Depois de 166 anos, o motor de combustão ainda tem potencial não explorado

Uma das maiores descobertas da nossa época foi a invenção dos motores de combustão interna, que desempenharam um papel significativo no desenvolvimento da industrialização e, por sua vez, da civilização humana.

Esses motores foram inventados pela primeira vez no século XIX, embora cientistas e engenheiros tenham começado a contribuir para seu desenvolvimento uma década antes do início desse período.

Uma turbina a gás foi desenvolvida em 1791, e um motor a gás foi patenteado alguns anos depois. Uma patente para um motor de combustão interna, que também foi o primeiro a usar combustível líquido, foi registrada em 1794, e antes do final do século, o primeiro motor de combustão interna americano foi construído.

Embora o primeiro automóvel a funcionar com um motor de combustão interna tenha sido criado em 1862, o primeiro motor de combustão moderno só apareceu mais de uma década depois, em 1876. Em 1885, Gottlieb Daimler e Wilhelm Maybach aprimoraram o design e inventaram o primeiro motor de combustão interna prático e o carburador.

Agora, como funciona exatamente um motor de combustão? Bem, para começar, a combustão é um processo químico no qual a energia é liberada ao inflamar uma mistura de combustível e ar. Os motores de combustão interna (ICE) convertem parcialmente essa energia em trabalho mecânico.

Quando a mistura de combustível e ar é inflamada, milhares de pequenas explosões controladas ocorrem, que são a combustão ou queima.

Em um ICE, a ignição do combustível e a combustão ocorrem dentro do motor, que consiste em um cilindro fixo e um pistão em movimento. A queima provoca a expansão dos gases e a liberação de calor, que empurra o pistão para cima e para baixo. Isso, por sua vez, gira o virabrequim através de um sistema de engrenagens na transmissão, impulsionando as rodas do veículo para frente.

Existem dois tipos de motores de combustão interna: o motor a gasolina de ignição por faísca e o motor a diesel de ignição por compressão, sendo a diferença a forma como o combustível é fornecido e inflamado.

Motores de Combustão Dominam, Mas Enfrentam Desafios

Agora, mais de um século e meio após sua invenção, mais de um bilhão de motores de combustão interna (ICE) ainda circulam nas estradas globalmente hoje.

O mercado global de motores de combustão, por sua vez, está atualmente avaliado em cerca de US$ 200 bilhões e ainda se espera que cresça a um CAGR de 9,2% e atinja US$ 300 bilhões até 2033, impulsionado pela crescente demanda por veículos em mercados emergentes e pelos avanços tecnológicos no design de motores.

No entanto, o maior desafio para os motores de combustão é o crescimento dos veículos elétricos (EVs) e regulamentos de emissões mais rigorosos.

Mas, embora os EVs estejam se tornando mais comuns, representando cerca de 18% de todas as vendas de carros novos globalmente, um aumento de apenas 2% em 2018, os EVs ainda continuam sendo uma porcentagem realmente pequena do total de veículos com motor de combustão nas estradas. Com uma participação de mercado estimada entre 3-5%, de cada 100 veículos com motor de combustão, apenas um a cada três ou cinco veículos é um EV.

A tendência crescente dos EVs é impulsionada pela crescente demanda por motores, o que está levando ao esgotamento dos combustíveis fósseis, bem como a um aumento dramático da poluição em todo o mundo.

Devido à gasolina e ao diesel serem os combustíveis mais dominantes no setor automotivo, a poluição ambiental continua sendo a principal preocupação com os motores de combustão. As principais emissões desses motores são hidrocarbonetos não queimados, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e material particulado.

Isso está resultando em graves riscos à saúde e aquecimento global, o que fez com que países ao redor do mundo começassem a implementar regulamentos rigorosos para enfrentar as emissões do setor automotivo. Isso levou engenheiros e pesquisadores automotivos a experimentar várias tecnologias de motores, bem como combustíveis renováveis e mais verdes.

Com algumas nações chegando a proibir completamente os motores de combustão interna, os pesquisadores também estão avançando esses motores para melhorar seu desempenho e reduzir seu impacto ambiental.

Tornando os Motores de Combustão Mais Eficientes ao Converter o Calor Desperdiçado em Energia

Os motores de combustão interna produzem energia poderosa, mas nem toda a energia gerada é utilizada. Na verdade, apenas cerca de 25% a 30% da energia química é convertida em energia utilizável.

A maior parte dela fica armazenada no combustível que se perde como calor através dos sistemas de escape e refrigeração do motor. No entanto, há uma maneira de usar toda a energia perdida, e os cientistas estão trabalhando para encontrar soluções que a utilizem de forma produtiva.

estudo publicado¹ este ano na ACS Applied Materials (AMAT ) & Interfaces demonstrou como o calor do escape pode ser convertido em eletricidade, fornecendo uma fonte de energia sustentável.

Com financiamento da Office of Naval Research, do Army Rapid Innovation Fund Program e da National Science Foundation Industry, pesquisadores do Departamento de Engenharia Mecânica da Pennsylvania State University apresentaram um protótipo de sistema gerador termelétrico.

O gerador termelétrico (TEG) pode reduzir o consumo de combustível, bem como as emissões de dióxido de carbono (CO2). A ineficiência de combustível é um grande contribuinte para as emissões de gases de efeito estufa (GEE) e enfatiza a necessidade de sistemas inovadores de recuperação de calor residual como o TEG.

Esses sistemas de recuperação de calor TEG utilizam materiais semicondutores para transformar calor em eletricidade.

Inventados há mais de duzentos anos, os sistemas TEG podem ser usados em dispositivos eletrônicos, dispositivos médicos e aeroespaciais. Esses sistemas não têm partes móveis nem subprodutos químicos, permitindo que operem silenciosamente e permaneçam ecologicamente corretos. Eles também são duráveis, não requerem manutenção desnecessária e são adequados para integração em dispositivos volumosos e flexíveis.

De acordo com a pesquisa:

“Captura de energia térmica para objetos em movimento de alta velocidade é particularmente promissora ao fornecer uma fonte de energia eficiente e sustentável para melhorar as capacidades operacionais e a resistência.”

A forma como a tecnologia termelétrica (TE) funciona é utilizando diferenças de temperatura entre uma fonte de calor e a temperatura ambiente. Isso permite que a tecnologia TE forneça um suprimento constante de energia a esses sistemas, reduzindo a dependência de baterias tradicionais enquanto prolonga o tempo de operação.

Embora promissora, os projetos de muitos dispositivos termelétricos atuais são complexos e pesados e, como tal, necessitam de mais água de resfriamento para manter a diferença de temperatura necessária. No entanto, como a pesquisa observou, o desenvolvimento de projetos de sistemas TEG integrados está muito atrás do desenvolvimento de materiais.

Assim, guiados por Wenjie Li e Bed Poudel, pesquisadores da Penn State construíram um sistema TEG compacto para recuperar energia térmica. Esses sistemas TEG podem converter eficientemente o calor residual de escape não apenas de carros, mas também de outros veículos de alta velocidade, como veículos aéreos não tripulados (UAVs) ou drones e helicópteros, em energia.

Este novo TEG utiliza bismuto-telureto como semicondutor. Bi2Te3 é um pó cinza composto de bismuto e telúrio e possui excelente desempenho termelétrico em baixas temperaturas.

Além disso, a pesquisa utilizou trocadores de calor de aletas em forma de placa triangular, semelhantes aos usados em condicionadores de ar, para capturar calor dos dutos de escape de veículos, como o gás de escape do motor.

Um dissipador de calor também foi incorporado para regular a temperatura. Esta peça de hardware cilíndrica com aleta trapezoidal longitudinal aumenta significativamente a diferença de temperatura, o que tem um impacto direto na saída elétrica do sistema TEG.

Este dissipador de calor foi projetado para dispersar o calor por convecção forçada, mas a equipe otimizou ainda mais o design usando simulações de análise de elementos finitos (FEA) para aumentar o gradiente de temperatura e a potência de saída elétrica.

Com isso, o protótipo TEG da equipe atingiu uma potência de saída de 40 watts sob um gradiente de temperatura de 190 graus Celsius com módulos TE baseados em bismuto-telureto. Essa quantidade de energia é suficiente para alimentar uma lâmpada.

Notavelmente, os resultados da pesquisa mostraram que condições de alto fluxo de ar presentes nos tubos de escape aumentam a eficiência e elevam a saída elétrica do sistema.

A equipe testou o sistema TEG em simulações que imitam ambientes de alta velocidade, e ele demonstrou grande flexibilidade. Seu sistema de calor residual produziu até 56 W para velocidades de escape semelhantes às de um carro, o que equivale a cinco baterias de íon-lítio (Li) 18650. Esses números chegaram a 146 W para velocidades de escape semelhantes às de helicópteros, o que equivale a 12 baterias Li-ion 18650.

As baterias Li-ion 18650 oferecem benefícios de alta capacidade, longa vida útil, alta tensão e alto desempenho de segurança. Elas são mais comumente usadas em dispositivos eletrônicos, EVs e dispositivos de armazenamento de energia.

De acordo com os pesquisadores, o sistema TEG do estudo mais recente pode ser integrado diretamente às saídas de escape atuais e eliminar a necessidade de sistemas de resfriamento adicionais.

Os pesquisadores ainda acreditam que este trabalho pode abrir caminho para a integração prática de dispositivos termelétricos em veículos de alta velocidade, diante da crescente demanda por soluções de energia limpa.

Clique aqui para saber como os veículos a hidrogênio estão retornando.

Motores de Combustão Continuam a Evoluir

A recuperação de calor de escape dos motores de combustão tem realmente despertado interesse crescente em aumentar a eficiência e reduzir o consumo de combustível. Esses esforços ajudam a reduzir a poluição ambiental e o aquecimento global.

Além do TEG, ciclos de recuperação, dispositivos de turbo-compounding elétrico (ETC), absorção a vapor, motor Stirling (SE) e geradores termoacústicos (TAGs) são utilizados para captar calor dos sistemas de escape automotivo e industrial.

No entanto, os geradores termelétricos têm sido os mais adotados como tecnologia confiável, compacta e de estado sólido, que pode converter calor diretamente em eletricidade sem nenhum movimento mecânico. Eles também são leves e livres de vibrações, sem limitações de orientação e com emissão zero.

Além desses métodos de eficiência de combustível, os motores de combustão também têm apresentado outros avanços para melhorar seu desempenho, eficiência e sustentabilidade ambiental.

Isso inclui injeção direta de combustível, uma tecnologia que entrega o combustível diretamente na câmara de combustão, permitindo assim um controle preciso da mistura combustível-ar. Os turbocompressores, por sua vez, comprimem o ar de admissão, permitindo que motores menores gerem potência comparável à de seus equivalentes maiores.

Um desenvolvimento interessante tem sido a combinação de motores de combustão interna com motores elétricos, resultando em sistemas híbridos. Um trem de força híbrido oferece a flexibilidade de utilizar energia elétrica para condução em baixa velocidade e o motor de combustão para velocidades mais altas.

Liderados por marcas como Honda, Hyundai, Lexus, BYD e Porsche, os veículos híbridos têm ganhado muita tração mundialmente, mas ainda enfrentam desafios em termos de custo mais alto e menor potência em comparação com carros tradicionais.

Outro desenvolvimento tem sido observado no combustível que alimenta os veículos com motor de combustão interna. A exploração de combustíveis alternativos como etanol, gás natural, propano e biodiesel visa reduzir o impacto ambiental dos motores de combustão ao diminuir as emissões de gases de efeito estufa (GEE) e reduzir sua dependência de combustíveis fósseis.

Dentre esses combustíveis alternativos, o hidrogênio, em particular, tem atraído muita atenção de pesquisadores e empresas que desejam salvar os motores de combustão.

Uma das moléculas mais simples, o hidrogênio em forma gasosa, tem densidade de energia extremamente baixa, a menos que esteja sob pressão muito alta e/ou em temperatura muito baixa, e mesmo assim, sua densidade de energia é muito menor que a da maioria dos outros combustíveis líquidos. Isso causa problemas de armazenamento de combustível. Além disso, possui emissões mais altas de óxidos de nitrogênio (NOx).

Mas onde o hidrogênio se destaca é na velocidade de combustão, que é muito alta, muito maior que a da gasolina. Além disso, a propriedade de zero carbono do hidrogênio, quando queimado com oxigênio, o torna um combustível alternativo atraente. É por isso que os motores de combustão interna a hidrogênio e as células de combustível de hidrogênio estão ganhando tanto destaque.

Ambos esses veículos de energia utilizam hidrogênio. Nos ICEV, o hidrogênio é queimado de forma semelhante à gasolina, enquanto os veículos de célula de combustível de hidrogênio (FCEVs) utilizam hidrogênio em um dispositivo para gerar eletricidade.

No ano passado, pesquisadores da University of Alberta introduziram uma nova liga de alumínio-níquel para revolucionar os motores de combustão a hidrogênio. A liga AlCrTiVNi5 oferece alta estabilidade em condições de calor extremo, baixa expansão térmica e durabilidade superior, tornando-a ideal para suportar as temperaturas extremas da combustão de hidrogênio.

A Toyota também revelou vários protótipos de ICE no ano passado que podem funcionar com hidrogênio além de gasolina e outros combustíveis.

Liderando as Novas Abordagens aos Motores de Combustão

Atualmente, os motores de combustão enfrentam pressão crescente dos EVs e das regulamentações de emissões, mas apesar de tudo isso, continuam a dominar o setor de transporte. Isso se deve principalmente à infraestrutura estabelecida e à ampla disponibilidade, mas não é só isso. As empresas também estão avançando significativamente na solução do principal problema das emissões.

Por exemplo, Cummins (CMI ) e Ford Motor (F ) estão investindo em tecnologia de motor de combustão a hidrogênio, enquanto ClearSign Technologies Corporation (CLIR ) criou a Arquitetura Duplex Burner para melhorar a eficiência energética e atender a padrões rigorosos de emissões.

Portanto, vamos analisar mais a fundo o potencial de investimento de um inovador que ainda está desenvolvendo novas abordagens para o motor de combustão e ajudando-o a prosperar.

1. Westport Fuel Systems Inc. (NASDAQ: WPRT)

Um fornecedor líder de sistemas avançados de combustíveis alternativos, a Westport Fuel Systems (WPRT ) opera através de vários segmentos, incluindo Light-Duty, High-Pressure Controls & Systems, Cespira, Heavy-Duty OEM e Corporate.

Com um valor de mercado de US$ 72,5 milhões, as ações da Westport estão atualmente negociando a US$ 4,70, um aumento de 27,93% no ano. Seu EPS (TTM) é -1,57, e o índice P/E (TTM) é -2,91.

A empresa reportou receita de US$ 66,2 milhões no terceiro trimestre de 2024, o que representou uma queda de 14% em relação ao mesmo trimestre do ano passado. A receita foi impulsionada pela transição dos ativos Heavy-Duty OEM para a Cespira, uma joint venture entre a Volvo Group e a Westport.

Com essa joint venture, a Westport Fuel Systems e a Volvo Group visam desenvolver, promover e acelerar a comercialização da tecnologia HPDI. Isso ajudará a focar no avanço de soluções de transporte acessíveis e sustentáveis usando o motor de combustão interna que opera com combustíveis renováveis, por enquanto, e hidrogênio no futuro.

Em particular, espera-se que a joint venture tenha um impacto significativo nas aplicações globais de longo percurso e off-road de carga pesada. Os motores de combustão interna alimentados por HPDI, disse o CTO da Volvo, Lars Stenqvist, acredita-se que “desempenhem um papel crucial nos esforços globais de descarbonização no transporte comercial.”

No terceiro trimestre, o prejuízo líquido da empresa foi de US$ 3,9 milhões, e o caixa e equivalentes de caixa ao final foram de US$ 33,3 milhões.

“Continuamos confiantes no papel que os combustíveis alternativos desempenharão ao impulsionar a sustentabilidade no futuro do setor de transporte e aplicações industriais.”

– CEO Dan Sceli

Ao falar sobre hidrogênio, ele observou uma desaceleração no desenvolvimento da infraestrutura global, o que, por sua vez, afetou a adoção de aplicações automotivas e industriais alimentadas por hidrogênio. Segundo Dan:

“O sucesso deste mercado depende da instalação de infraestrutura e da produção de hidrogênio limpo, ambos os quais têm sido lentos para se materializar.”

Apesar disso, a empresa ainda acredita que o hidrogênio como combustível prevalecerá, mas espera que sua adoção mundial como fonte de combustível limpa seja um processo gradual, e não imediato.

Enquanto isso, a Westport continuará a oferecer uma ampla gama de combustíveis alternativos de baixo carbono e acessíveis, como propano, gás natural, gás natural renovável e hidrogênio.

“Estamos impulsionando um desempenho mais limpo ao atender às regulamentações de emissões mais baixas com aplicações práticas usando inovações disponíveis hoje.”

– Dan

Conclusão 

Os motores de combustão são onde a revolução da mobilidade começou. No entanto, esse tipo de motor opera com cerca de 40% de eficiência, ao mesmo tempo em que tem um impacto negativo significativo no meio ambiente devido ao uso de combustíveis fósseis. O setor de transporte é, na verdade, a segunda maior fonte de emissões de gases de efeito estufa globalmente.

Isso levou o mundo a mudar para alternativas mais verdes, como veículos elétricos. Mas isso não é tudo; até mesmo os motores de combustão estão evoluindo para acompanhar o ambiente em mudança, mostrando seu potencial ainda não explorado mesmo após um século.

Avanços como geradores termelétricos (TEGs) para recuperação de calor residual, trem de força híbrido e combustíveis alternativos como o hidrogênio estão impulsionando essa transformação. Com pesquisas e inovações contínuas, os motores de combustão estão prontos para se tornar mais eficientes e ambientalmente amigáveis. E à medida que o mundo adota tecnologias mais limpas, eles não apenas coexistirão com os EVs, mas podem até contribuir de forma significativa para um futuro mais sustentável.

Clique aqui para uma lista dos 5 principais motores de combustão a hidrogênio que vão romper o molde.