PLC consiste de estações de 
análise e processamento para cada motor e blocos auxiliares, e uma estação de operação 
equipada com alarmes e sistemas de monitoramento e controle a distância; 
• Disjuntores de alta tensão: São necessários para conectar a planta na rede pública, 
tipicamente em 110 e 220 kV. 
 
7.8.8- Sistema de recuperação de calor 
 
A caldeira de recuperação dos gases de exaustão é usualmente utilizada para a produção do 
vapor na própria planta. Esse vapor é necessário, por exemplo, para o sistema de óleo pesado 
e/ou consumidores de calor. A pressão do vapor é controlada por uma válvula de ‘by-pass’ nos 
gases da exaustão ou por um condensador. O condensado é coletado no tanque de água de 
alimentação e re-inserido na caldeira por uma bomba de alimentação. Uma caldeira auxiliar é 
utilizada para fornecer vapor no caso em que o motor não se encontre funcionando ou para 
fornecer vapor suplementar em caso de necessidade. A Figura 7.26 apresenta o sistema de 
recuperação de calor dos gases de exaustão e dos sistemas de água e óleo de resfriamento. 
 
7.8.9- A edificação da central 
 
A central, geralmente, consiste de dois edifícios separados: casa de máquinas, que inclui os 
grupos geradores, blocos auxiliares e uma sala para manutenção e o edifício de operação que 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.35
inclui a sala de controle, painéis elétricos e a seção de serviços. A disposição construtiva das 
centrais prevê a possibilidade de expansão utilizando o mínimo de espaço possível, aproveitando 
a modularidade dos equipamentos. A Figura 7.27 mostra a disposição construtiva de uma central 
Diesel. 
 
 
 
Figura 7.26- Esquema de um sistema de recuperação de calor. (Power Master, Wärtsilä NSD) 
 
 
 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.36
 
1-Motor Diesel 
2-Gerador 
3-Silenciador 
4-Separador de óleo lubrificante 
5-Tanque de expansão (água de resfriamento) 
6-Unidade de suprimento de óleo pesado 
7-Filtro de ar de alimentação 
8-Bomba de água de resfriamento 
9-Radiador (baixa temperatura) 
10-Radiador (alta temperatura) 
11-Ponte rolante 
12-Sala de controle, disjuntores, oficinas, etc 
13-Ventilação da sala de máquinas 
14-Canais de cabos elétricos 
15-Canais de tubulações 
16-Canais de tubulações comuns 
17-Tanques de resíduos de óleo 
18-Fundação do motor 
19-Tanque exterior de lodos 
20-Tanque exterior de óleo pesado 
21-Tanque de óleo Diesel 
22-Tanque exterior de óleo pesado para serviços 
23-Unidade separadora de óleo pesado 
24-Ventilação 
 
Figura 7.27- Disposição geral dos equipamentos de uma central típica com MCI
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.37
7.9- EMISSÕES NOS MCI 
 
Os motores de combustão interna, quer utilizem combustível gasoso, quer líquido, 
emitem uma série de poluentes durante suas operações,cujos componentes tóxicos 
principais são o monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOX), hidrocarbonetos 
não queimados ou queimados parcialmente (CXHY), óxidos de enxofre (SOX) e 
particulados, e cujas concentrações estão diretamente relacionada com a qualidade do 
combustível, parâmetros de operação do motor (relação ar-combustível) e organização da 
combustão. Nos países desenvolvidos, como também no Brasil, limites de emissão destes 
poluentes são regulamentados através das agências ambientais e mostrados no Capítulo 18 
deste livro, onde se tratam também de seus mecanismos de formação, bem como das 
principais técnicas de controle. 
Diferentes conceitos de motores, levam a emissões também diferenciadas dos 
poluentes. Por exemplo, para motores a gás (ciclo Otto), a região próxima à estequiométrica 
apresenta maiores emissões de NOX, CO e HC, conforme pode ser observado na Figura 
7.28. A utilização da queima na região pobre (‘lean burn’) reduz todas essas emissões 
consideravelmente, porém existe um limite para que se possa garantir uma alta eficiência na 
queima (quantidade mínima de combustível que irá garantir a combustão). Já a emissão de 
particulados, geralmente não é problema nestes motores, bem como os SOX podem ser 
desconsiderados, quando operando com gás natural. 
 
 
 
Figura 7.28- Efeito da relação ar-combustível nas emissões de CO e NOX em MCI Otto a 
gás (adaptado de Energy News, 1997) 
 
Por outro lado, óxidos de nitrogênio e particulados são os componentes com maior 
concentração nos gases de exaustão dos motores Diesel ou óleo combustível. Nestes, CO e 
HC são usualmente desconsiderados, enquanto que os óxidos de enxofre dependem da 
fração de enxofre do combustível, sendo que para os óleos pesados o valor pode ser 
significante. 
Capítulo 7 Motores de combustão interna (MCI) alternativos 7.38
De acordo com Niemi, 1997, emissões típicas de NOX em motores Diesel comerciais 
sem sistema de controle de poluentes nos gases de exaustão, situam-se entre 6,7 e 19 
g/kWh de potência de eixo, o que corresponde a aproximadamente 800 a 1.600 mg/MJ, 
valores acima dos padrões de emissão da Alemanha (Capítulo 18). Com o avanço nos 
sistemas de combustão e conceitos inovadores, os fabricantes de motores têm trabalhado na 
redução da emissão de NOX em MCI Diesel. Neste mesmo trabalho, também são avaliadas 
as emissões dos motores a gás, ignição por centelha. Para aqueles que utilizam a queima 
pobre (‘lean burn’) e mantendo-se baixa a temperatura de combustão, não existem 
problemas com as emissões de NOX, não necessitando portanto