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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA
CENTRO DE CIÊNCIAS RURAIS
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AGRÍCOLA
DESEMPENHO DE UM MOTOR DIESEL DE INJEÇÃO
INDIRETA EM FUNÇÃO DA VARIAÇÃO DO TEOR
DE BIODIESEL
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
José Antonio Sala
Santa Maria, RS, Brasil.
2008
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ii
DESEMPENHO DE UM MOTOR DIESEL DE INJEÇÃO
INDIRETA EM FUNÇÃO DA VARIAÇÃO
DO TEOR DE BIODIESEL
por
José Antonio Sala
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado do Programa de
Pós-Graduação em Engenharia Agrícola, Área de Concentração
em Mecanização Agrícola, da Universidade Federal de Santa Maria
(UFSM, RS), como requisito parcial para obtenção do grau de
Mestre em Engenharia Agrícola.
Orientador: Prof. Dr. José Fernando Schlosser
Santa Maria, RS, Brasil.
2008
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iii
Universidade Federal de Santa Maria
Centro de Ciências Rurais
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola
A Comissão Examinadora, abaixo assinada,
aprova a Dissertação de Mestrado
DESEMPENHO DE UM MOTOR DIESEL DE INJEÇÃO
INDIRETA EM FUNÇÃO DA VARIAÇÃO
DO TEOR DE BIODIESEL
elaborada por
José Antonio Sala
como requisito parcial para obtenção do grau de
Mestre em Engenharia Agrícola
Comissão Examinadora
Prof. Dr. José Fernando Schlosser
(Orientador)
Prof. Arno Udo Dallmeyer, Dr. (UFSM )
Prof. Paulo Romeu Moreira Machado, Dr. (UFSM )
Santa Maria, 01 de outubro de 2008.
iv
Dedico à
meus queridos pais João Alberto e Maria Luiza que,
através de seus exemplos possibilitaram eu chegar
até aqui.
v
AGRADECIMENTOS
Durante o percurso deste trabalho pude contar com o apoio de diversas pessoas que de alguma
forma colaboraram para que esse objetivo pudesse ser alcançado.
Agradeço ao Prof. Dr. José Fernando Schlosser, pela confiança passada e pelos
conhecimentos transmitidos na orientação do trabalho.
Ao Prof. Ronaldo Hoffmann, por disponibilizar a instrumentação necessária para a realização
dos testes de emissões residuais e aos acadêmicos Seimur Tiago Serafini e Flavio Mayer pela
ajuda na realização das medições.
Ao meu amigo, Prof. Paulo Romeu Moreira Machado, principal incentivador e colaborador
na execução dos ensaios.
Ao ensino de qualidade da Universidade Federal de Santa Maria, que permitiu minha chegada
até aqui.
v
i
“Um motor pode ser considerado como uma
criatura dotada de interminável e tenaz malvadeza,
mas inteiramente sem senso de humor – o sujeito
certo para uma brincadeira de mau gosto – e a arte
do teste consiste, na realidade, em manter nossa
paciência e inventar novas brincadeiras de mau
gosto para fazer com ele, na certeza de que podemos
enganá-lo o tempo todo”.
Harry Ricardo, 1936.
.
vii
RESUMO
Dissertação de mestrado
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola
Universidade Federal de Santa Maria
DESEMPENHO DE UM MOTOR DIESEL DE INJEÇÃO
INDIRETA EM FUNÇÃO DA VARIAÇÃO DO TEOR DE B IODIESEL
Autor: JOSÉ ANTONIO SALA
Orientador: JOSÉ FERNANDO SCHLOSSER
Data e Local da Defesa: Santa Maria, 01 de outubro de 2008.
Diante do atual cenário mundial de energia, o biodiesel apresenta um grande potencial
como opção ao consumo de combustíveis de fontes finitas. A maior utilização do biodiesel no
mundo é com o éster metílico de óleo de soja, devido a sua escala de produção. Em geral sua
utilização ocorre na forma de misturas com óleo diesel em diferentes proporções. Esse
trabalho de pesquisa estuda a influência de diferentes níveis de mistura de biodiesel e diesel
de petróleo sobre o desempenho e emissões do motor. Foram realizados ensaios utilizando-se
um dinamômetro hidráulico de bancada para avaliação de um motor diesel de 4 tempos de
injeção indireta com aspiração natural. Os combustíveis utilizados foram obtidos através da
mistura de éster metílico de óleo de soja com o diesel convencional com teores variando de
5% até 100% de biodiesel. Comparou-se os resultados obtidos pelas diferentes misturas com o
apresentado pelo óleo diesel B2, sem qualquer modificação ou ajuste do motor. Os melhores
resultados de consumo específico foram alcançados com misturas de até 20% de biodiesel, já
teores acima de 50% apresentam consumo médio até 7,2% maior que o diesel convencional.
O torque apresentou um decréscimo a medida que foi aumentada a concentração de
combustível de origem vegetal, sendo o pior resultado apresentado pelo B100 que teve uma
perda de 6,8% em relação ao ensaio testemunha. Os gases de exaustão nocivos ao meio
ambiente tem sua emissão diminuída com a introdução do biodiesel, com exceção do NO
x
que apresenta aumento quando os níveis de biodiesel adicionado são superiores a 20%. Os
resultados sugerem que teores maiores que 20% na mistura (B20) exigem modificações ou
ajustes no motor para um melhor desempenho do mesmo.
Palavras-chave:
Biocombustíveis; biodiesel; éster metílico; óleo de soja.
viii
ABSTRACT
Master dissertation
Graduate program in agricultural engineering
Federal University of Santa Maria
PERFORMANCE OF AN INDIRECT INJECTION DIESEL ENGINE IN
FUNCTION OF CHANGES IN THE BIODIESEL RATES
(Desempenho de um motor diesel de injeção indireta em função da
variação do teor de biodiesel)
Author: JOSÉ ANTONIO SALA
Adviser: JOSÉ FERNANDO SCHLOSSER
Santa Maria, October 1st, 2008.
Due to the current world scenery of energy, the biodiesel presents a great potential as
option to consumption of fuels of the finite sources. The largest use of the biodiesel in the
world is with the methyl ester of soybean oil, due to the production scale. In general its use
happens in form of blends with diesel oil in different rates. This work of research shows the
influence of different levels of biodiesel blends and diesel oil. They were tested using a
dynamometer hydraulic bench for evaluation of a diesel engine of 4 times with indirect
injection, naturally aspirated. The fuels used were obtained by blends of soy bean methyl ester
oil with conventional diesel with levels ranging from 5% to 100% biodiesel. I t hás been
compared to the results obtained by different mixes with the B2 diesel oil, with no changes or
adjustments in the engine. The best results of speci fic consumption were reached with blends
up to 20% of biodiesel, otherwise tenors above 50% present médium consumption up to 7,2%
larger than the convent ional diesel. The torque showed a declining while the ve getable fuel
concentration was increased, which the worst result was present by B100 that had lost 6,8%
compared to the testifier trial. The noxious exhaust ion gasses, to the environment, have the
emi ssion decreased with the introduction of the biodiesel, except the NOx that presents rise
when the levels of the added biodiesel are superior to 20%. The results suggest that largers
tenors than 20% in the mixture (B20) demand modifications or adjustments in the motor for a
better performance.
Key-words:
Biofuels; biodiesel; methyl ester; soybean oil.
ix
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 -
Curva da relação λ de ar e combustível em uma gotícula de diesel...
6
FIGURA 2 - Processo de combustão em motores diesel........................................... 10
FIGURA 3 - Redução das emissões residuais com uso de biodiesel........................ 36
FIGURA 4 - Conjunto motor, dinamômetro e sensores utilizados nos ensaios........ 41
FIGURA 5 - Torre do sistema de arrefecimento do motor........................................ 44
FIGURA 6 - Analisador de gases GreenLine 6000.................................................. 45
FIGURA 7 - Detalhe da sonda do analisador do gás de escape............................... 46
FIGURA 8 - Termopar instalado na entrada do coletor de admissão...................... 47
FIGURA 9 Disposição dos termopares instalados no coletor de escapamento..... 48
FIGURA 10 -
Torque obtido para os combustíveis utilizados................................... 57
FIGURA 11 -
Consumo específico dos combustíveis com alto teor de biodiesel..... 60
FIGURA 12 -
Melhores resultados de consumo específico....................................... 61
FIGURA 13 -
Emissões residuais de SO
2....................................................................................................
62
FIGURA 14 -
Emissões residuais de NO
x...................................................................................................
63
FIGURA 15 -
Emissões residuais de monóxido de carbono...................................... 64
FIGURA 16 -
Emissões residuais de hidrocarbonetos não queimados...................... 65
x
LISTA DE QUADROS
QUADRO 1 – Características do dinamômetro utilizado.........................................
40
QUADRO 2 – Especificações do óleo diesel combustível.......................................
50
QUADRO 3 – Especificações do biodiesel.............................................................. 50
QUADRO 4 – Combustíveis utilizados no experimento..........................................
51
xi
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 - Principais matérias-primas para produção de biodiesel no Brasil 27
TABELA 2 - Dados de viscosidade para misturas de diesel/biodiesel............... 32
TABELA 3 - Características técnicas originais do motor de teste...................... 52
TABELA 4 - Rotações utilizadas para medição de consumo específico de
combustível.......................................................................................
53
TABELA 5 - Melhores resultados com o combustível B2.....................................
55
xii
ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
ANP – Agência Nacional de Petróleo
ASTM – American Society for Testing and Materials
B
XX
– Nomenclatura para o percentual de biodiesel presente na mistura com diesel
B2 – Óleo diesel em mistura, 98% de diesel de petróleo e 2% de biodiesel
B5 – Óleo diesel em mistura, 95% de diesel de petróleo e 5% de biodiesel
B10 – Óleo diesel em mistura, 90% de diesel de petróleo e 10% de biodiesel
B20 – Óleo diesel em mistura, 80% de diesel de petróleo e 20% de biodiesel
B30 – Óleo diesel em mistura, 70% de diesel de petróleo e 30% de biodiesel
B50 – Óleo diesel em mistura, 50% de diesel de petróleo e 50% de biodiesel
B70 – Óleo diesel em mistura, 30% de diesel de petróleo e 70% de biodiesel
B100 – Biodiesel integral (puro, sem misturas)
°C – Temperatura em grau Celsius
C
h
– Consumo horário de combustível (em g.h
-1
)
CO – Monóxido de Carbono
CO
2
– Dióxido de Carbono
C
s
– Consumo específico de combustível (em g.kW
-1
.h
-1
ou g.cv
-1
.h
-1
)
cSt – Centistokes (unidade de viscosidade cinemática = mm
2
.s
-1
)
CT – Centro de Tecnologia da UFSM
cv – Cavalo-vapor (unidade de potência = 0,7355 kW)
N.m – Newton.metro, unidade de torque
EPA – Environmental Protection Agency, EUA
EUA – Estados Unidos da América do Norte
g.kW
-1
.h
-1
– Gramas por kW por hora (unidade de consumo específico)
HC – Hidrocarbonetos
IC – Índice de cetano
ICO – Ignição por compressão
ICE – Ignição por centelha
xiii
INMETRO – Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial
kgf – Quilograma-força (unidade de peso = 9,80665 N)
kgf/cm
2
– Quilograma-força por centímetro quadrado, unidade de pressão
kg/l – Densidade do combustível
kPa – Quilopascal, unidade de pressão – SI, múltiplo
kW – Unidade de potência no SI (equivale a 1 kJ.s
-1
), múltiplo
λ – Relação entre a mistura ar/combustível utilizada (RAC) e a R
est
MJ/kg – Poder calorífico do combustível (energia por unidade de massa)
mm – Milímetros
mm
2
.s
-1
– Unidade de viscosidade cinemática (cSt)
MP – Material particulado
n – Rotação (em rpm)
N – Newton (unidade de força no SI = 1/9,80665 kgf)
NBR, NB – Norma Brasileira
NC – Número de cetano
N.m – Torque (unidade de momento no SI)
NO
x
– Óxidos de Nitrogênio
O
2
– Oxigênio
Pa – Pascal (unidade de pressão no SI equivalente a 1 N.m
-2
)
PCI – Poder calorífico inferior do combustível
PCS – Poder calorífico superior do combustível
PMI – Ponto morto inferior do pistão
PMS – Ponto morto superior do pistão
PPGEA – Programa de Pós-Graduação em Engenharia Agrícola da UFSM
ppm – Partes por milhão (0,01%)
R
est
– Relação estequiométrica (relação ar/combustível ideal)
rpm – Rotações por minuto (velocidade angular do motor)
RS – Rio Grande do Sul
SAE – Society of Automotive Engineers
SI – Sistema Internacional de Unidades
STD – Standard (padrão, original)
t – temperatura
tbs – Temperatura de bulbo seco (°C)
tbu – Temperatura de bulbo úmido (°C)
xiv
UFSM – Universidade Federal de Santa Maria
USA – United States of América
xv
SUMÁRIO
RESUMO ......................................................................................................................... vii
ABSTRACT .....................................................................................................................
viii
LISTA DE ILUSTRAÇÕES ............................................................................................
ix
LISTA DE QUADROS ....................................................................................................
xi
LISTA DE TABELAS ......................................................................................................
xii
ABREVIATURAS E SIGLAS..........................................................................................
xiii
INTRODUÇÃO .............................................................................................................
1
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...................................................................................
3
1.1 Considerações iniciais ...............................................................................................
3
1.2 O motor de ignição por compressão – Motor diesel...............................................
3
1.2.1 O retardo da ignição.................................................................................................
8
1.2.2 A combustão nos motores diesel..............................................................................
8
1.2.3 Sistema de combustão nos motores diesel................................................................
11
1.2.4 A influência da turbulência nos motores diesel........................................................
13
1.3 Combustíveis utilizados em motores diesel.............................................................
15
1.3.1 Poder calorífico de um combustível ........................................................................
16
1.4 Propriedades importantes dos combustíveis para motores diesel.........................
17
1.4.1 Viscosidade...............................................................................................................
17
1.4.2 Número de Cetano.................................................................................................. 19
1.4.3 Densidade.................................................................................................................
21
1.4.4 Ponto de fulgor.........................................................................................................
22
1.5 Biodiesel.............. .......................................................................................................
23
1.6 A transesterificação................ ..................................................................................
24
1.7 A utilização de misturas biodiesel e diesel de petróleo ..........................................
29
1.8 O biodiesel metílico ...................................................................................................
32
1.9 A emissão de gases pelos motores diesel..................................................................
33
xvi
1.10 Desempenho de motores consumindo biodiesel....................................................
37
1.11 Especificações do biodiesel......................................................................................
38
1.12 O processo H-BIO....................................................................................................
38
2 MATERIAIS E METODOLOGIA.............................................................................
40
2.1 Considerações iniciais................................................................................................
40
2.2 Dinamômetro.............................................................................................................
40
2.2.1 Obtenção de dados....................................................................................................
41
2.2.2 Aplicação do fator de correção.................................................................................
42
2.3 Sistema de arrefecimento do motor.........................................................................
43
2.4 Análise dos gases de exaustão...................................................................................
44
2.5 Sistema de registro de dados.....................................................................................
46
2.5.1 Termopares tipo T....................................................................................................
47
2.5.2 Termopares tipo K....................................................................................................
48
2.5.3 Transdutores de pressão............................................................................................
49
2.6 Combustíveis utilizados.............................................................................................
49
2.6.1 Óleo diesel B2..........................................................................................................
49
2.6.2 Biodiesel metílico de óleo de soja............................................................................
50
2.6.3 Misturas utilizadas nos ensaios.................................................................................
51
2.7 Motor utilizado..........................................................................................................
51
2.8 Medição do consumo específico de combustível.....................................................
52
2.9 Variáveis analisadas no experimento...................................................................... 54
2.10 Considerações finais do capítulo............................................................................
54
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO................................................................................. 55
3.1 O ensaio testemunha................................................................................................. 55
3.2 Resultados de torque.................................................................................................
56
3.3 Resultados de Consumo específico.......................................................................... 59
3.3.1 Maiores valores de consumo específico...................................................................
59
3.3.2 Menores valores de consumo específico..................................................................
60
3.4 Emissões de gases residuais da combustão..............................................................
61
3.4.1 Emissões de SO
2
.......................................................................................................
61
3.4.2 Emissões de Óxido Nitroso......................................................................................
62
3.4.3 Emissões de monóxido de carbono..........................................................................
63
3.4.4 Hidrocarbonetos não queimados..............................................................................
64
xvii
4 CONCLUSÕES ............................................................................................................
66
4.1 Torque........................................................................................................................ 66
4.2 Consumo específico de combustível.........................................................................
66
4.3 Emissões gasosas........................................................................................................
66
5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................
68
INTRODUÇÃO
Nos últimos dois anos, em função da constante alta dos preços dos derivados do
petróleo e das pressões internacionais contra as emissões de gases geradores do efeito estufa,
o biodiesel tem se mostrado como uma opção com viabilidade técnica e econômica para a
redução da dependência do petróleo e conseqüentemente colocar o Brasil em posição de
vanguarda no cenário internacional de bioenergia, já que o etanol é uma realidade que há mais
de 25 anos acompanha o desenvolvimento do país.
A grande fronteira agrícola brasileira e a possibilidade de expansão fazem com que o
biodiesel possa ser utilizado em larga escala, sendo produzido de diversas fontes que
adaptam-se às mais diversas condições climáticas existentes no país. Contudo, atualmente, a
soja mostra-se como a cultura com melhor capacidade de suprir a demanda, pelo seu cultivo
em grande escala, respondendo por mais de 90% dos óleos vegetais produzidos no Brasil.
Alguns fabricantes de máquinas agrícolas já autorizam a utilização de pequenos teores
de mistura de biodiesel, porém misturas com mais de 20% ainda são tratadas com uma certa
reserva.
Apesar do biodiesel ser um combustível com características semelhantes ao diesel
mineral, ele possui diferenças que influenciam no funcionamento de um motor,
principalmente a viscosidade, o número de cetano, o poder calorífico e a densidade.
Considerando essas diferenças pressupõe-se que o motor terá alteração no funcionamento
quando utilizado apenas com o combustível de origem vegetal.
A introdução do biodiesel na matriz energética brasileira está ocorrendo de forma
gradual, possibilitando aos fabricantes o desenvolvimento de novas tecnologias para a
introdução do combustível de forma a otimizar o desempenho, diminuir o consumo e
proporcionar um maior controle das emissões residuais.
A pesquisa com biodiesel, na sua grande maioria, foca a sua produção, e o
conhecimento gerado nessa área encontra-se em franco desenvolvimento, porém, a utilização
em motores, que é o principal propósito, necessita de maiores trabalhos de investigação para
2
promover o desenvolvimento de tecnologia nesse setor, visando uma maior viabilidade de
utilização.
A principal proposta deste trabalho de pesquisa foi mostrar os efeitos da adição de
diferentes proporções de biodiesel utilizando um motor que originalmente foi desenvolvido
para consumir somente óleo diesel de petróleo. Os efeitos desse novo combustível devem ser
investigados para que além da busca de um melhor rendimento, consiga-se também gerar
conhecimento para futuros trabalhos.
Apesar do Programa Nacional de Produção e uso de biodiesel prever um aumento
gradual na adição de biodiesel ao diesel de petróleo até B20, a realidade é que muitos usuários
já vêm utilizando frações superiores sem que os efeitos de tal prática sejam acompanhados
por investigação ou tampouco sejam amplamente divulgados de forma que essas experiências
tenham seus resultados utilizados para o aprimoramento do uso desse combustível.
Os objetivos propostos neste trabalho são o de demonstrar os efeitos no torque, no
consumo e nas emissões de gases residuais, causados pela adição de diferentes proporções de
biodiesel ao combustível comercializado em toda rede de postos de abastecimento até o final
de junho de 2008, o B2, em um motor que originalmente foi desenvolvido para consumir
somente óleo diesel de petróleo.
Com os ensaios realizados em uma bancada dinamométrica, foram obtidos dados de
torque, consumo e emissões de gases residuais para toda a gama de misturas. Foram utilizadas
oito diferentes proporções de mistura de biodiesel metílico de óleo de soja e diesel B2, sendo
que as concentrações de até 50% tiveram maior enfoque.
O presente trabalho faz parte de uma linha de pesquisa desenvolvida dentro do
Programa de Pós Graduação em Engenharia Agrícola e do Laboratório de Motores do Centro
de Tecnologia da Universidade Federal de Santa Maria.
3
1 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
1.1 Considerações iniciais
A utilização de biodiesel no Brasil ganhou importância nos últimos anos em virtude da
implantação do Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel. Em geral os maiores
volumes de biodiesel produzidos no país são oriundos do óleo de soja. Segundo a ABIOVE
(2006) em torno de 95% do biodiesel brasileiro provém desta oleagionosa.
As pesquisas em busca de outros óleos para produção de ésteres intensificam-se e nos
últimos meses a atenção dos produtores de biodiesel tem se voltado para o pinhão-manso
(Jatropha curcas L.) que sugere ser a nova estrela entre as diversas opções para a produção de
biodiesel.
A principal motivação para a utilização de biocombustíveis é, com certeza, a
necessidade de redução dos níveis de gases geradores do efeito estufa e nocivos à saúde dos
seres vivos.
Além dos benefícios ambientais advindos da utilização de combustíveis renováveis, os
atuais níveis de preços praticados para o barril de petróleo, que se encontra em valores nunca
antes alcançados, servem como agente impulsionador dessa tecnologia.
1.2 O motor de ignição por compressão – Motor diesel
Segundo relata Morrison (1923), a primeira patente de um motor de ignição por
compressão surgiu em 1892 e previa até mesmo a queima de carvão pulverizado, porém o
primeiro motor construído com êxito surgiu em 1895, quando o engenheiro alemão Rudolphe
Christian Karl Diesel apresentou uma unidade com rendimento de 24%.
4
Em 1913 Diesel publica “Die Entstehung des Diesel Motors”, onde afirma que sua
criação era um dispositivo facilmente adaptável, funcionando com combustíveis localmente
disponíveis. Relata o funcionamento com óleo de amendoim e qual quer óleo de origem
vegetal, mineral ou animal além de testes com álcool.
Segundo Obert (1971), em 1892, Diesel idealizou um novo motor, capaz de queimar
carvão pulverizado. Com uma seqüência de eventos semelhantes aos do ciclo de Otto, porém
usando elevadas taxas de compressão e com um processo de admissão particular onde
somente o ar entra no cilindro, sem misturar-se com o combustível. Uma rápida compressão
eleva a temperatura do ar e possibilita a auto-ignição do combustível que é injetado na câmara
de combustão.
Conforme Heywood (1988), nos motores de ignição por compressão após o ar ser
admitido e comprimido, o combustível deve ser injetado diretamente no cilindro no instante
mais apropriado para início da combustão de forma a se alcançar o máximo rendimento
possível. Ainda, no motor diesel o combustível é injetado diretamente na câmara de
combustão, onde o ar previamente admitido, encontra-se aquecido devido a alta taxa de
compressão. Ocorre a auto-ignição de porções da mistura resultante da injeção do combustível
no ar quente e a combustão se propaga rapidamente na câmara de combustão.
Segundo Bosch (2005), um motor diesel é um motor com formação de mistura
heterogênea no interior do cilindro e cuja combustão se dá por auto-ignição. Durante o curso
de compressão o ar que foi admitido alcança valores de pressão característicos, entre 30 e 55
bars para motores aspirados, e entre 80 e 110 bars em motores sobrealimentados. Sob tais
condições de pressão a temperatura aumenta rapidamente para valores entre 700 e 900°C,
valores suficientes para induzir à auto-ignição o combustível que é atomizado no cilindro
instantes antes do final do tempo de compressão.
Van Gerpen (2006) explica que deve-se ter um controle preciso da duração do tempo de
combustão para reduzir os níveis de emissões de gases tóxicos e aumentar a eficiência do
motor. A soma do tempo de injeção com o curto período entre início da injeção e a auto-
ignição, chamado de retardo de ignição, é denominado tempo de combustão.
Obert (1971) diz que o método mais utilizado para a injeção em motores diesel consiste
em comprimir o combustível para pulverizá-lo no interior da câmara de combustão. Para
realizar a injeção são exigidos elevados níveis de pressão, superiores àqueles encontrados na
câmara de combustão. Os motores atuais utilizam valores entre 120 e 2000 bars e existe um
sistema injetor responsável pelo provimento da pressão de injeção e pela distribuição do
5
combustível entre os cilindros, na ordem exata e na dosagem requerida para atender os
diversos regimes de rotação e carga do motor diesel.
Segundo Heywood (1988) nos motores de ignição por compressão o controle de
velocidade e de carga do motor é alcançado pela variação da quantidade de combustível
injetado a cada ciclo, pois a quantidade de ar admitido a uma dada velocidade de rotação não
se altera substancialmente.
Para Stone (1999) num motor diesel existe um tempo limitado para preparação da
mistura, pois o combustível é injetado próximo ao final do curso de compressão. Em torno de
cada gota de combustível, vapor se mistura com ar para formar uma mistura inflamável. A
potência é regulada pela variação do combustível sem necessidade de borboleta para controle
do suprimento de ar. A ausência de obturador constitui-se numa diferença fundamental entre
os motores ICE e os motores diesel e assim, por conseqüência, não existe controle da carga de
ar admitido.
Os motores de ignição por faísca requerem uma mistura de ar e combustível sempre
próxima à estequiométrica e o controle de carga é realizado através do controle do fluxo de
mistura para o interior do cilindro, com estrangulamento do ar e aumento do trabalho de
bombeamento. Nos diesel, como a potência é controlada apenas pela quantidade de
combustível injetado, a mistura em geral é pobre e a eficiência do motor melhora.
Cita Bosch (2005) que o controle de carga nos motores com formação de mistura
heterogênea é realizado através do controle do combustível somente e é chamado de controle
da qualidade da mistura. À semelhança do que ocorre para as misturas homogêneas dos
motores de ignição por faísca, a combustão das heterogêneas ocorre em uma faixa
relativamente estreita de relação ar combustível (λ entre 0,3 e 1,5).
Giacosa (1964) explica que nos motores de ignição por compressão o combustível
queima quase que instantaneamente à medida que entra no cilindro. A mistura se forma
quando as gotículas do líquido pulverizado penetram no ar da câmara e a reação de combustão
se verifica enquanto as partículas do líquido atomizado ainda estão se misturando com o ar
aquecido.
Enquanto nos motores ICE, carburados ou injetados, a mistura de ar e combustível se
realiza antes do início da combustão, nos ICO a mistura se processa durante a injeção e quase
que simultaneamente com a combustão.
Na Figura 1 encontra-se representada a distribuição de λ com a zona associada de
chama para uma gotícula estática única, que ocorre sempre para cada gotícula injetada.
6
Figura 1 – Curva da relação λ de ar e combustível em uma gotícula de diesel (adaptado de Bosch, 2005).
Obert (1971) salienta que nos motores de ignição por centelha a mistura deve ser
controlada com rigor de modo que a chama possa se propagar uniformemente através de toda
a câmara de combustão. Nos motores diesel não é imperativo uma proporção definida, pois o
óleo combustível é injetado diretamente no ar aquecido e a queima se inicia por auto-ignição
em todos os pontos da câmara onde exista uma mistura adequada. Como não há necessidade
de propagação de chama para a combustão ocorrer torna-se desnecessário um obturador de
estrangulamento de ar, qualquer que seja a condição de operação do motor.
Com o motor em plena carga o ideal é que o combustível utilize todo o ar disponível no
cilindro, porém, como o combustível é injetado num único ponto e não consegue alcançar
instantaneamente toda a massa admitida ocorre a formação de várias regiões ricas e pobres na
câmara de combustão. Consequentemente haverá variação na composição dos gases de
descarga de acordo com a rotação do motor, pois no regime mínimo em alguns pontos da
câmara onde a queima inicia a relação de mistura é de aproximadamente 15:1 e da ordem de
90:1 para a câmara considerada como um todo.
De acordo com Leontsinis (1988) a combustão no motor diesel deve se dar em alguns
milésimos de segundo, enquanto o combustível se mistura com o ar, vaporiza, sofre auto-
λ
7
ignição e queima completamente. A necessidade de uma boa vaporização e de adequadas
características de auto-ignição do combustível são muito importantes durante o período de
partida do motor, quando a temperatura do cilindro é baixa.
Ensina Giacosa (1964) que para queimar todo o combustível injetado, cada partícula
finamente dividida deve ser levada a um contato íntimo com o oxigênio numa proporção
adequada. Para garantir que isso ocorra não basta apenas uma boa turbulência, mas também
que exista uma quantidade de ar superior àquela determinada pela estequiometria. O motor
diesel opera sempre com misturas pobres, fracas estequiometricamente.
Conforme Heywood (1988), nos motores de ignição por compressão o combustível é
fornecido pelo sistema injetor quando se aproxima o final do curso de compressão, no instante
desejado para início do processo de combustão. O combustível líquido é injetado em alta
velocidade e na forma de um jato através de pequenos orifícios ou bocais localizados na ponta
do injetor. Ao atomizar-se em pequenas gotas, o combustível penetra na câmara de combustão
e vaporiza-se, misturando-se com o ar fortemente aquecido.
Desde que porções já misturadas de ar e combustível atinjam temperaturas superiores ao
ponto de ignição do combustível, ocorre a combustão espontânea após um curto período de
atraso e que corresponde a poucos graus de giro do virabrequim. A pressão no cilindro
aumenta à medida que a combustão ocorre e, com a conseqüente compressão da porção de
carga ainda não queimada, encurta-se o retardo da combustão para as misturas formadas
dentro dos limites de combustão que passam a queimar rapidamente. Também se reduz o
tempo de vaporização do combustível líquido remanescente da injeção que continua até que
toda a quantidade de combustível dosada tenha penetrado no cilindro.
Assim, atomização, vaporização, formação de mistura e queima prosseguem até que
todo combustível dosado tenha passado por cada um dos processos, com o ar remanescente no
cilindro em contínua mistura com os gases já queimados e os que estão queimando durante
toda a combustão e parte do curso de expansão.
Segundo Stone (1999) próximo ao final do curso de compressão, o combustível é
injetado na câmara de combustão sob a forma de um ou mais jatos. O injetor recebe
combustível proveniente da bomba injetora, sob pressões elevadas, produzindo-se uma
injeção com jatos de alta velocidade e de reduzida área de seção transversal. Os jatos
penetram no ar e quebram-se em gotículas promovendo uma rápida mistura que é essencial
para que a combustão ocorra rapidamente.
Em alguns casos especiais o jato de combustível é projetado de forma a incidir sobre as
paredes da câmara de combustão para auxiliar a vaporização do combustível e quebra do jato.
8
Haverá sempre uma grande variação de mistura ar/combustível dentro da câmara de
combustão, caracterizando a mistura heterogênea dos motores de ciclo diesel.
Erokhin et al (1986) explicam que no motor diesel com a injeção do combustível a
mistura é preparada no interior do cilindro. O ar admitido e que preenche o cilindro é
comprimido até 30 ou 40 bars, aumentando a sua temperatura para valores superiores a 600
°C. O combustível somente é injetado no final do curso de compressão e entra em combustão
espontaneamente, num processo de auto-ignição. Os motores de combustão interna onde a
mistura de ar e combustível queima sob elevadas taxas de compressão, são chamados de
motores de alta compressão.
1.2.1 O retardo da ignição
Define Leontsinis et al (1988) que para um motor diesel funcionar satisfatoriamente, é
necessário que a combustão se processe normalmente, com um curto período de retardo de
ignição. O uso de elevadas pressões de injeção e intensa turbulência da mistura de ar e
combustível podem reduzir o retardo da ignição.
Determina Bosch (2005) que o início da injeção e o início da reação exotérmica (ignição
do combustível) são separados por certo período de tempo, chamado de retardo da ignição. A
duração do atraso real é definida pela qualidade de ignição do combustível, pela pressão e
temperatura do ar no final da compressão e a qualidade do sistema injetor que controla a
atomização do combustível.
1.2.2 A combustão nos motores diesel
Segundo Heywood (1988) a combustão nos motores de ignição por compressão é um
processo extremamente complexo que depende das características do combustível, do projeto
da câmara de combustão do motor, do sistema injetor e das condições de operação do motor.
É um processo de combustão heterogêneo, tridimensional e instável.
Leontsinis (1988) diz que no motor diesel os processos físicos da combustão incluem o
transporte de combustível e de ar para a câmara de combustão, a mistura do combustível com
9
o ar e a criação de condições favoráveis para o início de uma reação química. Os processos
químicos são relativos à auto-ignição do combustível e às extensas reações químicas que
liberam o seu conteúdo de energia.
Segundo Obert (1971), nos motores diesel o período de combustão pode ser dividido em
estágios que contemplem um atraso de ignição, um aumento rápido de pressão, um aumento
de pressão constante ou controlado e a queima no curso de expansão. O rápido aumento de
pressão ocorre porque há inúmeros de pontos de ignição com a acumulação de combustível
durante o período de retardo. A seguir, as porções finais de combustível são injetadas dentro
da chama e, por conseqüência, a combustão dessa fração é regulada pela velocidade de
injeção. Como o processo está longe de ser homogêneo, a combustão ainda continua quando
o curso de expansão está bem adiantado. Esta continuidade da queima pode ser chamada de
quarto estágio da combustão. Num motor de ignição por centelha a ignição ocorre num ponto
e com aumento lento de pressão enquanto que num motor de ignição por compressão, a
ignição ocorre em muitos pontos e com rápida elevação de pressão.
Heywood (1988) explica que a taxa de compressão utilizada em motores de ignição por
compressão é maior que os valores típicos dos motores de ignição por faísca e situando-se
entre 12:1 e 24:1 em função do tipo de motor, se é aspirado ou turbocomprimido. O ar, após
ser admitido, é comprimido até cerca de 40 bars de pressão e atinge temperaturas superiores a
600°C. Quando o pistão aproxima-se dos 20° APMS a injeção de combustível inicia e o
líquido atomizado penetra no ar comprimido, completa a vaporização e se mistura com o ar
em proporções ajustadas.
Como a temperatura e a pressão do ar encontram-se acima do ponto de ignição do
combustível, após o período de atraso, a auto-ignição de frações da mistura heterogênea inicia
o processo de combustão elevando a pressão no cilindro significativamente. A chama estende-
se através da porção de combustível injetado e que anteriormente misturou-se com ar segundo
uma relação de mistura passível de queima.
Como o processo de expansão segue de forma contínua, as misturas entre o combustível
vaporizado, o ar e os gases queimados também continuam acompanhando a combustão. Em
plena carga, a massa de combustível injetado é de cerca de 5,0 % da massa de ar no cilindro e
o crescimento nos níveis de fumaça preta na exaustão limita a quantidade de combustível que
pode ser queimado eficientemente.
A figura 2 representa, de forma esquemática, o complexo processo de combustão dos
motores de ignição por compressão.
10
Figura 2 – Processo de combustão em motores diesel (adaptad o de Elliot apud Leontsinis, 1988.)
Um pouco antes do final do curso de compressão, o combustível é injetado na câmara
de combustão sem que a ignição ocorra imediatamente, as gotículas de combustível devem
absorver calor do ar comprimido e sofrer vaporização.
A duração do retardo de ignição está definida pelo projeto do motor, pelas temperaturas
do combustível e do ar de admissão, pelo grau de atomização e pela composição do
combustível. A mistura de combustível e ar deve atingir uma temperatura na qual possa
ocorrer a auto-ignição e a chama se espalhe. A injeção do combustível continuará durante este
11
período e a parte final do ciclo de combustão será a complementação da queima, após a
injeção ter cessado.
1.2.3 Sistemas de combustão de motores diesel
Boulanger et al (1978) observam que os motores diesel apresentam diferenças
marcantes em relação aos motores Otto, pois os desenhos das câmaras de combustão
determinam a quais categorias devem ser enquadrados os motores, atribuindo-lhes
características próprias de funcionamento.
Em motores de ignição por compressão encontram-se diversos modelos de câmara de
combustão, desde uma câmara regular até espaços mais complexos, com ou sem câmaras
anexas ou canais de estrangulamento. O pistão dos motores diesel é geralmente trabalhado e é
constituinte ou contém a câmara de combustão, determinando como se darão os processos de
injeção e combustão que, por sua vez, influenciam a flexibilidade, o rendimento e a potência
do motor.
Stone (1999) explica que a operação satisfatória dos motores de ignição por compressão
depende do controle da movimentação do ar no cilindro e do controle preciso da injeção do
combustível. Um sistema de combustão eficaz deve produzir altas potências com alta
eficiência e permitir uma combustão rápida, uma exaustão limpa e um funcionamento
silencioso do motor. Dentre tais requerimentos existem conflitos, pois os níveis de fumaça
nos gases exaustos é um fator limitante para a potência que pode ser produzida.
Os principais sistemas de combustão dos motores diesel contemplam a injeção do
combustível direta e inteiramente na câmara de combustão, e a injeção indireta do
combustível numa câmara em separado. Um sistema de injeção de óleo diesel não pode ser
projetado isoladamente já que uma combustão eficiente é função da formação da mistura
adequada do combustível com o ar comprimido na câmara. Os motores de injeção direta
produzem menor movimentação de ar no cilindro e utilizam altas pressões de injeção e
injetores com orifícios múltiplos para compensar a baixa turbulência do ar.
Os motores de injeção indireta, com a intensa movimentação de ar resultante da
compressão em câmaras divididas e complexas, são menos exigentes quanto à injeção,
podendo utilizar pressões inferiores e injetores de orifício único e de maiores dimensões. As
12
câmaras divididas com injetores de orifício único são, comprovadamente, as mais indicadas
para promover a injeção e a combustão de combustíveis mais viscosos.
Existem muitos tipos de câmaras de combustão para motores diesel, projetadas para
diferentes tamanhos e regimes de rotação, que acabaram por originar as inevitáveis
similaridades. As câmaras de combustão devem ser projetadas para minimizar as perdas de
calor, mais como forma de redução do retardo de ignição e não necessariamente para
melhorar o rendimento do motor.
Bosch (2005) diz que o processo de combustão dos motores diesel utiliza para formação
da mistura carburante um sistema de injeção direta do combustível nos cilindros ou um
processo de injeção em câmaras divididas. Quando o combustível é parcialmente queimado
em uma pré-câmara, a pressão sobe rapidamente e este aumento impulsiona os gases
parcialmente oxidados e os vapores de combustível através de uma ou mais passagens, para
uma câmara principal onde serão totalmente misturados com o ar remanescente.
Destaca Boulanger et al (1978) que o papel de uma câmara de combustão para um
motor ICO é, essencialmente, promover a interação do ar com o combustível para garantir a
formação de uma mistura ativa e vários procedimentos podem ser realizados para esta ação. O
óleo diesel pode ser pulverizado em uma massa de ar sensivelmente estagnante na câmara, no
caso de uma injeção direta e sem assistência de turbulência ou pode também ser pulverizado
em uma câmara dividida. Uma câmara de pré-combustão deve ser percorrida pelo
combustível antes de chegar à câmara de combustão propriamente dita e uma câmara de
turbulência reserva uma grande parte do ar comburente, com intensa movimentação e que vai
ao encontro do combustível. Tais tipos de câmara caracterizam o sistema de injeção indireta.
Para Heywood (1988), os motores diesel estão divididos em duas categorias básicas, de
acordo com o projeto da câmara de combustão. Os motores de injeção direta possuem uma
câmara de combustão integral onde o combustível é injetado diretamente no ar comprimido
no cilindro.
Os motores de injeção indireta são aqueles que apresentam a câmara de combustão
dividida em duas regiões e o combustível é injetado numa pré-câmara, ligada à câmara
principal, localizada acima do pistão, através de um ou mais orifícios ou canais
aerodinâmicos. Dentro de cada categoria existem diversos tipos diferentes de geometria da
câmara, fluxos de ar interior e arranjos do sistema injetor.
Stone (1999) relata que os sistemas de injeção indireta apresentam o espaço da câmara
de combustão dividido entre uma pré-câmara, onde o combustível é injetado, e uma câmara
principal formada pelo pistão e válvulas. O propósito de uma câmara dividida é acelerar o
13
processo de combustão, como forma de incrementar a potência pelo aumento do regime de
rotações do motor.
As câmaras divididas utilizam na pré-câmara inserções de materiais de baixa
condutibilidade térmica e que se aquecem rapidamente, auxiliando na redução do retardo de
ignição. As câmaras divididas são muito menos exigentes em termos de sistema injetor, pois o
combustível injetado choca-se com a inserção quente da câmara, quebrando o jato e
evaporando-se. Durante o período inicial da combustão a mistura queimando é ejetada para a
câmara principal, gerando uma grande turbulência que vai assegurar uma rápida combustão na
câmara principal, sem necessidade de movimentação ordenada do ar durante o tempo de
indução.
Os sistemas de combustão com câmara dividida são muito eficientes na formação de
mistura, utilizando grandes frações de ar e produzindo uma alta pressão média efetiva com
baixas emissões tóxicas de escape. Durante a compressão o ar adquire elevadas velocidades
na pré-câmara, resultando em elevadas taxas de transferência de calor para o sistema de
arrefecimento e redução da temperatura do ar. Para compensar esta redução de temperatura
determina-se a necessidade de altas taxas de compressão, na faixa de 18:1 a 24:1, para
garantir a ignição em partidas a frio. Como desvantagens dos motores de câmara dividida
podem ser citadas a redução na eficiência mecânica e aumento da transferência de calor, que
reduzem a eficiência do motor e limitam a cilindrada unitária numa faixa entre 400 e 800 cm
3
.
1.2.4 A influência da turbulência nos motores diesel
Giacosa (1964) destaca que o grau de turbulência do ar na câmara de combustão tem um
efeito decisivo sobre a duração do retardo da ignição. Ao aumentar o regime de rotação do
motor, por efeito da geometria dos dutos de admissão aumenta-se também a turbulência do ar
induzido. Em contrapartida, o aumento da turbulência do ar faz crescer a perda de calor
através das paredes da câmara de combustão, reduzindo-se sua temperatura. Se for possível
aumentar a turbulência, conjugada ao aumento da temperatura e da pressão do ar no cilindro,
obter-se-á uma maior redução do retardo de ignição.
Explica Arias-Paz (1965) que se objetiva reduzir ao mínimo o atraso de inflamação
provocando na câmara de combustão uma forte turbulência, para promover uma grande
velocidade relativa entre o ar aquecido e as gotas de combustível que está sendo injetado,
14
desintegrando o jato combustível e dispersando-o na câmara de combustão. O formato da
câmara e a ação do pistão podem ser utilizados para criar esta turbulência no interior do
cilindro e distribuir eficientemente o combustível na massa de ar.
Para Obert (1971) num motor de ignição por faísca, a velocidade de propagação da
chama é controlada principalmente pela turbulência criada antes do início da combustão, que
pode ser denominada de turbulência primária. Num motor diesel a turbulência primária ajuda
a quebrar o jato de combustível e continua agindo nas porções queimadas e não queimadas de
mistura. Entretanto, a maioria dos motores de ignição por compressão que dependem da
turbulência primária são limitados a baixas velocidades em relação aos motores ICE, devido à
heterogeneidade da mistura no interior do cilindro.
O objetivo da turbulência induzida é desnudar o combustível do jato de líquido
pulverizado e promover uma mistura homogênea. O uso de pressões de injeção elevadas tende
a aumentar a atomização. A turbulência e as elevada pressões de injeção reduzem o atraso
físico de ignição e aceleram a transição do combustível da fase líquida para a de vapor.
Segundo Heywood (1988) o turbilhonamento, ou torvelinho, é definido como uma
rotação organizada da carga de ar ou de mistura em torno do eixo do cilindro do motor. O
turbilhonamento é criado pela indução da carga no cilindro com um momento angular inicial.
O turbilhonamento gerado na admissão persiste, em geral, durante os processos de
compressão, de combustão e expansão.
Em motores projetados com câmaras de combustão especiais no pistão, o movimento
rotacional gerado durante a indução é substancialmente alterado durante a compressão. O
turbilhonamento é utilizado em motores diesel para provocar mais rapidamente a mistura
entre a carga de ar admitida e o combustível injetado.
Bosch (2006) diz que nos motores de injeção direta, somente a energia dos jatos de
injeção não é suficiente para garantir a preparação de uma mistura uniforme e que possibilite
uma queima rápida, principalmente nos motores pequenos e de alta rotação. Uma
movimentação intensa do ar dentro da câmara de combustão é necessária, pois os diâmetros
pequenos dos cilindros tornam inevitável o choque do combustível contra as paredes da
câmara de combustão.
Cavidades especiais são construídas na parte central do pistão para provocar uma alta
turbulência do ar premido entre o topo do mesmo e a tampa de cilindro durante o curso de
compressão, acelerando o turbilhonamento da carga de ar induzido pelo desenho dos dutos de
admissão.
15
O movimento e a velocidade do turbilhão de ar são selecionados de forma a assegurar
que os setores localizados entre os jatos de injeção sejam cobertos durante o tempo de injeção.
Se a mistura de ar e combustível não preencher completamente o segmento de câmara de
combustão, tanto a utilização do ar quanto o desenvolvimento de potência ficarão
prejudicados. Nos motores de injeção direta a mistura é formada pelo turbilhonamento do ar
induzido pelos dutos de admissão, pelo movimento do ar sob ação do pistão e pelo jato de
combustível injetado. Com a utilização de pressões de injeção cada vez mais elevadas, a
influência da formação de mistura controlada pelo jato é crescente, reduzindo a importância
de sistemas baseados na turbulência.
1.3 Combustíveis utilizados em motores diesel
Destaca Agarwal (2007) que quando Rudolphe Diesel inventou o motor de ignição por
compressão, o fez para funcionar com uma grande quantidade de combustíveis, incluindo
emulsão de carvão pulverizado em água, óleos minerais pesados e óleos vegetais in natura.
Algumas de suas primeiras experiências foram catastróficas, porém, com o passar do tempo
seu motor funcionou com óleo de amendoim puro como o fez na tradicional Exposição de
Paris, no ano de 1900.
Diesel era um visionário, estabelecendo já em 1912 que o uso de óleos vegetais como
combustível para motores de ignição por compressão poderia não ser significante à época,
mas com o passar do tempo, tornar-se-iam tão importantes como eram o petróleo e carvão,
principalmente em países de grande potencial agrícola.
Entre 1930 e 1940, os óleos vegetais foram utilizados como combustível somente em
situações de emergência. Recentemente, devido ao aumento dos preços do petróleo e seus
derivados, à diminuição de suas reservas e aos problemas ambientais resultantes de sua
utilização, iniciou-se uma focalização renovada sobre os óleos vegetais para produção de um
biodiesel.
O crescente e continuado uso de derivados do petróleo intensifica a poluição do ar,
ampliando os problemas do aquecimento global causado pelo dióxido de carbono. Neste
cenário o biodiesel surge com potencial para reduzir o nível de elementos poluentes e de
potenciais carcinogênicos.
16
1.3.1 Poder calorífico de um combustível
Define Giacosa (1964) que o poder calorífico de um combustível pode ser entendido
como o seu conteúdo de energia, que é variável em função das quantidades de hidrogênio e de
carbono presentes no mesmo. Quanto maior é a quantidade de hidrogênio, mais elevado
resulta o seu poder calorífico. Entre os produtos da combustão se encontra a água que,
segundo sua fase, líquida ou vapor, determina o valor calorífico do combustível.
Define-se como poder calorífico superior a quantidade de calor produzido por unidade
de massa de combustível queimado em excesso de ar, quando os produtos da combustão são
resfriados até o ponto em que se condense o vapor de água presente nos mesmos. Da mesma
forma, o poder calorífico inferior é definido quando os gases de combustão são resfriados até
o ponto de vaporização da água sem que, no entanto, o conteúdo de vapor de água nos
mesmos seja condensado. Os valores de poder calorífico são obtidos experimentalmente
através de ensaios em calorímetros.
Para efeitos de utilização prática nos motores de combustão interna, principalmente o
poder calorífico inferior deve ser considerado, haja vista que o vapor de água presente nos
exaustos não se condensa devido às altas temperaturas nas quais se encontrar os gases de
exaustão.
Segundo Obert (1971) o calor de combustão de um carburante é definido como a
quantidade de calor que é liberado numa combustão completa quando os gases produzidos são
resfriados até a temperatura inicial.
Explica Van Gerpen (2006) que a energia contida num combustível não pode ser
controlada durante sua obtenção. O poder calorífico do óleo diesel é variável e depende da
refinaria na qual é produzido, da época do ano e das características do petróleo utilizado como
matéria-prima. Um óleo diesel com altos teores de aromáticos tende a apresentar elevados
conteúdos de energia por unidade de volume (MJ/•), ainda que os aromáticos tenham baixo
poder calorífico por unidade de massa (MJ/kg).
Apenas o poder calorífico inferior é significativo para os combustíveis que geram água
como um dos produtos da combustão. Os combustíveis oxigenados, como álcoois, éteres ou
ésteres de ácidos graxos apresentam um valor calorífico mais baixo do que os hidrocarbonetos
puros, pois o oxigênio ligado aos mesmos não contribui para o processo de combustão. Uma
potência comparável àquela que pode ser obtida pelos combustíveis sem oxigênio só pode ser
atingida através de taxas mais elevadas de consumo de combustível.
17
Knothe (2006) diz que, além do número de cetano, o calor de combustão é uma
propriedade que demonstra a adequação dos vários tipos de compostos graxos para uso como
combustível em motores diesel. O calor de combustão contido nos óleos vegetais e nos seus
respectivos ésteres alquílicos corresponde a cerca de 90,0% do valor observado no óleo diesel
derivado de petróleo.
1.4 Propriedades importantes dos combustíveis para motores diesel
Obert (1971) observa que os requisitos para um bom combustível diesel, não podem ser
tão facilmente descritos como aqueles da gasolina. Esta situação se origina na maior
complexidade do seu processo de combustão heterogênea, afetado de maneira marcante pelas
características da injeção. Alguns requisitos que são essenciais estão relacionados às
características de batida, de partida, produção de fumaça e cheiro, corrosão, desgaste e
facilidade de manuseio. Em relação à batida, a medida atual é a cetanagem que deve ser
suficientemente alta para evitar a batida indesejável. O combustível diesel deve também
permitir uma partida fácil do motor, requisito relacionado com a sua volatilidade e uma
elevada cetanagem.
O óleo combustível não deve produzir fumaça ou cheiro após a combustão, não deve
causar corrosão ou desgaste antes e nem após a combustão, requisitos relacionados ao teor de
enxofre e de cinzas do combustível. O diesel deve ser um líquido de fluxo fácil em qualquer
condição encontrada, requisito relacionado ao ponto de escoamento e à viscosidade do
combustível, e deve apresentar um alto ponto de fulgor, haja vista que uma das vantagens do
motor ICO é poder operar com combustíveis relacionados a baixos riscos de incêndio.
Entre os principais requisitos de qualidade de um combustível para motor diesel devem
ser destacadas as seguintes propriedades.
1.4.1 Viscosidade
Para Liljedahl et al (1984) a viscosidade dos combustíveis para motores de ignição por
compressão não deve ser nem muito alta nem muito baixa. As bombas injetoras funcionam
18
melhor quando o combustível apresenta a viscosidade apropriada ao seu projeto, pois se a
viscosidade é muito baixa pode necessitar de manutenção e reparações mais freqüentes do
sistema de injeção. Por outro lado, se a viscosidade for muito elevada, originam-se pressões
excessivas no sistema injetor. Assim, uma viscosidade apropriada do combustível para
motores diesel constitui-se numa necessidade.
Leontsinis (1988) destaca que a viscosidade dos combustíveis destinados ao uso em
motores diesel é um requisito muito importante, principalmente pelo seu efeito direto sobre o
desempenho do sistema bomba-injetor. Se a viscosidade for excessivamente baixa, pode
tornar necessária a manutenção do sistema injetor mais freqüente e, pelo contrário, se
excessivamente alta, pode provocar pressões excessivas no sistema.
A viscosidade afeta o grau de atomização do combustível e influencia a forma do jato
produzido. Viscosidade elevada produz atomização deficiente, que resulta num jato de alta
penetração de gotículas grandes que prejudicam a nebulização. Se o combustível não se
mistura adequadamente com o ar no cilindro, a combustão que se segue não é boa e ocasiona
quedas de potência e com aumento de consumo. Especialmente em motores pequenos, a
grande penetração do jato de combustível faz com que haja a colisão das gotículas atomizadas
com as paredes dos cilindros, lavando a película de óleo lubrificante e provocando a sua
diluição no cárter, o que pode acarretar um desgaste excessivo dos componentes do motor.
Se a viscosidade é excessivamente baixa, produz-se uma pulverização com pouca
penetração de jato que prejudica a combustão, reduzi a potência do motor e aumenta o
consumo de combustível. Uma viscosidade baixa também acarreta vazamentos internos na
bomba injetora, aumentando o desgaste de certos componentes do próprio sistema injetor,
pois as propriedades lubrificantes do combustível tendem a diminuir com a redução de sua
viscosidade.
Observa Bosch (2005) que um combustível diesel com viscosidade muito baixa pode
provocar perdas internas na bomba injetora, por vazamentos, que reduzem a potência
produzida pelo motor. Uma viscosidade elevada provoca aumento da pressão de pico de
injeção em sistemas sem regulagem de pressão e também muda o padrão de pulverização,
devido à formação de gotículas maiores, como no caso do biodiesel.
Conforme Knothe (2006) a viscosidade é a medida da resistência à vazão de um líquido,
associada à fricção ou atrito interno de uma parte do fluido que escoa sobre outras. A
viscosidade afeta a atomização do combustível no momento da emergência do combustível
dentro da câmara de combustão e a formação de depósitos carbonosos no motor. Quanto
maior a viscosidade, maior será a tendência do combustível em causar tais problemas.
19
A viscosidade do biodiesel é inferior àquela de seus óleos de origem e superior à do
óleo diesel de petróleo. A alta viscosidade é a principal propriedade de um combustível que
justifica a não-utilização de óleos vegetais in natura em motores de ignição por compressão.
Os resultados obtidos por Ejim et al (2007) em seus ensaios sugerem que as misturas até
B
20
podem ser usadas como combustível para motores de injeção direta sem preocupações
relativas às diferenças de tamanhos de gota atomizada nas condições de operação do motor
que foram consideradas.
Misturas B
5
, contendo os diversos tipos de biodiesel avaliados, não mostraram diferença
significativa no tamanho da gota combustível produzida. Em pesquisas com combustíveis
alternativos, a redução da viscosidade deve ser eleita a primeira opção entre as propriedades
físicas como forma de melhorar a atomização nos injetores.
Em Silva et al (2004) destaca-se que uma das principais características do biodiesel de
mamona é possuir uma elevada viscosidade devido ao seu constituinte químico majoritário, o
ácido ricinoleico, de grande atividade e que resulta no aumento da viscosidade.
Apesar do biodiesel de mamona apresentar uma viscosidade maior que aquelas obtidas
em outros tipos de biodiesel, este parâmetro pode ser ajustado para os valores estabelecidos
em Norma (5,5 mm
2
/s) através de misturas com o óleo diesel ou outros tipos de biodiesel,
como o de babaçu, que promovem uma redução nas interações através das pontes de
hidrogênio pela adição de outras moléculas.
1.4.2 Número de cetano
Segundo Liljedhal et al (1984) a qualidade de ignição de um combustível diesel é
determinada por um método similar ao usado na determinação da qualidade antidetonante da
gasolina. Assim como no caso da escala numérica de octanagem, a escala numérica para
cetano representa misturas de dois combustíveis de referência, constituídos por
hidrocarbonetos puros.
Os padrões utilizados são o n-cetano, ao qual foi atribuído um número de cetano igual a
100, e o heptametilnonano com um NC igual a 15. O número de cetano para uma mistura de
hidrocarbonetos se calcula pelo percentual de n-cetano acrescido de 15% do teor de
heptametilnonano. Uma classificação de 66 para NC indica que um combustível diesel
apresenta o mesmo retardo de ignição de uma mistura volumétrica de 60 partes de n-cetano e
20
40 partes de heptametilnonano. O número de cetano de um combustível diesel depende de sua
composição química e, em geral, os compostos aromáticos apresentam baixo NC, as parafinas
possuem elevado NC e os naftenos se encontram em um ponto médio. A qualidade de ignição
de um combustível pode ser melhorada pela incorporação de aditivos.
Segundo Coopetróleo (2007), a qualidade de ignição do óleo diesel pode ser medida
pelo seu número de cetano ou calculado pelo índice de cetano (IC). O número de cetano de
um combustível é obtido através de um ensaio normalizado num motor monocilíndrico
padronizado (CFR), quando se compara o seu retardo de ignição com o de uma mistura de
combustíveis-padrões cujo número de cetano é conhecido.
Os padrões primários são o n-hexadecano ou cetano, ao qual se atribuiu um número de
cetano igual a 100 (cem) e o alfametilnaftaleno com número de cetano igual a 0 (zero).
Portanto um combustível com número de cetano igual a 45, tem a mesma qualidade de
ignição de uma mistura dos padrões acima que contenha 45,0% de cetano.
O heptametilnonano (HMN), com NC igual a 15, foi adotado como referência limite
inferior da escala de cetanagem em substituição ao alfametilnaftaleno do procedimento
original para ensaios por ser se apresentar como um produto mais estável. O número de
cetano adequado para um combustível de motores ICO, em geral situa-se na faixa de 40 a 60.
Valores de NC inferiores a 40 podem produzir fumaça na descarga, com aumento de
consumo, redução de potência e aumento do ruído característico da batida do motor diesel.
Por outro lado, se o óleo diesel proporcionar partida do motor com facilidade e operação
satisfatória, tanto em marcha lenta quanto a plena carga, não se verificarão ganhos
significativos com o aumento do número de cetano, podendo-se até piorar o desempenho para
valores muito altos.
O índice de cetano (IC) é calculado através de correlações baseadas nas propriedades
físicas do combustível, que são rotineiramente determinadas. O índice de cetano é função do
ponto de destilação médio (T – 50,0%) e da densidade, e apresenta uma boa correlação com o
número de cetano. O biodiesel de soja apresenta um NC entre 48 e 52, enquanto que para o
diesel de petróleo a ANP especifica um valor mínimo de 46.
Em suas definições, Knothe (2006) explica que o número de cetano é um valor
adimensional que mede a facilidade de ignição de um combustível diesel e, como tal,
representa um excelente indicador da qualidade do combustível. Uma escala de cetanagem,
conceitualmente similar à escala de octanagem para os combustíveis de motores de ignição
por faísca, foi estabelecida para descrever a qualidade de ignição do petrodiesel e de seus
componentes.
21
Geralmente um composto que apresenta uma elevada octanagem tende a apresentar um
baixo número de cetano e vice-versa. Para a escala do número de cetano, o n-hexadecano
(C
16
H
34
, o cetano)
dá o seu nome à escala. Ao cetano, um hidrocarboneto de cadeia linear
longa e considerado o padrão de alta qualidade de ignição, atribuiu-se um NC igual a 100.
No outro extremo da escala, ao heptametilnonano (também C
16
H
34
) que é um composto
altamente ramificado e de péssima qualidade de ignição em motores diesel, foi atribuído um
NC igual a 15.
Assim, as ramificações e o comprimento da cadeia influem sobre o número de cetano,
com o valor decrescendo com a redução do comprimento da cadeia e com o aumento do grau
de ramificações. O número de cetano de um combustível para motores diesel é determinado
pelo tempo de retardamento da ignição, isto é, pelo tempo que passa entre a injeção do
combustível nos cilindros e a ocorrência da ignição.
Quanto menor o tempo de retardo de ignição maior o valor do NC e vice-versa e se os
valores do número de cetano forem muito altos ou muito baixos podem causar problemas
operacionais no motor. Se muito elevado, a combustão pode iniciar antes que o combustível e
o ar estejam apropriadamente misturados, resultando numa combustão incompleta e emissão
de fumaça preta pelo escapamento.
Por outro lado, se o número de cetano for muito baixo o motor pode falhar e trepidar,
demorar a aquecer e surgirem fenômenos característicos da combustão incompleta.
Em geral, o valor do número de cetano recomendado pela maioria dos fabricantes de
motores e sistemas de injeção, encontra-se numa faixa entre 40 e 50.
1.4.3 Densidade
Há uma correspondência constante entre o poder calorífico dos combustíveis e sua
densidade. Densidades maiores apresentam poderes caloríficos maiores. Assumindo-se ajustes
constantes da bomba injetora de combustível (e portanto, volume constante de injeção), o uso
de combustíveis com densidades diferentes será acompanhado por variações na mistura e
flutuações no poder calorífico.
Alta densidade provoca aumento de material particulado enquanto densidades menores
podem causar perda de desempenho (Bosch, 2005).
22
Para Antolín et al. (2002) o poder calorífico do biodiesel é 12% menor que o diesel
fóssil, entretanto, isso é parcialmente compensado pela maior densidade, o que leva a uma
perda total próxima a 6%.
1.4.4 Ponto de fulgor
Conforme Leontsinis (1988) o ponto de fulgor é a temperatura na qual um líquido emite
vapores suficientes para formar com o ar uma mistura facilmente inflamável quando na
presença de uma chama. O ponto de fulgor de um combustível indica a temperatura abaixo da
qual o mesmo pode ser manuseado sem risco de fogo.
Portanto, um ensaio de ponto de fulgor não dá uma prescrição de qualidade, mas sim
um indicativo dos possíveis riscos envolvidos no manuseio, armazenagem e transporte do
combustível, considerados os aspectos de segurança.
Apesar de sua importância sob este aspecto, o ponto de fulgor de um combustível diesel
não tem significado maior em relação ao desempenho do motor. A temperatura de auto-
ignição, de um modo geral não é influenciada pelas variações do ponto de fulgor.
Agarwal (2007) destaca que o elevado ponto de fulgor característico dos óleos vegetais
in natura contribui para sua baixa volatilidade, resultando na formação de depósitos de
carbono no interior do motor, carbonização dos injetores, emperramento de anéis, diluição e
degradação do óleo lubrificante.
Explica Bosch (2005) que o ponto de fulgor é a temperatura na qual as quantidades de
vapor emitidas por um fluido combustível para a atmosfera são suficientes para permitir a
ignição da mistura vapor-ar acima do fluido por meio de uma faísca elétrica. Normas relativas
às considerações de segurança (manuseio, transporte e armazenagem) obrigam o combustível
diesel a atender exigências da Classe A III, com ponto de fulgor mínimo de 55°C. A
contaminação do óleo diesel com uma quantidade inferior a 3,0% de gasolina no combustível
diesel é suficiente para baixar o ponto de fulgor de tal maneira que a ignição torna-se possível
à temperatura ambiente.
Segundo Knothe (2006) muitos usuários de motores diesel tratam o seu combustível
como se não fosse inflamável. A volatilidade do óleo diesel é baixa e uma mistura vaporizada
deste combustível fica abaixo de seu ponto de inflamabilidade.
23
A propriedade que caracteriza este comportamento é o ponto de fulgor, temperatura na
qual o combustível estaria suficientemente vaporizado e aquecido a ponto de inflamar a
mistura. Para o óleo diesel de petróleo esta temperatura está entre 52 e 66 °C e para a gasolina
está em – 40°C.
Uma vantagem importante do biodiesel é o seu elevado ponto de fulgor, superior a
150°C, indicando um manuseio mais seguro do que o diesel convencional.
1.5 O biodiesel
Conforme Kucek et al (2004) o biodiesel é definido quimicamente como um éster
mono-alquílico de ácidos graxos, derivados de diferentes fontes renováveis como os óleos
vegetais, óleos e gorduras animais ou de óleos residuais de cocção.
Hogan (2005) diz que o biodiesel está para o óleo diesel assim como o etanol está para a
gasolina. É um combustível alternativo derivado de várias fontes de lipídeos renováveis (óleos
e gorduras) e voltado ao uso em motores diesel, sem necessitar de alterações. O biodiesel
pode ser usado puro ou em misturas com o diesel mineral em vários níveis.
O biodiesel é o primeiro e único combustível alternativo a ter uma avaliação completa
dos resultados de emissões e potenciais efeitos sobre a saúde submetida à EPA nos Estados
Unidos.
Está definido em IEA (2000) que biodiesel designa um grupo de óleos vegetais
esterificados, produzidos a partir de diferentes oleaginosas como colza, soja, girassol e palma.
Em linguagem corrente, abreviações como EMOS (para éster metílico de óleo de soja) são
usadas para descrever esses óleos esterificados.
O biodiesel é um combustível biodegradável derivado de fontes renováveis e que pode
ser produzido pelos processos de craqueamento ou esterificação a partir de gorduras animais
ou de óleos vegetais obtidos de centenas de espécies com potencial de utilização no Brasil.
O biodiesel visa substituir total ou parcialmente o óleo diesel mineral em motores de
ciclo diesel automotivos ou estacionários, pode ser usado puro ou em misturas com o diesel
em diversas proporções. Uma mistura contendo 2,0% de biodiesel, em volume, no diesel
mineral é chamada de B
2
e assim sucessivamente até que apenas o biodiesel puro reste na
mistura que é reconhecida como B
100
(Brasil, 2005).
24
Para Marvulle et al (2004) o biodiesel é um combustível alternativo para motores de
ignição por compressão, biodegradável e não tóxico. É composto de metil ou etil ésteres e
pode ser produzido a partir de diferentes matérias-primas. As principais fontes para produção
de biodiesel são as centenas de tipos de óleos e gorduras vegetais, animais ou residuais.
Diversos processos podem ser usados para obtenção do biodiesel, principalmente
transesterificação e craqueamento. O biodiesel pode ser aplicado nos motores ICO,
diretamente (puro) ou em misturas com o diesel mineral em diversas proporções.
Em Comissão Européia (2004) claramente é observado que os óleos vegetais in natura
não podem ser usados diretamente em motores diesel sem que estes sofram alterações. Para
que os óleos vegetais possam ser integrados ao mercado de combustíveis tradicionais, devem
sofrer um processo de transesterificação para dispensar a necessidade de alterações nos
motores. Os óleos vegetais esterificados passam a ter a designação corrente de biodiesel.
1.6 A transesterificação
Em Brasil (2004) se destaca que o biodiesel pode ser obtido a partir de óleos vegetais
novos, óleos residuais de cocção, gorduras animais e ácidos graxos oriundos do refino dos
óleos vegetais. O processo de transesterificação consiste na reação química de triglicerídeos
com álcoois (metanol ou etanol) na presença de um catalisador (ácido, base ou enzimático),
produzindo-se um composto éster-glicerina.
As alternativas para a produção de óleos vegetais são diversas. Tanto culturas
tradicionais como soja, amendoim, girassol, mamona e dendê, quanto alternativas novas,
como pinhão-manso, nabo forrageiro, pequi, buriti, macaúba e mais uma extensa variedade de
outras oleaginosas podem ainda ser exploradas.
Devem merecer destaque a soja, cujo óleo representa cerca de 90,0% da produção
brasileira de óleos vegetais, e também o dendê, o coco e o girassol, pelo rendimento em óleo
que permitem e, por fim, a mamona que é resistente à seca.
O processo de transesterificação pode utilizar como álcool, o metanol, rota muito
conhecida e aplicada industrialmente com sucesso em diversos países ou o etanol, que sugere
ser a opção mais vantajosa para o Brasil, pois é produzido em larga escala e a custos mais
baixos. O metanol, além de ser tóxico, necessita ser importado ou produzido a partir do gás
natural, de origem fóssil.
25
Em IEA (2004) se observa que o biodiesel derivado de ésteres de ácidos graxos pode ser
produzido a partir de uma variada tecnologia de esterificação, com os processos seguindo uma
mesma linha básica fundamental. O biodiesel pode ser produzido de óleos residuais de cocção
(fritura) ou de óleos vegetais naturais. Com a transesterificação, a viscosidade dos ésteres
assemelha-se a do diesel convencional. Quase todas as propriedades físicas são alteradas no
processo e passam a ter correspondência com as do óleo diesel tradicional.
Para a produção de biodiesel de um óleo residual, inicialmente deve haver um pré-
processamento e filtração para que se removam a água e contaminantes e a seguir, o óleo
tratado e as gorduras devem ser misturados com um álcool, usualmente o metanol e um
catalisador (hidróxido de sódio ou de potássio). As moléculas dos triglicerídeos se quebram,
separam e reformam-se em ésteres e glicerol, que são posteriormente separados e purificados
e a mistura de ésteres resultantes constitui o biodiesel.
A Comissão Européia (2004) explica que o processo de transesterificação requer o uso
de um álcool, que normalmente é o metanol. O subproduto do processo é a glicerina, que
depois de purificada pode ser usada na indústria química como material de base. Os processos
de produção de ésteres combustíveis são suficientemente conhecidos pela indústria de bens
alimentares e têm sido continuamente otimizados para atender ao mercado de combustíveis,
tornando possível sua padronização em conformidade com os requisitos de qualidade exigidos
de combustíveis modernos.
Lima Neto et al (2006) explicam que a transesterificação, processo mais utilizado
atualmente para a produção de biodiesel, consiste numa reação química de óleos vegetais ou
gorduras animais com o metanol (ou etanol), estimulada por um catalisador. Da reação se
extraem os ésteres e a glicerina, produto com aplicações diversas na indústria química. Além
da glicerina, a cadeia produtiva do biodiesel gera uma série de outros co-produtos (torta,
farelo etc.) que podem agregar valor e se constituir em outras fontes de renda importantes
para os produtores. Numa reação típica de transesterificação, consideradas as proporções
aproximadas dos reagentes, pode-se dizer que 100 kg de óleo vegetal reagem com 10 kg de
álcool gerando 100 kg de biodiesel e 10 kg de glicerina.
Marvulle et al (2004) relatam que a evolução tecnológica observada atualmente mostra
tendências de fortalecimento da transesterificação como principal processo de produção do
biodiesel. As misturas com o óleo diesel de petróleo possibilitam utilizar o biodiesel na frota
atual de veículos automotivos, sem necessidade de quaisquer modificações nos motores.
O processo de transesterificação dominante é conduzido em meio alcalino, onde se
efetua uma reação dos triglicerídeos com um álcool (etanol ou metanol), produzindo glicerina
26
e ésteres dos ácidos graxos componentes do óleo vegetal originário. A diversidade de
matérias-primas e de processos estimula diversos programas de pesquisa e desenvolvimento
tecnológico na atualidade. A transesterificação segundo uma rota metílica é a mais utilizada
no mundo e, em princípio, a mais vantajosa por permitir a separação simultânea do glicerol. A
mesma reação seguindo a rota etílica é mais complicada.
No entanto, no Brasil a produção de etanol anidro em grande escala para aditivar a
gasolina e com custos competitivos, favorece o uso desse álcool.
Parente (2003) informa que a produção do biodiesel pode ter como matéria-prima os
óleos vegetais, as gorduras animais e os óleos e gorduras residuais. Todos os óleos vegetais
enquadrados na categoria de óleos fixos ou triglicerídicos podem ser transformados em
biodiesel. Podem ser citados principalmente os óleos de amendoim, dendê, soja, algodão,
babaçu, girassol e mamona, entre muitos outros vegetais em forma de sementes, amêndoas ou
polpas. Os chamados óleos essenciais não podem ser utilizados como matérias-primas para
produção de biodiesel, pois são voláteis, constituídos de misturas de terpenos, terpanos, fenóis
e outras substâncias aromáticas. Como exemplos de essenciais podem ser citados o óleo de
pinho, de casca de laranja, de andiroba, de casca da castanha de caju, entre outros.
Lopes et al (2004) ressaltam que a exploração de plantas oleaginosas objetivando a
produção de biocombustíveis, questionada em países de pequena extensão territorial, não
constitui um problema para a agricultura brasileira. O Brasil possui 850 milhões de hectares
de extensão territorial, dos quais apenas 53 milhões são ocupados para fins agrícolas,
devendo-se ressaltar que as condições edafo-climáticas são bastante favoráveis a essa
finalidade.
A adoção do programa do biodiesel no Brasil vem ao encontro de outra tecnologia bem
sucedida, a do etanol hidratado brasileiro. Destaque-se que, para produzir biodiesel são
necessárias grandes quantidades de álcool e, para produção de álcool consome-se localmente
muito óleo diesel que pode ser substituído pelo biodiesel. Uma simbiose entre estes dois
biocombustíveis pode levar à consolidação de ambas as tecnologias.
Segundo Felizardo et al (2006) o aumento da produção de óleos residuais de fritura por
fontes domésticas e industriais é um problema crescente em nível mundial. Tais resíduos são
regularmente despejados no esgoto, causando problemas para as estações de tratamento de
efluentes e desperdício de energia, ou simplesmente são incorporados a rações animais
podendo torná-los potenciais riscos à saúde humana.
Existem diversos usos para os óleos residuais tanto para a produção industrial (sabões)
como para produção de energia através de digestores anaeróbios ou de craqueamento térmico,
27
entre outros. Mais recentemente os óleos residuais estão sendo utilizados para a produção do
biodiesel, potencial substituto do óleo diesel mineral em motores de combustão interna.
Segundo Ramos (2003) a catálise homogênea em meio alcalino ainda prevalece como a
opção mais imediata e economicamente viável para a transesterificação de óleos vegetais.
Como agentes do processo podem ser utilizados os álcoois primários, etanol e metanol ou
mesmo outros álcoois superiores. Como catalisadores podem ser utilizados os álcalis
(hidróxido de sódio e de potássio e as bases de Lewis), os ácidos minerais (ácido sulfúrico) e
as resinas de troca iônica entre outros. Na Tabela 1, encontram-se dados acerca das principais
matérias-primas para a produção de óleos voltados à obtenção de biodiesel e que estão sendo
consideradas no Brasil.
Tabela 1 – Principais matérias-primas para produção de biodiesel no Brasil.
Matéria-prima Teor de óleo
(%)
Produtividade
(kg/ha.ano)
Produção de óleo
(kg/ha.ano)
Gorduras animais 100 - -
Macaúba 22 28.000 5.000
Pequi 60 8.000 4.800
Pinhão-manso 40 8.000 3.200
Dendê 20 15.000 3.000
Babaçu 6 15.000 900
Mamona 50 1.500 750
Amendoim 39 1.800 702
Canola 38 1.800 684
Girassol 42 1.600 672
Gergelim 39 1.000 390
Soja 18 2.200 396
Algodão (caroço) 15 1.800 270
Milho 5 3.200 160
Fonte: Carvalho et al (2007).
28
Tsai et al (2005) explicam que a conversão catalítica de óleos residuais de fritura pela
transesterificação em biodiesel traz vantagens econômicas e ambientais, pois aproveita um
rejeito e elimina um elemento indesejável nos efluentes domésticos e de indústrias.
Sob este aspecto, o biodiesel obtido com sucesso de óleos e gorduras residuais de
cocção através da transesterificação pode ser considerado um combustível alternativo com
grande potencial para uso em motores de ignição por compressão e em outras utilidades sem
necessidade de grandes alterações.
Costa Neto et al (2000) ressaltam que a produção de fritos e pré-fritos aumentou nos
últimos anos, provocando um significativo aumento na produção de óleos residuais que são
descartados diretamente no esgoto doméstico, sem tratamento e causando muitos problemas
ambientais. Parte do volume dos óleos residuais de fritura é utilizada na produção de sabões,
de massa de vidraceiro ou de ração animal.
A partir das evidências científicas existentes de que os animais que se alimentam dessas
rações são impróprios para consumo humano, o aproveitamento energético de óleos e
gorduras residuais é importante também sob os aspectos de saúde humana, de preservação
ambiental e de economia do país.
Os óleos e gorduras residuais podem produzir um combustível de alto valor energético.
Apesar dos excelentes resultados obtidos por diversos autores é inevitável assumir que o óleo
de frituras traz consigo muitas impurezas oriundas do próprio processo de cocção, sendo
aconselhável proceder a uma pré-purificação dos óleos, seguida de uma secagem antes da
reação de transesterificação.
Segundo Leung et al (2006) a análise das condições de uma transesterificação metílica
do óleo de canola natural e do óleo residual de cocção indica que o tipo e a quantidade de
catalisador, a taxa molar de metanol:óleo, a temperatura e o tempo de reação, são os
principais fatores que afetam a reação.
Experimentalmente mostraram que a quantidade ideal de catalisador (NaOH) para a
transesterificação do óleo residual foi maior do que para óleo natural, devido ao maior
conteúdo de ácidos graxos livres no óleo usado.
O conteúdo de ésteres nos produtos foi menor do que para o óleo natural devido à
presença de impurezas nos óleos residuais reciclados. Definiram que as temperaturas de
reação maiores que 50°C têm um impacto negativo sobre o rendimento em ésteres produzidos
a partir do óleo cru, mas o impacto é positivo sobre o rendimento em ésteres obtidos de óleos
residuais que apresentam viscosidades maiores.
29
A reação otimizada para transesterificação dos óleos usados e com um valor de acidez
de 2,0 e viscosidade de 35,0 mm
2
/s, pôde ser alcançada a 60°C e num tempo de reação de
cerca 20 minutos, utilizando uma relação de 1,1% em peso de catalisador para o óleo e uma
relação molar metanol:óleo usado de 7:1.
Para a reação do óleo natural de canola, as condições ótimas do processamento foram
com temperatura entre 40 e 45°C para um tempo de reação de 60 minutos, utilizando 1,9% de
NaOH na relação catalisador:óleo em peso e uma taxa molar metanol:óleo de 6:1.
1.7 A utilização de misturas biodiesel e diesel de petróleo
Explica Agarwal (2007) que a melhor forma de utilização dos óleos vegetais como
combustível é convertendo-os em biodiesel. As características principais do biodiesel são
muito semelhantes às do diesel convencional e, apesar de não conter componentes obtidos do
petróleo, é compatível com o óleo diesel convencional ao qual pode ser misturado em
quaisquer proporções. O nível de mistura do biodiesel com diesel é referido como sendo um
B
XX
, onde o duplo X indica a quantidade do biocombustível na mistura.
Assim, uma mistura B
10
é composta por 10% de biodiesel e 90% de óleo diesel de
petróleo e pode ser utilizada num motor de ignição por compressão sem maiores modificações
na estrutura física do motor.
De acordo com Santos et al (2004), observando-se os resultados apresentados por
misturas de petrodiesel e biodiesel num motor de ignição por compressão turboalimentado
verifica-se que a adição de 10,0 ou 20,0% do biocombustível ao óleo diesel pode trazer
vantagens em termos de potência, de rendimento térmico e de consumo específico do motor.
O uso do biodiesel puro (B
100
) conduz a uma ligeira queda de potência do motor, sendo esta
uma pequena desvantagem que é compensada pelo fato de se tratar de um combustível
100,0% renovável que traz benefícios de redução das emissões de gases poluentes.
Costa Neto et al (2000) conduziram um experimento no qual o biodiesel de óleos
residuais de fritura foi misturado ao óleo diesel numa proporção de 20,0% e utilizado num
ônibus urbano na cidade de Curitiba, PR. Os resultados obtidos mostraram que além da
identificação de um leve odor característico de fritura nos gases de escapamento, o
desempenho do motor e o consumo de combustível não foram afetados.
30
Segundo a ANP (2005), os exaustivos testes em todo o mundo com vários tipos de
biodiesel comprovam a sua viabilidade técnica como combustível para motores diesel
convencionais. No entanto, qualquer alteração no combustível ou a adoção de combustíveis
alternativos de natureza diferente à do diesel de petróleo, podem exigir adaptações ou
alterações no motor. Porém, no caso das misturas de biodiesel em pequenas proporções no
óleo diesel não existe a necessidade de modificações no motor.
Assim, as misturas com baixo teor de biodiesel não exigem alterações de regulagem ou
da tecnologia empregada na fabricação de peças, componentes e de óleos lubrificantes.
Apenas é necessário que o biodiesel tenha um padrão de qualidade tanto como produto puro
quanto para misturas com o diesel fóssil. É importante salientar que o biodiesel por ser um
produto natural e biodegradável, pode apresentar problemas de degradação natural durante o
armazenamento.
O biodiesel pode ser considerado um excelente aditivo verde para o óleo diesel
tradicional, pois pode desempenhar o papel do enxofre e garantir a lubricidade necessária do
combustível diesel na bomba injetora. O biodiesel pode viabilizar a utilização de um
combustível diesel com baixíssimos teores de enxofre.
As propriedades lubrificantes do óleo diesel são importantes para os equipamentos de
injeção do combustível, tais como injetores e bombas, pois combustíveis de baixa lubricidade
aumentam o desgaste e reduzem a vida útil dos componentes.
Segundo Ejim et al (2007) misturas binárias contendo grandes proporções de óleo diesel
de petróleo reduzem a viscosidade, a densidade e a tensão superficial do biocombustível
adicionado, proporcionando-lhe características de atomização adequadas para um motor
diesel.
Buscaram avaliar se diferenças de natureza do biodiesel, puro e em misturas com o
diesel convencional de petróleo, e de suas propriedades físicas (viscosidade, densidade tensão
superficial) a 80°C, produzem efeitos sobre as características de atomização num motor diesel
através da análise matemática. Os resultados mostraram que, numa mesma condição de
operação do injetor, um B
100
de óleo de coco produzirá gotas de combustível atomizado de
tamanho estatisticamente igual ao diesel de petróleo.
O biodiesel de óleo de colza produzirá as maiores médias de tamanho de gota e os B
100
de óleo de palma, de soja, de algodão, amendoim e canola não produzirão gotas de tamanhos
diferentes estatisticamente. As condições de contorno consideradas na avaliação sugerem que
os diferentes tipos de biodiesel produzirão tamanhos de gota de diferença negligenciável em
relação ao diesel de petróleo num motor de ciclo diesel.
31
As misturas B
20
produzirão gotas menores que as B
100
, com a B
20
de óleo de coco
apresentando as menores dimensões e a B
20
de óleo de colza apresentando as maiores
dimensões de gotas. Os B
20
de óleo de soja, de palma, algodão, amendoim e canola não
mostraram diferenças significativas no tamanho de gota a ser produzida.
Os resultados mostram que, de uma maneira geral, o uso de misturas até B
20
não
produzirão diferenças significativas de tamanho da gota indicando a possibilidade de
substituição do diesel de petróleo sem mudanças na atomização do combustível. Misturas
ternárias de biodiesel de óleo de coco com outro tipo de biodiesel e diesel de petróleo (até
61,0% em peso) alcançaram características de atomização superiores às alcançadas pelos B
100
correspondentes.
As misturas ternárias com biodiesel de coco podem ser combinadas para alcançar
características de atomização similares às de misturas binárias com diesel de petróleo. Isso
ocorre porque as características de atomização do biodiesel de coco são bastante similares às
do óleo diesel convencional, sugerindo que o biodiesel de óleo de coco pode ser usado como
uma base de mistura para outros tipos de biodiesel para alcançar melhores características de
injeção.
O uso de misturas ternárias pode reduzir as quantidades de óleo diesel de petróleo
usadas nos motores diesel resultando na redução de monóxido de carbono e hidrocarbonetos
não queimados nas emissões de exaustão.
Maziero et al (2005) observaram em seus ensaios que a substituição completa do óleo
diesel por biodiesel de óleo de girassol produz uma redução média de 7,6% na potência do
motor com um aumento de consumo específico da ordem de 9,8%, em média.
Segundo Hilbert et al (2002), em estudo sobre o desempenho de motores diesel com
biocombustíveis, obteve-se reduções médias de 3,7% na potência máxima com aumento
médio de 9,5 % no consumo específico de combustível com o uso de biodiesel quando
comparado ao diesel de petróleo.
No trabalho conduzido por Silva et al (2004) observa-se o comportamento da
viscosidade de misturas do éster metílico de mamona com o diesel de petróleo ou com
biodiesel de óleo de babaçu em diferentes proporções. Os dados mais importantes do trabalho
estão apresentados na Tabela 2, devendo-se destacar a elevada viscosidade do éster de
mamona em relação a outros citados e a sua variação à medida que aumenta sua proporção na
mistura com diesel convencional e com biodiesel de babaçu.
32
Tabela 2 – Dados de viscosidade para misturas de diesel/biodiesel (mm
2
/s).
B
XX
Mamona na mistura B
0
B
10
B
20
B
30
B
40
B
50
B
60
B
70
B
80
B
90
B
100
Biodiesel babaçu 3,41 3,58 4,66 4,75 5,14 6,08 6,57 7,20 8,40 9,60 11,58
Diesel mineral 3,76 3,90 4,78 4,95 5,53 6,25 7,15 7,86 8,90 10,33 11,58
Fonte: Silva et al (2004)
Para Schumacher et al. (1996), num motor alimentado por misturas diesel/biodiesel,
promove-se a redução das emissões de MP, HC não-queimado, enquanto incrementa-se as
emissões de NOx. A melhor mistura para obtenção das maiores reduções de MP e o menor
incremento das emissões de NOx foi a que continha 20% de biodiesel (B20).
Al-Widyan et al. (2002) observam que as misturas diesel/biodiesel queimam mais
eficientemente, com maior economia de combustível e geram menores emissões de CO e HC
não-queimado. A utilização de 100% de éster e uma mistura B75 forneceram os melhores
resultados em termos de performance do motor
1.8 O biodiesel metílico
Almeida Neto et al (2004) realizaram um estudo para comparar o balanço energético da
mamona (Ricinus communis) com duas culturas tradicionais na produção do biodiesel, a colza
(Brassica napus) utilizada na Europa e a soja (Glycine max) usada nos Estados Unidos. O
balanço energético mostrou-se positivo em ambas as rotas de produção, metílica e etílica,
independentemente da alternativa de alocação de uso dos co-produtos.
A relação entre a energia investida na produção de um combustível (Input) e a energia
obtida na sua combustão (Output) é um indicador importante da viabilidade econômica e
ambiental de um processo.
As emissões específicas de CO
2
(gCO
2
/MJ) mostram-se inversamente proporcionais aos
valores da relação O/I (Output/Input) para os biocombustíveis. A relação O/I calculada para o
biodiesel de mamona apresentou valores entre 1,3 e 2,9 e é superior à do biodiesel de colza,
entre 1,2 e 1,9, e inferior à do biodiesel de soja, que encontram-se valores entre 3,2 e 3,4
independentemente da rota utilizada e da alocação dos subprodutos.
33
Os indicadores O/I e de emissões específicas sugerem a viabilidade energética e
ambiental do biodiesel de mamona, desde que se garantam produtividades agrícolas acima de
1.500 kg/ha.ano. Os efeitos ambientais e energéticos positivos dependem do adequado
aproveitamento dos co-produtos e dos resíduos do processo de esterificação, da eficiência
energética nos processamentos da mamona e do biodiesel e da implementação de manejos
eficientes no uso dos insumos químicos (nitrogênio) que respondem por até 65,0% do
consumo total de energia.
Para Antolín et al. (2002) os ésteres metílicos têm balanço de enrgia positivo, isto é, o
total da energia consumida em seu processo de produção, é menor que o conteúdo de energia
que o combustível oferece.
Segundo Norman (2000) os fabricantes americanos de sistemas de injeção de
combustível estão estimulando o desenvolvimento de combustíveis renováveis para motores
de ignição por compressão.
Dados experimentais obtidos com ésteres metílicos de óleo de colza na Europa sugerem
que combustíveis em conformidade com os padrões existentes, utilizados em misturas com o
óleo diesel mineral até a fração B
5
, não devem provocar quaisquer problemas sérios aos
usuários finais. Alguns veículos têm sido adaptados pelos seus fabricantes para utilizar
misturas de 5,0% ou mais de éster metílico de colza de boa qualidade no diesel mineral e
outros veículos são adaptados para usar 100,0% de éster metílico. Os fabricantes de sistemas
de injeção americanos atualmente já estão aptos ao fornecimento de equipamentos adequados
a essas aplicações.
1.9 Emissão de gases pelos motores diesel
McCormick et al (2006) destacam que as emissões de particulados são definidas pela
EPA como materiais condensados ou sólidos coletados em um filtro apropriado em
temperaturas abaixo de 52°C. Portanto, os materiais particulados incluem fumaça,
combustível, derivados de lubrificantes e os aerossóis contendo ácido sulfúrico. Salientam
que uma propriedade importante do biodiesel é a habilidade de reduzir as emissões de
particulados totais do motor.
Para Tree et al (2007) enquanto os motores diesel superam qualquer outra fonte motriz
inventada em termos de eficiência, torque e dirigibilidade, sofrem com a performance inferior
34
em termos de ruído, elevadas emissões de NO
x
e de particulados. A maioria dos particulados
origina-se com partículas de fumaça que são formadas em regiões ricas enquanto o jato de
combustível.
Medidas realizadas no interior do cilindro mostram que a formação de fumaça é
fortemente dependente do ar arrastado na porção inicial do jato combustível e do oxigênio
presente no combustível e em menor extensão da composição e da estrutura dos
hidrocarbonetos no combustível. A fuligem que resistiu ao processo de combustão e existe na
exaustão é dominada pela fuligem proveniente de bolsões ricos em combustível que não
tiveram tempo de se misturar com o ar e queimar antes da abertura da válvula de exaustão.
De acordo com Oliveira (2004), as emissões totais de gases de efeito estufa no ciclo de
vida de um biodiesel de óleos residuais são aquelas geradas na coleta do óleo usado e no
consumo de energia elétrica na planta química, acrescidas das emissões que ocorrem na sua
distribuição e na combustão.
No caso do biodiesel de óleos novos, as emissões serão referentes à utilização de
fertilizantes nitrogenados, quando for o caso, do combustível utilizado para plantio, colheita e
extração do óleo vegetal, transporte até os pontos de abastecimento, combustão (quando
utilizar álcool metílico de origem fóssil) e decomposição dos resíduos que venham a ser
produzidos. Os insumos oriundos do extrativismo terão menor impacto no item cultivo, mas
maior impacto no item transporte, haja vista que a sua disponibilidade ocorre geralmente em
áreas remotas. Como o biodiesel deve substituir o óleo diesel, o cenário de referência deverá
contemplar as emissões deste combustível fóssil desde o processo de exploração até a sua
combustão, passando pela energia consumida no refino e pelo transporte e distribuição.
Para Costa Neto et al (2000) a significativa redução de fumaça obtida em testes com
biodiesel de óleos usados, demonstrou que vale a pena reutilizar o óleo descartado de frituras
para a produção desse combustível. Com isso fica identificado um destino mais adequado a
este resíduo agro-industrial que no Brasil é desprezado ou apenas parcialmente aproveitado de
maneira inadequada. A utilização de biodiesel como combustível tem apresentado um
potencial promissor no mundo inteiro pela sua contribuição ao meio ambiente, pois reduz
qualitativa e quantitativa os níveis de poluição ambiental, constituindo-se numa fonte
estratégica de energia renovável. A emissão de hidrocarbonetos provenientes da utilização do
biodiesel de óleo de soja é, em geral, inferior à do diesel de petróleo. Em motores turbinados a
redução pode alcançar 40,0%. A emissão de fumaça produzida pelo éster é nitidamente
inferior, principalmente em rotações elevadas. A ausência de enxofre confere ao biodiesel
35
uma grande vantagem, pois se eliminam as emissões de gases de enxofre (mercaptanas, SO
2
)
características do escapamento de motores diesel.
Segundo Faria (2003), o uso de biodiesel puro ou em misturas com o diesel fóssil
acarreta significativas reduções nas emissões de poluentes, principalmente HC não-
queimados, CO, SO
x
, hidrocarbonetos poli-aromáticos (PAH) e os PAH nitrados.
Em um trabalho realizado por Teles et al (2006) foi possível observar uma redução de
18,0%, em média, na opacidade dos gases de combustão de um motor alimentado por uma
mistura composta por óleo diesel convencional e éster etílico (B20).
Maziero et al (2005) afirmam que, com exceção dos níveis de NO
x
, que foram mais
elevados, a utilização de um éster de óleo de girassol reduziu significativamente os níveis de
CO, HC e particulados, o que confirma sua potencialidade para melhoria da qualidade
ambiental.
Segundo Ferrari et al (2005) o biodiesel pode ser obtido de fontes renováveis e a
produção em escala industrial promoverá uma significativa geração de empregos no setor e
oportunizará uma redução da dependência externa de importação do óleo diesel consumido no
país. Um fato importante que deverá sempre ser destacado é o potencial do biodiesel de
tornar-se um agente redutor da poluição atmosférica através da adição ao diesel de petróleo.
Os resultados dos trabalhos de pesquisa conduzidos apontam para uma redução de consumo
específico de combustível quando o teor de éster na mistura alcança até 20% (B
20
),
estimulando a recomendação desta adição.
Segundo Antolín et al (2002), as emissões de CO, HC, NOx e CO
2
são muito
semelhantes ou menores que aquelas do diesel fóssil e a opacidade dos gases emitidos pelo
motor é reduzido pelo uso de ésteres.
Em ensaios com diferentes teores de mistura de biodiesel de óleos residuais de fritura
no óleo diesel convencional, Lin et al (2007) observaram que o B
20
produziu as menores
concentrações de CO para todas as condições de operação do motor. Um B
50
produziu as
maiores concentrações de CO
2
do que todos os outros combustíveis e para todos os regimes
de rotação, com exceção de 2000 rpm onde o B
20
apresentou valores ligeiramente superiores.
Os combustíveis B
100
, B
80
e óleo diesel puro mostraram as maiores concentrações de
HC na exaustão em comparação com todos os outros combustíveis ensaiados. Em relação ao
NO
x
, os combustíveis contendo oxigenados apresentaram valores superiores aos do óleo
diesel de petróleo, como esperado.
Na Figura 3 apresenta-se a variação média, em termos de emissões gasosas de escape,
promovidas pela utilização de biodiesel em misturas com o diesel convencional.
36
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
0 20 40 60 80 100
Percentual de biodiesel na mistura (%)
Variação nas emissões de escape (%)
HC
PM
CO
NOx
Figura 3 – Redução das emissões residuais com uso de biodiesel (Fonte EPA, USA).
O biodiesel puro (B
100
) produziu mais NO
x
para regimes de rotação superiores,
enquanto o B
20
apresentou valores maiores em regimes de rotação menores. A formação de
SO
2
mostra uma tendência de incremento com o aumento das rotações como e com o aumento
do percentual de óleo diesel convencional na mistura.
Os autores concluem que os dados obtidos permitem afirmar que as misturas B
20
e B
50
são as melhores concentrações.
Segundo Makareviciene et al (2003) a avaliação das emissões gasosas de escape,
incluindo o CO
2
, e da biodegradabilidade em meio aquático mostraram que o éster etílico de
óleo de colza produz efeitos ambientais menos significativos do que os causados pelo éster
metílico. Uma comparação entre o diesel fóssil e o éster etílico utilizado puro mostra que este
último incrementa as emissões de NO
x
em cerca de 8,3%.
No caso de uma mistura combustível contendo entre 25,0 e 50,0% de éster etílico no
óleo diesel fóssil, observa-se um ligeiro decréscimo nas emissões de NO
x
. As emissões de CO
reduzem-se em cerca de 50,0% e as de fumaça em torno de 73,0%.
As emissões de CO, HC e fumaça preta decrescem na medida em que o percentual de
ésteres na mistura aumenta.
37
A substituição do diesel fóssil totalmente pelo éster metílico de óleo de colza reduz as
emissões acumulativas de CO
2
na atmosfera em torno de 782,20 g/kW.h e para o éster etílico
o valor é ligeiramente maior, de 782,80 g/kW.h, estatisticamente são iguais.
Os ésteres de óleo de colza são mais facilmente biodegradáveis em ambiente aquático
quando comparados ao diesel fóssil. Durante um período-padrão de 21 dias, 97,7% do éster
metílico é biologicamente decomposto, o etílico reduz 98,0%, enquanto o óleo diesel mineral
decompõe apenas 61,3%. A biodegradabilidade de misturas combustíveis contendo éster
etílico aumenta com o percentual deste na mistura.
Canakci et al (2007) utilizando B100 observaram que este biocombustível produz
significativas reduções nas emissões de CO, HC e de fumaça quando comparadas àquelas
produzidas pelo óleo diesel fóssil Entretanto observou-se uma maior emissão de NOx.
1.10 Desempenho de motores consumindo biodiesel
Para Özkan et al (2005) as variações nos valores de potência para o biodiesel metílico, o
diesel de petróleo e um biodiesel com altos teores de glicerina mostraram comportamento
similar até um regime de 2000 rpm. Acima deste valor o diesel tradicional desenvolveu
maiores valores de potência. O torque observado para o diesel mineral foi maior em 25,0% do
que com o biodiesel e 52,0% maior do que o apresentado pelo biodiesel com glicerina no
regime de 2500 rpm. O consumo específico de combustível com o diesel tradicional foi
11,5% menor do que com o biodiesel com glicerina e 13,4% menor do que com o biodiesel
puro. Os resultados indicaram uma significativa influência do teor de glicerina no biodiesel.
Rakopoulos et al (2006) utilizaram diferentes frações de biodiesel de origens variadas
no diesel de petróleo para avaliação de desempenho destes combustíveis num motor de
injeção direta. Determinaram que o desempenho do motor com biodiesel e suas misturas com
o óleo diesel foi similar ao apresentado pelo diesel puro e com eficiência térmica aproximada.
O menor consumo específico ocorreu com as misturas contendo 10,0% de biodiesel.
Bruwer et al apud Graboski et al (1997) relataram que o uso de ésteres de óleo de
girassol produziu menores depósitos de carbono em um motor de teste do que os produzidos
pelo óleo diesel tradicional.
Kaufman et al (1984) utilizaram um éster metílico de óleo de girassol num motor de
injeção direta e concluíram que o fluxo de massa de combustível cresce em 8,6%, devido às
38
maiores densidade e viscosidade do éster em relação ao óleo mineral e também relataram a
redução de 5,3% na energia produzida devido, provavelmente, ao seu menor conteúdo
energético.
1.11 Especificações do biodiesel
Explica Garcia et al (2006) que o biodiesel para o país, qualquer que seja a fonte de sua
matéria-prima, deve atender às especificações estabelecidas pela Agência Nacional do
Petróleo. Está determinado na Resolução ANP 42 de 24/11/2004, por exemplo, a
determinação do ponto de entupimento de filtro a frio, que é a maior temperatura em que o
biodiesel (B
100
), resfriado não flui ou leva mais de 60 segundos para passar através de um
filtro padrão, segundo metodologias da ABNT NBR 14747 e ASTM D 6371.
1.12 O Processo H-BIO
Carvalho et al (2007) explicam que o processo chamado de H-BIO, foi desenvolvido
para inserir o processamento de matérias-primas renováveis no esquema de refino de petróleo
e permitir a utilização das instalações já existentes.
Um óleo vegetal ou animal é misturado diretamente com frações de diesel de petróleo
para ser convertido nas Unidades de Hidrotratamento (HDT) que são normalmente
empregados nas refinarias, principalmente visando a redução do teor de enxofre e melhorias
de qualidade do óleo diesel, ajustando as características do combustível às especificações
determinadas pela ANP.
Em testes realizados com até 30,0% de óleo vegetal na carga da HDT, misturado com
frações de óleo diesel, gerou-se um produto que tem as mesmas características do diesel de
petróleo. O uso dessa alta proporção de óleo vegetal, nas unidades industriais de HDT
existentes encontra restrições operacionais e limitações de alguns equipamentos que não
foram dimensionados para tal no seu projeto original.
No desenvolvimento da tecnologia do H-BIO foram testados diferentes tipos de óleos
vegetais, como soja e mamona, e em diferentes condições de operação, evidenciando as
39
vantagens do processo. Deve ser destacado o alto rendimento na produção de óleo diesel
alcançado sem a geração de resíduos. O biodiesel puro (B
100
) obtido pela tradicional rota de
transesterificação e que é adicionado ao diesel convencional e o combustível diesel produzido
com uso de óleos vegetais diretamente em unidade de HDT apresentam estruturas
moleculares diferentes.
O biodiesel puro possui especificação própria legislada pela ANP. Porém, tanto a
mistura B
2
quanto o diesel produzido pelo processo H-BIO deverão atender a resolução da
ANP exigida para a comercialização de óleo diesel.
A tecnologia H-BIO da Petrobras introduz uma nova rota para a produção de
biocombustíveis, complementar ao Programa Brasileiro de Biodiesel, em pleno
desenvolvimento possibilitando ampliar a utilização de biomassa na matriz energética do país.
40
2. MATERIAIS E METODOLOGIA
2.1 Considerações iniciais
Neste trabalho foi avaliado o desempenho de um motor ciclo diesel, sendo alimentado
por diferentes teores de misturas de óleo diesel e biodiesel metílico de soja. Os testes foram
conduzidos no Laboratório de Motores de Combustão Interna, do Centro de Tecnologia da
Universidade Federal de Santa Maria que conta com os equipamentos abaixo relacionados:
2.2 Dinamômetro
O dinamômetro é o dispositivo que tem a função de gerar carga resistente para o motor.
Consiste em um freio hidráulico que absorve a potência gerada pelo motor e a transforma em
calor dissipado na água utilizada para frenagem. Foi utilizado um dinamômetro de freio
hidráulico marca JM – Motorpower, modelo 800V cujas características são apresentadas no
Quadro 1.
Fabricante JM - Motorpower
Tipo de absorção Hidráulica
Capacidade de absorção 470 N.m
Rotação máxima 9999 rpm
Potência máxima 476,6 kW
Instrumentação Analógica e digital
Quadro 1 – Características do dinamômetro utilizado
41
A Figura 4 mostra o arranjo utilizado para os ensaios dinamométricos.
Figura 4 – Conjunto motor, dinamômetro e sensores utilizados nos ensaios.
2.2.1 Obtenção de dados
O dinamômetro realiza somente a medida do torque produzido pelo motor a cada
rotação e a potência é calculada a partir do torque e da rotação em que esse é medido. Para
obtenção do valor da potência é utilizada a relação mostrada na Equação 1:
54,9552
NT
P
e
×
= (1)
Onde: P
e
– Potência efetiva (kW)
T - Torque (N.m)
N – Rotações por minuto
Termopar
Freio hidráulico
Sonda de análise
de gases
42
2.2.2 Aplicação do fator de correção
A potência gerada pelo motor é uma grandeza influenciada pelas condições
atmosféricas. Para a padronização de resultados obtidos em condições diferentes daquelas
previstas pela norma ABNT 5484, utiliza-se um fator de correção que permite a comparação
entre valores obtidos em diferentes condições de temperatura, umidade relativa e pressão
atmosférica. Assim todos valores obtidos em um ensaio devem ser multiplicados pelo fator de
correção Kd que é definido pela Equação 2.
fm
faKd = (2)
Onde: Kd – fator de redução para motores diesel
fa – fator atmosférico
fm – fator do motor
O fator atmosférico fa, leva em consideração os efeitos das condições ambientais como
temperatura, umidade e pressão do ar admitido no motor, conforme rege a ABNT 5484. O
valor de fa é determinado pela Equação 3.
7,0
298
15,273
.
99
+
=
tbs
ps
fa
(3)
Onde: fa – fator atmosférico
tbs – temperatura de bulbo seco (ºC)
ps – pressão do ar seco (kPa)
Para a determinação da pressão de ar seco (ps), utilizamos a Equação 4.
43
−
−
−=
+
−
100
..49,0.
5,7
1
)15,273(
5,5345
106,21
tbutbs
pbepbps
tbu
(4)
Onde: ps – pressão de ar seco (kPa)
Pb – pressão barométrica (kPa)
tbs – temperatura de bulbo seco (ºC)
tbu – temperatura de bulbo úmido (ºC)
O fator do motor, fm, é característico de cada motor e da regulagem do mesmo. É uma
função da vazão específica de combustível a cada ciclo de funcionamento. Utilizando a
Equação 5 e considerando-se que o motor ensaiado apresentou um valor de 51,8 mg/l.injeção
obteve-se um valor de fm de 0,726.
fm = 0,036 x qc – 1,14 (5)
2.3 Sistema de arrefecimento do motor
O sistema de arrefecimento tem a função de manter o fluido de arrefecimento do motor
dentro dos padrões determinados pelo projeto do motor. Consiste em uma torre de
arrefecimento, construída em alumínio, que utiliza água proveniente da rede de
abastecimento, cujo fluxo através da mesma é determinado por uma válvula termostática
bimetálica que estabiliza a temperatura no padrão pré-estabelecido.
A circulação do fluido de arrefecimento é garantida pela bomba original do motor em
teste.
A Figura 5 mostra a torre de arrefecimento utilizada para a realização dos testes.
44
Figura 5 – Torre do sistema de arrefecimento do motor
2.4 Análise dos gases de exaustão
Para a avaliação dos gases residuais da combustão do motor foi utilizado um
equipamento marca eurotron GreenLine 6000, apresentado na Figura 6, que realiza a medição
do teor de O
2
, CO, CO
2
, NO
x
, SO
2
, e HC não queimados.
Termopar
Retorno de
água do motor
Saída de água
para o motor
45
Figura 6 – Analisador de gases GreenLine 6000 (Imagem do catálogo do fabricante)
O aparelho possui uma sonda como mostra a Figura 7, que deve ser introduzida na
tubulação de escape para que os sensores eletroquímicos e medidores de fluxos forneçam os
resultados do ensaio através de uma unidade computadorizada que faz a leitura,
armazenamento e impressão dos resultados obtidos.
46
Figura 7 – Detalhe da sonda do analisador do gás de escape
A aquisição dos dados foi realizada em três faixas de rotações, 2600rpm, 3300rpm e
3800rpm. Estas rotações foram escolhidas pois caracterizam três diferentes regimes de
utilização do motor, e assim é possível avaliar a influência da variação do rendimento
volumétrico sobre a combustão dos diferentes combustíveis ensaiados.
2.5 Sistema de registro de dados
Para a medição e registro dos parâmetros analisados utilizou-se um sistema eletrônico
de aquisição de dados Marca Microhard composto por duas placas seriais acopladas a um
computador. O sistema faz a leitura dos transdutores de pressão, termopares e pick-up
magnético e registra os dados obtidos na forma de uma planilha eletrônica. A seguir uma
descrição dos componentes ligados à aquisição de dados.
47
2.5.1 Termopares tipo T (cobre/constantan)
Foram utilizados para a aquisição da temperatura do óleo lubrificante do motor, do
fluido de arrefecimento e do ar atmosférico. O termopar do óleo lubrificante foi introduzido
pelo orifício da vareta de medição do nível do óleo, ficando imerso no óleo lubrificante dentro
do cárter do motor. O termopar para medição da temperatura do fluido de arrefecimento ficou
localizado dentro da mangueira do fluido logo após a saída de água do cabeçote do motor
(vide Figura 5, página 44). O ar atmosférico teve sua temperatura medida na entrada do
coletor de admissão instalado conforme mostra a Figura 8.
Figura 8 – Termopar instalado na entrada do coletor de admissão
48
2.5.2 Termopar tipo K (chrom/alumel)
Foram utilizados dois termopares para aquisição da temperatura dos gases residuais da
combustão, localizados no coletor de escapamento, a uma distância aproximada de 250 mm
dá válvula de escapamento, ficando um termopar responsável pela medição da temperatura
dos gases produzidos pelos cilindros 1 e 2 e outro para os cilindros 3 e 4 . A Figura 9 mostra a
disposição dos termopares instalados no coletor de escapamento.
Figura 9 - Disposição dos termopares instalados no coletor de escapamento
Todos os termopares utilizados são da marca Omega Engineering e tiveram suas curvas
de resposta calibradas antes dos testes
Cilindros 1 e 2
Cilindros 3 e 4
49
2.5.3 Transdutores de pressão
Foi utilizado um transdutor de pressão marca Omega Engineering para registro da
pressão do óleo lubrificante. Sua instalação foi feita na linha de pressão de óleo no cabeçote
do motor, no local onde originalmente fica instalado o sensor de pressão de óleo. Para registro
dos valores de torque gerados no dinamômetro utilizou-se uma célula de carga marca Kalvico
Corporation modelo P350 .
2.6 Combustíveis utilizados
Para a realização dos ensaios foram usadas misturas de biodiesel metílico de óleo de
soja com óleo diesel B2, comercializado nas redes de postos de combustíveis desde setembro
de 2007.
2.6.1 Óleo diesel B2
A partir da implantação do Programa Nacional de Produção Uso do Biocombustiveis,
que definiu a introdução desse biocombustível na matriz energética brasileira, o B2 tornou-se
o combustível padrão e que é encontrado em toda rede de abastecimento do Brasil. Após a
realização do trabalho o teor de biodiesel adicionado ao óleo diesel convencional passou a ser
3% (B3) a partir de 1º de julho de 2008.
Frações pequenas de biodiesel não devem alterar significativamente as características
de desempenho de motor, pois padrões internacionais (EPA) consideram teores inferiores a
4% como um aditivo ao óleo diesel mineral.
Segundo a legislação brasileira, existem dois tipos de óleo diesel comercializados no
país, o óleo diesel interior que apresenta teor de enxofre superior ao óleo diesel metropolitano
que está disponível apenas nas grandes capitais. Tanto o diesel interior como o metropolitano
devem atender as especificações contidas no Quadro 2.
50
TIPO CARACTERÍSTICA UNIDADE
METROPOLITANO INTERIOR
Aspecto Límpido e isento de impurezas
Teor de biodiesel % vol. 2 2
Enxofre total máximo Mg/kg 500 2000
Massa específica a 20ºC Kg/m³ 820 a 865 820 a 880
Ponto de fulgor mínimo ºC 38
Viscosidade a 40ºC (máxima) cSt 2,0 a 5,0
Número de cetano mínimo - 42
Resíduo de carbono dos 10%
finais da destilação, máx.
% massa 0,25
Quadro 2 – Principais especificações do óleo diesel combustível (Fonte ANP)
2.6.2 Biodiesel metílico de óleo de soja
Para obtenção das diversas proporções de mistura foi utilizado um biodiesel obtido
através da transesterificação de óleo de soja utilizando metanol, produzido pela empresa
Óleoplan S.A. do RS, certificada pela ANP como fornecedora para os leilões realizados pelo
governo para a adição de 2% no diesel. As especificações encontram-se no Quadro 3.
CARACTERÍSTICA UNIDADE LIMITE
Massa específica a 20ºC Kg/m³ Anotar
Viscosidade Cinemática a 40°C, cSt Anotar
Ponto de fulgor, mín. ºC 100
Resíduo de carbono dos 10% finais da destilação, máx. % massa 0,10
Número de Cetano, mín. 45
Metanol ou Etanol, máx. % massa 0,5
Quadro 3 – Especificações do biodiesel (Fonte ANP)
51
2.6.3 Misturas utilizadas nos ensaios
As proporções das misturas de óleo diesel B2 e éster metílico de óleo de soja
utilizadas nos experimentos estão apresentada no Quadro 4.
Denominação Composição Volumétrica
B5 Óleo diesel com 5% de biodiesel de soja
B10 Óleo diesel com 10% de biodiesel de soja
B15 Óleo diesel com 15% de biodiesel de soja
B20 Óleo diesel com 20% de biodiesel de soja
B30 Óleo diesel com 30% de biodiesel de soja
B50 Óleo diesel com 50% de biodiesel de soja
B70 Óleo diesel com 70% de biodiesel de soja
B100 100% de biodiesel de soja
Quadro 4 – Combustíveis utilizados no experimento
A maior parte dos combustíveis utilizados, foram misturas com baixos teores de ésteres,
aproximados dos previstos pelo Plano Nacional de Produção e Uso de Biodiesel que prevê um
máximo de 20% em 2020. Os ensaios com óleo diesel B2 serviram como parâmetro de
comparação do desempenho do motor obtido com as misturas.
As misturas foram preparadas em recipientes de 5 litros cada, devidamente
identificadas, utilizando-se de uma proveta graduada para a medição do volume de biodiesel a
ser misturado ao óleo diesel, para a obtenção do percentual correspondente a mistura
desejada. Foi levado em consideração que o diesel utilizado já continha 2% de biodiesel em
sua composição.
2.7 Motor utilizado
Nos ensaios foi utilizado um motor marca Volkswagen de fabricação nacional, código
BE que originalmente equipava o utilitário Kombi, e também pode ser utilizado como fonte
52
de energia para geradores de eletricidade e estações de bombeamento de água em
propriedades agrícolas. A Tabela 3 reúne as principais características do motor ensaiado.
Tabela 3 - Características técnicas originais do motor de teste
Item Característica
Marca/modelo Volkswagen
Número e disposição de cilindros 4 (quatro), verticais em linha
Diâmetro nominal do cilindro 76,50 mm
Curso do pistão 86,40 mm
Relação de compressão 23,5:1
Cilindrada total 1588,49 cm
3
(•1,6 litros)
Bomba injetora BOSCH,
Sistema de combustão Injeção indireta, câmara de pré-combustão
Ordem de injeção 1 – 3 – 4 – 2
Sistema de arrefecimento Líquido, forçado por bomba
Rotação normal (STD) 850 a 5000 rpm
Rotação de marcha lenta 850 a 950 rpm
Potência máxima nominal 36,8 kW (50 cv) @ 4500 rpm (ABNT)
Torque máximo nominal 9,50 m.kgf (93,163 N.m) @ 3400 rpm (ABNT)
Fonte: Volkswagen do Brasil.
Antes do início dos ensaios o motor foi completamente desmontado para realização das
medidas dos seus componentes internos. Todos os componentes que não apresentavam suas
dimensões ou condições dentro das especificações de fábrica foram recuperados utilizando-se
componentes originais.
2.8 Medição do consumo específico de combustível
Para realizar a medição do consumo específico de combustível utilizou-se uma balança
com capacidade máxima de carga de 6000g com visor digital apresentando intervalos de 0,5
gramas. Sobre a balança foi posicionado um recipiente com capacidade de 1000 ml onde o
combustível foi depositado. O retorno de combustível da bomba injetora foi direcionado para
o interior do recipiente, de modo que apenas o combustível injetado saísse do sistema. A
53
balança pode ter sua tara ajustada a qualquer instante, o que se fez cada vez que um teste foi
iniciado. Para a medição do tempo de ensaio, utilizou-se um cronômetro digital que era
acionado juntamente com a tara da balança e após um intervalo de tempo de 15 s o
cronômetro e a balança eram travados e seus valores anotados. Cada ensaio era repetido três
vezes e foi utilizado o valor médio para análise dos resultados.
Foram escolhidas seis rotações para medição de consumo, distribuídas de forma que
fossem contemplados os regimes de baixa, média e alta rotação do motor. Esses valores estão
expressos na Tabela 4
Tabela 4 – Rotações utilizadas para medição de consumo específico de combustível
Rotação utilizada (rpm) Regime de rotação
1900
2300
Baixa
2800
3300
Média
3800
4300
Alta
Para obtenção do consumo específico de combustível utilizou-se a relação determinada
pela norma NBR 5484 (1985) da ABNT e que pode ser representada pela Equação 6.
e
h
s
P
C
C = (6)
Onde: C
s
– Consumo específico (g/kW.h)
C
h
– Consumo horário (g/h)
P
e
- Potência (kW)
54
2.9 Variáveis analisadas no experimento
Esta pesquisa constituiu-se em um experimento onde foram analisados os principais
fatores produzidos por um motor de combustão interna. Os fatores medidos e posteriormente
analisados para cada ensaio são:
- Torque produzido pelo motor;
- Rotação em que o torque é gerado;
- Consumo de combustível;
- Teores residuais de gases da exaustão;
- Temperatura dos gases da exaustão.
A partir dos valores medidos nos ensaios calculou-se a potência desenvolvida pelo
motor e o consumo específico de combustível. Cada ensaio contou com três repetições.
2.10 Considerações finais do capítulo
Para o motor utilizado, os valores característicos de desempenho apresentados pelo
fabricante seguem normas diferentes da utilizada no trabalho. Portanto variações existentes
entre o ensaio testemunha e os dados do fabricante são devido a essas diferenças. Outro fator
que deve ser levado em consideração é a variação de desempenho em motores de uma mesma
linha, devido às diversas partes constituintes que têm tolerâncias diferentes em um motor,
uma variação de até 5% é considerada dentro da faixa admissível.
55
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 O ensaio-testemunha
Para servir como parâmetro de comparação de desempenho do motor alimentado pelas
diferentes misturas foram realizados ensaios com o combustível diesel convencional, ou seja,
o óleo diesel aditivado (B2). Todas as comparações efetuadas neste trabalho de pesquisa
foram feitas tendo como base os valores obtidos neste ensaio. Os ensaios com o B2 serviram,
portanto, para definição do ensaio-testemunha.
Deve-se salientar que para a realização dos ensaios todas as características do motor, em
termos de regulagem (folgas, pontos de comando e de avanço de injeção), foram mantidas
segundo os valores especificados pelo fabricante do motor para utilização de óleo diesel de
petróleo.
Todos os ensaios realizados com um mínimo de três repetições e os valores
apresentados constituem-se nas médias de tais repetições. Os melhores resultados obtidos com
o combustível B2, para os principais dados de desempenho de um motor de combustão
interna, estão reunidos e apresentados estão apresentados na Tabela 5.
Tabela 5 – Melhores resultados obtidos com o combustível B2
Variável Resultado obtido Rotação (rpm)
Potência (kW)
28,77 4300
Consumo específico (g.kW
-1
.h
-1
)
316,35 2300
Torque (N.m)
83,73 2650
56
3.2 Resultados obtidos para torque
A Figura 10 apresenta os resultados obtidos com os nove combustíveis utilizados nos
ensaios. O combustível B5, apresentou uma redução média do torque em cerca de 2,2%, que
estatisticamente faz com que os valores sejam considerados iguais. Essa redução deve ser
atribuída ao menor poder calorífico do biodiesel adicionado ao combustível diesel, fato este já
observado por Maziero et al (2005).
Observa-se também que a maior diferença se deu em rotações intermediárias e, à
medida com que a rotação aumenta, as curvas se aproximam, pois o biodiesel tem um maior
número de cetano o que facilita a combustão de uma maior massa de combustível em menor
tempo.
Apesar do pouco teor de biodiesel na mistura, a diferença do número de cetano dos dois
combustíveis é significativa e, com certeza, a mistura resultante dos dois tipos de diesel
apresenta um NC superior ao diesel convencional. Os valores de perda média observados são
inferiores aos sugeridos por Antolín et al. (2002) que sugere perdas totais em torno de 6%.
Para o combustível B10 observa-se que os valores mostraram-se semelhantes aos do B2
em regimes inferiores de rotação, porém à medida que a rotação eleva-se a tendência é que a
diferença aumente.
Com o aumento do teor de biodiesel na mistura, a viscosidade aumenta diminuindo a
eficiência volumétrica da bomba injetora, com conseqüente redução da massa de combustível
a ser injetado. Essa redução de combustível cresce com o aumento de rotação.
No ensaio realizado com o combustível B15 a curva de torque do motor, apresentou
valores inferiores ao do ensaio testemunha nos regimes de baixa e alta rotação, mantendo
valores similares em médias rotações.
Em velocidades de até 2500 rpm, essa diferença pode ser explicada pelo maior número
de cetano do biocombustível que faz com que a mistura entre em combustão antes do tempo
ideal. Essa antecipação da combustão, além de gerar uma contrapressão no pistão, altera a
turbulência da câmara de combustão modificando o processo de queima de combustível, em
concordância com as citações de Knothe (2006).
Em rotações elevadas o aumento da viscosidade faz com que aumentem as perdas
internas da bomba injetora.
57
R
2
= 0,90 R
2
= 0,81 R
2
= 0,92 R
2
= 0,89 R
2
= 0,91 R
2
= 0,87 R
2
= 0,91 R
2
= 0,91 R
2
= 0,89
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
1800 2300 2800 3300 3800 4300
Rotação (rpm)
Torque (N.m)
B2 B5 B10 B15 B20 B30 B50 B70 B100
Figura 10 – Torque obtido para os combustíveis utilizados
Os resultados obtidos com a mistura B20 apresentaram uma curva com a mesma
tendência da observada com o combustível B2 no ensaio-testemunha. O valor do torque
também foi aproximadamente 2% inferior em toda a faixa de rotação na qual o motor foi
utilizado. Essa diferença pode ser atribuída ao menor poder calorífico da mistura, que
conseqüentemente gera menos calor para o motor e à maior viscosidade do combustível que
proporciona uma maior perda de carga no sistema e menor quantidade de combustível que foi
injetado.
Os resultados obtidos estão em concordância com aqueles obtidos por Ejim et al (2007),
que sugeriram que as misturas de combustível até B
20
podem ser usadas como combustível
58
para motores de injeção direta sem preocupações relativas às diferenças de tamanhos de gota
atomizada e que, por conseqüência, não altera significativamente as condições de operação do
motor.
Os resultados também confirmam aquelas tendências citados por Murugesan et al.
(2008) e Canakci (2006) que sugerem que a utilização de misturas de biodiesel e diesel fóssil,
até um limite de B20, podem ser utilizadas sem quaisquer modificações no motor.
Também Costa Neto et al (2000) indicam que os resultados obtidos com um B20
mostraram que o desempenho do motor e o consumo específico de combustível não foram
significativamente afetados.
Os resultados obtidos para o torque com o combustível B30 mostraram-se com
características similares aos obtidos com o B20, porém a diminuição média foi superior
ficando na ordem de 2,5%.
Os resultados seguem a mesma linha de Ejim et al (2007) que afirmam que as misturas
binárias com grandes proporções de óleo diesel de petróleo ainda proporcionam
características de atomização adequadas para a formação da mistura em um motor diesel.
Quando o motor foi alimentado com o combustível B50, produziu uma curva de torque
3,2% menor, em média de valores, em relação à produzida pelo combustível B2.
Os valores obtidos são similares aos apresentados por Hilbert et al (2002), que
obtiveram reduções médias de 3,7%, acompanhado de um aumento médio de 9,5 % no
consumo específico de combustível com o uso de biodiesel.
Essa diferença deve ser atribuída à adição de maior porcentagem de combustível que faz
com que a mistura resultante apresente um menor poder calorífico do que o B2. A maior
viscosidade também faz com que o combustível injetado não tenha uma vaporização
semelhante a que acontece quando utilizado somente óleo diesel B2.
Os ensaios realizados com teores de mistura de 70% e 100% foram os que
apresentaram os menores valores para a variável torque. A mistura B70 apresentou um valor
médio de torque 5% inferior ao apresentado pelo motor com o combustível B2, enquanto que
para o ensaio utilizando apenas combustível oriundo de fonte vegetal, o valor médio de torque
foi 7,8% menor do que o obtido no ensaio testemunha.
Os resultados estão em concordância com aqueles observados por Maziero et al (2005)
que observaram em seus ensaios com um B100 uma redução média de cerca de 7,6% no
torque e na potência do motor, com um aumento de consumo específico da ordem de 9,8%,
em média.
59
Um contraste deve ser feito com os resultados citados por Al-Widyan et al. (2002) que
observaram que as misturas diesel/biodiesel queimam mais eficientemente, e que a utilização
de 100% de éster e de uma mistura B75 forneceu os melhores resultados em termos de
desempenho do motor com maior economia de combustível.
3.3 Resultados de Consumo específico
3.3.1 Maiores valores de consumo específico
As características diferentes dos combustíveis com altos teores de biodiesel fazem com
que o rendimento térmico do motor se reduza e, conseqüentemente, o consumo específico de
combustível aumente.
Devido à maior viscosidade do combustível renovável, a atomização após a injeção fica
prejudicada fazendo com que a combustão não ocorra como prevista no projeto do motor. O
maior número de cetano faz com que a combustão seja mais rápida, devido o ponto de injeção
não ser o mais adequado, gerando contrapressão no pistão e ocasionando uma redução do
torque.
O menor poder calorífico também tem influência no consumo específico, já que uma
mesma massa de biocombustível gera menor quantidade de calor e, conseqüentemente, o
motor produz um torque inferior. Essa diferença não é ainda maior, pois o biodiesel contém
oxigênio em sua composição, que auxilia o processo de combustão.
Os ensaios realizados com os combustíveis que continham mais de 50% de biodiesel
tiveram consumo especifico maior do que o apresentado com o combustível B2 (Figura 17).
Deve-se lembrar que o consumo específico de combustível leva em consideração a
potência produzida (kW) por massa de combustível consumida (grama), no entanto, a
comercialização do combustível em nosso país normalmente acontece em volume (litro).
Como a densidade do biodiesel é maior do que a do óleo diesel convencional, um certo
volume de óleo diesel de petróleo possui menos massa que o mesmo volume de biodiesel,
assim a essa diferença de consumo específico deve diminuir quando se compara o volume de
combustível consumido.
60
325
335
345
355
365
375
385
395
405
415
425
1800 2300 2800 3300 3800 4300
Rotação (rpm)
Consumo (g/kW.h)
B100 B70
B50 B2
Figura 11 – Consumo específico dos combustíveis com alto teor de biodiesel
3.3.2 Menores valores de consumo específico
As misturas até B20 possuem maior número de cetano do que o combustível B2, sem
que haja uma elevação da viscosidade a ponto de prejudicar o processo de vaporização do
combustível logo após ser injetado. O menor poder calorífico é compensado em parte pela
melhor qualidade da combustão devido o maior índice de cetano.
Os valores obtidos são semelhantes aos citados por Rakopoulos et al (2006) que
observaram um menor consumo específico de combustivel com as misturas contendo até
10,0% de biodiesel e inferiores aos encontrados por Özkan et al (2005) e Kaufman et al
(1984).
Os resultados contrastam com os obtidos por Hilbert et al (2002), que citaram aumento
médio de 9,5 % no consumo específico de combustível com o uso de biodiesel quando
comparado ao diesel de petróleo.
Os melhores resultados obtidos foram os com teores de combustível vegetal inferiores a
20% como pode ser observado na Figura 18.
61
Dentre os valores obtidos o combustível que apresentou o melhor resultado para
consumo específico foi o B5, onde o consumo específico médio de combustível foi 5%
inferior ao encontrado no ensaio testemunha.
310
320
330
340
350
360
370
380
390
400
410
1800 2300 2800 3300 3800 4300
Rotação (rpm)
Consumo (g/kW.h)
B5 B15
B20 B2
B10
Figura 12 – Melhores resultados de consumo específico
3.4 Emissões de gases residuais da combustão
3.4.1 Emissões de SO
2
As emissões de SO
2
são muito prejudiciais principalmente em regiões de grande
concentração urbana. O enxofre é um elemento presente na composição do óleo diesel de
petróleo e conseqüentemente o SO
2
é um produto de sua combustão. Como o biodiesel é
isento dessa substância à medida que se aumenta a sua quantidade na mistura, os níveis desse
poluente decrescem até que, com 100% de éster, nenhuma concentração de SO
2
foi
encontrada.
62
A Figura 19 mostra os níveis encontrados para cada faixa de rotação e tipo de
combustível ensaiado.
0
5
10
15
20
25
30
35
2600 3300 3800
Rotação (rpm)
Concentração (ppm)
B2
B5
B10
B15
B20
B30
B50
B70
B100
Figura 13 – Emissões residuais de SO
2
Os resultados observados para os compostos de enxofre, principalmente o SO
2
, são
similares aos citados por Lin et al (2007) que afirma que a formação de SO
2
mostra uma
tendência de incremento com o aumento das rotações e com o aumento do percentual de óleo
diesel convencional na mistura.
3.4.2 Emissões de Óxidos de Nitrogênio
Como pode-se observar na Figura 20, as emissões de NO
x
tiveram um menor índice
quando foi utilizado o combustível B20. Acima disso a concentração do poluente aumentou
até que com o combustível B70 os níveis foram similares aos obtidos no ensaio testemunha.
Para o menor regime de rotação ensaiado apenas o combustível B100 apresentou valor
63
superiores aos do B2, porém na faixa de 3300 à 3800 revoluções por minuto o B70 também
apresentou valores superiores.
A maior emissão média de NO
x
, foi a encontrada utilizando-se somente combustível de
origem vegetal, sendo um valor 3% maior que o obtido no ensaio testemunha. Makareviciene
et al (2003) encontrou um incremento de 8,3% nas emissões de NO
x
, quando utilizou-se
somente biodiesel.
250
300
350
400
450
500
2600 3300 3800
Rotação (rpm)
Concentração (ppm)
B2
B5
B10
B15
B20
B30
B50
B70
B100
Figura 14 – Emissões residuais de NO
x
No caso das misturas contendo entre 25,0 e 50,0% de éster etílico no óleo diesel fóssil,
observa-se um ligeiro decréscimo nas emissões de NO
x
, tendência essa também observada no
experimento.
3.4.3 Emissões de monóxido de carbono
Assim como aconteceu para o SO
2
, à medida que aumenta-se o teor de biocombustível
na mistura os níveis de CO diminuíram. O CO é produto da combustão incompleta de
combustível. Como o biodiesel possui maior número de cetano sua combustão acontece com
maior facilidade que a do óleo diesel mineral. O fato de o biodiesel possuir oxigênio em sua
64
composição também diminui a emissão do CO. A emissão média de CO com o B100 foi mais
de 50% menor do que quando o motor foi ensaiado com o combustível B2 do ensaio
testemunha.
A Figura 21 mostra o decréscimo das concentrações de CO a medida que aumenta-se a
quantidade de biodiesel misturada.
300
800
1300
1800
2300
2800
2600 3300 3800
Rotação (rpm)
Concentração (ppm)
B2
B5
B10
B15
B20
B30
B50
B70
B100
Figura 15 – Emissões residuais de monóxido de carbono
Os resultados para CO estão nos mesmos níveis dos valores citados por Makareviciene
et al (2003), que observou uma redução média de 50% nos níveis de CO produzido pela
combustão do biodiesel.
3.4.4 Hidrocarbonetos não queimados
Os resultados obtidos, conforme observa-se na Figrua 22, para as emissões de HC
mostram uma redução à medida que se adiciona o combustível renovável. A diminuição para
o combustível B100 que obteve melhores resultados foi em torno de 50% , valor este que
contrasta com o encontrado por Lin et al (2007) que relata que as maiores concentrações
65
foram obtidas com os combustíveis B
100
, B
80
e óleo diesel puro. Já Canakci et al (2007)
afirmam que à medida que se aumenta o teor de biodiesel produzem-se reduções nas emissões
de HC.
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
2600 3300 3800
Rotação (rpm)
Concentração (%)
B2
B5
B10
B15
B20
B30
B50
B70
B100
Figura 16 – Emissões residuais de hidrocarbonetos não queimados
66
4 CONCLUSÕES
4.1 Torque
Os melhores resultados do experimento, para a variável torque foram obtidos com o
combustível B2, utilizado no teste testemunha, ao longo de toda a faixa de rotações utilizada.
O éster metílico de óleo de soja puro (B100) foi o combustível que apresentou os
menores valores para torque, cerca de 8% menores do que os encontrados no ensaio
testemunha.
4.2 Consumo específico de combustível
Os menores valores para consumo específico de combustível foram encontrados com a
mistura B5 que apresentou uma redução média de 5% quando comparada ao combustível com
2% de biodiesel.
Quando alimentado somente com combustível de origem vegetal, obteve-se o os
maiores valores de consumo específico de combustível. Estes valores são cerca de 7,6%
superiores aos encontrados no ensaio testemunha.
A variação percentual de consumo específico de combustível foi de 13,2%
considerando-se o melhor e pior resultados.
4.3 Emissões gasosas
67
A concentração de SO
2
foi máxima no ensaio testemunha com B2 e teve uma
diminuição a medida que adicionou-se biodiesel. O ensaio com B100 não apresentou traços
de SO
2.
Os níveis de emissão de NO
x
tiveram um decréscimo com a adição de biodiesel até a
proporção de 20%, onde foi encontrado o menor nível de emissão desse poluente. Valores
acima do B20 mostraram um aumento de NO
x
, sendo que com 70% atingiu-se um nível
superior ao ensaio testemunha. A maior concentração ocorreu quando foi utilizado apenas o
biodiesel.
Diminuíram as emissões de CO e HC a medida que se aumentou a quantidade misturada
de combustível vegetal.
68
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