BIODIESEL DE GIRASSOL EM MICROTRATORES
MONOCILÍNDRICOS: EMISSÕES, CONSUMO ESPECÍFICO E
CONSEQUÊNCIAS DO SEU USO PARA O MOTOR
Anderson Favero Porte
Programa de Pós-Graduação em Tecnologia Ambiental Mestrado
Anderson Favero Porte
BIODIESEL DE GIRASSOL EM MICROTRATORES
MONOCILÍNDRICOS: EMISSÕES, CONSUMO ESPECÍFICO E
CONSEQUÊNCIAS DO SEU USO PARA O MOTOR
Santa Cruz do Sul, janeiro de 2008.
Anderson Favero Porte
BIODIESEL DE GIRASSOL EM
MICROTRATORES MONOCILÍNDRICOS:
EMISSÕES, CONSUMO ESPECÍFICO E
CONSEQUÊNCIAS DO SEU USO PARA
O MOTOR
Dissertação apresentada ao Programa de Pós
Graduação em Tecnologia Ambiental da
Universidade de Santa Cruz do Sul como requisito
parcial para a obtenção do título de Mestre em
Tecnologia Ambiental.
Orientadora: Profa. Dra Rosana de Cássia Souza
Schneider
Santa Cruz do Sul, janeiro de 2008.
Anderson Favero Porte
BIODIESEL DE GIRASSOL EM MICROTRATORES
MONOCILÍNDRICOS: EMISSÕES, CONSUMO ESPECÍFICO
E CONSEQUÊNCIAS DO SEU USO PARA O MOTOR
Esta dissertação foi submetida ao Programa de Pós Graduação em Tecnologia
Ambiental da Universidade de Santa Cruz do Sul, como requisito parcial para
obtenção do título de Mestre em Tecnologia Ambiental.
Dra Rosana de Cassia Souza Schneider
Universidade de Santa Cruz do Sul – UNISC
Orientadora
Dr. Carlos Antônio da Costa Tillmann
Universidade Federal de Pelotas - UFPEL
Dr. Ademar Michels
Universidade Federal de Santa Maria - UFSM
Dr. Jorge André Ribas Moraes
Universidade de Santa Cruz do Sul - UNISC
AGRADECIMENTOS
À Deus, pelas oportunidades ao longo da minha existência e por estar ao meu
lado em todos os momentos.
À minha companheira Graciele, por existir; por estar ao meu lado, por
suportar minhas crises de ansiedade; e por acreditar em mim... sempre!
Aos meus pais e minha irmã, por estarem sempre comigo, mesmo há
distância.
Aos meus sogros, João e Gelsa, por me incentivaram a buscar esta meta.
Aos meus amigos: Olga, David, Dayana e Lívia, pelas palavras de incentivo e
por fazerem parte desta etapa.
À Universidade de Santa Cruz do Sul, por ter oportunizado a realização do
mestrado.
À Professora Rosana de Cassia Souza Schneider, minha orientadora, por ter
aceitado o desafio de me orientar e pelas oportunidades geradas ao longo do curso.
Ao Professor Carlos Antônio da Costa Tillmann, por ter acreditado e por estar
comigo ao longo do curso, sempre, mesmo há distância.
A todos os professores e funcionários do Programa de Pós Graduação em
Tecnologia Ambiental – Mestrado, por terem participado desta caminhada.
À Vanessa e ao Vagner, meus colegas de mestrado, pelos momentos vividos
ao longo destes dois anos.
Ao Departamento de Engenharia, Arquitetura e Ciências Agrárias, em
especial, ao Professor Helio Nonnenmacher, pela oportunidade de realização de
estágio-docência durante o mestrado.
6
À Tramontini Implementos Agrícolas LTDA, por toda participação nos testes à
campo, sem os quais este trabalho não teria ocorrido. Em especial, aos Engenheiros
Luiz Fernando e Pedro, pela colaboração constante ao longo dos testes.
À Schultz Técnica Comercial, em especial, ao Gilberto e sua equipe, pelo
suporte nas avaliações dos motores.
Ao Instituto de Química da UFRGS, em especial, ao professor Renato
Cataluña Veses e à Eliana Weber de Menezes, por terem colaborado com os testes
de emissões atmosféricas.
Ao Charles Schimuneck, pela colaboração com as análises do óleo
lubrificante.
Aos agricultores, senhores Seloí, João e Vilmar, que gentilmente cederam os
seus microtratores para serem avaliados.
Aos professores Ademar Michels e Jorge André Ribas Moraes, membros da
banca examinadora, pelas importantes contribuições feitas ao trabalho.
“Os desafios não são difíceis por que tentamos; é por não tentarmos que são
difíceis.”
(Sêneca)
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho aos meus pais, pelas escolhas que fizeram em suas
vidas em prol da minha, e por acreditarem no meu sucesso.
Especialmente, à minha companheira Graciele, que esteve ao meu lado ao
longo deste período, suportando minhas inquietações e me dando o estímulo
necessário para que eu pudesse superar as adversidades.
À todos que, de alguma forma, colaboraram para a realização deste sonho.
“Fui à floresta por que queria viver profundamente; fui à floresta por que
queria sugar a essência da vida, eliminar tudo que não era vida e não, ao morrer,
descobrir que não vivi.”
(Thoreau)
RESUMO
A utilização de biocombustíveis para substituição dos derivados de petróleo em
motores endotérmicos é uma alternativa para buscar a redução dos efeitos nocivos
que o uso destes combustíveis causa ao meio ambiente. Todavia, para que a
substituição, parcial ou total, por biocombustíveis seja técnica e economicamente
viável, inúmeras avaliações têm sido conduzidas a fim de se verificar o real benefício
que esta mudança é capaz de promover. Na região do Vale do Rio Pardo, onde está
situado o município de Santa Cruz do Sul, a agricultura baseia-se fundamentalmente
no cultivo de fumo, que utiliza, como principal fonte de potência, microtratores
equipados com motores monocilíndricos ciclo diesel. Desta forma, buscou-se avaliar
as emissões atmosféricas produzidas por este tipo de motor, utilizando diferentes
misturas de diesel e biodiesel (diesel, B2, B10, B20, B50 e B100). Paralelamente,
também foi avaliado o consumo específico de combustível para cada mistura
testada. Por fim, avaliaram-se, a campo, três microtratores que utilizaram diferentes
misturas de combustível (B2, B20 e B100). Os resultados mostraram que um
aumento do percentual de biodiesel na mistura reduz significativamente as emissões
de material particulado e aumenta consideravelmente as emissões de NO. Não foi
observada nenhuma correlação entre a quantidade de biodiesel usada na mistura e
as emissões de CO e CO2. Em termos de consumo específico de combustível, foi
verificado uma elevação constante do consumo para um aumento no percentual de
biodiesel utilizado. Por fim, as avaliações a campo mostraram que misturas com até
20% de biodiesel não comprometem o desempenho e a manutenção dos motores.
Porém, verificou-se que o biodiesel puro danifica a camisa do cilindro e promove, por
conseqüência, a contaminação do óleo do carter.
Palavras – chave: Biodiesel, microtratores, emissões atmosféricas.
ABSTRACT
The use of biofuels for substituting petroleum sub products in endothermic engines is
an alternative to diminish the harmful effects in the environment caused by the usage
of this fuel. However, for an economical and technical viable partial or total
substitution, innumerable evaluations have been conducted in order to verify the real
benefit that this change is capable to promote. On the region of Vale do Rio Pardo,
where is located the city of Santa Cruz do Sul, agriculture is based basically on
tobacco culture, that uses, as main source of power, micro tractors equipped with
one-cylinder diesel cycle engines. With that, the scope was to evaluate the
atmospheric emissions produced by this type of engine, using different mixtures of
diesel and biodiesel (diesel, B2, B10, B20, B50 and B100). Parallel to that, it was
also evaluated the specific fuel consumption for each tested mixture. Finally, the field
research had analyzed three micro tractors which had used different fuel mixtures
(B2, B20 and B100). The results had shown that an increase on the percentage of
biodiesel in the mixture reduces the emissions of particulate matter significantly and
increases the emissions of NO considerably. No correlation was observed between
the used amount of biodiesel in the mixture and the emissions of CO and CO2. In
terms of specific fuel consumption, it was verified a constant increase in the
consumption when the percentage of biodiesel grown. Finally, the field evaluations
had shown that mixtures up to 20% of biodiesel do not compromise the performance
and the maintainability of the engines. However, it was verified that pure biodiesel
damages the wall of the cylinder and promotes, by consequence, the contamination
of the carter oil.
Key words: Biodiesel, micro tractors and atmospheric emissions.
11
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Representação esquemática do processo de obtenção de biodiesel.
“Rota Metílica” ................................................................................................ 27
Figura 2 - Reação de transesterificação de óleos vegetais..................................... 28
Figura 3 - Oleaginosas cultivadas em cada região do país. Fonte: ABIOVE .......... 35
Figura 4 - Microtrator Tramontini acoplado à carreta .............................................. 50
Figura 5 - Emissões de NO em função da mistura diesel / biodiesel utilizada ........ 56
Figura 6 - Emissões de CO2 em função da mistura diesel / biodiesel utilizada....... 58
Figura 7 - Emissões de material particulado em função da mistura diesel/biodiesel
utilizada .......................................................................................................... 59
Figura 8 - Consumo específico de combustível em função da mistura diesel
biodiesel utilizada. .......................................................................................... 60
Figura 9 - Teste de pulverização de um bico injetor (B100).................................... 63
Figura 10 -
A)– Camisa com brunimento; B) – Camisa sem brunimento............... 65
Figura 11 -
Espectro no Infravermelho do óleo lubrificante ................................... 66
Figura 12 -
A) filtro de combustível (B100) B) Água copo do filtro (B20)............... 68
Figura 13 -
Desgaste (frisos) na parte superior do elemento da bomba de
combustível .................................................................................................... 69
Figura 14 -
Bronzinas dos microtratores após o término dos testes...................... 69
Figura 15 -
Bicos injetores após as 200h de teste................................................. 70
Figura 16 -
Comparação dos bicos injetores ......................................................... 70
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 -
Propriedades físico químicas de biodiesel e diesel............................. 30
Tabela 2 -
Propriedades físico químicas do biodiesel metílico e biodiesel etílico. 31
Tabela 3 -
Emissão de poluentes em função do ciclo motor. ............................... 32
Tabela 4 -
Caracterização do biodiesel utilizado na pesquisa.............................. 55
Tabela 5 -
Consumo específico de combustível (g/kWh) em termos percentuais 61
Tabela 6 -
Medições feitas nos motores em função da mistura usada ................ 64
Tabela 7 -
Deposição de carvão no topo dos cilindros / cabeçote de válvulas .... 71
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 15
Objetivos................................................................................................................... 17
Objetivos Específicos ............................................................................................... 17
1
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA......................................................................... 18
1.1
Fontes de energia e impactos ambientais ..................................................... 18
1.2
Óleo diesel..................................................................................................... 19
1.2.1
Características ..............................................................................................19
1.2.2
Impactos ambientais do óleo diesel ..............................................................21
1.2.3
Perspectivas para o futuro ............................................................................22
1.3
Combustíveis renováveis – biodiesel............................................................. 25
1.3.1
Definição.......................................................................................................25
1.3.2
Histórico........................................................................................................25
1.3.3
Processo de obtenção (metílico / etílico) ......................................................26
1.3.4
Características do biodiesel..........................................................................29
1.3.5
Benefícios sociais, econômicos e ambientais ...............................................32
1.3.6
Biodiesel no Brasil ........................................................................................34
1.4
Motores diesel ............................................................................................... 35
1.4.1
Definição e classificação...............................................................................35
1.4.2
Componentes ...............................................................................................36
1.4.3
Princípio de funcionamento – ciclo diesel .....................................................38
1.4.4
Combustão no motor diesel ..........................................................................39
1.4.5
Sistemas de combustão................................................................................40
1.4.5.1
Descrição do sistema de injeção ...................................................................................... 41
1.4.5.2
Componentes do sistema mecânico de injeção ............................................................... 42
1.4.6
Sistema de lubrificação.................................................................................42
1.4.6.1
Características e componentes do sistema...................................................................... 42
1.4.6.2
Óleo lubrificante ................................................................................................................ 43
1.4.7
2
Sistema de arrefecimento .............................................................................43
MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................. 45
2.1
Caracterização do biodiesel de girassol ........................................................ 46
2.2
Avaliação das emissões atmosféricas do biodiesel de girassol..................... 48
2.3
14
Consumo específico de combustível ............................................................. 49
2.4
Avaliação do uso de misturas diesel/biodiesel em campo ............................. 49
3
RESULTADOS E DISCUSSÃO......................................................................... 54
3.1
Caracterização do biodiesel........................................................................... 54
3.2
Emissões atmosféricas .................................................................................. 56
3.3
Consumo específico de combustível ............................................................. 60
3.4
Ensaios a campo com microtratores.............................................................. 62
CONSIDERAÇÕES FINAIS...................................................................................... 73
TRABALHOS FUTUROS.......................................................................................... 74
REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 75
ANEXOS................................................................................................................... 80
ANEXO A – Planilha de acompanhamento 1 ........................................................... 81
ANEXO B – Planilha de acompanhamento 2 ........................................................... 82
ANEXO C – caracterização das condições iniciais dos microtratores ...................... 83
Dissertação de Mestrado – Anderson F. Porte – Mestrado em Tecnologia Ambiental
14
INTRODUÇÃO
Durante os últimos anos, o governo brasileiro vem incentivando o uso de
fontes alternativas de energia em substituição aos combustíveis fósseis, largamente
usados para movimentar a frota veicular em todo o planeta nos dias de hoje.
Algumas razões para este incentivo são econômicas, como a perspectiva de
escassez de petróleo nas próximas décadas, que tornará este produto mais caro,
enquanto outras são ambientais, como o aquecimento global, acelerado pela
poluição atmosférica gerada nas mais diferentes fontes (veículos automotores,
indústria e queimadas).
Diante deste cenário, o Brasil é favorecido por que possui uma imensa área
cultivável, com capacidade de produção das mais diferentes culturas de
oleaginosas, como o pinhão manso, a mamona, a soja, o girassol, o dendê, entre
outros, todas com potencial para produção de energia. Além disso, muitas das
oleaginosas utilizadas na produção de biodiesel podem ser produzidas em pequenas
propriedades rurais, como a mamona e o girassol, o que passa a ser uma alternativa
de renda para a agricultura familiar ou em localidades isoladas.
No Rio Grande do Sul, estão sendo desenvolvidos estudos sobre a cultura do
girassol para produção de óleo. Na região do Vale do Rio Pardo, onde a economia é
baseada no cultivo e no beneficiamento de fumo, o cultivo de girassol
para
produção de biodiesel é uma alternativa de renda a mais para os fumicultores, que
podem equilibrar a sua renda utilizando a terra disponível para o cultivo desta
oleaginosa. Além disso, diante do recente advento da Convenção–Quadro, referente
à cultura de fumo, a produção de biodiesel é uma alternativa a ser considerada para
a diversificação econômica de municípios da região.
16
Em termos de poluição gerada nos veículos automotores, a principal
alternativa que pode ser adotada é a substituição total ou parcial de combustíveis de
origem fóssil (diesel e gasolina) por combustíveis de origem vegetal (biodiesel e
álcool). Já na década de 80, motivado pela alta nos preços do petróleo na época,
iniciou-se um processo de substituição de gasolina por álcool de cana de açúcar,
através do Proálcool. Atualmente, o fator econômico aliado às questões ambientais
cada vez mais notadas, faz com que a bioenergia para movimentação da frota
brasileira e mundial volte a ser o foco de estudos em todas as regiões do Brasil.
Todavia, torna-se necessário uma avaliação da viabilidade do uso destes
biocombustíveis, puros ou misturados com combustíveis fósseis, em termos de
operacionalidade, manutenção e rendimento dos motores, além dos parâmetros
ambientais, como emissões atmosféricas e uso dos recursos naturais disponíveis
para produção dos mesmos.
Dissertação de Mestrado – Anderson F. Porte – Mestrado em Tecnologia Ambiental
17
Objetivos
A presente pesquisa visou estudar, sob diferentes aspectos, a utilização de
biodiesel de girassol em microtratores agrícolas, monocilíndricos, com sistema direto
de injeção de combustível.
Objetivos Específicos
Avaliar o desempenho a campo de diferentes formulações diesel / biodiesel,
em termos de operacionalidade e manutenção dos equipamentos, bem como avaliar
as consequências do uso destas formulações para os motores.
Avaliar as emissões atmosféricas resultantes da queima de diferentes
formulações em motores monocilíndricos.
Avaliar o consumo específico de combustível para diferentes formulações em
motores monocilíndricos.
Dissertação de Mestrado – Anderson F. Porte – Mestrado em Tecnologia Ambiental
1
1.1
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Fontes de energia e impactos ambientais
Em todo o mundo, observa-se o aumento crescente no consumo de energia
para os mais diversos fins – alimentação, aquecimento, transportes. Contudo, nas
últimas décadas, o crescimento populacional e o estilo de vida das pessoas
acelerou o desgaste de diversas fontes de energia, pois a energia é um prérequisito essencial para o desenvolvimento sócio-econômico de uma região
(ALMEIDA & CLUA, 2005). Isso acabou acarretando em um desequilíbrio no
reabastecimento destas fontes de energia, em especial, do petróleo, indicando,
segundo Subramanian et al (2005), que tais reservas serão totalmente consumidas
durante os próximos 40 anos.
Conforme Almeida & Clua (2005), no período de 1980 à 2001, o consumo de
energia na Améria Latina cresceu 82%, algo em torno de 2,9% ao ano. Neste
período, a região se tornou menos dependente de combustíveis fósseis,
principalmente devido ao declíneo do consumo de petróleo e ao uso mais intenso
de hidroeletricidade.
Segundo Camargo et al (2002), no Brasil, o sistema energético origina sérios
problemas ambientais em função da grande importância dos combustíveis fósseis.
Portanto, é essencial dar mais ênfase à eficiência energética e ao uso de energias
renováveis, o que não só é possível em termos econômicos, como também é
desejável do ponto de vista ambiental. Neste contexto, o Brasil encontra-se numa
situação privilegiada em comparação à grandes potências, uma vez que os
combustíveis fósseis representam 58% do consumo de energia no Brasil, enquanto
19
nos países da OECD (Organization for Economic Co-operation and Development)
eles representam 81% (CAMARGO et al, 2002). Este cenário favorece o cultivo de
oleaginosas para fins energéticos, apoiado pelas questões financeiras, sociais e
ambientais, pois diferentes culturas desenvolvidas nas cinco regiões do Brasil
podem servir de matéria prima para geração de biocombustíveis.
1.2
Óleo diesel
1.2.1 Características
O óleo diesel é um combustível obtido a partir do refino do petróleo. É uma
mistura formada por hidrocarbonetos e compostos minoritários que contém enxofre,
nitrogênio e oxigênio em baixas concentrações. É um produto inflamável, de alta
volatilidade, razoavelmente tóxico e com odor característico. Segundo a Petrobrás
(2006), é o derivado propulsor do refino do petróleo, correspondendo à 34% do
volume do barril de petróleo no Brasil.
Este combustível é a fonte de energia dos motores de ciclo diesel. Porém,
uma vez que o óleo diesel é uma mistura de inúmeras substâncias, muitas avarias
do motor ocorrem em função da qualidade do diesel utilizado. Desde os primeiros
veículos diesel produzidos, sempre houve a preocupação com o combustível
usado. Inicialmente, por uma questão meramente financeira, buscando o melhor
rendimento do motor, e mais recentemente, buscando minimizar os impactos
ambientais causados pelas emissões na queima deste combustível.
Atualmente, no Brasil, são utilizados dois tipos de óleo diesel, basicamente
diferenciados pelo teor de enxofre presente em sua composição: óleo diesel
metropolitano, com teor máximo de enxofre de 0,2%, e óleo diesel rural, com teor
máximo de enxofre de 0,3% (SOTREQ, 2006). Esta diferença na composição
acarreta em diferentes propriedades do combustível.
Segundo Sotreq (2006), as seguintes propriedades do combustível afetam a
operação de um motor do ciclo diesel:
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
20
- Peso específico: é a relação entre o peso de um volume fixo do combustível e o
peso do mesmo volume de água, tomado como padrão. Combustíveis com elevado
peso específico oferecem maior energia para o motor. Esta característica do
combustível está relacionada com seu poder de lubrificação e com a formação de
depósitos na câmara de combustão.
- Viscosidade: é a resistência que um determinado fluído oferece ao fluxo. Está
relacionada com o peso específico (maior peso específico, maior viscosidade).
Combustíveis mais viscosos apresentam maior capacidade de lubrificação (formam
uma película mais espessa) mas, em contra partida, oferecem problemas para uma
queima completa devido à dificuldade de atomização no momento da injeção de
combustível. Isto pode acarretar em carbonização interna do cilindro, pistão e
anéis. Por outro lado, combustíveis pouco viscosos atomizam com maior facilidade
mas apresentam menor poder de lubrificação, o que pode acelerar o desgaste no
sistema de injeção, pistões e cilindros.
- Ponto de névoa: é a temperatura abaixo da qual ocorre o surgimento de ceras e
parafinas, presentes no combustível, em forma de névoa. Esta característica é
importante, pois esta névoa pode provocar o entupimento do filtro de combustível.
- Ponto de fluidez: é a temperatura na qual um fluído deixa de escoar ou começa a
solidificar-se. O conhecimento desta informação é importante, pois afeta o
funcionamento do motor em baixas temperaturas.
- Índice de cetano: está relacionado com a qualidade da ignição, que afeta a
partida e aceleração do motor. É um índice calculado a partir da densidade e da
temperatura de destilação de 50% do fluído.
Além disso, também é importante saber se, no combustível, há presença dos
seguintes componentes:
- Água: pode causar avarias na bomba injetora de combustível.
- Sedimentos: são ferrugens, escamas ou sujeira presentes no combustível que
podem promover o desgaste no sistema de injeção ou o entupimento dos bicos e
filtros de combustível.
- Borra e fibras: diminuem a vida útil do filtro de combustível ou exigem limpezas
constantes, em função do seu entupimento.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
21
- Enxofre: diminui a vida útil do motor. Durante a queima do combustível, o vapor
d’água gerado reage com os óxidos de enxofre, gerando ácido sulfúrico, que ataca
as superfícies metálicas dos cilindros, pistões e anéis. Além disso, em termos de
emissões, o enxofre pode combinar-se com o oxigênio no momento da queima,
formando óxidos de enxofre, que além de favorecerem a formação de particulados,
também colaboram para a formação de chuva ácida, quando lançados na
atmosfera.
- Vanádio: acelera a corrosão das superfícies metálicas mais quentes, como
válvulas de exaustão.
- Sódio e cloreto de sódio: em contato com o vanádio, o sódio forma compostos
que se fundem em temperaturas normais de funcionamento do motor, acelerando a
corrosão dos cilindros, pistões, válvulas e anéis.
- Gomas e resinas: provenientes da oxidação do combustível durante seu
armazenamento ou processamento, as gomas ou resinas se depositam ao longo
do sistema de injeção, afetando as tolerâncias dimensionais das partes móveis
deste conjunto e provocando o entupimento do filtro de combustível.
- Finos catalíticos (alumínio e silício): provenientes do processo de obtenção do
óleo diesel, estas substâncias causam desgaste abrasivo acelerado nas partes
internas no motor, como: bombas, injetores, anéis, pistões e cilindros.
1.2.2 Impactos ambientais do óleo diesel
Por ser obtido a partir do petróleo, o óleo diesel apresenta já no seu processo
de obtenção um impacto ambiental negativo referente ao uso de recursos naturais,
neste caso, não renováveis. Além disso, durante a sua utilização nos motores
endotérmicos para as mais diversas finalidades, a queima do óleo diesel apresenta
outro impacto ambiental negativo promovido pelas emissões atmosféricas liberadas
por estes motores.
Automóveis, ônibus, caminhões emitem diariamente grandes quantidades de
CO, NOx, HC e outros poluentes na atmosfera. Ao serem liberados, estes
poluentes se dispersam na atmosfera, podendo ocorrer em maiores ou menores
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
22
concentrações em função das condições meteorológicas, da sua origem
(combustível) e dos padrões de emissão (GOKHALE & KHARE, 2006).
Alguns países já possuem algumas estratégias para controlar e/ou reduzir
estas emissões. É o caso, por exemplo, da China, onde algumas medidas foram
introduzidas para regular a construção de estradas e o planejamento do tráfego,
além do controle das emissões em veículos novos e já em uso, melhorias na
qualidade do combustível e incentivos fiscais. Além destas medidas, um programa
adequado de inspeção e manutenção veicular voltado para as emissões
atmosféricas poderia reduzir significativamente os índices de emissões de CO e
HC na China, segundo estudo da Universidade de Tsinghua (FAIZ et al. 2005).
No Brasil, o problema é verificado com maior intensidade das regiões
metropolitanas. A alta concentração de indústrias, associada ao grande fluxo de
veículos acarreta numa grande quantidade de hidrocarbonetos, materiais
particulados e outros compostos lançados na atmosfera. Em casos extremos, como
no inverno, além da conseqüência ambiental, há um acréscimo nos problemas
respiratórios em função da presença destes elementos na atmosfera, o que é
função da dificuldade de dispersão destes poluentes agravada pelas baixas
temperaturas. Segundo Martins (2002), em pesquisa realizada no final da década
passada, os índices de O3, CO e material particulado na cidade de São Paulo
ultrapassaram os limites anuais nos anos 1996, 1997 e 1998 e houve um elevado
número de casos de problemas respiratórios existentes na região no mesmo
período.
1.2.3 Perspectivas para o futuro
Diante do panorama atual de poluição nas grandes cidades, tornou-se
necessária a busca por alternativas para redução dos índices de poluição.
Especificamente no caso do óleo diesel, no Brasil, as principais tentativas para
controle e redução da poluição provocada por este combustível tratam do uso de
combustíveis alternativos, como o biodiesel, adição de etanol ao diesel, ou ainda,
combinação de biodiesel/etanol/diesel. Além disso, com relação às emissões de
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
23
material particulado, há ainda a possibilidade de adição de compostos
organometálicos ao diesel, princípio básico de funcionamento dos catalisadores de
oxidação para motores diesel. Pode-se citar também, programas de inspeção e
manutenção veicular, visando manter a frota atual dentro dos limites de emissão
estabelecidos na legislação (Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental
– CETESB, 2005).
Muitos estudos têm apontado para o fato de que a queima do biodiesel, puro
ou misturado ao diesel, pode reduzir as emissões de CO, material particulado, HC
e compostos de enxofre, além de relatar também o aumento nas emissões de NOx
e frações orgânicas solúveis (BAGLEY et al, 1998, citado por PINTO et al., 2005).
No Brasil, em função da biodiversidade do país, o biodiesel poderá ser obtido a
partir de oleaginosas como a soja, a mamona e o girassol, ou ainda, do sebo de
animais ou do óleo residual de frituras.
Meher et al (2004) testaram biodiesel de óleo de algodão, soja e girassol,
puros e misturados com diesel em diferentes percentuais, em um motor diesel
monocilíndrico, variando a rotação entre 1000 e 4500 rpm. Concluíram que a
quantidade de fumaça emitida pelas misturas B10 e B20 para as várias fontes é
inferior à quantidade emitida pelo diesel puro, diminuindo ainda mais conforme
aumenta o percentual de biodiesel na mistura. Ao contrário, para os óleos vegetais
“in natura” a quantidade de fumaça é maior para as misturas diesel – óleo vegetal
quando comparadas com a quantidade gerada pelo diesel puro. Ainda, a
quantidade de fumaça aumenta conforme aumenta a quantidade de óleo vegetal
na mistura.
Além disso, reduções significativas nas emissões de material particulado
podem ser obtidas a partir da adição de biodiesel ao diesel. Diante disso, o
Governo Federal vem incentivando a produção deste biocombustível. Atualmente,
todo diesel comercial do país tem 2% de biodiesel em sua composição (mistura
denominada B2). A perspectiva é de que, a partir de 2013, todo o diesel usado no
Brasil tenha 5% de biodiesel incorporado em sua composição (mistura B5).
Com relação ao etanol, pode-se afirmar que a sua adição ao diesel traria
benefícios com relação às emissões atmosféricas. Porém, devido a fatores de
ordem técnica, como octanagem do etanol e a sua baixa solubilidade no diesel
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
24
tornam inviável o uso desta mistura. Diante disso, surge a possibilidade de associar
biodiesel e etanol para adicioná-los ao diesel. Em termos de biocombustíveis no
Brasil, esta passa a ser uma alternativa interessante, pois o biodiesel facilita a
solubilidade do etanol no diesel. Além disso, impulsiona a produção destes
biocombustíveis no país. Shi et al. (2006) mostraram em seu estudo que uma
mistura com 5% de etanol (pureza de 99,7%), 20% de biodiesel de soja e 75% de
diesel apresentou redução nas emissões de material particulado e hidrocarbonetos
da ordem de 40% a plena carga, para diferentes rotações. Porém, o mesmo estudo
se mostrou não conclusivo para emissões de CO, além de indicar um pequeno
aumento nas emissões de NOx (da ordem de 10%, a plena carga, para rotação de
2000rpm) e compostos carbonílicos.
Isso indica que ainda são necessárias pesquisas para a redução deste
impacto utilizando catalisadores oxidativos em baixas temperaturas ou conversores
catalíticos. Os catalisadores oxidativos são estruturas cerâmicas que não retém os
particulados, mas agem sobre os HC presentes na fase de vapor que se
condensariam, tornando-se parte do particulado (MARTINS, 2002). Já os
conversores catalíticos são conhecidos pela sua ação na gaseificação do carvão.
Algumas empresas, porém, já lançaram no mercado mundial catalisadores
oxidativos a baixa temperatura que também eliminam NOx e obtiveram resultados
satisfatórios, como redução das emissões de HC e CO superiores à 50% além de
elevados índices de redução também para material particulado (ENGELHARD,
2005).
Com relação à frota de automóveis que circula atualmente no Brasil, é válido
lembrar ainda a importância de programas de inspeção e manutenção veicular. Em
São Paulo, a CETESB criou na década de 90 um conjunto de propostas técnicas
que deram origem ao Programa de Inspeção Veicular Ambiental (PIV). A meta é de
ainda reduzir 20% das emissões de CO e HC e 30% das emissões de material
particulado.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
25
1.3
Combustíveis renováveis – biodiesel
1.3.1 Definição
O biodiesel é um combustível renovável derivado de óleos vegetais, como
girassol, mamona, soja, babaçu e demais oleaginosas, ou de gorduras animais. É
usado em motores de ciclo diesel, em qualquer concentração de mistura com o
diesel, reduzindo as emissões dos motores, sendo por isso, chamado de um
combustível de queima limpa. Quimicamente, é um combustível composto de
mono-alquil-ésteres de ácidos graxos de cadeia longa, derivados de óleos vegetais
ou de gorduras animais e designado B100 (BIODIESELBR, 2006).
1.3.2 Histórico
Os biocombustíveis vêm sendo pesquisados e produzidos em laboratórios há
vários anos. Brandes (1838) obteve propenal, um aldeído gerado da dupla
desidratação do glicerol, quando destilou óleo de côco. Mailhe (1922) empregou
catalisadores ácidos para auxiliar a transformação de óleos vegetais em
hidrocarbonetos. Wattermann & Perquin (1924), aplicaram o processo Bergius de
síntese de hidrocarbonetos por hidrogenação de carvão a alta pressão de H2 ao
óleo vegetal e obtiveram uma conversão quase total destes hidrocarbonetos.
A obtenção de combustíveis alternativos a partir da transformação catalítica
de óleos vegetais é uma possibilidade promissora, originária das crises mundiais
do petróleo, ocorridas em 1973 e 1978, que apresenta a vantagem sobre as
demais fontes de energia por não esgotar o solo e não agredir o meio ambiente
(GONZALEZ et al. 2000).
Porém, no período compreendido entre a Segunda Guerra e a crise do
petróleo, em 1973, pouco se estudou este tipo de combustível, em função do baixo
custo de obtenção de petróleo e da produção dos combustíveis fósseis
(GONZALEZ et al. 2000). Todavia, a elevação de preço do barril de petróleo no
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
26
oriente médio, ocorrida entre os anos de 1973 e 1974, fez com que os
biocombustíveis voltassem a ganhar importância no cenário econômico mundial.
No Brasil, o pioneiro do uso de biocombustíveis foi o Conde Francisco de
Matarazzo nos anos 60, quando as Indústrias Matarazzo utilizavam álcool para
remover as impurezas do óleo obtido a partir do café, o que gerava um produto que
hoje é chamado biodiesel (BIODIESELBR, 2006).
Recentemente, os biocombustíveis vêm ganhando mais espaço no cenário
econômico brasileiro. Primeiramente, com o Proalcool, na década de 80, houve um
forte incentivo para a produção de combustível a partir da cana de açúcar, a fim de
substituir parte da gasolina da frota nacional. Desde o ano de 2003, o Probiodiesel
vem desenvolvendo a cadeia produtiva do biodiesel obtido a partir de óleos
vegetais e/ou residuais (Ministério da Ciência e Tecnologia – MCT, 2005).
1.3.3 Processo de obtenção (metílico / etílico)
O biodiesel é definido pela National Biodiesel Board (1998), como o derivado
mono-alquil éster de ácidos graxos de cadeia longa, proveniente de fontes
renováveis, como óleos vegetais, cuja utilização está associada à substituição de
combustíveis fósseis em motores de ignição por compressão – motores de ciclo
diesel.
Diversos estudos demonstraram que a obtenção destes ésteres a partir de
óleo de colza, canola, girassol, soja e palma (dendê) é ecologicamente
recomendável, sobretudo porque apresenta menor combustão incompleta do que
os hidrocarbonetos e menor emissão de monóxido de carbono, materiais
particulados, óxidos de enxofre, óxidos de nitrogênio e fuligem (OBREGÓN, 2004).
O processo de produção de biodiesel é composto das seguintes etapas:
preparação da matéria-prima, reação de transesterificação, separação de fases,
recuperação e desidratação do álcool, destilação da glicerina e purificação desse
combustível renovável (BIODIESELBR, 2006). A Figura 1 é a representação
esquemática do processo de obtenção de biodiesel.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
27
Óleos vegetais
Gorduras
reaproveitáveis
Correção da acidez
Transesterificação
Metanol + KOH ou
NaOH
Glicerina crua
Biodiesel cru
Glicerina refinada
Refino
Recuperação do
metanol
Glicerina
Biodiesel
Figura 1 - Representação esquemática do processo de obtenção de biodiesel.
“Rota Metílica”
Neste processo, há certos inconvenientes que o dificultam e podem
comprometer a qualidade do produto final, como o elevado consumo energético, a
difícil recuperação do glicerol, o catalisador que necessita ser removido do produto,
o efluente alcalino gerado que necessita tratamento e os ácidos graxos e água que
interferem na reação (MEHER et al, 2004). A reação de síntese, geralmente
empregada a nível industrial, utiliza uma razão molar óleo:álcool de 1:6 na
presença de 0,4% de hidróxido de sódio ou de potássio, porque o meio básico
apresenta melhor rendimento e menor tempo de reação do que o meio ácido. Por
outro lado, o excesso de agente transesterificante (álcool primário) faz-se
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
28
necessário devido ao caráter reversível da reação (COSTA NETO et al. 2000). A
Figura 2 ilustra esta reação.
O
CH3
O
O
H3C
7
7
7
4
7
4
+ 3 CH3OH
O
O
NaOH
CH3
O
O
H3C
O
H3C
CH3
O
7
CH3
O
7
OH
4
+
H3C
O
HO
OH
O
7
CH3
7
4
Figura 2 - Reação de transesterificação de óleos vegetais
Freedman & Butterfield (1986), demonstraram que a alcoólise com metanol é
tecnicamente mais viável do que a alcoólise com etanol, particularmente se esse
corresponde ao etanol hidratado, cujo teor em água (4-6%) retarda a reação. A
utilização de etanol anidro na reação diminui este inconveniente, o que não
significa solução para o problema de separação da glicerina do meio de reação, o
que pode ser feito por simples decantação no caso da síntese do éster metílico.
A separação de fases tem por objetivo assegurar a pureza do produto final de
acordo com as especificações. Segundo a União Européia, o teor de ácidos graxos
livres, álcool, glicerina e água devem ser mínimos, de modo que a pureza do
biodiesel seja superior à 96,5%.
Após separadas as fases, a fase de fundo contém água e álcool e deve ser
submetida a um processo de evaporação. Os vapores de água e álcool são, a
seguir, liquefeitos em um condensador. Da mesma forma, o álcool residual é
recuperado da fase de topo. Após essa recuperação, o álcool ainda contém água e
deve ser desidratado. Essa desidratação é normalmente feita por destilação
(BIODIESELBR, 2006).
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
29
Caso a reação de transesterificação seja incompleta ou a purificação seja
insuficiente, o biodiesel produzido pode ficar contaminado com glicerol livre e
retido, triglicerídeos e álcool. A presença de contaminantes pode ser prejudicial
para os motores e para o meio ambiente. Os ésteres deverão ser lavados por
centrifugação e, posteriormente, desumidificados ou podem ser tratados com
adsorventes.
1.3.4 Características do biodiesel
Com os recentes aumentos no preço do petróleo e a incerteza sobre a sua
disponibilidade futura, o interesse pelo uso de biocombustíveis em motores diesel
vem aumentando (DEMIRBAS, 2003 citado por BOZBAS, 2005). Porém, uma vez
que uma das maiores vantagens do uso de biodiesel é o fato de não ser necessário
alterações significativas nos motores de ciclo diesel, é de fundamental importância
o conhecimento das características físicas e químicas deste tipo de combustível.
O biodiesel apresenta características muito semelhantes ao óleo diesel obtido
do petróleo, o que permite o seu uso em motores diesel sem grandes modificações
na estrutura do motor e, uma vez que o carbono presente nele provém do CO2
atmosférico, as emissões de CO deste combustível contribuem muito menos para o
aquecimento global, quando comparado com o óleo diesel. McComrmick &
Graboski (2001) correlacionaram algumas variáveis como número de cetanos e
densidade de biodiesel proveniente de diversas fontes com emissões de NOx e
material particulado, e concluíram que misturas com maiores valores de
viscosidade apresentam maiores valores para emissões de NOx.
Eles também
observaram que quanto maior for o número de cetanos da mistura, menor é a
emissão de NOx. Finalmente, observaram que as emissões de material particulado
não são afetadas pela variação de viscosidade ou número de cetanos do
combustível até certo valor, a partir do qual ocorre um pico deste tipo de emissão.
Goodrum & Eiteman (1996) citados por Villarreyes et al (2007) indicam a
densidade, a viscosidade dinâmica, tensão superficial, calor específico e pressão
de vapor como sendo as propriedades mais importantes para definição da
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
30
eficiência da combustão. Já Flores-Luque (1987) citado por Villarreyes et al (2007)
delimitaram o estudo à densidade, viscosidade dinâmica e tensão superficial,
através da combinação destas propriedades em 5 grupos que caracterizam a
eficiência da combustão (parâmetros indicativos) ou em 5 funções combinadas,
como segue:
A = µ/ρ, define a viscosidade cinemática do combustível;
B = σ/µ, indica se o jato de combustível se desintegra no momento correto;
C = σ/ρ, assim como o parâmetro anterior, também indica se o jato de combustível
se desintegra no momento correto;
D = σ²/µρ, indica a distribuição e o tamanho (diâmetro) das gotículas de
combustível no momento da atomização;
E = µ²/σρ, indica as condições da injeção do combustível para desintegração antes
da ignição;
Onde:
µ = viscosidade dinâmica do combustível
ρ = densidade do combustível
σ = tensão superficial do combustível
Bozbas (2005) afirma que o biodiesel tem características físicas muito
próximas das características do óleo diesel mineral. Balat e Demirbas (2003)
citados por Bozbas (2005) apresentam um comparativo entre as características do
biodiesel e do óleo diesel convencional, mostrado na Tabela 1.
Tabela 1 -
Propriedades físico químicas de biodiesel e diesel.
Propriedades
Densidade (kg/l)
N° cetanos
Ponto de névoa (K)
Ponto de fluidez (K)
Ponto de fulgor (K)
Enxofre (wt %)
Cinzas (wt %)
N° iodo
Viscosidade cinemática, 313 K
Poder calorífico superior, MJ/kg
Fonte: Bozbas, 2005
Biodiesel
0,87 - 0,89
46 - 70
262 - 289
258 - 286
408 - 423
0 - 0,0024
0,002 - 0,01
60 -135
3,7 - 5,8
39,3 - 39,8
Diesel
0,84 - 0,86
47 - 55
256 - 265
237 - 243
325 - 350
0,004 - 0,01
0,006 - 0,01
1,9 - 3,8
45,3 - 46,7
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
31
Em termos de ponto de névoa e ponto de fluidez é possível observar na
Tabela 1 que praticamente não há diferenças. Porém, o mesmo não acontece com
o número de cetanos, viscosidade cinemática e poder calorífico, onde as
diferenças já se mostram mais significativas.
Bozbas (2005) afirma ainda que a viscosidade do biodiesel passa a ser um
problema em temperaturas inferiores à 0°C, e sugere o uso de aquecedores no
interior do tanque de combustível, o que tornaria mais fácil a ignição.
Um fator relevante na produção do biodiesel é o álcool utilizado na reação,
como mostra a Tabela 2, que compara as propriedades do biodiesel metílico de
soja e o biodiesel etílico de soja, em termos de propriedades físico-químicas:
Tabela 2 -
Propriedades físico químicas do biodiesel metílico e biodiesel etílico.
Combustível
PCI (kJ/kg)
Densidade
específica
Viscosidade (x10-² m²/s Número de
a 40°C)
(ASTM D-613)
Óleo diesel n° 2
B20 etílico de soja
43319,36
42094,15
0,85
0,8562
2,6
3,05 (estimada)
45
46,3
B20 metílico de soja
42000
0,857
2,82
47,3
0,8853
4,08
50,9
0,881
4,41
48,2
B100 metílico de 37184
soja
B100 etílico de soja 37193,3
cetanos
Fonte: Grabosky, citado em BUENO, 2003.
Destaca-se na Tabela 2 o acréscimo de aproximadamente 25% para a
viscosidade do biodiesel etílico de soja frente ao biodiesel obtido a partir do
metanol, que se mostra ainda maior quando se compara o biodiesel etílico com o
diesel mineral puro. De acordo com a norma ASTM (American Society for Testin
and Materials) D-445, o valor máximo da viscosidade à 40°C de um combustível
para motores diesel é de 4,1 10-2 m² s-1. Diante disso, Bueno (2003) afirma que a
influência desta propriedade sob a dinâmica do jato combustível, além de sua
mistura com o ar durante a operação do motor, irá proporcionar ligeiras alterações
no processo de queima.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
32
1.3.5 Benefícios sociais, econômicos e ambientais
O uso de biodiesel em máquinas agrícolas traz não apenas benefícios na
área ambiental, com a redução de emissões de poluentes, mas também nos
campos social e econômico.
Em termos ambientais, os poluentes resultantes da combustão do óleo diesel,
segundo Xavier (2003), são uma complexa mistura de combinações orgânicas e
inorgânicas, composta de gases (HC’s, NOx, CO, CO2, SO2), materiais na fase
líquida (HC’s e SO4) e na fase sólida (C). Os materiais sólidos são formações de
carbono com diâmetro na faixa de 100 a 300nm agregados a outros compostos
como sulfatos e água, variando em função do óleo lubrificante utilizado, da
qualidade do diesel e das condições de operação do motor (MARTINS, 2002). E
são estes materiais sólidos os maiores poluentes dos motores de ciclo diesel,
conforme mostra a tabela 3.
Tabela 3 -
Emissão de poluentes em função do ciclo motor.
Ciclo
CO(ppm)
HC(ppm)
NOx(ppm)
SOx(ppm)
MP(ppm)
Otto
20-200
10-50
10-60
0,1-1
0,1-0,4
Diesel
3-30
0,5-10
5-20
0,5-5
1-10
Fonte: Braun et al (2003)
Várias alternativas são encontradas na literatura, no sentido de buscar
minimizar os impactos negativos causados pela poluição dos veículos movidos à
óleo diesel. Muitos pesquisadores têm mostrado que as emissões de material
particulado, hidrocarbonetos não queimados, monóxido de carbono e enxofre são
significativamente inferiores quando se utiliza biodiesel puro ou misturas diesel
biodiesel como combustível (RAMADHAS et al, 2005), como já foi citado
anteriormente neste trabalho.
Teles et al (2006) testaram uma mistura B20, proveniente de óleo de soja, em
uma frota cativa para avaliação das emissões com uso de B20 em comparação
com diesel mineral e observaram que os veículos movidos a B20 apresentaram
uma redução de 18% na opacidade da fumaça em relação ao diesel.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
33
Silva (2004) pesquisou o uso de óleo de dendê “in natura” em motores de
ciclo diesel e observou que os níveis de emissões ficam dentro dos parâmetros
atualmente encontrados para motores diesel, com a vantagem de ser biomassa
com emissão de enxofre e de incremento para o efeito estufa nulas.
Corrêa & Arbilla (2006) testaram diesel puro e as misturas B2, B5 e B20 de
biodiesel obtido por transesterificação de óleo de mamona usando etanol e
hidróxido de potássio (catalisador) em um motor ciclo diesel, novo, com 6 cilindros
em linha e injeção direta, a fim de monitorar as emissões de hidrocarbonetos
policíclicos aromáticos (HPA). Foram monitorados 12 HPA’s que, em comparação
com as emissões do diesel, apresentaram uma redução de 2,7% para B2, 6,3%
para B5 e 17,2 para B20.
Isto demonstra a capacidade que o biodiesel, quando utilizado de forma
adequada, apresenta no sentido de minimizar as emissões causadoras do efeito
estufa na atmosfera, sendo esta uma razão a mais para incentivar o
desenvolvimento desta tecnologia.
Nos campos social e econômico, o biodiesel tem um importante papel, pois,
uma vez que muitas oleaginosas capazes de fornecer matéria prima para produção
de biodiesel podem ser plantadas em pequenas áreas, favorece a agricultura
familiar, diminuindo o êxodo das famílias para as cidades em busca de outras
fontes de renda. Kubota (2003) citado por Soranso (2006) afirma que a produção
de matéria prima para ser utilizada na fabricação de biocombustíveis pode ser uma
importante forma de gerar empregos e renda em áreas carentes do Brasil e que
necessitam de alternativas econômicas para a população local, além de ser um
importante produto para exportação e independência energética nacional.
Para Alves (2003), o Brasil, por possuir um extenso território tropical, se
credencia como nação com maior potencial de energia renovável do planeta.
Porém, a adoção sistemática de tecnologias externas aos trópicos tem trazido a
exclusão social e a submissão do nosso povo, deixando em troca altos índices de
degradação ambiental e nos desviando de nossa verdadeira vocação: a de sermos
a maior potência energética do planeta.
Segundo a BIODIESELBR (2006), Estudos desenvolvidos pelos Ministérios
do Desenvolvimento Agrário, Agricultura, Pecuária e Abastecimento, Integração
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34
Nacional e das Cidades mostram que, a cada 1% de substituição de óleo diesel por
biodiesel produzido com a participação da agricultura familiar, podem ser gerados
cerca de 45 mil empregos no campo, com uma renda média anual de
aproximadamente R$4.900,00 por emprego. Admitindo-se que para um emprego
no campo são gerados três empregos na cidade, seriam criados, então, 180 mil
empregos.
Outro enfoque importante é a aplicação integral dos subprodutos adquiridos
nas diversas fases dos processos industriais de obtenção da matéria prima
oleaginosa. Estes subprodutos podem ser usados tanto para ração animal (exceto
o biodiesel do óleo de mamona), indústrias farmacêuticas, quanto para o uso direto
em caldeiras, gerando mais empregos, o que é um dos grandes problemas
nacionais da atualidade (SOUZA, 2005).
1.3.6 Biodiesel no Brasil
No Brasil, há diversas experiências sobre o uso de biodiesel, oriundo de óleos
novos e usados, puros ou misturados ao diesel. Porém, apenas em 1998, a
Agência Nacional de Petróleo (ANP) publicou a Resolução n° 180, sobre a
necessidade de realização de testes pré-aprovados para homologação de
combustíveis não especificados (OLIVEIRA & COSTA, 2002).
Segundo a Associação Brasileira das Indústrias de Óleos Vegetais – ABIOVE,
o Brasil possui condições de solo e clima para a produção competitiva de
oleaginosas em todo seu território, conforme mostra a Figura 3.
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35
Figura 3 - Oleaginosas cultivadas em cada região do país. Fonte: ABIOVE
De acordo com relatórios do MCT, o Brasil é o segundo maior produtor e
exportador mundial de óleo de soja, e pode tornar-se gradualmente um importante
produtor e consumidor de biodiesel, acrescido da oportunidade de utilização de
outros óleos vegetais típicos das diferentes regiões. Segundo o próprio MCT, a
disponibilidade de produção de biodiesel a partir de soja concentra-se nas regiões
centro-oeste e sul, com uma capacidade instalada de esmagamento de soja de
32,4 milhões de ton/ano (informações referentes ao ano de 2002). Porém, estudos
já demonstram a viabilidade do cultivo de girassol na região sul e sudeste, além de
palma no norte e mamona e palma na região nordeste, todas para fins de produção
de biocombustíveis.
1.4
Motores diesel
1.4.1 Definição e classificação
Os motores de ciclo diesel são motores de combustão interna que
transformam a energia calorífica desenvolvida pela combustão da mistura ar/óleo
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
36
diesel em energia mecânica, com a qual se faz girar a árvore de manivelas
(virabrequim), cujo movimento é transmitido para as rodas motrizes (VALLES,
1954).
Segundo Giacosa (1980), os motores de ciclo diesel são motores nos quais a
combustão se realiza a pressão constante, segundo um ciclo que leva o nome de
seu descobridor, Rudolph Diesel.
De acordo com Pinheiro et al (1998), os motores diesel podem ser
classificados da seguinte maneria:
Diesel Lento - trabalham a uma rotação de 400 a 800 RPM. Estes motores
por possuírem grandes dimensões são empregados onde a relação peso potência
não é importante, como nas embarcações marítimas, motores estacionários, etc.
Diesel normal - São os motores cujas rotações de trabalho variam de 800 a
2000 RPM.
Diesel veloz - Motores de rotações maiores que 2000 RPM. Este tipo de
motor vem sendo ultimamente muito utilizado nos automóveis de passeio.
1.4.2 Componentes
Os principais elementos que compõem um motor diesel são descritos
conforme segue:
-
Cilindro: o cilindro é o componente dentro do qual desliza o pistão. É no interior
do cilindro que ocorrem as etapas de compressão de ar e expansão dos gases
produzidos pela combustão do óleo diesel. Na parte superior do cilindro,
localiza-se o que se chama de “câmara de combustão”, ou seja, o espaço
limitado pelo cilindro, pistão e tampa do motor, onde ocorre a combustão da
mistura ar-combustível. O cilindro é normalmente fundido, podendo receber
uma camisa interna de um material mais resistente, a fim de facilitar a sua
manutenção, quando ocorre desgaste (GIACOSA, 1980).
-
Pistão: o pistão é o elemento deslizante, localizado dentro do cilindro,
responsável pela compressão do ar no interior da câmara de combustão. Ele
suporta a pressão gerada pela combustão da mistura ar-combustível,
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37
transmitindo energia para o virabrequim através da biela. Para garantir a
estanqueidade da câmara de combustão, o pistão é ranhurado na sua face
lateral para receber, nestas ranhuras, os anéis elásticos de vedação. Estes
anéis, por sua vez, são segmentos metálicos de seção retangular, cortados em
um ponto e, normalmente, estão presentes em número de 3, sendo o anel
inferior para evitar que o óleo lubrificante suba para a câmara de combustão
(chamado anel raspador de óleo) e os outros dois para vedar a câmara de
combustão. O pistão, normalmente, é feito de ligas de alumínio e magnésio,
para suportar a pressão e o rápido movimento alternativo ao qual está
submetido. Já os anéis são produzidos a partir de ligas metálicas contendo
silício e titânio.
-
Pino: serve para acoplar o pistão com a parte superior da biela. Está submetido
a um esforço muito grande porque suporta toda a pressão dos gases
produzidos pela combustão do óleo diesel e a transmite à biela (VALLES,
1954).
-
Biela: este é o elemento que transforma o movimento alternativo do pistão em
movimento rotativo, transmitindo-o para o virabrequim. Em função dos esforços
ao qual está submetido, o corpo da biela usualmente apresenta seção
transversal em duplo T. Em sua parte superior, na superfície de contato com o
pino, a biela é revestida com um anel de bronze. Já na parte inferior, a
superfície de contato com o virabrequim é revestida com metal anti-fricção.
-
Virabrequim ou árvore de manivelas: recebe o trabalho útil do pistão,
transmitido pela biela, transmitindo o movimento aos demais elementos do
motor (distribuição, resfriamento, lubrificação). O virabrequim é feito de aço
especial NiCr estampado a partir de uma peça somente, para minimizar a
ocorrência de trincas ou falhas no material (VALLES, 1954). Deve-se observar o
perfeito balanceamento estático e dinâmico desta peça.
-
Bloco do motor: é a estrutura de ferro fundido que contém as partes móveis do
motor, oferece apoio ao virabrequim e no qual está embutido o cilindro. Em sua
parte inferior, o bloco é fechado pelo carter – reservatório de óleo lubrificante –
e na parte superior, pelo cabeçote de válvulas.
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38
-
Cabeçote de válvulas: é uma espécie de tampa do motor, contra a qual o pistão
comprime o ar admitido no interior do cilindro (PROVENZA, 1960). É no
cabeçote que se localiza a câmara de combustão, os assentos das válvulas e
do injetor de combustível, dos dutos de admissão e descarga além dos canais
de circulação da água de arrefecimento do motor.
-
Volante: disco, relativamente pesado, preso ao virabrequim, montado na parte
traseira deste para garantir a inércia do motor.
-
Válvulas de admissão e descarga: localizadas no cabeçote, tem as funções de
permitir a entrada de ar no cilindro e descarregar os gases gerados da queima
da mistura ar combustível, respectivamente.
-
Eixo de comando de válvulas: é acionado pelo virabrequim através de uma
correia e tem a finalidade de abrir e fechar as válvulas de admissão e descarga
nos
tempos
corretos,
através
de
ressaltos
que
elevam
o
conjunto
tucho/haste/balancim abrindo as válvulas no momento oportuno (PROVENZA,
1960).
Além destes elementos, existem outros componentes no motor diesel,
chamados “componentes auxiliares” que fazem parte dos sistemas de alimentação,
lubrificação e arrefecimento. Porém, estes elementos serão citados e descritos
quando forem abordados tais sistemas.
1.4.3 Princípio de funcionamento – ciclo diesel
Os motores de ciclo diesel podem ser motores de dois tempos ou quatro
tempos, em função do número de giros que o virabrequim realiza para completar
um ciclo. Nos motores de dois tempos, um ciclo é completado por uma volta do
virabrequim. Já nos motores de quatro tempos, aos quais este estudo se dedica,
um ciclo é completado a cada dois giros do virabrequim (ARTOMNOV et al, 1976,
citado em SILVEIRA, 2004).
Como o próprio nome já define, estes motores obedecem ao ciclo diesel, são
alimentados por meio de injeção direta ou indireta de combustível e tem seu
funcionamento dividido em quatro etapas, conforme segue:
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39
-
Admissão: na fase de admissão, a válvula de descarga encontra-se fechada, o
pistão encontra-se no ponto morto superior e ocorre a abertura da válvula de
admissão. O pistão desloca-se do ponto morto superior até o ponto morto
inferior, promovendo a admissão de ar, proveniente dos dutos de admissão,
após ter sido filtrado, até o enchimento do cilindro. Ocorre então o fechamento
da válvula de admissão.
-
Compressão: nesta fase, o pistão desloca-se do ponto morto inferior até o ponto
morto superior, com as válvulas de admissão e descarga fechadas,
promovendo a compressão do ar admitido na etapa anterior. O ar quando
sujeito a esta compressão sofre um aumento de temperatura que será tanto
maior quanto maior for a taxa de compressão. Pouco antes de o pistão atingir o
ponto morto superior, a pressão do ar no interior do cilindro pode atingir valores
que variam de 65 à 130Kgf/cm² e sua temperatura pode chegar até 600°C. A
taxa de compressão do ar num motor de ciclo diesel está entre 16:1 e 24:1
(PINHEIRO et al, 1998).
-
Combustão / expansão: na etapa de combustão, o combustível é fortemente
comprimido e pulverizado para o interior da câmara de combustão. Ao entrar
em contato com o ar, sob alta pressão e elevada temperatura, o combustível
inflama e explode, promovendo a expansão da mistura ar/combustível,
empurrando fortemente o pistão para o ponto morto inferior.
-
Descarga: pouco antes de o pistão atingir o ponto morto inferior, ocorre a
abertura da válvula de escape, por onde começam a sair os gases provenientes
da queima da mistura ar/combustível. Após atingir o ponto morto inferior, o
pistão retoma o movimento ascendente, empurrando estes gases para fora do
cilindro. Quando o pistão atinge o ponto morto superior, ocorre o fechamento da
válvula de admissão e um novo ciclo reinicia.
1.4.4 Combustão no motor diesel
O processo de combustão nos motores do ciclo diesel se dá através do
contato entre as gotículas de combustível que são injetadas à alta pressão na
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
40
câmara de combustão, onde o ar se encontra comprimido e aquecido a uma
temperatura em torno de 600°C. Esta injeção de combustível ocorre através do
bico injetor de combustível, pouco antes de o pistão atingir o ponto morto superior
(PMS). Este adiantamento, aliado ao formato da câmara de combustão e ao
adequado jato de combustível fornecem uma melhor mistura entre as gotículas de
combustível e o ar necessário, garantindo assim uma boa combustão (PEREIRA,
2004).
1.4.5 Sistemas de combustão
Sistema de injeção direta: sistema em que o combustível é injetado
diretamente sobre a cabeça do pistão, por meio de um bico injetor com vários
orifícios, direcionados de forma a garantir a melhor mistura ar / combustível em
relação ao formato da câmara de combustão.
Sistema de injeção indireta: neste sistema, há uma antecâmara separada da
câmara principal de combustão por meio de um estreitamento. Nesta antecâmara,
ocorre a injeção do combustível, que queima parcialmente naquela região. Esta
queima parcial gera uma sobre-pressão que sopra a mistura inflamada para a
câmara principal, de forma violenta, onde ocorre a queima do restante do
combustível. Este sistema apresenta maiores perdas de calor, mas em
contrapartida, gera menos gases poluidores no escapamento, uma vez que a
queima é mais completa.
Sistemas de injeção atuais: Os sistemas de injeção modernos utilizados para
motores ciclo diesel são Unit injectors, Common Rail Systems e Bombas Rotativas
de Alta Pressão. Kegl (2006) realizou uma análise numérica do processo de
injeção de misturas diesel/biodiesel com o objetivo de avaliar o impacto em termos
de emissões atmosféricas e concluiu que, mantendo a performance do motor
dentro de limites aceitáveis, é possível reduzir estas emissões ajustando
corretamente o momento e o tempo de atuação da bomba de combustível em
função da mistura utilizada. O mesmo autor apresenta como justificativa o fato de
que as principais características da injeção são a pressão de injeção (pressão de
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
41
injeção em um sistema mecânico de injeção aumenta com o aumento do
percentual de biodiesel no diesel), duração e tempo de injeção (tempo entre a
entrega de combustível pela bomba e a injeção de combustível na câmara de
combustão diminui com o aumento do percentual de biodiesel no diesel),
abastecimento e taxa de injeção.
1.4.5.1 Descrição do sistema de injeção
Atualmente, a grande maioria dos motores de ciclo diesel utiliza o sistema de
injeção controlado eletronicamente, denominado Common Rail. Segundo Villanova
(2004), o Common Rail (CR) é um sistema de gerenciamento eletrônico que
permite a injeção direta de combustível na quantidade e no tempo exato,
eliminando o uso da bomba injetora convencional. Conta com uma Unidade de
Controle Eletrônico (ECU) que administra as informações captadas pelos sensores
do motor, gerencia os sinais dos atuadores e monitora o funcionamento de todo o
conjunto. A partir desses dados, a unidade determina a quantidade e momento da
injeção, sendo que cada unidade injetora alimenta um cilindro.
Já o sistema de injeção mecânico consta de um elemento mecânico acionado
por uma cremalheira, que fornece uma quantidade definida de combustível de
acordo com a rotação e carga do motor (SANTOS, 2005).
A injeção do combustível é dividida em duas etapas, denominadas pré-injeção
e injeção principal, ambas sendo funções da rotação e da carga do motor.
Segundo Benvenutti (2005), o sistema de injeção do motor pode sofrer
grandes avarias quando submetido ao uso de biodiesel. Ele afirma ainda que os
modos de falha típicos do sistema de injeção neste caso são:
-
Formação
de
depósitos,
causada
por
precipitação
de
produtos
de
envelhecimento do biodiesel.
-
Resinificação (aderência), causada por produtos de polimerização.
-
Corrosão (ácido fórmico) de aço e metais não ferrosos.
-
Formação de sabão (sais metálicos da corrosão por ácido fórmico).
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
42
1.4.5.2 Componentes do sistema mecânico de injeção
Bomba injetora: a pressão e dosagem de combustível em cada cilindro são
feitas por meio de uma bomba de pistão acionada pela árvore de cames, que
impulsiona o combustível até o bico injetor. Alguns motores têm uma bomba para
cada cilindro e outros têm uma só bomba que distribui o combustível para todos os
cilindros.
Bicos injetores: estes elementos estão instalados no cabeçote e têm a
finalidade de pulverizar o combustível em forma de névoa no interior da câmara de
combustão. Possuem uma agulha no seu interior, que se levanta no momento da
injeção, em função da pressão na linha de combustível e cujo retorno é realizado
por ação de uma mola. Uma pequena quantidade de combustível retorna ao
sistema de alimentação, pois é utilizada para remover calor e lubrificar as partes
móveis dos bicos.
1.4.6 Sistema de lubrificação
Trata-se do conjunto de elementos responsáveis pela lubrificação das partes
móveis do motor.
1.4.6.1 Características e componentes do sistema
Segundo a Catterpillar, fabricante de máquinas pesadas, os sistemas de
lubrificação dos motores diesel são normalmente dimensionados para um volume 2
a 3 litros de óleo lubrificante por litro de cilindrada do motor, a fim de garantir uma
correta lubrificação nas partes móveis do motor, bem como auxiliar o sistema de
arrefecimento a manter o motor trabalhando dentro de condições satisfatórias, em
termos de temperatura.
Os elementos que compõem este sistema são:
- Cárter, localizado na parte inferior do motor. É o reservatório de óleo lubrificante,
com capacidade adequada à potência do motor.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
43
- Bomba de circulação forçada, normalmente tipo engrenagem. Responsável pelo
bombeamento do óleo lubrificante para todas as partes móveis do motor.
- Regulador de pressão: válvula próxima à bomba, que regula a pressão do
sistema.
- Trocador de calor do óleo lubrificante: responsável pelo arrefecimento do óleo,
que retorna aquecido do motor.
- Filtros, que na maioria dos casos, são do tipo cartucho de papel descartável,
devendo ser trocados a cada troca do óleo lubrificante.
- Sensores de pressão, manômetros e pressostatos, que servem como dispositivos
auxiliares do sistema.
1.4.6.2 Óleo lubrificante
A principal característica que o óleo lubrificante deve ter é a viscosidade
apropriada para o uso, considerando-se o meio em que será empregado e a
temperatura de trabalho. Isso deve-se ao fato de que o meio e a temperatura de
trabalho afetarão as propriedades físico-químicas do lubrificante, o que terá
impacto no correto funcionamento do motor. Silva (2004) testou óleos vegetais “in
natura” em motores diesel e observou teores elevados de Fe, Pb, Cu e Al no óleo
lubrificante utilizado, quando o tempo de funcionamento ultrapassa as 250 horas.
Além disso, não evidenciou contaminação do óleo lubrificante por óleo de dendê.
É importante salientar também que a composição química do óleo lubrificante
afeta diretamente o desempenho do motor, uma vez que estes óleos apresentam,
normalmente, teores de aditivos, como anticorrosivos, detergentes, dispersantes e
preventivos contra a fuligem, dependendo do uso a que se destinam.
1.4.7 Sistema de arrefecimento
Sistema cuja função principal é manter a temperatura do motor dentro dos
limites considerados adequados para o seu bom funcionamento. Para isso,
geralmente, é utilizada a água como fluído para remoção do calor do motor. A fim
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
44
de garantir melhor desempenho do sistema, especialmente, em condições
adversas, são aplicados aditivos na água, como por exemplo, anti-congelantes e
anti-oxidantes.
O sistema consiste, basicamente, de uma válvula termostática, que é
controlada pela variação da temperatura do motor. Em altas solicitações, quando a
temperatura do motor tende a elevar-se demasiadamente, entra em funcionamento
uma ventoinha, para melhorar a troca térmica no trocador de calor.
Com relação à água utilizada para o arrefecimento do motor, esta deve ser
livre de agentes químicos corrosivos, para eliminar a formação de incrustrações
nas tubulações. Além disso, também é importante que o pH da água esteja entre
8,0 e 9,5.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
45
2
MATERIAIS E MÉTODOS
Os testes realizados ao longo da pesquisa objetivaram estudar alguns
aspectos distintos da utilização de biocombustíveis em microtratores agrícolas. O
primeiro aspecto foi ambiental, onde se procurou determinar as emissões
atmosféricas para diferentes misturas diesel/biodiesel, a fim de se avaliar o impacto
da adição de biodiesel em cada tipo de emissão. O segundo aspecto estudado foi o
aspecto operacional do uso de misturas diesel/biodiesel em microtratores, em
pequenas propriedades rurais, a fim de avaliar a viabilidade técnica e operacional da
utilização destas misturas na região do Vale do Rio Pardo. Por fim, avaliou-se
também o consumo específico de combustível para diferentes percentuais de
mistura.
Para todas as avaliações, foi utilizado o mesmo tipo de biodiesel (origem de
óleo de girassol, via rota metílica), produzido em uma única batelada. A
caracterização deste biodiesel foi realizada no TECPAR - Instituto de Tecnologia do
Paraná – Divisão de Biocombustíveis e no Laboratório de Oleoquímica (LAOL) da
Unisc.
A determinação da taxa de emissão quanto à CO, CO2, NO e material
particulado foi realizada no Laboratório de Combustíveis da UFRGS.
Quanto aos testes a campo com o uso do biodiesel de girassol, foram
utilizados três microtratores e a avaliação dos motores contou com a participação da
Tramontini Implementos Agrícolas e da Schultz Técnica Comercial.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
46
2.1
Caracterização do biodiesel de girassol
Os métodos e normas usadas na determinação de cada parâmetro são
listados abaixo:
- Determinação do aspecto: visual.
- Determinação da densidade: método do densímetro, segundo NBR – 7.148 /
01. Este teste compreende a relação entre a massa específica do diesel a 20°C (g
cm-³) e a massa específica da água a 4°C (g cm-³).
- Determinação do ponto de entupimento de filtro a frio: realizado segundo
NBR – 14.747 / 01. É definido como a maior temperatura em que o combustível,
quando resfriado, não flui através de um filtro padronizado, ou leva mais de 60
segundos para passar através deste filtro (GARCIA et al, 2006).
- Determinação da estabilidade à oxidação: de acordo com a norma EN –
14.112 / 01. Visa verificar a formação de compostos de oxidação em uma amostra
exposta a um fluxo de ar (10 litros/h) a 110°C (LUTTERBACH et al, 2006).
- Determinação da corrosividade na lâmina de cobre: NBR – 14.359 / 05. Este
teste indica o potencial de corrosividade do combustível, no que se refefe às partes
metálicas e confeccionadas em ligas de cobre, que se encontram presentes nos
sistemas de combustível dos veículos e equipamentos.
- Determinação da viscosidade cinemática à 40°C: NBR – 10.441 / 02. Tratase da medida da resistência oferecida pelo combustível ao seu escoamento. Seu
controle é importante para garantir uma boa atomização do combustível.
- Determinação do teor de água e sedimentos – método da centrifugação,
NBR – 14.647 / 01. Este ensaio visa determinar a presença, no combustível, de
água (proveniente do processo de produção do combustível, de depósitos mal
vedados ou ainda de condensações internas) e sedimentos, que são constituídos
por ferrugem e borras.
- Determinação do teor de cinzas sulfatadas: NBR – 6.294 / 04. Determina o
teor de resíduos inorgânicos, não combustíveis, gerados durante a queima de uma
amostra de combustível.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
47
- Determinação do micro resíduo de carbono: ASTM D – 4.530 / 85. Mede a
formação de coque a partir de produtos com tendência a degradação térmica sob
condições de pirólise e altas temperaturas.
- Determinação da destilação à vácuo: ASTM – 1.160 / 03. Este ensaio é
usado para separação de solventes que possam estar presentes no combustível,
através de uma trompa d’água como fonte de vácuo e banho-maria para
aquecimento.
- Determinação do teor de metais por Inductive Coupled Plasma (ICP) –
Optical Emission Spectrometry (OES): Ca, Na, K, Mg – EN – 14.107 / 02;
- Determinação do ponto de fulgor – método vaso fechado Pensky Martens –
NBR – 14.598 / 00. Este método visa a determinação do ponto de fulgor para
combustíveis através da colocação de uma amostra em uma cuba de ensaio,
fechada, sob aquecimento lento e constante, com a introdução de uma chama, em
intervalos regulares, até a ocorrência do lampejo.
- Determinação da contaminação total – EN – 12.662 / 98.
- Determinação do índice de acidez – ANP (ABNT NBR 14448).
- Determinação do índice de iodo – EN 14213.
- Determinação do índice de saponificação.
- Determinação do índice de refração – AOCS (TP 1a- 64). O índice de
refração é um meio de caracterizar se uma amostra de óleo e de biodiesel foram
alteradas. Para este teste utilizou-se um refratômetro de Abbe a temperatura de
25oC. Colocou-se duas gotas do óleo no prisma do refratômetro e visualizou-se
índice de refração. As análises foram realizadas em triplicatas.
- Determinação do índice de peróxido
- Espectroscopia no infravermelho – Para realização da espectrometria na
região do infravermelho (IV) foi utilizado um espectrofotômetro Nicolet Magna 550
com transformada de Fourier, onde a superfície de seleneto de zinco cobriu-se com
amostra. As análises foram realizadas em duplicata.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
48
2.2
Avaliação das emissões atmosféricas do biodiesel de girassol
Esta etapa da pesquisa buscou determinar o impacto do uso de biodiesel nas
emissões de materiais particulados, NO, CO e CO2. Em paralelo a estes ensaios,
também foi avaliado o consumo específico de combustível para diferentes misturas
diesel/biodiesel, a fim de verificar o impacto do uso de biodiesel neste parâmetro.
Os ensaios de emissões atmosféricas e consumo específico foram realizados
no Laboratório de Combustíveis do Instituto de Química da Universidade Federal do
Rio Grande do Sul, em um motor/gerador diesel Toyama, estacionário, 4 tempos,
com injeção direta de combustível. O motor operou com rotação fixa de 3600rpm e
tensão de saída de 240V. A energia produzida pelo gerador foi dissipada em um
banco de resistências com potência de 1800W. As especificações técnicas do motor
estão descritas a seguir:
Modelo: T 70F
Tipo: Monocilindro, 4 tempos, injeção direta de combustível
Sistema de refrigeração: a ar forçado
Diâmetro x Curso mm: 78 x 62
Cilindrada L: 0.296
Rotação nominal rpm: 3000-3600
Potência nominal kW (HP): 4.0 (5.4)- 4.4 (6.0)
Velocidade média do pistão m/s: 6.2 - 7.44
Pressão efetiva média kPa (kgf/cm2): 540.5 (5.52)- 496.6 (5.07)
Relação de consumo de combustível g/kW.h (g/HP.h): 208 à 292 (206 à 215)
Taxa de compressão: 11
Os resultados das emissões de NO foram obtidos por reação de
quimiluminescência LD = 0,001%. Os resultados das emissões de CO e CO2 foram
obtidos por cromatografia gasosa TCD LD = 0,01%. Já o material particulado foi
determinado por análise gravimétrica em função do volume do gás amostrado a
300°C.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
49
2.3
Consumo específico de combustível
O consumo específico de combustível (g/kWh) foi obtido através da razão
entre a vazão mássica de combustível que alimenta o motor pela potência dissipada
pelo gerador num banco de resistências. A vazão mássica de combustível foi
determinada utilizando-se uma célula de carga, cujo sinal elétrico em função do
tempo foi obtido continuamente através de um sistema de aquisição de dados
computadorizado. A medida da potência dissipada no banco de resistências foi
determinada pelo produto da voltagem e da amperagem, as quais foram obtidas
através da aquisição de seus respectivos sinais elétricos, multiplicados pelos seus
fatores de conversão. Os resultados obtidos correspondem a média de, no mínimo 5
ensaios, para o diesel e suas formulações. Cada ensaio teve a duração de 10
minutos.
2.4
Avaliação do uso de misturas diesel/biodiesel em campo
Para a avaliação em campo, foram utilizadas três misturas diesel/biodiesel:
B2 (2% de biodiesel), B20 (20% de biodiesel) e B100 (100% biodiesel) em três
microtratores da mesma marca e em condições de uso. Buscou-se, nesta etapa,
avaliar a operacionalidade dos microtratores com cada mistura de combustível,
observando-se, especialmente, dificuldade de partida a frio, uma vez que o período
em que o equipamento é mais utilizado corresponde ao inverno, desempenho a
campo com relação à perda ou ganho de potência e vibrações excessivas do
microtrator, assim como avaliar o desgaste dos componentes do sistema de injeção
e compressão.
Os microtratores utilizados foram da marca Tramontini, modelo GN 18 - PE,
com as seguintes características técnicas:
- modelo do Motor: TR18R - PE – Partida elétrica
- tipo monocilíndrico diesel, com injeção direta de combustível
- potência veicular CV (KW)/RPM: 18 (12,8) /2.200
- sistema de arrefecimento: Radiador e água selada
- capacidade de Água (usar aditivo): 5,5 Litros
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50
- capacidade tanque combustÍvel: 14 Litros Diesel
- óleo do cárter: 2,5 Litros (SAE 15 W 40)
- óleo do filtro de ar: 0,2 Litros (SAE 15 W 40)
Os equipamentos cedidos para o teste pertencem à agricultores da cidade de
Passo do Sobrado, município localizado à 10km de Santa Cruz do Sul. A realização
dos testes em microtratores justifica-se pelo fato de que, na região do Vale do Rio
Pardo, a grande maioria da população rural vive do cultivo de fumo. Uma vez que o
cultivo do fumo se dá em pequenas propriedades rurais, a principal fonte de potência
utilizada pelos agricultores são os microtratores, por serem máquinas de pequeno
porte, capazes de atender às operações básicas desta cultura, que são: roçar o
campo para o preparo da terra (trabalho realizado com a roçadora acoplada ao
microtrator) e recolher e transportar o fumo da lavoura até o secador, com o auxílio
da carreta acoplada ao microtrator, conforme Figura 4.
Figura 4 - Microtrator Tramontini acoplado à carreta
No início dos testes, os três microtratores apresentavam aproximadamente, o
mesmo número de horas trabalhadas, variando entre 600h e 650h de uso. Todos
eram usados nas mesmas operações agrícolas e, em geral, ainda não haviam
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51
apresentado problemas de ordem técnica que pudessem ter alguma relação com o
tipo de combustível usado.
Os microtratores foram testados por um período aproximado de 200h. Esta
quantidade de horas representa o tempo médio de uso dos equipamentos para cada
safra de fumo, tendo sido iniciados os testes no mês de abril de 2007 e finalizados
em outubro do mesmo ano. Segundo histórico obtido junto ao fabricante dos
microtratores, registrado através de um questionário inicial, conforme mostra o
Anexo A, em conjunto com as informações dos próprios agricultores, durante a
entre-safra de fumo (período que corresponde aos meses de novembro à fevereiro),
os tratores são usados eventualmente, para carregar alguns materiais na
propriedade, totalizando em torno de 50h de uso, razão pela qual este período não
foi considerado para a pesquisa. Para as avaliações nos testes a campo, os
agricultores também preencheram periodicamente um formulário (Anexo B).
Antes de se iniciar os testes, cada microtrator foi recolhido pelo fabricante
para ser feita uma reforma inicial objetivando eliminar qualquer discrepância
existente entre os microtratores, fruto do seu uso anterior aos testes, evitando assim
interferências nos resultados finais, especialmente, em termos de contaminação do
combustível no motor. Para tanto, a reforma nos motores constou da substituição
dos seguintes itens:
- elemento da bomba injetora
- válvula de recalque da bomba injetora
- elemento do bico injetor
- elemento do filtro de combustível
- junta da bomba injetora
- junta do cabeçote
- junta da tampa de válvulas
- junta do coletor de escape
- junta do coletor de admissão
- 3,5 litros de óleo lubrificante SAE 15w40 (foi coletada uma amostra de óleo antes
de iniciar os testes, para avaliação inicial).
Além das substituições realizadas, foram feitos serviços de limpeza do
sistema de injeção, limpeza e revisão nos cabeçotes e coletores, regulagem das
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52
válvulas de admissão e escape e regulagem do ponto de injeção. No Anexo C está o
registro fotográfico dos motores dos microtratores antes da reforma feita pelo
fabricante, caracterizando as condições iniciais dos motores.
Para os testes a campo, as misturas de combustível foram preparadas no
Laboratório de Preparação de Biodiesel da Universidade de Santa Cruz do Sul, em
proporções volumétricas. O biodiesel utilizado na mistura foi o mesmo utilizado para
a realização das análises de emissões atmosféricas. Já o óleo diesel utilizado foi
adquirido na rede comercial, proveniente de um único fornecedor.
O combustível previamente preparado era levado periodicamente para os
agricultores, em intervalos aproximados de 2 semanas. Para tanto, utilizou-se galões
de 20 litros e 50 litros, previamente limpos. Durante estas visitas, era anotado o
horímetro de cada trator, assim como era discutido com os usuários o desempenho
do equipamento com o combustível que estava sendo testado.
Para avaliação do grau de contaminação do motor e do óleo lubrificante, os
microtratores foram encaminhados até a Schultz Técnica Comercial após os testes,
onde foram abertos. Foi seguida a metodologia de análise sugerida por Martins
(2004), que compreende à análise visual e metrológica do sistema de compressão e
injeção de combustível, filtro do óleo, bico injetor, topo do êmbolo, câmara de
combustão, anéis e cilindro.
Para avaliação do grau de carbonização nos motores, foi feita uma raspagem
no topo dos cilindros e nos cabeçotes de válvulas. O material raspado foi pesado
para comparação entre os três microtratores.
Com relação à avaliação do grau de contaminação do óleo lubrificante, foram
recolhidas amostras deste óleo após 100h e 200h de cada microtrator e analisadas
por espectroscopia no infravermelho em um espectrofotômetro Magna 550 da
Nicolet, sendo o ensaio realizado em duplicata para cada amostra, com resolução de
4 cm-1 e 32 scans de varredura em um acessório de refletância total atenuado
horizontal (HATR) com cristal Seleneto de Zinco (ZnSe). A amostra foi colocada
sobre todo o cristal, onde foram observadas as bandas características para cada
espectro produzido.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
53
A avaliação do sistema de injeção constou, além da análise visual, de um teste
de estanqueidade e pressão, a fim de avaliar possíveis vazamentos ou perda de
pressão do bico injetor após os testes.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
3
3.1
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Caracterização do biodiesel
A Tabela 4 mostra os parâmetros para a caracterização do biodiesel de
girassol utilizado nos testes. Com base nesta Tabela pode-se observar que a
densidade do biodiesel está bastante próxima à densidade do diesel mineral e do
valor recomendado pela ANP, de 858 kg/m³. Além disso, outra propriedade de
grande importância para o funcionamento do motor, a viscosidade, ficou dentro dos
limites estabelecidos pela ANP, que são de 2cSt à 5,4cSt. Estas propriedades terão
impacto direto sobre a qualidade da pulverização de combustível na câmara de
combustão dos motores, influenciando no desempenho do motor.
Salienta-se ainda o valor obtido para o teor de água e sedimentos, que foi
100% maior do que o estabelecido pela ANP, o que implica na presença de água ou
sedimentos no biodiesel, ainda oriundos do seu processo produtivo ou provenientes
da sua armazenagem no Laboratório de Preparação de Biodiesel da UNISC. Isto
acarretará, provavelmente, problemas no sistema de injeção do motor, o que ficará
evidenciado na seção referente à análise dos microtratores à campo.
Os demais resultados indicados na tabela 6 ficaram dentro dos valores
pré-estabelecidos ou são parâmetros de pouca influência para os testes.
55
Tabela 4 -
Caracterização do biodiesel utilizado na pesquisa
Ensaios
Resultados
Especificação
Aspecto
Apresenta
Límpido e isento de
turbidez
impurezas
882,8
858
Densidade* à 20°C; kg/m³
Ponto de entupimento de filtro a frio*; °C -15
Anotar
Estabilidade à corrosão à 110°C*; h
1,0
6 (mín)
1b
1 (máx)
4,454
Anotar
Teor de água e sedimentos ; % volume
0,1
0,05 (máx)
Teor de cinzas sulfatadas*; % massa
0,012
0,02 (máx)
Micro resíduo de carbono*; % massa
0,02
0,1 (máx)
Ponto de fulgor*; °C
103
100 (mín)
Teor de sódio + Potássio*; mg/kg
Não
*
Corrosividade ao cobre ; 3h à 50°C
*
Viscosidade cinemática ; mm²/s (cSt)
*
detectado 10 (máx)
(<2,0)
*
Teor de cálcio + magnésio ; mg/kg
(Cálcio) 1,0 + Anotar
(Magnésio) 1,0
*
Teor de fósforo ; mg/kg
11
Anotar
Índice de acidez; mgKOH/g
1,04 ±0,05
0,80 (máx)
Índice de iodo; mgKOH/g
122,83 ± 9,79
130 (máx)
Índice de saponificação; mgKOH/g
246,34 ± 0,69
186-194
Índice de refração; ºD
1,460 ± 0,00
1,467-1,469
Índice de peróxido; meq/Kg
0,060 ± 0,00057
10 (máx)
*
Resolução ANP n° 42
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
56
3.2
Emissões atmosféricas
Primeiramente, cabe salientar que os resultados dos testes, para todas as
misturas, não indicaram presença de CO, ficando abaixo de 0,01%.
Em termos de emissões de NO, os resultados mostraram um acréscimo
destas emissões com o aumento percentual de biodiesel na mistura, conforme
Figura 5.
Emissões NO
70
61
60
Emissão NO (ppm)
50
43
40
32
35
38
38
30
20
10
0
Diesel
B2
B10
B20
B50
B100
Combustível
Figura 5 - Emissões de NO em função da mistura diesel / biodiesel utilizada
Pode-se observar que, de zero à 50% de biodiesel na mistura, há um
incremento de 34,37% nas emissões de NO. Além disso, os testes indicaram um
incremento de emissões de NO de 90,62% para biodiesel puro em relação ao diesel
mineral puro.
Segundo Zhang & Boehman (2007), as causas do aumento das emissões de
óxidos de nitrogênio em função do uso de biodiesel não estão totalmente
esclarecidas. Os mesmos autores sugerem que o avanço ou atraso da injeção de
combustível e a presença de nitrogênio e compostos oxigenados no biodiesel são
fatores que podem ser associados ao acréscimo deste tipo de emissão. Uma vez
que não foi feita qualquer alteração nos intervalos (avanço e atraso) de injeção dos
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57
microtratores antes ou durante os testes, a segunda hipótese seria mais provável
para explicar o aumento das emissões de NO. Pois, uma vez que o ar admitido para
a câmara de combustão é o ar atmosférico, com elevado percentual de nitrogênio na
sua composição, a presença deste elemento no combustível aliado a outros
compostos oxigenados, mesmo em pequenas proporções, acarretaria em maior
formação de NO no momento da queima.
O resultado concorda com o demonstrado por Teles et al. (2006), que
identificaram uma pequena variação entre as emissão de NOx de motores ciclo
diesel funcionando, em campo, com diesel mineral e com 20% de biodiesel de soja.
Também Szybist et al. (2006) testaram misturas diesel / biodiesel nas proporções de
100% diesel (B0), 20% biodiesel para 80% diesel (B20) e 100% biodiesel (B100) e
encontraram uma pequena variação nas emissões de NOx da mistura B20 para B0
(inferior à 1%). Porém, da mesma forma, evidenciaram um aumento de
aproximadamente 10,5% nas emissões de NO2 quando comparou B100 com B0.
O resultado também se assemelha ao obtido por Canakci (2006), que testou
biodiesel de óleo de soja (B100) em um motor estacionário e obteve um acréscimo
de 11,2% nas emissões de NO quando comparado às emissões do mesmo motor
utilizando dois tipos diferentes de óleo diesel mineral puro.
Com relação às emissões de CO2, os resultados mostraram uma varição
muito baixa em função da adição de biodiesel na mistura, conforme é mostrado na
Figura 6.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
58
Emissões CO2
10
9
Emissão CO2 (% vol)
8
7
6,4
6,4
6,4
Diesel
B2
B10
6,4
6,5
6,4
B20
B50
B100
6
5
4
3
2
1
0
Combustível
Figura 6 - Emissões de CO2 em função da mistura diesel / biodiesel utilizada
Este resultado pode ser comparado com o teste realizado por Usta (2004),
que comparou diesel mineral com uma mistura com 17,5% de biodiesel e encontrou
a mesma estabilidade na emissão de CO2 quando o motor trabalhou a plena carga.
Pereira et al. (2006) analisaram um motor estacionário monocilíndrico funcionando
com misturas diesel/biodiesel de soja e observaram uma variação na emissão de
CO2 de 1,38% (diesel puro) para 1,77% (75% de biodiesel na mistura), indicando
também pouca variação nas emissões de CO2 em função da presença de biodiesel.
No entanto, esta emissão de CO2 é proveniente de uma fonte renovável e
será posteriormente capturada durante a fotossíntese da planta de girassol. Isto
significa então, uma redução do CO2 emitido a partir da queima do óleo diesel
mineral. Uma vez que o CO2 é um dos gases que impactam o aquecimento global, a
emissão de CO2 proveniente do biodiesel passa a ser um aspecto favorável em
termos ambientais.
Para emissões de particulados, os resultados mostraram que as emissões
deste tipo de material mantém-se razoavelmente estáveis para misturas com até
10% de biodiesel. Isto pode ser justificado pela formação de óxidos de enxofre,
gerados no motor a partir da queima do combustível, com alto percentual de diesel
mineral, pois segundo Pitanguy (2004), estes óxidos participam da formação do
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59
particulado. A partir de 10% de biodiesel, com a redução da quantidade de diesel na
mistura, reduz-se também a formação destes óxidos, o que justifica a redução de
material particulado observada a partir daí, como mostra a Figura 7. Arkoudeas et al
(2002) encontraram resultados semelhantes para baixas concentrações de biodiesel
na mistura, afirmando que os melhores resultados em termos de redução aparecem
para percentuais mais elevados de biodiesel na mistura, em função da drástica
redução de enxofre e da adição do oxigênio presente naturalmente na composição
do biodiesel.
Observa-se então, uma redução de 54,9% nas emissões de material
particulado, quando se compara B100 com o diesel mineral puro. Porém, já com
20% de adição de biodiesel na mistura, que é uma quantidade intermediária quando
se compara as diversas emissões geradas, é possível observar uma considerável
redução de 22,4% nas emissões de material particulado.
Emissões MP à 300°C
70
62
60
60
58
Emissões MP
50
45
38
40
30
21
20
10
0
Diesel
B2
B10
B20
B50
B100
Combustível
Figura 7 - Emissões
de
material
particulado
em
função
da
mistura
diesel/biodiesel utilizada
Estes resultados concordam com Reyes e Sepúlveda (2006), que testaram
misturas diesel / biodiesel a partir de óleo de salmão e observaram uma redução de
50% nas emissões de material particulado quando compararam o mesmo motor
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
60
diesel trabalhando com biodiesel puro e diesel mineral puro. Kozerski e Hess (2006)
também observaram uma redução acentuada nas emissões de material particulado,
quando testaram B100, B20 e diesel mineral puro em uma frota de ônibus. Neste
caso, a redução de emissões de particulado foi de 72% para B100 e de 15,9% para
B20, em comparação com diesel mineral puro.
3.3
Consumo específico de combustível
Paralelamente às análises de emissões atmosféricas, também foi realizado o
estudo do consumo específico de combustível para as diversas misturas testadas. O
motor testado foi o mesmo utilizado para a análise de emissões. Com isso, obtevese a Figura 8, que mostra um acréscimo do consumo específico de combustível de
acordo com o aumento do percentual de biodiesel na mistura.
Consumo específico de combustível
430
425
420
Consumo (g/kWh)
410
400
400
390
384
380
374
377
380
370
360
350
340
Diesel
B2
B10
B20
B50
B100
Combustível
Figura 8 - Consumo específico de combustível em função da mistura diesel
biodiesel utilizada.
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61
O mesmo resultado está apresentado, em termos percentuais, na Tabela 5.
Tabela 5 -
Consumo específico de combustível (g/kWh) em termos percentuais
Combustível
Média (g/kWh)
%
Diesel
374
B2
377
0,80
B10
380
1,60
B20
384
2,67
B50
400
6,95
100
425
13,64
A Figura 8 mostra que para até 20% de biodiesel na mistura, o acréscimo no
consumo de combustível é pequeno (10g/kWh, o que representa um aumento de
2,67% no consumo de combustível). Isto é um aspecto positivo para a utilização de
biodiesel nos próximos anos, uma vez que a perspectiva de mistura a ser usada no
ano de 2013 no Brasil é de 5% de biodiesel para 95% de diesel. A partir de 20% de
biodiesel na mistura, o gráfico apresenta um forte incremento, chegando a um
acréscimo 51g/kWh, o que representa um aumento de 13,64% no consumo de
combustível. Isto demonstra a necessidade de alterações no motor para garantir um
consumo mais próximo do diesel mineral para a mesma potência gerada. Um
resultado semelhante também foi demonstrado a campo, por Lopes et al. (2005),
que relataram um aumento no consumo específico de 7% e 18% para um trator
funcionando com misturas B50 e B100, respectivamente, quando comparado com o
consumo específico do mesmo trator usando diesel mineral. Também Canakci
(2006) evidenciou um aumento de 13,8% no consumo específico de combustível
quando comparou um motor estacionário ciclo diesel funcionando com diesel puro e
com B100.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
62
3.4
Ensaios a campo com microtratores
Durante os ensaios a campo, os proprietários dos microtratores não
identificaram nenhuma alteração no seu funcionamento que pudesse comprometer o
uso das formulações propostas. Isto ficou evidenciado através dos questionários
preenchidos durante o período de testes, cujo modelo é mostrado no Anexo B. A
única dificuldade encontrada foi mencionada pelo proprietário do microtrator que
utilizou B100. Este microtrator apresentou dificuldade de partida em dias frios, o que
passa a ser um inconveniente, uma vez que o inverno é rigoroso na região. Isso
indica a necessidade de adaptar os microtratores a esta condição de operação, para
utilizar o B100. Uma possível alternativa seria a introdução de um sistema de préaquecimento no tanque de combustível, a fim de mantê-lo, internamente, a uma
temperatura superior à ambiente nos dias frios.
Após o uso a campo por 200h, os microtratores foram transportados para a
Schultz Técnica Comercial onde os seus motores foram abertos para análise. A
avaliação do sistema de injeção dos três microtratores mostrou que todos (B2, B20 e
B100) apresentavam pulverização normal ao término dos testes. Entretanto,
mostraram que houve uma pequena perda de pressão nos sistemas de injeção dos
microtratores que utilizaram B20 e B100 (mantiveram-se em torno de 170bar,
quando o recomendado pelo fabricante é 180bar). Mesmo assim, não foi identificado
vazamentos no bico injetor, o que pode ser comprovado através do teste de
estanqueidade realizado em bancada para os bicos injetores dos três microtratores,
como mostra a Figura 9.
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63
Figura 9 - Teste de pulverização de um bico injetor (B100)
Baseado no trabalho de Villarreyes et al (2007), que afirmam que a
viscosidade do combustível afeta sua vaporização e pulverização na câmara de
combustão, o resultado dos testes é considerado normal mesmo para B100, pois a
viscosidade cinemática do biodiesel utilizado era de 4,454cSt, o que está dentro dos
padrões estabelecidos pela ANP.
As avaliações feitas nos componentes internos dos motores indicaram pouco
desgaste da camisa e do pistão. Porém, ficou evidenciada uma folga excessiva entre
pontas de anéis. Além disso, no microtrator que utilizou B100, também foi observado
um desgaste na face superior do primeiro anel de compressão. Segundo Tomanik
(2000), este é o anel sujeito às maiores cargas de velocidade, pressão e
temperatura. Desta forma, supõe-se que este desgaste na sua face superior seja
resultante da sobre-pressão gerada na parte superior do pistão, proveniente da
maior área de queima da mistura ar combustível. Esta, por sua vez, pode ser
associada à maior densidade do biodiesel em relação ao diesel mineral, que,
segundo Cardoso et al (2006) está diretamente ligada ao teor energético total
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64
contido em uma determinada massa ou volume de combustível, razão pela qual as
maiores discrepâncias foram observadas no microtrator que trabalhou com B100.
Com relação à folga entre ponta de anéis, esta pode resultar, após um
número maior horas de uso do microtrator, em perda de compressão, redução da
eficiência de queima e maior consumo de óleo lubrificante que será arrastado para a
câmara de compressão durante o movimento do pistão. A tabela 6 ilustra as
medições realizadas.
Tabela 6 -
Medições feitas nos motores em função da mistura usada
Componente
Camisa do cilindro
Pistão
Folga (ponta de anéis)
B100
100,02
99,85
0,80
Medidas (mm)
B20
B2
100,04
100,01
99,85
99,90
0,80
0,65
Valor padrão
100
99,90
0,30 – 0,50
Além disso, a camisa do microtrator que operou com B100 perdeu o
brunimento, ficando com aspecto polido e espelhado. Isto pode ser verificado nas
Figuras 10a e 10b, que mostram respectivamente, uma camisa nova (com o
brunimento) e a camisa do microtrator que usou B100 (após os testes, sem o
brunimento). Isto indica lubrificação deficiente nesta superfície, que pode ter como
origem a degradação do lubrificante em função da sua contaminação por biodiesel,
oriunda da folga excessiva observada entre ponta de anéis. Salienta-se ainda que,
de acordo com a caracterização mostrada na Tabela 6, o biodiesel apresenta
elevado teor de água e sedimentos, o que também pode ter favorecido o desgaste
observado na camisa.
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65
A
Figura 10 -
B
A)– Camisa com brunimento; B) – Camisa sem brunimento.
Segundo Tomanik (2000), este desgaste, denominado desgaste de
deslizamento, identifica-se por uma superfície polida que se apresenta após o
desgaste e ocorre sob certas condições em que as pressões hidrodinâmicas
desenvolvidas não são capazes de manter as superfícies separadas e,
consequentemente, parte da carga passa a ser suportada pelas asperezas
presentes nestas superfícies. Diante disso, a probabilidade de contaminação de óleo
lubrificante por biodiesel, assim como a passagem de óleo lubrificante para a
câmara de combustão, aumenta consideravelmente. Isso ficou comprovado nos
gráficos apresentados na Figura 11, que mostram a presença de biodiesel no óleo
lubrificante neste microtrator, já com 100h e 200h de uso. Para os demais
microtratores, as análises também indicaram presença de biodiesel no lubrificante.
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66
Figura 11 -
Espectro no Infravermelho do óleo lubrificante
Nos gráficos mostrados na Figura 11, percebe-se a presença de carbonila
(destaque em azul), um grupo funcional existente nos óleos e ésteres, em todos os
espectros, o que indica a presença de biodiesel no óleo lubrificante. Além disso, o
gráfico da Figura 11 correspondente a 100h de uso do microtratror abastecido com
B100 apresenta uma oscilação no comprimento de onda entre 3300 e 4000,
característica de contaminação por OH. Esta contaminação sugere a presença de
água no combustível, quer seja proveniente do seu processo de obtenção, quer seja
pelo seu armazenamento incorreto, que permitiu a formação de umidade. Esta
presença de água confere, então, com os sinais de desgaste observados nos
elementos das bombas injetoras.
Com relação à contaminação do óleo lubrificante por biocombustível, Maziero
& Corrêa (2005) testaram óleo bruto de girassol com a intenção de observar 200h de
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67
uso em um motor diesel. Porém, o teste foi interrompido com 60h de uso em função
da alta contaminação do óleo lubrificante, que apresentava viscosidade muito
elevada, forte presença de produtos de oxidação e fuligem, queda acentuada de
reservas alcalinas além de elevado teor de chumbo, indicando possível desgaste em
casquilhos. Segundo Soares et al (2000), que testaram óleo de dendê em motores
diesel, em testes de curta duração, a contaminação do óleo lubrificante provocada
pelo biodiesel pode ser suprida simplesmente trocando-se o óleo num intervalo
inferior de tempo. Sendo assim, o custo de manutenção aumenta, porém, utilizandose um óleo lubrificante mais viscoso ou de especificação mais nobre, este custo
volta a cair.
Segundo Silva (2006), misturas com até 10% volume de biodiesel não
causam variação significante na concentração de elementos e nas propriedades
físico-químicas do lubrificante.
A Valtra, fabricante de tratores agrícolas, testou misturas B5 e B20 por 18
meses e concluiu que o consumo horário de um trator usando B20 equivale ao
consumo horário do mesmo trator usando diesel mineral. Além disso, a Valtra não
identificou qualquer contaminação no óleo lubrificante nas máquinas abastecidas por
biodiesel. Segundo a própria Valtra, isso comprova que não há desgastes anormais
dos componentes do motor.
Segundo a Storck Biodiesel (2008), se a viscosidade do óleo é extremamente
excessiva, como no caso dos óleos vegetais, ocorrerá uma má pulverização no
cilindro, reduzindo a eficiência da atomização e promovendo a contaminação do óleo
lubrificante e a produção de fumaça preta. O motor funciona, mas pode apresentar
problemas ao longo do período de uso, e seu desempenho pode ficar prejudicado.
A inspeção visual mostrou, ainda, uma pequena contaminação do filtro de
combustível do motor que utilizou B100, como mostra Figura 12A, e também um
pequeno resíduo de água no interior do copo do filtro de combustível do motor que
trabalhou com B20 (Figura 12B). No motor que trabalhou com B2, estas
contaminações não foram evidenciadas. Estes resultados, segundo Benvenutti
(2005) indicam boa qualidade do biodiesel utilizado, em termos de ausência de íons
alcalinos ou alcalino-terrosos, porém, confirma a presença de água no biodiesel,
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68
conforme foi evidenciado na sua caracterização (100% acima do limite aceitável pela
ANP), conforme Tabela 6.
A
Figura 12 -
B
A) filtro de combustível (B100) B) Água copo do filtro (B20)
Foi identificada certa opacidade no elemento da bomba injetora do microtrator
que trabalhou com B100. Além disso, os elementos das bombas dos três
microtratores apresentaram desgaste na sua parte superior (frisos), que pode ter
sido provocado pela presença de água no combustível (PITANGUY, 2004), o que
prejudicou a lubrificação naquela região de elevada pressão (Figura 13). Isto
concorda com os resultados obtidos por Benvenutti (2005), que também identificou
desgaste excessivo e formação de ferrugem no eixo da bomba rotativa de alta
pressão. Neste mesmo trabalho, Benvenutti (2005) identificou ainda a presença de
depósitos em alguns componentes do sistema de injeção, formados a partir de sais
de ácidos de envelhecimento do combustível com íons metálicos, resultantes da
corrosão e desgaste.
Além disso, Pitanguy (2004) avaliou diversas amostras de óleo diesel que
estava sendo usado em campo em diversos estados brasileiros e concluiu que o
contaminante mais crítico para o diesel no Brasil é a presença de umidade,
provavelmente, proveniente do ar atmosférico que entra em contato com o
combustível ao longo do seu processo produtivo, durante seu transporte e
estocagem ou durante sua utilização.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
69
Figura 13 -
Desgaste (frisos) na parte superior do elemento da bomba de
combustível
Nos motores que utilizaram B2 e B20, foi visualizado um friso muito profundo
na bronzina da biela, provocado provavelmente por impureza ou material sólido
dentro do óleo lubrificante. A Figura 14 mostra as condições das bronzinas dos três
microtratores após os testes. O virabrequim dos motores não chegou a ser afetado,
continuando com sua superfície lisa.
B100
Figura 14 -
B20
B2
Bronzinas dos microtratores após o término dos testes
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70
Em termos de carbonização do motor, a análise visual não mostrou nenhuma
formação excessiva de carvão no pistão, cabeçote de válvulas ou bicos injetores,
que pudessem comprometer o desempenho do motor. Entretanto, a Figura 15
mostra o detalhe da formação de carvão nos bicos injetores.
Bico injetor (B2)
Figura 15 -
Bico injetor (B20)
Bico injetor (B100)
Bicos injetores após as 200h de teste.
A Figura 16 mostra ainda uma comparação entre o bico injetor novo e o bico
carbonizado após 200h de uso de biodiesel puro.
Figura 16 -
Comparação dos bicos injetores
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71
Segundo a fabricante de máquinas pesadas Catterpillar, a carbonização pode
causar deformação do pistão, desgaste nas camisas, anéis presos e depósitos no
motor.
Porém,
como
foi
apresentado
anteriormente,
nenhuma
destas
caracterizações se fez presente nos motores, o que confirma a baixa formação deste
tipo de contaminação.
Benvenutti (2005) afirma ter sido provado que glicerídeos e carbonato de
sódio (Na2CO3) estão presentes nos depósitos de biodiesel e que o carbonato de
sódio é formado na câmara de combustão a partir da queima do combustível.
Teixeira (2005) confirma que o resíduo de carbono indica a tendência de um
combustível formar depósitos de carbono nos motores e que estes se alojam nos
bicos injetores e em outras partes do motor, reduzindo assim sua vida útil. Diante
disso, a pequena carbonização evidenciada nos bicos sugere pouca presença
destes compostos no biodiesel utilizado.
Além disso, a raspagem feita na parte superior do pistão e no cabeçote de
válvulas, mostrada na tabela 7, seguida de pesagem, mostrou uma variação no
acúmulo de carvão no topo do pistão e no cabeçote de válvula dos microtratores em
função do combustível utilizado.
Tabela 7 -
Deposição de carvão no topo dos cilindros / cabeçote de válvulas
Misturas usadas
Carvão gerado (g)
Desvio percentual em relação
ao motor que usou B2
B2
1,5318
0
B20
1,6062
4,8%
B100
1,9228
+25,5%
Os resultados desta tabela mostram uma maior quantidade de carbonização
(ou fuligem) presente no motor que utilizou B100. Isto pode ser explicado pela maior
viscosidade do biodiesel, que interfere na formação do jato na câmara de
combustão. Segundo Varde (1984) citado em Machado (2003), ângulos de cone de
jato menores, no momento da injeção de combustível, indicam a menor distribuição
deste na câmara de combustão, resultando em pior atomização e sugerindo pior
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72
rendimento de combustão. O mesmo autor afirma que uma atomização pobre aliada
à baixa penetração do jato de combustível conduz a um incremento na formação de
fuligem.
Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Após os testes realizados, pôde-se concluir que misturas com maiores
percentuais de biodiesel em sua formulação favorecem a redução de emissões de
MP, porém, aumentam as emissões de NO. Ainda em termos ambientais, percebese que o uso de biodiesel de girassol favorece a redução do aquecimento global
através da redução de emissões de CO2 provenientes de fontes não renováveis.
Observou-se um aumento gradual do consumo específico de combustível,
com o aumento do teor de biodiesel na mistura combustível, sugerindo a
necessidade de modificações nos motores para uso de biodiesel.
Por fim, conclui-se que as formulações B2 e B20 não provocaram danos aos
motores, ao passo que a formulação B100 provocou desgastes e contaminação do
óleo lubrificante, diante do que se recomenda maiores estudos à respeito do uso de
biodiesel de girassol puro em microtratores.
TRABALHOS FUTUROS
- Estudo econômico do uso de B20.
- Impactos do uso de biodiesel de girassol em microtratores em testes de longa
duração (mais de 1000h).
- Avaliação da degradação das propriedades do óleo lubrificante em função da
mistura diesel/biodiesel utilizada para longos períodos de utilização (mais de 1000h).
- Avaliação da interferência das condições de armazenamento do biodiesel no seu
desempenho a campo.
- Possibilidades de redução de emissões de NO para misturas com alto percentual
de biodiesel na sua formulação.
- Estudo do desgaste das partes móveis do motor em função do uso de diferentes
percentuais de biodiesel na mistura.
- Estudo da relação existente entre a densidade e a viscosidade do combustível e a
eficiência de queima.
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Storck
Biodiesel
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Dissertação de Mestrado – Anderson F. Porte – Mestrado em Tecnologia Ambiental
ANEXOS
ANEXO A – PLANILHA DE ACOMPANHAMENTO 1
UNIVERSIDADE DE SANTA CRUZ DO SUL
PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL MESTRADO
1a PLANILHA DE ACOMPANHAMENTO DE TESTES DE BIODIESEL EM CAMPO
1)
Há quanto tempo o seu trator é utilizado?
2)
Para que o seu trator é usado? Em que tipo de terreno é usado (plano,
acidentado, etc)?
3)
Quantas vezes seu trator precisou de manutenção em 2006?
4)
O que foi feito nestas manutenções?
5)
Qual o óleo lubrificante que você usa no trator?
6)
De quanto em quanto tempo você trocava óleo lubrificante do trator antes de
começar os testes com biodiesel?
7)
Que tipo de problemas seu trator costuma apresentar (por exemplo, dificuldade
de partida do motor, falta de força, entupimento dos bicos, etc)?
8)
De quanto em quanto tempo você abastece o seu trator?
ANEXO B – PLANILHA DE ACOMPANHAMENTO 2
UNIVERSIDADE DE SANTA CRUZ DO SUL
PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL MESTRADO
2a PLANILHA DE ACOMPANHAMENTO DE TESTES DE BIODIESEL EM CAMPO
Data: __________________
Proprietário__________________________
1. Qual o número do contador do trator quando você iniciou o trabalho?
2. O trator teve dificuldades para ligar? SIM (
)
3. Isso acontecia antes de usar biodiesel? SIM (
NÃO (
)
) NÃO (
)
4. O trator está perdendo “força” depois que começou a usar biodiesel?
SIM ( ) NÃO ( )
5. O trator está ganhando “força” depois que começou a usar biodiesel?
SIM ( ) NÃO ( )
6. O trator precisou de manutenção hoje? SIM (
7. Você abasteceu o trator hoje? SIM (
)
) NÃO (
NÃO (
)
)
8. Quantos litros de combustível você abasteceu?
9. Qual o número do contador do trator quando você terminou o trabalho?
OBSERVAÇÕES: anote neste espaço algum comentário sobre o dia de trabalho de
hoje, se houve manutenção, que tipo de manutenção, se há algum problema com o
combustível, se está atrapalhando o seu trabalho, etc.
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
___________________________________________________________________
ANEXO C – CARACTERIZAÇÃO DAS CONDIÇÕES INICIAIS DOS
MICROTRATORES
Condições dos microtratores antes da reforma inicial
Detalhe da
carbonização do
elemento, pelo
uso de óleo
Bico injetor contaminado pelo uso do óleo diesel
Cabeçote carbonizado pelo uso de óleo diesel
84
Contaminação do filtro de combustível
Carbonização
do pistão
Detalhe do microtrator desmontado durante reforma inicial
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