Análise e desempenho de um motor de combustão interna por ... · analisadas foram provenientes do...

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO JOÃO DEL REI

Departamento de Ciências Térmicas e dos Fluidos

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNÓLOGICA DE MINAS GERAIS

Departamento de Engenharia Mecânica

Programa de Pós-Graduação em Engenharia da Energia

Maysa Teixeira Resende

Análise e desempenho de um motor de

combustão interna por compressão usando

misturas de biodiesel e caracterização da

fuligem por espectroscopia Raman

São João del Rei

2016

Maysa Teixeira Resende

Análise e desempenho de um motor de

combustão interna por compressão usando

misturas de biodiesel e caracterização da

fuligem por espectroscopia Raman

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-

graduação em Engenharia da Energia, Em

Associação Ampla entre o Centro Federal de

Educação Tecnológica de Minas Gerais e a

Universidade Federal de São João Del Rei, como

requisito parcial para a obtenção do título de Mestre

em Engenharia da Energia.

Orientador: Profº. Drº. Júlio Cesar Costa Campos

Coorientador: Profº. Drº. JoséAntônio da Silva

São João del Rei

2016

Ficha catalográfica elaborada pela Divisão de Biblioteca (DIBIB) e Núcleo de Tecnologia da Informação (NTINF) da UFSJ,

com os dados fornecidos pelo(a) autor(a)

R433aResende, Maysa Teixeira. Análise e desempenho de um motor de combustãointerna por compressão usando misturas de biodiesele caracterização da fuligem por espectroscopia Raman./ Maysa Teixeira Resende ; orientador Júlio CesarCosta Campos; coorientador José Antônio da Silva. --São João del-Rei, 2016. 71 p.

Dissertação (Mestrado - Mestrado em Engenharia deEnergia) -- Universidade Federal de São João delRei, 2016.

1. espectroscopia Raman. 2. motor diesel. 3.biodiesel. 4. fuligem. I. Campos, Júlio Cesar Costa,orient. II. Silva, José Antônio da, co-orient. III.Título.

Dedico este trabalho à minha família por

sempre acreditar no meu potencial e me

apoiar incondicionalmente em todos os

momentos da minha vida.

AGRADECIMENTOS

Agradeço inicialmente à minha amada família, meu pai José Antônio

Resende, minha mãe Maria Neide Teixeira Resende e minha irmã Jordana Teixeira

Resende pelo incentivo e suporte durante esta desafiadora etapa da minha carreira.

Agradeço também ao professor Dr. Júlio Campos pela confiança e por todos

os ensinamentos transmitidos durante sua excelente orientação e ao professor Dr.

José Antônio da Silva pela sua coorientação e constante disposição para ajudar no

que fosse necessário.

Ao professor Dr. Luciano de Moura Guimarães eu agradeço por todo o apoio

durante os experimentos do meu trabalho e por todo o aprendizado a respeito da

técnica de espectroscopia Raman.

Por oferecer o Mestrado em Engenharia de Energia eu agradeço à

Universidade Federal de São João del Rei (UFSJ) em parceria com o CEFET-MG.

Agradeço também a todos os professores que tive o privilégio de conviver e por todo

conhecimento adquirido em suas disciplinas.

Pelo suporte financeiro eu agradeço à CAPES, que tornou possível a

realização deste trabalho.

RESUMO

A demanda cada vez maior por energia e a conscientização da população quanto a

poluição atmosférica derivada da queima dos combustíveis fosseis vem

intensificando a busca por fontes renováveis de energia. O biodiesel é um

combustível biodegradável, não tóxico e renovável e surge como uma alternativa

aos combustíveis fosseis. O biodiesel pode ser misturado com o diesel em diversas

proporções sem que seja necessário qualquer ajuste no motor. A legislação

brasileira garante a mistura de 7% de biodiesel no diesel comercial. O objetivo deste

trabalho foi analisar o efeito do aumento da proporção de biodiesel para 20 e 50%

no diesel comercial através do estudo das propriedades físico-químicas dos

combustíveis, das curvas características do motor diesel de quatro tempos de

ignição por compressão e da análise da fuligem dos gases de exaustão do motor a

fim de se entender a influência do combustível nas variações estruturais da fuligem

utilizando a espectroscopia Raman. As propriedades físico-químicas foram

calculadas de acordo com as regras da ANP. As curvas características do motor

foram desenvolvidas utilizando-se o software VDAS. As amostras de fuligens

analisadas foram provenientes do diesel comercial S10 e de combustíveis com

porcentagens de 20 e 50% de biodiesel de girassol e de macaúba em sua

composição. As fuligens foram coletadas na saída dos gases de exaustão de um

motor diesel de quatro tempos em alta, 3000 rpm, e baixa rotação, 1800 rpm. As

amostras foram analisadas através da espectroscopia Raman. Os espectros foram

deconvoluídos por Voigt. Os resultados obtidos das amostras de fuligem

apresentaram as bandas características G (1598 cm-1), D1 (1357 cm-1), D3(1526cm-

1) e D4 (1178 cm-1). A razão entre as intensidades das bandas D e G estão

fortemente relacionadas com a estrutura da fuligem sendo, portanto, analisadas e

discutidas neste estudo para as amostras de fuligens em função do grau de mistura

do biodiesel e a rotação em que o motor estava operando. Conclui-se que os

espectros das amostras de fuligem apresentaram uma variação bem pequena entre

os diversos combustíveis em análise, assim como em alta (3000 rpm) e baixa (1800

rpm) rotação. Desta forma, evidenciou que o aumento da proporção de biodiesel no

diesel comercial S10 não afeta significativamente a estrutura da fuligem. A partir da

análise das propriedades físico-químicas dos combustíveis, do estudo das curvas

características do motor e da investigação da estrutura da fuligem por meio da

espectroscopia Raman pode-se confirmar a viabilidade do aumento da proporção de

biodiesel para 20% no diesel comercial S10.

Palavra-chave: espectroscopia Raman, motor diesel, biodiesel, fuligem

ABSTRACT

The increasing demand for energy and public awareness of air pollution derived from

the fossil fuels burning has intensified the search for renewable energy sources.

Biodiesel is a biodegradable fuel, non-toxic, renewable and is an alternative to fossil

fuels. Biodiesel may be mixed with diesel fuel in different ratios without any adjusting

in the motor. Brazilian law guarantees blending 7% of biodiesel in commercial diesel.

The aim of this study was to analyze the effect of increasing the proportion of

biodiesel to 20 and 50% in commercial diesel through the study of physical-chemical

properties of fuels, diesel engine four times compression ignition characteristic

curves and analysis soot from engine exhaust gases in order to understand the

influence of fuel in the soot structural variations using Raman spectroscopy. The

physical-chemical properties were calculated according to the ANP rules. The motor

characteristic curves were developed using the software VDAS. The soot samples

analyzed were from commercial diesel S10 and fuel with 20 and 50% percentages of

sunflower and macauba biodiesel in its composition. The soot was collected in the

outlet exhaust gas of a diesel engine four times in high rotation, 3000 rpm, and in low

rotation, 1800 rpm. The samples were analyzed by Raman spectroscopy. The

spectra were deconvoluted by Voigt. The results of the soot samples showed the

characteristics bands G (1598 cm -1), D1 (1357 cm-1), D3 (1526 cm-1) and D4 (1178

cm -1). The ratio of the intensities of D and G bands are closely related to the

structure of the soot. Therefore, this ratio is analyzed and discussed in this study for

soot due to the degree of the biodiesel blend and the rotation in which the motor was

operating. It was concluded that the spectra of soot samples presented a very small

variation among the different fuels in analysis as well as for high (3000 rpm) and low

(1800 rpm) rotation. Thus, evidence that increasing the proportion of biodiesel in

diesel commercial S10 does not significantly affect the structure of the soot. The

analysis of the physical-chemical properties of fuels, the study of the engine

characteristic curves and the investigation of soot structure by Raman spectroscopy

can confirm the feasibility of increasing the proportion of biodiesel to 20% in

commercial diesel S10.

Keyword: Raman spectroscopy, diesel, biodiesel, soot

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1-Produção de biodiesel em 2014 em milhões de m3. Fonte: Boletim mensal

dos combustíveis renováveis do Ministério de Minas e Energia, 2015. ...................... 19

Figura 2- Consumo de biodiesel em milhões de m3. Fonte: Boletim mensal dos

combustíveis renováveis do Ministério de Minas e Energia, 2016. ............................. 20

Figura 3 -(A) Árvore de Acrocomia aculeata; (B) espinhos sobre o tronco, e (c)

cachos de frutos. Fonte: adaptada de César et al, 2015. ............................................ 21

Figura 4 - Reação de transesterificação. Fonte:site Brasil Escola ............................. 23

Figura 5 - a) Possíveis estados de hibridização do carbono. b) A estrutura da malha

de grafite, que é um exemplo de uma estrutura de hibridização sp2. c) O diamante

cúbico, que é um exemplo do híbrido sp3. Fonte: Friedrich (2012) ............................. 25

Figura 6 - Aglomerado de fuligem composto por diversas partículas de fuligem

primária observado coma ajuda da Microscopia eletrônica de transmissão. Fonte:

Friedrich (2012) .............................................................................................................. 26

Figura 7 - Estrutura de partículas de fuligem. Fonte: Adaptada de Glassman (1996)

......................................................................................................................................... 27

Figura 8 -Diagrama dos mecanismos de espalhamento de Rayleigh, Stokes e Anti-

Stokes, respectivamente. Fonte: próprio autor. ............................................................ 29

Figura 9 - Diferentes ajustes dos espectros da fuligem: (a) 2 Lorentziana e 1

Gaussiana, (b) 3 Lorentziana, c) 3 Lorentziana e 1 Gaussiana, (d) 4 Lorentziana, (e)

4 Lorentziana e 1 Gaussiana, (f) 5 Lorentziana. Fonte: Seong e Boehman (2013) ... 33

Figura 10 - Espectros Raman da fuligem proveniente da queima de metano em

longo tempo de retenção medida em 633 nm após sofrer diferentes ajustes: a)

1BWF e 4 Lorentziana (1BWF4L), b) 5 Lorentziana (5L), c) 6 Lorentziana (6L), d) 1

BWF, 3 Lorentziana e 1 Gaussiana (1BWF3L1G). Fonte: Russo e Ciajolo (2015).... 35

Figura 11 - Sistema para avaliação do consumo de combustível .............................. 37

Figura 12 - Motor didático montado na bancada ......................................................... 38

Figura 13 - Sistema de aquisição de dados ................................................................. 39

Figura 14 - Software da Plataforma VDAS .................................................................. 40

Figura 15 - Espectrômetro Micro Raman – Renishaw InVia. Fonte: site do fabricante

Renishaw ........................................................................................................................ 41

Figura 16- Gráfico do torque em relação à velocidade dos combustíveis em análise.

......................................................................................................................................... 47

Figura 17 - Gráfico da potência efetiva em relação a rotação para os combustíveis

em análise. ...................................................................................................................... 48

Figura 18 - Gráfico da relação entre o consumo específico de combustível e a

rotação do motor para cada combustível em análise................................................... 49

Figura 19 - Gráfico da relação entre a eficiência térmica e a rotação do motor para

os combustíveis em estudo. .......................................................................................... 50

Figura 20 - Relação entre razão de ar/combustível e a rotação do motor para os

combustíveis em estudo. ............................................................................................... 51

Figura 21 - Espectros referentes aos pontos analisados na amostra de fuligem

proveniente da combustão de BM50 em alta rotação. ................................................. 53

Figura 22 - Espectro de Raman de uma amostra de fuligem de BG20 em alta

rotação (3000 rpm) ajustado por Voigt. ......................................................................... 55

Figura 23 - Razão entre as intensidades das bandas D1e G para as amostras de

fuligem dos combustíveis em estudo. ........................................................................... 57

Figura 24 - Gráfico da razão das intensidades das bandas D3 e G para as amostras

de fuligens em análise.................................................................................................... 59

Figura 25 - Gráfico da razão da intensidade das bandas D4 e G para as amostras de

fuligens em análise. ........................................................................................................ 60

LISTA DE TABELAS

Tabela 1- Temperatura atmosférica equivalente para as frações destiladas

correspondentes a 10%, 50% e 90% ............................................................................ 42

Tabela 2- Propriedades físico-químicas dos combustíveis em análise. ..................... 44

Tabela 3 - Razão entre as intensidades das bandas D e G para os combustíveis em

análise em alta e baixa Rotação.................................................................................... 56

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ANP Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis

CNPE Conselho Nacional de Política Energética

PNPB Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel

OPEP Organização dos Países Exportadores de Petróleo

LISTA DE SÍMBOLOS

AR alta rotação

BR baixa rotação

BG biodiesel de girassol

BG20 mistura de 20% de biodiesel de girassol com diesel S10 comercial

BG50 mistura de 50% de biodiesel de girassol com diesel S10 comercial

BM biodiesel de macaúba

BM20 mistura de 20% de biodiesel de macaúba com diesel S10 comercial

BM50 mistura de 50% de biodiesel de macaúba com diesel S10 comercial

BX mistura de x% de biodiesel com diesel S10 comercial

S10 diesel comercial

ω frequência da radiação

vetor campo elétrico

tensor de polarizabilidade eletrônica da molécula

vetor dipolo induzido

αij componente do tensor de polarizabilidade eletrônica

qk coordenadas normais

La largura do cristalito

AD1 área da bandas D1

AG área da banda G

NC número de cetano

IC índice de cetano

D massa específica relativa do combustível

T10 temperatura da fração de vapor quando o combustível está 10% destilado



v viscosidade cinemática

k constante do viscosímetro

t tempo médio para o fluido escoar

poder calorifico inferior,

massa específica

q consumo de combustível

Pt potência teórica

PE potência efetiva do motor

N velocidade angular do eixo

Ce Consumo específico

Cc consumo de combustível

ET eficiência térmica

ID1 intensidade da banda D1



IG intensidade da banda G

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO..................................................................................................... 15

2 OBJETIVO GERAL.............................................................................................. 17

2.1 Objetivos Específicos .......................................................................................... 17

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................................................................... 18

3.1 Biodiesel............................................................................................................... 18

3.1.1 Histórico do Biodiesel .......................................................................................... 18

3.1.2 Mercado do biodiesel .......................................................................................... 19

3.1.3 Biodiesel a partir do óleo de Acrocomia aculeata (macaúba) .......................... 20

3.1.4 Biodiesel a partir de óleo de girassol ................................................................. 22

3.1.5 Reação de transesterificação ............................................................................. 22

3.1.6 Propriedades físico-químicas do biodiesel ........................................................ 23

3.2 Fuligem: Composição e Estrutura ...................................................................... 25

3.3 Espectroscopia Raman ....................................................................................... 28

3.3.1 Princípio físico ..................................................................................................... 28

3.3.2 Teoria Clássica do espalhamento Raman ......................................................... 30

3.3.3 Espectroscopia Raman aplicada a partículas de exaustão .............................. 31

3.3.4 Estudos publicados utilizando espectroscopia Raman ..................................... 32

4 MATERIAIS E MÉTODOS .................................................................................. 36

4.1 Combustíveis ....................................................................................................... 36

4.2 Motor Diesel ......................................................................................................... 37


5 RESULTADOS E DISCUSSÃO .......................................................................... 42

5.1 Parâmetros de qualidade do biodiesel ............................................................... 42

5.2 Ensaio dos combustíveis no motor .................................................................... 47


6 CONCLUSÃO ...................................................................................................... 61

7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................ 63

8 REFERÊNCIAS ................................................................................................... 64

15

1 INTRODUÇÃO

A crise energética mundial está diretamente relacionada com a matriz

energética adotada pelos países industrializados e em desenvolvimento aliado a

uma demanda cada vez maior por energia. A escassez progressiva dos recursos

naturais ameaça o abastecimento mundial de energia. Para intensificar a situação,

as principais reservas de petróleo se concentram no Oriente Médio, que é

considerada uma zona de conflito político. Além disso, a conscientização da

população quanto à poluição atmosférica resultante da queima dos combustíveis

fósseis vem ocasionando um aumento da pressão pela busca de fontes alternativas

de energia. Uma alternativa possível ao combustível fóssil é o uso de óleos de

origem vegetal, os quais podem ser denominados de biodiesel.

O biodiesel é um combustível biodegradável, renovável e não tóxico. Pode ser

definido como ésteres de alquilo mono derivados de transesterificação e hidro-

esterificação de óleos vegetais, óleos usados ou gorduras animais com álcoois de

cadeia curta (Miranda et al, 2014). O biodiesel pode substituir o diesel combustível

sem nenhuma modificação nos motores diesel. Além disso, podem ser utilizados

juntamente com diesel convencional em diversas proporções. (Roy et al. 2014)

Os motores alimentados a biodiesel podem reduzir as emissões de monóxido

de carbono, hidrocarbonetos totais e material particulado. Alguns estudos indicam

que o biodiesel é responsável por um ligeiro aumento nas emissões de óxidos de

nitrogênio (NOx), porém isso pode ser solucionado através de algumas estratégias

como, por exemplo, a injeção e recirculação dos gases de escape (Liu et al, 2011).

Dentre os poluentes atmosféricos emitidos por motores diesel, a fuligem se destaca

por seu elevado impacto negativo para o meio ambiente e saúde humana. Estudos

anteriores mostraram que, devido ao teor de oxigênio ~ 10% (por peso) no biodiesel,

as emissões de fuligem diminuíram à medida que a concentração de biodiesel

aumentou em uma mistura de combustíveis (Fang e Lee, 2009). Portanto, pode ser

razoável que uma alteração na composição do combustível possa reduzir as

emissões de partículas em um motor diesel.

Para este trabalho foi utilizado a espectroscopia Raman como instrumento de

análise da estrutura da fuligem proveniente de motores diesel alimentados com

diesel e misturas de diferentes porcentagens de diesel e biodiesel de girassol e

macaúba.

16

A espectroscopia Raman vem sendo largamente utilizada no estudo de

materiais carbonáceos. Esangbedo et al (2012) afirmam que ―a intensidade, a

largura e a posição das bandas características do espectros Raman dos materiais

de carbono são dependentes da medida de grafitização do material‖. Dentre as

vantagens dessa técnica pode-se citar a necessidade de quantidades ínfimas de

amostras. Além da não exigência de um pré-tratamento das mesmas.

17

2 OBJETIVO GERAL

Analisar o efeito do aumento da proporção de biodiesel no diesel comercial

para 20 e 50% através do estudo das propriedades físico-químicas dos

combustíveis, da análise das curvas características do motor diesel e da

investigação da estrutura da fuligem através da espectroscopia Raman.

2.1 Objetivos Específicos

1. Analisar e comparar as curvas características de um motor diesel de quatro

tempos alimentado com os combustíveis: diesel S10 comercial, mistura de 20% de

biodiesel proveniente de girassol e macaúba com diesel S10 comercial e mistura de

50% de biodiesel proveniente de girassol e macaúba com diesel S10 comercial;

2. Analisar e caracterizar a fuligem proveniente do diesel S10 e de misturas de

20% e de 50% de biodiesel proveniente de girassol e macaúba com diesel S10

utilizando-se a espectroscopia Raman;

3. Comparar a estrutura das fuligens provenientes dos diferentes tipos de

combustíveis em estudo;

18

3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.1 Biodiesel

3.1.1 Histórico do Biodiesel

Os químicos E. Duffy e J. Patrick foram os primeiros cientistas a realizarem

um processo de transesterificação de óleos vegetais para a produção de sabão em

1853, antes mesmo do motor de ciclo diesel se tornar funcional. Na Alemanha, em

1893, Rudolf Diesel criou o primeiro motor a diesel, e o combustível utilizado era o

óleo de amendoim (Souza, 2007). A transesterificação foi empregada pela primeira

vez em óleos vegetais para a obtenção de combustíveis usados em motores do ciclo

diesel pelo Dr. George Chavanne na Bélgica, e esse processo foi patenteado em

1937.

Durante a Segunda Guerra Mundial surgiu a necessidade de substituição do

petróleo, que escasseava com as restrições impostas pelo conflito, portanto, muitos

países pesquisaram sobre o uso de óleos de origem vegetal como fonte de

combustível. Porém, com o final da Segunda Guerra em 1945, a produção e a

distribuição do petróleo pelo mundo se normalizaram, e as pesquisas para uso do

biodiesel foram temporariamente abandonadas.

A crise do petróleo, que teve início em 1973, quando os maiores produtores

mundiais de petróleo reunidos na OPEP (Organização dos Países Exportadores de

Petróleo) reduziram a oferta de petróleo e aumentaram drasticamente os preços, o

que fez com que muitos governos apostassem em pesquisas sobre fontes

alternativas de energia. Em resposta a esta crise, o Brasil lançou, em 1975, o

programa Próalcool pelo decreto n° 76.593. De acordo com este decreto, a produção

do álcool oriundo da cana-de-açúcar e de qualquer outro insumo deveria ser

incentivada por meio de uma série de ações como a expansão da oferta de

matérias-primas através do aumento da produção agrícola, a modernização e a

ampliação das destilarias existentes e a instalação de novas unidades produtoras e

armazenadoras.

A partir de 1986, os preços do barril de petróleo sofreram uma queda drástica,

o que afetou os programas de pesquisa de substituição dos combustíveis de origem

fóssil em todo o mundo. No Brasil, essa alteração no mercado petrolífero coincidiu

19

com um período de escassez de recursos públicos culminando em uma sensível

redução nos investimentos destinados aos programas de incentivo às fontes de

energias renováveis. (Biodiselbr, 2006)

3.1.2 Mercado do biodiesel

O biodiesel foi introduzido na matriz energética brasileira através da lei nº

11.097, publicada em 2005. Essa mesma lei designou a ANP a responsabilidade de

regular e fiscalizar as atividades relativas à produção, controle de qualidade,

distribuição, revenda e comercialização do biodiesel e da mistura óleo diesel-

biodiesel (BX), e desde então a Agência Nacional do Petróleo passou a denominar-

se Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis. (ANP, 2014)

O Conselho Nacional de Política Energética (CNPE) estabelece, desde

novembro de 2014, que o percentual obrigatório de mistura de biodiesel ao óleo

diesel é de 7%. Este percentual apresenta uma contínua elevação, indicando o êxito

do Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel (PNPB). (Costa, 2015)

Segundo o Boletim mensal dos combustíveis renováveis do Ministério de

Minas e Energia (2015), os Estados Unidos foram o maior produtor de biodiesel em

2014 (4,7 milhões de m³). Na sequência, vêm Brasil e Alemanha, com semelhantes

(3,4 milhões de m³), seguidos de Indonésia, Argentina, França, Tailândia e China. A

oferta mundial de biodiesel em 2014 foi de 29,7 milhões de m³. A figura 1 ilustra

produção mundial de biodiesel em 2014 em milhões de m3.

Figura 1-Produção de biodiesel em 2014 em milhões de m3. Fonte: Boletim mensal dos combustíveis renováveis do Ministério de Minas e Energia, 2015.

http://nxt.anp.gov.br/NXT/gateway.dll/leg/leis/2005/lei%2011.097%20-%202005.xml?f=templates$fn=default.htm&sync=1&vid=anp:10.1048/enu



20

De acordo com o Boletim mensal dos combustíveis renováveis do Ministério

de Minas e Energia (2016), em 2014, o Brasil foi o segundo maior consumidor de

biodiesel (3,4 milhões de m³), atrás somente dos Estados Unidos (5,3 milhões de

m³).Em 2015, estima‐se o consumo brasileiro em 3,9 milhões de m³, descontando‐se

a exportação de aproximadamente 12 mil m3. O gráfico da figura 2 representa o

consumo de biodiesel em milhões de m3.

3.1.3 Biodiesel a partir do óleo de Acrocomia aculeata (macaúba)

A espécie Acrocomia aculeata, conhecido como Macaúba, é uma palmeira

oleaginosa que pertence à família Palmae (Lopes et al, 2013). Essa espécie pode

atingir mais de 15 metros de altura e é resistente a pragas e doenças (César et al,

2015). A figura 3 ilustra a árvore de Acrocomia aculeata.

Figura 2- Consumo de biodiesel em milhões de m3. Fonte: Boletim mensal dos combustíveis

renováveis do Ministério de Minas e Energia, 2016.

21

Figura 3 -(A) Árvore de Acrocomia aculeata; (B) espinhos sobre o tronco, e (c) cachos de

frutos. Fonte: adaptada de César et al, 2015.

A Acrocomia aculeata pode ser encontrada desde o México até a Argentina,

Bolívia, Paraguai e Antilhas, com exceção de Equador e Peru. No Brasil, ela é

encontrada principalmente nas regiões Norte e Centro-Sul de Minas Gerais, Oeste

de São Paulo, Goiás, Mato Grosso e Mato Grosso do Sul (César et al, 2015).

Dentre as vantagens da cultura de Acrocomia aculeata destaca-se que a

mesma não é utilizada como fonte de alimento e, portanto, a produção de

biocombustíveis pode ser o destino principal do seu óleo (César et al, 2015). Essa

cultura pode produzir até 6 toneladas de óleo/ha (Pires et al, 2013). Portanto, a

macaúba pode produzir até 16 vezes mais óleo do que a soja, que atualmente

corresponde a matéria-prima de maior importância na produção de biodiesel e um

relevante papel na indústria alimentícia.

O óleo de Macaúba normalmente possui baixa acidez. Essa propriedade

permite a realização de uma transesterificação alcalina direta, sem perda de

rendimento pela formação de sabão. Além disso, os óleos provenientes da macaúba

são caracterizados por serem ricos em ácidos graxos com relativamente baixo

número de carbonos e por possuírem uma cadeia saturada. Essas características

são atraentes para a obtenção de biocombustíveis com baixa temperatura de

congelamento sem que a estabilidade oxidativa dos mesmos seja afetada (Silva et

al, 2016).

22

3.1.4 Biodiesel a partir de óleo de girassol

O girassol (Helianthus annus L.) é uma cultura que apresenta diversas

características favoráveis sob o ponto de vista agronômico, como um ciclo curto,

elevada qualidade e bom rendimento em óleo (Silva e SangoI, 1985).

A agricultura de girassol, dentre todas as oleaginosas, foi a que mais cresceu

nos últimos anos. Esse crescimento se justifica devido à alta demanda do setor

produtivo, uma vez que o girassol pode ser utilizado tanto na alimentação de

humanos e de animais quanto na produção de bicombustíveis. (Barros e Jardine,

2005)

A partir das sementes de girassol é possível extrair um óleo que é comestível

e possui alta qualidade nutricional. Este óleo tem ampla aplicação na indústria de

alimentos, pois sua quantidade de gordura saturada é menor que a dos óleos de

soja e de milho. A extração do óleo de girassol tem ainda mais uma utilidade. O que

sobra da semente depois da retirada do óleo se transforma em um compacto de

sementes, chamado de ―torta‖, com alto teor de proteína que serve para a

alimentação animal.

O alto teor de óleo do girassol (35-45%) justifica a utilização do mesmo como

matéria prima para a produção de biodiesel, que pode ser obtido pela reação de

transesterificação, craqueamento e esterificação. Segundo Ventura (2010), o óleo de

girassol quando submetido à transesterificação por via etílica obtém um rendimento

em biodiesel de cerca de 70%.

O biodiesel obtido do óleo de girassol é constituído por 98 a 99% de

triacilglicerídeos, com elevado teor em ácidos insaturados (cerca de 83%), sendo

72% de ácidos linoléicos, mas um reduzido teor de em ácido linolênico (≤0,4%).

(Albuquerque, 2010)

3.1.5 Reação de transesterificação

O biodiesel é formado por uma mistura de ésteres metílicos ou etílicos de

ácidos graxos e a sua principal rota de obtenção utilizada industrialmente é a reação

de transesterificação. Nesta reação, os triglicerídeos presentes nos óleos vegetais

ou gorduras animais reagem com um álcool em presença de catalisador com a

formação de biodiesel e de glicerina. Os óleos vegetais podem ser de soja,

23

macaúba, girassol, milho, amendoim, algodão, dentre outras fontes. O álcool usado

nessa reação é geralmente o metanol ou etanol. Os catalisadores podem ser ácidos

ou básicos, sendo os mais utilizados os hidróxidos de sódio ou potássio e os ácidos

sulfúrico e clorídrico. A glicerina é um produto secundário da reação de

transesterificação que pode ser utilizada em produtos cosméticos ou de limpeza.

(Meneghetti et al, 2013)

A figura 4 indica a reação de transesterificação utilizada para a produção de

biodiesel.

Figura 4 - Reação de transesterificação. Fonte:site Brasil Escola

3.1.6 Propriedades físico-químicas do biodiesel

A qualidade do biodiesel é especificada em função de suas características

físico-químicas. Dentre essas características pode-se citar o ponto de fluidez e

névoa, a massa específica, a viscosidade, o número de cetano e o ponto de fulgor.

O número de cetano (NC) mede a qualidade de ignição do combustível e tem

influência direta na partida do motor, no funcionamento sob carga e nas emissões.

Da mesma forma que o número de cetano, o índice de cetano (IC) calculado está

ligado à qualidade de ignição do combustível. Este índice é uma correlação

matemática com o número de cetano e devido a esta correlação, ele influencia

diretamente no funcionamento dos motores e apresenta os mesmos efeitos

relacionados ao número de cetano (Brunetti, 2012). Baixos valores de índice de

cetano ocasionam dificuldades de partida a frio, depósito nos pistões e mau

funcionamento do motor. Os valores para o índice de cetano (IC) para os

combustíveis devem estar compreendidos entre 40 e 60.

24

O ponto de fulgor consiste na menor temperatura em que o combustível se

vaporiza em quantidade suficiente para formar uma mistura inflamável com ar (Lôbo

e Ferreira, 2009). Essa característica é importante por questões de segurança no

manuseio e estocagem dos combustíveis. A norma ASTM D-93 estabelece um valor

mínimo esperado de 100 °C para o biodiesel e de 38 °C para o diesel.

A massa específica mostra a relação entre a massa e o volume do produto a

20°C. Valores fora da faixa especificada indicam a presença de contaminantes,

portanto a limitação da faixa de massa especifica é importante para o projeto do

sistema de injeção e para o funcionamento do motor (Lôbo e Ferreira, 2009). A

massa específica afeta a potência do motor, as emissões e a economia de

combustível

A viscosidade cinemática é definida como o coeficiente da viscosidade

dinâmica pela massa especifica. Uma outra definição para essa propriedade seria o

tempo de escoamento de um fluido através de um tubo capilar, com dimensões

padronizadas, sob a ação da força da gravidade, (Lôbo e Ferreira, 2009). Esta

propriedade pode afetar a atomização do combustível e a lubrificação do sistema de

injeção do motor.

As propriedades ponto de névoa, ponto de entupimento e ponto de fluidez

foram elaboradas a partir do comportamento do combustível de se solidificar

parcialmente ou perder sua fluidez em baixas temperaturas. Esse comportamento

pode ocasionar a interrupção do fluxo de combustível, do sistema de filtração e

problemas na partida do motor. Portanto, o ponto de névoa é a temperatura do

combustível em um processo de resfriamento, onde se observa formação dos

primeiros cristais. O ponto de entupimento de filtro a frio é a temperatura em que o

combustível perde a filtrabilidade quando resfriado. Finalmente, o ponto de fluidez é

a temperatura em que o combustível perde sua fluidez quando sujeito a resfriamento

sob determinadas condições de teste (Lôbo e Ferreira, 2009).

25

3.2 Fuligem: Composição e Estrutura

Sadezkyet al (2005) define a fuligem como o produto da combustão

incompleta ou da pirólise de combustíveis fósseis e de outros materiais orgânicos. A

fuligem proveniente da queima de diesel é composta principalmente por carbono

(>80%), mas também por hidrogênio, oxigênio, nitrogênio e enxofre.

O carbono pode apresentar diferentes estados de hibridizações. De acordo

com Friedrich (2012), os átomos de carbono com hibridização sp formam cadeias

lineares, os átomos de carbono com hibridização sp2 formam estruturas planares,

como por exemplo a estrutura da malha do grafite e átomos de carbono com

hibridização sp3 formam redes tridimensionais, como a do diamante.

A estrutura do grafite é caracterizada por camadas de grafeno paralelas que

são mantidas juntas por interações de van der Waals. As camadas de grafeno estão

dispostas numa sequência alternada ABAB e a distância entre cada uma delas é de

cerca de 0.335 nm. Dentro da camada de grafeno, os átomos de carbono possuem

hibridização sp2 e estão dispostos nas extremidades de uma estrutura bidimensional,

feito de hexágonos uniformes. (Sadezky et al, 2005)

Nos diamantes os átomos de carbono se caracterizam por possuir

hibridização sp3. Nessa estrutura, cada átomo de carbono está ligado diretamente a

quatro outros átomos, os quais estão localizados nas extremidades de um tetraedro,

em cujo centro o respectivo átomo está localizada. (Friedrich, 2012)

A figura 5 ilustra os possíveis estados de hibridização do carbono, a estrutura

da malha de grafite e o diamante cúbico.

Figura 5 - a) Possíveis estados de hibridização do carbono. b) A estrutura da malha de

grafite, que é um exemplo de uma estrutura de hibridização sp2. c) O diamante cúbico, que é um exemplo do híbrido sp3. Fonte: Friedrich (2012)

26

A estrutura da fuligem é caracterizada por uma aglomeração em forma de

cadeias que podem atingir centenas de nanômetros de tamanho. Os aglomerados

de fuligem são conhecidos como partículas de fuligem secundárias, e são formados

por unidades esféricas ou quase esféricas conhecidas como partículas de fuligem

primárias. Segundo Friedrich (2012),as partículas de fuligem primária podem conter

de 105 a 106 átomos de carbono e o seu tamanho pode variar entre 15 a 50 nm. A

figura 6 ilustra um aglomerado de fuligem composto por diversas partículas de

fuligem primária observado coma ajuda da Microscopia eletrônica de transmissão.

Friedrich (2012) afirma que os átomos de carbono nas partículas primárias de

fuligem são arranjados em plaquetas, ou seja uma matriz de face centrada

hexagonal, enquanto múltiplas camadas de plaquetas formam cristais, como é

evidenciado pela figura 7. De acordo com Glassman (1996), a distância média entre

as plaquetas é de 0,355 nm, ou seja, ligeiramente diferente da distância

característica do grafite (0,335 nm).

Figura 6 - Aglomerado de fuligem composto por diversas partículas de fuligem primária observado coma ajuda da Microscopia eletrônica de transmissão. Fonte: Friedrich (2012)

27

As partículas de fuligem primárias são formadas por um núcleo interior e uma

concha exterior. A casca exterior é uma estrutura rígida formada por cristalitos

dispostos concentricamente ao núcleo interior. O núcleo interno contém partículas

finas com um núcleo esférico e é estruturalmente e quimicamente menos estável.

(Friedrich, 2012)

A fuligem também pode apresentar em sua constituição domínios amorfos.

Estruturas amorfas são formadas por compostos aromáticos policíclicos, além de

outros componentes orgânicos e inorgânicos como por exemplo, compostos

alifáticos, sulfato, óxidos metálicos, etc. (Sadezky et al, 2005)

A estrutura física e química da fuligem, assim como sua composição

elementar depende de uma série de fatores como o combustível utilizado e as

condições da combustão ou pirólise.(Sadezky et al, 2005)

Figura 7 - Estrutura de partículas de fuligem. Fonte: Adaptada de Glassman (1996)

28

3.3 Espectroscopia Raman

O efeito Raman foi observado experimentalmente pela primeira vez em 1928

por Chandrasekhara Venkata Raman, na Índia e, por esse motivo, foi chamado de

efeito Raman. O físico indiano começou a investigar a dispersão da luz por líquidos

devido ao seu fascínio pelo azul do mar Mediterrâneo. Em 1930, o cientista recebeu

o prêmio Nobel de Física por sua descoberta do efeito Raman e seus estudos

acerca do espalhamento da luz. (Long,2002)

Atualmente diversos fenômenos de espalhamento de luz são compreendidos.

Os principais e os mais utilizados são: espalhamento Rayleigh, espalhamento

Raman, hiper-espalhamento Rayleigh, hiper-espalhamento Raman, espalhamento

Raman anti-Stokes coerente e o espalhamento Raman Stokes coerente. De acordo

com Long (2002) mais de 25 tipos de espectroscopia Raman já são conhecidos.

3.3.1 Princípio físico

―Quando uma luz monocromática incide sobre um material a ser analisado,

uma parte dessa luz será espalhada com a mesma frequência da luz incidente,

enquanto outra parte irá interagir com o material e será espalhada com uma

frequência diferente da incidida‖ (Long, 2002). O espalhamento sem mudança de

frequência é chamada de espalhamento Rayleigh, enquanto o espalhamento com

mudança de frequência é chamado de espalhamento Raman.

A figura 8 representa o diagrama dos mecanismos de espalhamento de

Rayleigh, Raman Stokes e Raman Anti-Stokes mostrando as transições entre os

estados eletrônicos e vibracionais de uma molécula.

29

No espalhamento Rayleigh, as moléculas do material, quando em seu estado

fundamental, absorvem a energia dos fótons incidentes e passam para um estado

virtual. Em seguida, essas moléculas voltam para o estado fundamental espalhando

fótons de mesma energia que os incidentes. No espalhamento Raman, as moléculas

do material também absorvem a energia dos fótons incidentes e passam do seu

estado fundamental para um estado virtual. Porém, quando as moléculas decaem

elas não voltam para o seu estado inicial e a energia emitida é diferente da energia

absorvida. No espalhamento Raman Stokes, as moléculas decaem para um estado

vibracional mais energético do que o estado inicial, espalhando fóton de menor

energia. Enquanto no espalhamento Anti-Stokes, as moléculas se encontram

inicialmente em um estado vibracional excitado. Após absorver um fóton incidente, o

sistema passa para um sistema virtual e decai para um sistema vibracional de menor

energia, espalhando fóton com energia maior do que a incidente. (Moura, 2011)

Figura 8 -Diagrama dos mecanismos de espalhamento de Rayleigh, Stokes e Anti- Stokes, respectivamente. Fonte: próprio autor.

30

3.3.2 Teoria Clássica do espalhamento Raman

O modelo teórico clássico explica o efeito Raman a partir da interação do

campo elétrico da luz com as vibrações das moléculas de um meio. (Moura, 2011).

Considerando-se uma luz monocromática de frequência angular incidente ω1sobre

moléculas que respondem a um campo elétrico surge uma relação para o dipolo

induzido dado por:

(3.1)

Em que corresponde ao vetor campo elétrico incidente dado por

e é o tensor de polarizabilidade eletrônica da molécula. O tensor

equivale a resposta das moléculas ao campo elétrico externo.

Pode-se desenvolver uma série de Taylor para a componente αij do tensor

de polarizabilidade eletrônica em termos das coordenadas normais qk e truncar a

série na primeira ordem para pequenas vibrações, como pode ser observado a

seguir:

(3.2)

Na equação acima, o somatório é realizado sobre todas as coordenadas

normais e os termos de subscrito zero descrevem valores na configuração de

equilíbrio. A coordenada qk pode ser representada como uma oscilação harmônica

da seguinte forma:

(3.3)

Portanto a equação 3.1 pode ser reescrita como:

(3.4)

Considerando-se a relação trigonométrica a seguir:

A equação 3.4 pode ser reformulada como demonstrado abaixo:

31

(3.5)

O primeiro termo da equação acima representa a luz espalhada com a

mesma frequência da luz incidente, ou seja, é o termo de espalhamento Rayleigh ou

de espalhamento elástico. Enquanto o segundo termo indica a luz espalhada com

frequências diferentes da frequência da luz incidente, representando o

espalhamento Raman ou o espalhamento inelástico de luz. Ainda de acordo com o

segundo termo da equação, a luz pode ser espalhada inelasticamente com

frequências (ω1 - ωk) e (ω1 + ωk), caracterizando, respectivamente, os

espalhamentos inelásticos Stokes e anti-Stokes. (Moura, 2011)

3.3.3 Espectroscopia Raman aplicada a partículas de exaustão

De acordo com Seong e Boehman (2013), a espectroscopia Raman é uma

técnica não destrutiva e sensível aos defeitos intrínsecos da estrutura de grafite e

portanto tem sido amplamente utilizada para o estudo de materiais carbonáceos.

Esangbedo et al (2012) afirmam que a principal característica dos espectros

de materiais grafíticos é a banda G em aproximadamente 1580 cm-1. Essa banda

tem sua origem na vibração de alongamentos de pares de átomos de carbono sp2 e

não requer a presença de anéis aromáticos.

Em materiais carbonáceos desordenados há uma segunda banda em 1360

cm-1, conhecida como D1. A origem dessa banda está relacionada a átomos de

carbono em imediações do rompimento da simetria da estrutura, como por exemplo

heteroátomos, bordas de cristal e defeitos de rede. A razão entre as intensidades

das bandas D1 e G é frequentemente utilizada como uma medida do grau de

grafitização de um material de carbono.

A banda D2, em aproximadamente 1620 cm-1,ocorre devido à estrutura de

grafite desordenada e sua intensidade diminui com o aumento do grau de

organização (Minutolo et al, 2011).

A banda D3 aparece em aproximadamente 1500 cm-1 e está relacionada ao

carbono amorfo. Finalmente, a banda D4, em aproximadamente 1150 cm-1, aparece

apenas em materiais muito mal organizados, tais como fuligem e o carvão. Sua

32

origem pode ser atribuída a estruturas de grafite desordenadas, polienos ou

impurezas iônicas. (Sheng, 2007)

3.3.4 Estudos publicados utilizando espectroscopia Raman

A espectroscopia Raman vem sendo amplamente empregada em estudos

de matérias carbonáceos nos últimos anos. Esse fato se justifica por sua vantagem

em relação às outras técnicas de não haver necessidade de tratamento prévio das

amostras, e pelo avanço na interpretação dos espectros Raman característicos dos

materiais carbonáceos, capaz de fornecer informações valiosas acerca da estrutura

do mesmo. Estudos publicados utilizam a espectroscopia Raman para: determinar a

fração de carbono amorfo no material, determinar o tamanho do cristalito, encontrar

defeitos na estrutura em análise e relacionar a estrutura da fuligem com sua

reatividade oxidativa.

Os pesquisadores Seong e Boehman (2013) utilizaram a espectroscopia

Raman para analisar as estruturas cristalinas de quatro amostras de fuligem e uma

amostra de carvão negro de diferentes reatividades oxidativas.

Para este estudo, foram utilizados espectros Raman entre 800 e 2000 cm-1.

Os espectros foram ajustados utilizando-se as funções Lorentziana, Gaussiana e

uma combinação entre ambos, enquanto as curvas foram deconvoluídas para três,

quatro e cinco picos. A figura 9 representa os diferentes ajustes de fuligem utilizados

pelos autores Seong e Boehman (2013).

33

Os autores constataram que, dentre os métodos empregados, o ajuste que

possui os melhores resultados em relação a reatividade oxidativa da fuligem; a

fração de carbono amorfo e o tamanho do cristalito é a combinação de três bandas

com o ajuste Lorentziana em aproximadamente 1200 cm-1(D4), 1360 cm-1(D1) e 1580

cm-1 (G), e uma banda com o ajuste Gaussiana em 1500 cm-1 (D3).

Figura 9 - Diferentes ajustes dos espectros da fuligem: (a) 2 Lorentziana e 1 Gaussiana, (b) 3 Lorentziana, c) 3 Lorentziana e 1 Gaussiana, (d) 4 Lorentziana, (e) 4 Lorentziana e 1 Gaussiana, (f) 5 Lorentziana. Fonte: Seong e Boehman (2013)

34

A espectroscopia Raman também foi utilizada para analisar o tamanho dos

cristalitos das amostras de fuligem investigadas e os resultados foram comparados

com os encontrados na análise de difração de raio-x. A partir desse estudo, Seong e

Boehman (2013) propuseram uma modificação para a fórmula desenvolvida por

Knight e White, La = 4.4(ID/IG)−1, que relacionava a largura do cristalito (La) com as

intensidades da bandas D e G. Ao invés de relacionar as intensidades das bandas D

e G do espectro de Raman sem ajustes, Seong e Boehman (2013) relacionaram a

largura do cristalito (La) com a razão das áreas das bandas D1 e G após o ajuste de

3 bandas (D1, D4, G) com o Lorentziana e uma banda (D3) com o Gaussiana, como

pode ser observado na equação a seguir:

La= 4.4(AD1/AG)-1 (3.6)

Em outro trabalho publicado utilizando espectroscopia Raman, os

pesquisadores Russo e Ciajolo (2015) realizaram uma análise detalhada sobre a

fuligem produzida em chamas pré-misturadas de diferentes combustíveis de

hidrocarbonetos (metano, eteno e benzeno). Para esse trabalho, foram utilizados

diferentes comprimentos de onda de excitação (457, 514 e 633 nm). Em seguida, os

espectros medidos em 633 nm foram ajustados de diferentes formas: 1BWF e 4

Lorentziana (1BWF4L), 5 Lorentziana (5L), 6 Lorentziana (6L), 1 BWF, 3 Lorentziana

e 1 Gaussiana (1BWF3L1G). A figura 10 representa os espectros Raman da fuligem

proveniente da queima de metano em longo tempo de retenção medida em 633 nm

após sofrer diferentes ajustes.

35

Figura 10 - Espectros Raman da fuligem proveniente da queima de metano em longo tempo de retenção medida em 633 nm após sofrer diferentes ajustes: a) 1BWF e 4 Lorentziana (1BWF4L), b) 5 Lorentziana (5L), c) 6 Lorentziana (6L), d) 1 BWF, 3 Lorentziana e 1 Gaussiana (1BWF3L1G). Fonte: Russo e Ciajolo (2015).

Os autores concluíram que o método 1BWF3L1G obteve os melhores

parâmetros estatísticos para os espectros de fuligem analisados em seu trabalho.

36

4 MATERIAIS E MÉTODOS

4.1 Combustíveis

Neste trabalho analisamos cinco tipos de combustíveis: diesel convencional

S10, mistura de 20% de biodiesel de girassol com diesel convencional (BG20),

mistura de 50% de biodiesel de girassol com diesel comercial (BG50), mistura de

20% de biodiesel de macaúba com diesel comercial (BM20) e mistura de 50% de

biodiesel de macaúba com diesel comercial (BM50).

Os combustíveis de biodiesel foram produzidos no laboratório localizado na

Universidade Federal de Viçosa. Por meio do método de transesterificação, obteve-

se o biodiesel de girassol e de macaúba através dos seus correspondentes óleos,

utilizando-se hidróxido de potássio (KOH) como catalisador e metanol anidro como

agente de transesterificação.

Os combustíveis formados pela mistura de 20% e 50% de biodiesel com o

diesel comercial foram produzidos considerando-se que o diesel comercial já possui

7% de biodiesel em sua composição.

37

4.2 Motor Diesel

Este estudo foi realizado no sistema TD 200 (Nova Didacta – Sistemas

Didáticos). Este sistema é composto por um motor diesel-4T (Hatz Diesel),

reservatório com frascos calibrados para auxiliar na detecção do consumo de

combustível, sistema de aquisição de dados e software para monitoramento dos

parâmetros térmicos. Os parâmetros são monitorados em intervalos de 1s através

da leitura do dinamômetro e termopares. Antes de iniciar os testes, é necessário

fornecer para o software a massa específica, o poder calorífico inferior do

combustível e o consumo de combustível para a rotação analisada.

A figura 11 mostra o sistema de avaliação do consumo de combustível. No

início do ensaio, fixa-se a rotação do motor esperando-se a sua estabilização para

posterior análise do consumo. Após a estabilização, é cronometrado, o tempo

decorrido para o consumo de combustível em frascos de volume calibrado de 8 ml

(item 2 da legenda), 16 ml (item 3 da legenda) ou um volume igual a 24 ml (soma do

volume dos dois frascos). A escolha do volume analisado depende da precisão

adotada. Quanto maior o volume mais preciso torna-se os seus dados. Ao fechar-se

o registro do lado direito, próximo ao reservatório, o combustível para de fluir para o

frasco calibrado, logo o volume máximo presente é o que nele está contido. Quando

o combustível passa pelo menisco superior aciona-se o cronômetro. Quando o

combustível atingir o menisco inferior desliga-se o cronômetro. O tempo para que

isso ocorra nos dá o consumo.

Legenda 1 Reservatório de combustível com

capacidade de 2,5 L

2 Frasco superior (8 ml) 3 Frasco inferior (16 ml) 4 Registro

Figura 11 - Sistema para avaliação do consumo de combustível

38

A figura 12 mostra o motor didático montado na bancada. Através dessa

figura é possível visualizar os itens fundamentais para o ensaio. O freio

dinamométrico, baseia-se no princípio de Pascal. Para aumentar a carga, aumenta-

se a pressão no eixo. Essa pressão incidindo-se sobre uma área proporciona uma

força que é mensurada através de uma balança (item 2). O eixo da balança possui

um comprimento fixo. Sabendo-se esse comprimento e conhecendo-se a força

aplicada, é possível determinar o torque que está incidindo sobre o eixo do motor.

Para alterar-se a carga, regula-se a vazão da água que entra no freio

dinamométrico. Através do registro (item 3) controla-se esse fluxo. A velocidade do

motor é controlada através de uma pequena alavanca (item 5) que regula a

quantidade de ar e combustível que é adicionada à câmara de combustão. Visualiza-

se também os termopares (item 4) que são utilizados para monitorar a temperatura

do ambiente e dos gases de exaustão. Com a utilização dos itens citados, é possível

a leitura dos parâmetros do motor para posterior análise.

Figura 12 - Motor didático montado na bancada

Legenda 1 Dinamômetro (a carga é aplicada através da pressão que a água faz no eixo do motor) 2 Balança dinamométrica

3 Registro para controle de vazão de água 4 Termopar de exaustão 5 Controle de velocidade (Sentido horário aumenta a rotação, anti-horário diminui)

6 Admissão de ar

39

A figura 13 mostra o sistema de aquisição de dados. Sua função é transmitir

as variáveis mensuradas pela bancada dinamométrica a um computador. O

computador com o software VDAS instalado e conectado ao sistema de aquisição de

dados, registra e exibe resultados do ensaio continuamente.

Figura 13 - Sistema de aquisição de dados

A figura 14 mostra a interface do software VDAS. Fornecendo-se os

parametros necessários (Poder Calorífico Inferior, Massa especifica, Volume

analisado e consumo de combustível) e com o motor em funcionamento, é possível

dar inicio a coleta de dados. Após a coleta de dados, é possível a geração de uma

planilha contendo: Calor de Combustão do Combustível, Entalpia de ar de entrada,

Temperatura do ar ambiente, Temperatura dos gases de exaustão, Variação de

pressão na caixa de ar, Taxa de escoamento mássica de ar, torque, velocidade,

potência do motor, razão ar-combustível, consumo específico de combustível,

eficiencia térmica, eficiencia volumétrica e pressão média efetiva. Com os resultados

obtidos em uma planilha, é possível plotar gráficos demonstrando a performance do

motor para cada rotação e carga aplicada.

40

Figura 14 - Software da Plataforma VDAS

Os ensaios no motor foram realizados em plena carga. A plena carga

corresponde a posição de comando da bomba injetora em máxima vazão de

combustível para cada regime de utilização do motor. Para obtenção dos parâmetros

do motor foram analisadas sete rotações diferentes, com pelo menos 30 pontos

coletados para cada velocidade. Anteriormente a cada coleta de dados aguardou-se

a estabilização da velocidade de rotação do motor, o que foi verificado através da

análise de variação dos dados de rotação, potência e temperatura dos gases de

exaustão.

As amostras de fuligem foram extraídas diretamente a partir do fluxo de gases

de escape do motor e depositadas em lâminas de vidro para microscópio óptico. As

amostras foram coletadas em baixa rotação, 1800 rpm e em alta rotação, 3000 rpm

para cada combustível em estudo.

41


Para analisar a estrutura da fuligem proveniente dos diversos tipos de

combustíveis em estudo foi utilizado a espectroscopia Raman. Os espectros

experimentais foram obtidos em um espectrômetro Micro Raman –Renishaw InVia

localizado no Departamento de Física da Universidade Federal de Viçosa

(UFV).Este espectrômetro possui um microscópio normal e confocal, excitação em

514,5 nm, em 632,8 nm e também 785 nm e resolução espectral de 1 cm-1. Na

figura15 se apresenta o espectrômetro Renishaw InVia.

As amostras foram investigadas com um laser de excitação em 514,5 nm e a

medição foi realizada em um mínimo de 3 pontos para cada amostra.

Figura 15 - Espectrômetro Micro Raman – Renishaw InVia. Fonte: site do fabricante Renishaw

42

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1 Parâmetros de qualidade do biodiesel

A qualidade de ignição do diesel pode ser medida pelo seu número de cetano

(NC) ou calculada pelo índice de cetano (IC). O número de cetano é obtido através

de um ensaio padronizado do combustível em um motoronde compara-se o seu

atraso de ignição em relação a um combustível padrão com número de cetano

conhecido. Já o índice de cetano é calculado através de correlações baseadas em

propriedades físicas do combustível. Esse índice é função da massa específica e da

temperatura atmosférica equivalente para frações destiladas.

Pra se realizar o ensaio de destilação foi utilizado o equipamento de destilação

a vácuo HDV 632. Este ensaio consistiu na vaporização de um volume padrão de

combustível com posterior condensação dos vapores de forma que a temperatura de

ebulição no instante de recolhimento do volume fosse registrada. O destilador HDV

632 é utilizado para a determinação das características de destilação de derivados

de petróleo, frações de destilado, biodieseis e lubrificantes. À medida que o

combustível é destilado, o software armazena as temperaturas para as quais cada

10% em volume da amostra é recuperado, convertendo-as a temperaturas

equivalentes se o produto fosse destilado a pressão atmosférica. Os resultados

obtidos para a temperatura atmosférica equivalente para frações destiladas

correspondentes a 10%, 50% e 90% são exibidos na tabela 1.

Tabela 1- Temperatura atmosférica equivalente para as frações destiladas correspondentes

a 10%, 50% e 90%

Combustível T(10%) T(50%) T(90%)

Diesel S10240,1 °C263,9 °C416,4 °C

BM 362,3 °C 377,2 °C -

BM20 261,5 °C 297,9 °C -

BM50 286,6 °C 316,9 °C -

BG 354,8 °C 361,5 °C -

BG20 274,7 °C 358,6 °C -

BG50 283,5 °C 372,8 °C -

43

A análise da tabela 1 indica que a temperatura de ebulição a 90% de volumes

recuperados não foi obtida para os combustíveis formados pela porcentagem de

20% e de 50% de biodiesel em diesel, assim como também não foi obtida para o

biodiesel de macaúba nem de girassol. O biodiesel é caracterizado por ésteres de

cadeia longa com um grande número de insaturações em sua cadeia carbônica,

portanto foi destilado um valor inferior a 90% da amostra.

O índice de cetano calculado é uma correlação matemática com o número de

cetano e está relacionado com a qualidade de ignição dos combustíveis. O índice de

cetano influencia diretamente no funcionamento dos motores e apresenta os

mesmos efeitos relacionados ao número de cetano (Brunetti, 2012). O cálculo do

índice de cetano é baseado na norma ASTM D-4737. Este cálculo utiliza as variáveis

obtidas no ensaio de destilação atmosférica, conforme equação 5.1:

(5.1)

Onde IC é o índice de cetano, D é a densidade relativa do combustível à

temperatura de 15°C, T10, T50 e T90 a temperatura da fração de vapor quando os

combustíveis estão, respectivamente a 10%, 50% e 90% destilados de acordo com a

tabela 1.

Os valores da temperatura da fração de vapor a 10%, 50% e 90% destilados

foram determinados pelo método teste ASTM D86 e corrigidos para a pressão

barométrica padrão. Da mesma maneira a massa específica relativa (D) do

combustível foi calculada com base no método teste ASTM D1298.

A equação 5.1 foi utilizada para calcular o índice de cetano do diesel, porém os

combustíveis BM, BM20, BM50, BG, BG20 e BG50 não foram destilados até 90%.

Para estes combustíveis, o cálculo do índice cetano foi realizado através da equação

5.2referenciada na norma ASTM D 976 e que utiliza apenas duas variáveis, como

pode-se observar a seguir:

(5.2) Onde IC é o índice de cetano, D é a densidade relativa do combustível à

temperatura de 15°C, conforme ASTM D86, e T50 a temperatura da fração de vapor

quando os combustíveis estão a 50% de volume destilado.

44

Os valores calculados para o índice de cetano (IC) estão apresentados na

tabela 2 a seguir juntamente com os principais parâmetros de qualidade para os

diversos combustíveis em análise neste trabalho. O cálculo dos seguintes

parâmetros foi realizado de acordo com as normas da ANP (Agencia Nacional de

Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis).

Tabela 2- Propriedades físico-químicas dos combustíveis em análise.

Combustível Massa

Específica (Kg/m3)

Viscosidade Cinemática

(mm2/s)

Ponto de

fulgor (°C)

Índice de cetano

Poder calorífico inferior (MJ/Kg)

Diesel S10 830 3,99 61,8 57,2 43

BM 888 5,62 109 48,2 36,8

BM20 850 4,27 79,5 52,9 -

BM50 865 5,34 85,6 50,8 -

BG 860 5,30 135,6 55,7 41,3

BG20 842 4,49 82,4 56,9 -

BG50 857 5,16 104,7 57,1 - Os combustíveis empregados em motores térmicos devem ter o índice de

cetano compreendido entre 40 e 60. A análise da tabela 2 permite observar que

todos os combustíveis em estudo apresentaram valores para o índice de cetano (IC)

dentro da faixa estabelecida. Este índice está diretamente relacionado com a

qualidade da ignição. Valores fora da faixa recomendada podem afetar a partida a

frio do motor, o ruído, a economia de combustível e emissões de poluentes

A massa específica dos combustíveis foi mensurada utilizando-se um

picnômetro de 10 ml com as amostras à temperatura de 20°C. A tabela 2 indica que

a massa especifica obtida para o diesel S10 foi de 830 Kg/m3. A faixa de referência

para os valores da massa especifica do diesel é de 820 a 850 Kg/m3, ou seja, a

massa especifica do diesel encontra-se dento da faixa especificada. As massas

especificas obtidas, respectivamente, para o biodiesel de macaúba e de girassol

foram de 888 Kg/m3 e 860 Kg/m3. Considerando-se que a faixa de valores de

referência especificada para o biodiesel está entre 850 e 900 Kg/m3, pode-se

concluir que tanto o biodiesel de macaúba como o biodiesel de girassol possuem

massa especifica dentro dos valores de referência.

Os combustíveis formados com proporção de 20% de biodiesel em sua

composição obtiveram valores de massa especifica dentro da faixa especificada

para o diesel S10, 850 Kg/m3para o BM20 e 842 Kg/m3 para o BG20. Portanto o

45

aumento da proporção de biodiesel no diesel para 20% não alteraria

consideravelmente a massa especifica do combustível.

Os combustíveis caracterizados pela mistura de 50% de biodiesel com diesel

obtiveram massa especifica de 865 Kg/m3 para o BM50 e de 857 Kg/m3 para o

BG50. Estes resultados estão um pouco acima dos resultados desejados para o

diesel.

A viscosidade cinemática é uma importante propriedade para a análise do

funcionamento do motor. Essa propriedade afeta a atomização do combustível no

momento de sua injeção na câmara de combustão podendo vir a ocasionar a

formação de depósitos no motor diminuindo assim seu desempenho e vida útil.

(Knothe et al., 2006)

O cálculo da viscosidade cinemática dos combustíveis foi realizado utilizando-

se o viscosímetro de Cannon-Fenske seguindo-se o seguinte procedimento: o

viscosímetro foi preso com o ramo capilar na vertical eum volume de 20 mL da

amostra foi introduzida no ramo não capilar do aparelho; verificou-se se a amostra

preencheu completamente a dilatação inferior do aparelho; colocou-se o combustível

em um banho termostático com temperatura controlada de 40° C; aspirou-se o

combustível com uma seringa até que a superfície líquida ficasse um pouco a cima

do traço de referência; liberou-se a seringa e o líquido começou a escoar; a

contagem do tempo foi iniciada assim que o fluido atingiu o traço de referência e foi

interrompida quando o nível do líquido atingiu o segundo traço de referência do

viscosímetro; a contagem do tempo foi repetida por 3 vezes; após três contagens de

tempo, o valor do tempo médio (tmédio) foi determinado.O cálculo da viscosidade

cinemática é demonstrado na equação 5.3.

(5.3)

Onde: v = viscosidade cinemática; K = constante do viscosímetro: 0,035

mm²/s³; t = tempo médio para o fluido escoar; = correção de energia cinética.

A tabela 3 indica que a viscosidade cinemática calculada para o diesel foi de

3,99 mm2/s. Considerando-se que os valores de viscosidade cinemática esperados

para o diesel estão na faixa de 2,0 a 4,5 mm²/s, pode-se concluir que o resultado

calculado está dentro da faixa esperada. A viscosidade cinemática calculada para o

biodiesel de macaúba foi de 5,62 mm²/s e de 5,30 para o biodiesel de girassol. A

46

faixa de valores de referência para a viscosidade cinemática do biodiesel é de 3 a 6

mm²/s. Portanto, pode-se afirmar que os valores de viscosidade cinemática do

biodiesel de girassol e do biodiesel de macaúba estão dentro da faixa de referência.

Os combustíveis produzidos com a porcentagem de 20% de biodiesel em sua

composição obtiveram viscosidade cinemática de 4,27 mm2/s para o BM20 e de 4,49

mm2/s para o BG20. Estes valores estão dentro da faixa de viscosidade cinemática

esperada para diesel S10, portanto o aumento da proporção de biodiesel para 20%

no diesel não descaracterizaria a viscosidade cinemática do combustível.

Os combustíveis BM50 e BG50 obtiveram, respectivamente, as viscosidades

cinemáticas de 5,34 mm2/s e 5,16 mm2/s. Estes valores são superiores a

viscosidade cinemática esperada para o diesel.

O cálculo do ponto de fulgor dos combustíveis foi realizado com a ajuda do

equipamento FP93 5G2 - Ponto de Fulgor Pensky-Martens, operando de acordo

com a norma ASTM D-93. Neste equipamento, a amostra é aquecida a uma taxa

constante dentro de uma câmara, incidindo sobre ela uma chama em intervalos

regulares de 1 em 1°C. No visor do equipamento registra-se a temperatura na qual o

combustível libera vapor suficiente para produzir uma amostra inflamável.

O ponto de fulgor não tem influência no desempenho do motor e nem na

combustão, entretanto, é importante a segurança no manuseio e estocagem dos

combustíveis. A norma ASTM D-93 estabelece um valor mínimo esperado de 100 °C

para o biodiesel e de 38 °C para o diesel.

A tabela 3 indica os valores do ponto de fulgor para os combustíveis em

estudo. A análise da tabela permite concluir que o diesel possui ponto de fulgor

acima de 38°C e portanto dentro da norma ASTM D-93. O biodiesel de macaúba e o

biodiesel de girassol apresentaram valores para o ponto de fulgor de,

respectivamente, 109°C e 135,6°C, ou seja, ambos os valores foram acima de

100°C e portanto dentro da norma ASTM D-93.

Os combustíveis BM20 e BG20 apresentaram os valores de ponto de fulgor

de, respectivamente, 79,5°C e 82,4°C. Enquanto os combustíveis BM50 e BG50

obtiveram os valores de, respectivamente, 85,6°C e 104,7°C para o ponto de fulgor.

47

5.2 Ensaio dos combustíveis no motor

A análise das curvas características do motor diesel obtidas neste trabalho

inicia-se pela curva de torque em relação à rotação apresentada na figura 16. Neste

gráfico são analisados o diesel e as misturas BG20, BM20, BG50 e BM50.

A figura 16 indica que o diesel possui maiores valores de torque em relação a

rotação do motor. Os combustíveis BG20 e BM20 aparecem em seguida. Enquanto

os combustíveis BM50 e BG50 possuem os menores valores de torque em relação a

rotação do motor. Esses resultados indicam que os combustíveis com maiores

porcentagens de biodiesel possuem menores valores de torque em relação a

rotação do motor.

A potência teórica (Pt) de um motor diesel pode ser estimada através das

propriedades físico-químicas do combustível, como pode ser observado pela

equação 5.4.

(5.4)

Figura 16- Gráfico do torque em relação à velocidade dos combustíveis em análise.

48

Em que é o poder calorífico inferior, éa massa específica e q é o

consumo de combustível.

A potência teórica considera que toda energia térmica proveniente da

combustão é convertida em energia mecânica. Porém no funcionamento real de

motores isso é impossível. Nem todo calor é transformado em trabalho, isto é, uma

parte é cedida à fonte fria e outra parte pode não chegar a se converter, uma vez

que a combustão não é completa.

A potência efetiva do motor (PE) é diretamente proporcional à rotação, sendo

definida como o produto do torque (TO) pela velocidade angular do eixo(N), como

evidenciado na eq. 5.5.

(5.5)

A figura 17 relaciona a potência efetiva (W) com a velocidade do motor

(rev/min).

A figura 17 indica que o diesel convencional apresenta os maiores valores de

potência em relação à rotação. Em seguida aparecem os combustíveis BG20 e

BM20. Finalmente, os combustíveis BG50 e BM50 possuem os menores valores de

1000 1500 2000 2500 3000 3500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

Potê

ncia

efe

tiva (

W)

Rotação (rev/min)

Diesel

BG20

BG50

BM20

BM50

Figura 17 - Gráfico da potência efetiva em relação a rotação para os combustíveis em

análise.

49

potência em relação a rotação. Esses resultados estão de acordo com os

apresentados por Ali et al. (1995) que obtiveram uma queda de potência para

misturas com porcentagens de biodiesel acima de 20%. Também pode-se observar

que a discrepância nos valores de potência do motor para os combustíveis com

maiores índices de biodiesel é mais evidente em altas rotações.

Consumo específico de combustível (Ce) é um parâmetro utilizado para

comparar a transformação de combustível em trabalho (Obert, 1971). Este

parâmetro relaciona o consumo de combustível (Cc) com a potência efetiva (PE),

como mostrado pela equação 5.6 a seguir:

(5.6)

O gráfico da figura 18 representa a relação entre consumo específico de

combustível e a rotação do motor para cada combustível em estudo.

A análise da figura 18 indica que o diesel é o combustível com maior consumo

específico em relação à rotação do motor. Em seguida, BM50 e BG50 apresentam

os segundos maiores consumos específicos de combustível. Os combustíveis BM20

1000 1500 2000 2500 3000 3500

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

Co

nsum

o E

sp

ecíf

ico

de C

om

bustí

vel (K

g/K

Wh

)

Rotação (rev/min)

Diesel

BG20

BG50

BM20

BM50

Figura 18 - Gráfico da relação entre o consumo específico de combustível e a rotação do

motor para cada combustível em análise.

50

e BG20 apresentam os menores consumos específicos em relação à rotação do

motor. Este comportamento confere com o apresentado por Santos (2005). A figura

18 também permite a constatação de que o consumo especifico de combustível

tende a ser menor em altas rotações do que em baixas rotações. Esta tendência se

reproduz para todos os combustíveis estudados.

O motor diesel pode ser considerado uma máquina térmica e como tal nem

todo o calor é transformado em trabalho, uma vez que uma parte é cedida a fonte

fria e outra parte pode não chegar a se converter uma vez que a combustão não é

completa. A eficiência térmica (ET) pode ser definida pela razão da potência efetiva

(PE) pela potência teórica (PT), como mostrado na equação 5.7 a seguir:

(5.7)

A figura 19 ilustra a eficiência térmica em função da rotação do motor para os

combustíveis em estudo.

Figura 19 - Gráfico da relação entre a eficiência térmica e a rotação do motor para os


51

A análise da figura 19 permite observar que os combustíveis BG20 e BM20

possuem os maiores valores de eficiência térmica em relação à rotação. Em seguida

aparecem os combustíveis BG50 e BM50. Finalmente, o diesel comercial possui os

menores valores de eficiência térmica em relação à rotação. Este comportamento

pode ser explicado pelo fato do diesel possuir um maior consumo especifico de

combustível aliado a um poder calorífico maior do que o do diesel, resultando em um

menor rendimento térmico. Estes resultados conferem com os apresentados por

Santos (2005).

A relação ar-combustível pode ser definida como a razão entre a massa de

combustível e a massa de ar. O desempenho de um motor de combustão interna é

diretamente associado à quantidade de ar admitido e retido no interior dos cilindros,

pois, quanto mais ar é admitido, maior também será a quantidade de combustível a

ser adicionado e posteriormente oxidado

O gráfico da figura 20 indica a relação entre a razão de ar/combustível e a

rotação do motor para os combustíveis investigados.

A análise do gráfico sugere que dentre os combustíveis em estudo o diesel

convencional possui os menores valores de razão ar/combustível em relação à

rotação do motor. Os combustíveis BM50 e BG50 aparecem logo em seguida.

1000 1500 2000 2500 3000 3500

0

5

10

15

20

25

30

Ra

zã

o a

r/co

mb

ustí

vel

Rotação (rev/min)

Diesel

BG20

BG50

BM20

BM50

Figura 20 - Relação entre razão de ar/combustível e a rotação do motor para os combustíveis em estudo.

52

Enquanto os combustíveis BG20 e BM20 possuem os maiores valores de razão

ar/combustível.

As curvas características do motor diesel indicam que quando se prioriza a

potência, o diesel S10 é o combustível com melhores resultados. Porém os

combustíveis com maiores proporções de biodiesel apresentaram melhor eficiência

térmica. Dentre estes destaca-se os combustíveis com a proporção de 20% de

biodiesel em sua composição, que obtiveram os melhores resultados para eficiência

térmica. Os combustíveis com proporção de 50% de biodiesel em sua composição

possuem valores mais elevados de viscosidade cinemática, o que poderia explicar

os seus resultados inferiores aos dos combustíveis formados por 20% de biodiesel.

53


As amostras de fuligem foram coletadas diretamente a partir do fluxo de

gases de escape do motor e depositadas em lâminas de vidro para microscópio

óptico. As amostras foram coletadas em baixa rotação, 1800 rpm e em alta rotação,

3000 rpm para cada combustível em estudo. Foi realizada uma leitura de

espectroscopia Raman para um mínimo de três pontos de cada amostra. A figura 21

evidencia os espectros referentes aos pontos analisados na amostra de fuligem

proveniente da combustão de BM50 em alta rotação (3000 rpm).

A análise do gráfico da figura 21 sugere que os espectros das amostras de

fuligem praticamente se sobrepõem, ou seja, os espectros das amostras

apresentaram apenas pequenas diferenças em cada ponto analisado. Portanto,

pode-se dizer que as amostras de fuligem são praticamente homogêneas.

A análise das amostras foi realizada com a média dos espectros de cada

ponto das amostras. Os espectros foram investigados com o objetivo de avaliar a

750 1000 1250 1500 1750 2000

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Inte

nsid

ade N

orm

aliz

ada

Raman Shift (cm-1)

Figura 21 - Espectros referentes aos pontos analisados na amostra de fuligem proveniente da combustão de BM50 em alta rotação.

54

influência do combustível e da rotação do motor diesel nas variações estruturais da

fuligem proveniente da exaustão de motores diesel.

A figura 21 representa o espectro padrão para uma fuligem sem nenhum

ajuste teórico. O espectro de uma amostra típica de fuligem apresenta duas bandas

principais: uma banda conhecida como D em torno de 1360 cm-1 e uma banda G

característica de materiais grafíticos ao redor 1580-1600 cm−1(Xu et al., 2013).

Para a análise dos espectros foram utilizados os softwares OriginPro 8.632

bitse Peakfit. Os espectros foram deconvoluídos pelo ajuste que forneceu os

melhores resultados estatísticos. Alguns pesquisadores, dentre eles, Sadezky

(2005), Sheng (2007) e Seong e Boehman (2013) consideram que a combinação

de Lorentziana nas bandas D1, D4 e G com Gaussiana na banda D3 é capaz de obter

o melhor ajuste para o espectro de fuligem. Porém ainda não existe um consenso

claro entre os pesquisadores a respeito do ajuste mais adequado para os espectros

de materiais carbonáceos e o estabelecimento de um método confiável e

reprodutível para a decomposição dosespectros Raman é um dos maiores desafios

dessa técnica (Kouketsu, 2014). Foram testados quatro ajustes diferentes: as

bandas D1, D3, D4 e G ajustadas com Lorentziana, as bandas D1, D3, D4 e G

ajustadas com Gaussiana, a combinação entre Lorentziana nas bandas D1, D4 e G e

Gaussiana na banda D3, e, finalmente o ajuste com quatro bandas D1, D3, D4 e G

deconvoluidas por Voigt. Para este estudo o ajuste Voigt para as bandas D1, D3, D4

e G obteve os melhores parâmetros estatísticos, como o coeficiente de

determinação R2.

A função Voigt pode ser definida como a convolução das funções de

distribuição Lorentziana e Gaussiana. A distribuição Gaussiana também é conhecida

como função de distribuição normal. Esta função é tradicionalmente reconhecida

como uma ferramenta para modelagem de fenômenos multi-causais, devido aos

resultados do teorema do Limite Central. A distribuição Lorentziana também é

conhecida como função de distribuição Cauchy. Essa distribuição é encontrada

principalmente em espectroscopia e por vezes é referida como a forma natural de

uma linha espectral. Os efeitos que dão origem a uma forma de linha de Gaussiana

tendem a ser independentes das que dão origem a uma forma de Lorentziana.

(Golabczak e Konstantynowicz, 2009)

55

Os espectros de todas as amostras foram deconvoluídos tendo como

resultado quatro bandas: D1 em 1357 cm-1, D3 em 1526 cm-1, D4 em 1178 cm-1 e a

banda G em 1598 cm-1

. A figura 22 representa o espectro de Raman de BG20 em

alta rotação (3000 rpm) deconvoluído por Voigt.

A banda G em 1598 cm-1 está representada em azul no gráfico e é a principal

característica dos espectros dos materiais grafíticos. Essa banda está associada a

modos de vibração análogos ao do grafite e está relacionada com a vibração de

alongamentos de pares de átomos de carbono sp2. (Patel et al., 2012)

A banda D1 em 1357 cm-1 surge em carbonos mais desordenados e está

indicada no gráfico em rosa. Essa banda é resultante da quebra da simetria

hexagonal da rede do grafeno por heteroátomos, bordas ou defeitos de rede. (Russo

e Ciajolo, 2015)

A relação entre os picos D1 e G (ID1 / IG) pode ser utilizada para correlacionar

as estruturas de carbono dos materiais, tornando possível a análise quantitativa do

grau de desordem no material. (Russo e Ciajolo, 2015; Sadesky et al, 2005; Seong e

Boehman, 2013; Xu et al., 2013; Yan et al, 2005; Zaida et al.,2007)

750 1000 1250 1500 1750 20000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 Dados experimentais

Ajuste Teórico

D4

D1

D3

G

Inte

nsid

ad

e n

orm

aliz

ad

a (

a.

u.)

Raman Shift (cm-1)

Figura 22 - Espectro de Raman de uma amostra de fuligem de BG20 em alta rotação (3000 rpm) ajustado por Voigt.

56

A banda D3em 1526 cm-1está evidenciada em verde no gráfico. Essa banda

tem sua origem relacionada a fração de carbono sp2 amorfo da fuligem.(Patel et al.,

2012)

A banda D4 em 1178 cm-1 está representada em roxo no gráfico da figura 22.

Essa banda aparece apenas em materiais muito mal organizados, tais como fuligem

e o carvão. Sua origem pode ser atribuída a estruturas sp3 desordenadas ou

impurezas iónicas. (Sheng, 2007)

Após o ajuste e deconvolução do espectro da figura 22 por Voigt pode-se

observar que a banda D2 em aproximadamente 1620 cm-1 não foi detectada. Este

resultado se reproduziu para todas as amostras de fuligem provenientes dos

combustíveis em estudo. A banda D2ocorre devido à desordem nas estruturas

grafíticas e sua intensidade diminui com a o aumento do grau de organização.

(Minotolo et al., 2011) Estudos anteriores, relataram a natureza arbitrária e as

dificuldades em separar os picos G e D2.(Russo e Ciajolo, 2015; Seong e Boehman,

2013)

Após a deconvolução por Voigt, foi realizada uma análise das bandas D1, D3 e

D4. As razões ID1/IG, ID3/IG E ID4/IG foram calculadas para cada combustível em

estudo para o motor em alta (3000 rpm) e baixa rotação (1800 rpm) e os resultados

se encontram na tabela 3.

Tabela 3 - Razão entre as intensidades das bandas D e G para os combustíveis em análise

em alta e baixa Rotação.

ID1/IG ID3/IG ID4/IG

AR BR AR BR AR BR

Diesel S10

0,90 0,05

0,95 0,02

0,39 0,06

0,38 0,02 0,16 0,02 0,176 0,001

BG20

0,87 0,02

0,93 0,02 0,34 0,02 0,36 0,01 0,158 0,003 0,181 0,004

BG50 0,90 0,03 0,94 0,06 0,35 0,04 0,37 0,04 0,15 0,02

0,17 0,02

BM20

0,93 0,05

0,94 0,04 0,40 0,04 0,41 0,03 0,17 0,02

0,18 0,01

BM50

0,91 0,02

0,98 0,02 0,40 0,02 0,40 0,01 0,16 0,01 0,17 0,01

57

A partir dos dados da tabela 3, foi construído o gráfico da razão entre as

intensidades da banda D1 e G, ID1/IG, para as amostras de fuligem provenientes da

combustão dos combustíveis em estudo. Este gráfico está representado pela figura

23 e foi plotado com o eixo y truncado entre 0.8 e 1 para evidenciar as diferenças

entre as amostras.

A análise do gráfico da figura 23 indica que a razão entre as intensidades das

bandas D1 e G, ID1/IG, apresenta valores superiores para as amostras coletadas em

baixa rotação (1800 rpm) em relação as amostras coletadas em alta rotação (3000

rpm). Essa tendência se reproduziu para todos os combustíveis em estudo. A razão

ID1/IGé diretamente proporcional ao grau de desordem da estrutura do material.

Quanto maior ID1/IGmaior será a desordem da cadeia. Portanto, pode-se inferir que

que quando o motor diesel funciona em baixa rotação, aproximadamente 1800 rpm,

ele irá produzir uma fuligem com a estrutura mais desorganizada do que quando ele

estiver funcionando em alta rotação, aproximadamente 3000 rpm.

O gráfico da figura 23 também sugere uma diferença entre os combustíveis

com proporções de biodiesel de girassol e os combustíveis com proporções de

D G20 G50 M20 M50

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

I(D

1/G

)

Amostras

AR

BR

Figura 23 - Razão entre as intensidades das bandas D1e G para as amostras de fuligem

dos combustíveis em estudo.

58

biodiesel de macaúba. Independente da porcentagem de biodiesel no combustível,

pode-se observar que os combustíveis com biodiesel de macaúba apresentaram

resultados de ID1/IG maiores do que os combustíveis com biodiesel de girassol. Esse

resultado se manteve tanto em alta (3000 rpm) como em baixa rotação (1800 rpm).

Pode-se concluir que a matéria-prima do biodiesel influencia na estrutura da cadeia

da fuligem proveniente de sua queima. De acordo com estes resultados pode-se

afirmar que combustíveis com uma proporção de biodiesel de macaúba produzem

fuligens com a estrutura mais desorganizada do que combustíveis com uma

proporção de biodiesel de girassol.

Em relação à proporção de biodiesel adicionada no combustível, o gráfico da

figura 23 indica que houve algumas flutuações entre os valores de ID1/IG para as

amostras de fuligens provenientes de diesel, combustíveis com 20% de biodiesel e

combustíveis com 50% de biodiesel. Porém, o gráfico não evidencia nenhuma forte

tendência entre os valores de ID1/IG e a proporção de biodiesel no combustível. Os

resultados do gráfico sugerem que um aumento na proporção de biodiesel no diesel

comercial não afeta significativamente a desordem da estrutura da cadeia da

fuligem.

A figura 24 representa o gráfico da razão entre as intensidades das bandas D3

e G, ID3/IG, para as amostras de fuligem provenientes da combustão dos

combustíveis em análise. Este gráfico foi plotado a partir dos dados da tabela 3 e

seu eixo y varia entre 0.30 e 0.41 de forma a evidenciar as diferenças entre os

resultados das amostras.

59

A análise do gráfico da figura 24 indica que os combustíveis com

porcentagens de biodiesel de macaúba apresentaram os maiores valores para a

razão entre as intensidades das bandas D3 e G, ID3/IG. Esse resultado se reproduziu

tanto para baixa rotação (1800 rpm) como para alta rotação (3000 rpm). A razão

ID3/IG está relacionada com a presença de carbono amorfo na fuligem. Quanto maior

for o valor de ID3/IG, maior será a concentração de carbono amorfo na fuligem. Os

resultados do gráfico sugerem que a matéria-prima do biodiesel pode influenciar na

estrutura da fuligem. De acordo com os dados, o combustível com proporções de

biodiesel de macaúba apresentaram uma fuligem com maior concentração de

carbono amorfo.

O gráfico da figura 24 indica que o diesel convencional apresentou valores

superiores para a razão ID3/IG em alta rotação do que em baixa rotação. Enquanto os

combustíveis BG20, BG50 e BM20 apresentaram valores para a razão ID3/IG

menores em alta rotação em relação aos valores em baixa rotação. Finalmente, o

combustível BM50 apresentou praticamente o mesmo valor da razãoID3/IG tanto em

alta como em baixa rotação.A razão ID3/IG está relacionada com a concentração de

carbono amorfo no material. Valores mais altos de ID3/IG indicam concentrações mais

elevadas de carbono amorfo. As amostras de fuligem em estudo apresentaram

D G20 G50 M20 M50

0.30

0.32

0.34

0.36

0.38

0.40

I(D

3 / G

)

Amostras

AR

BR

Figura 24 - Gráfico da razão das intensidades das bandas D3 e G para as amostras

de fuligens em análise.

60

pequenas oscilações em relação a esta razão, não apresentando qualquer forte

tendência. Portanto, os resultados obtidos pela razão ID3/IG indicamque a uma maior

concentração de biodiesel, assim como a rotação do motor não afetam a estrutura

da fuligem em relação ao carbono amorfo.

A figura 25 apresenta o gráfico que representa a razão das intensidades das

bandas D4 e G, ID4/IG para as amostras de fuligem provenientes da combustão dos


O gráfico da figura 25 evidencia que as amostras de fuligens apresentaram

resultados ligeiramente superiores para a razão das bandas D4 e G, ID4/IG em baixa

rotação (1800 rpm) em relação aos valores em alta rotação (3000 rpm). Essa

tendência se reproduziu para as amostras de fuligem de todos os combustíveis

investigados.

A análise do gráfico da figura 25 indica que a razão ID4/IG não apresentou

diferenças significativas entre as amostras de fuligem dos combustíveis. Portanto,

através dos dados do gráfico, pode-se concluir que um aumento na concentração de

biodiesel no diesel assim como o tipo de biodiesel não afetam a razão ID4/IG das

amostras de fuligens.

D G20 G50 M20 M50

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

I(D

4 /

G)

Amostras

AR

BR

Figura 25 - Gráfico da razão da intensidade das bandas D4 e G para as amostras de

fuligens em análise.

61

6 CONCLUSÃO

O biodiesel é um combustível biodegradável, não-tóxico e renovável, sendo

uma alternativa aos combustíveis fósseis. Este biocombustível é compatível com a

estrutura de injeção de motores diesel, possui propriedades físico-químicas

semelhantes ao do diesel e pode ser misturado em diversas proporções ao

combustível convencional. A partir desse estudo pode-se observar que o aumento

do biodiesel para 20% no diesel comercial não afetaria significativamente as

propriedades físico-químicas do combustível que se manteve dentro da faixa

estabelecida para o diesel.

Após a análise físico-química dos combustíveis em estudo, foram realizados

os ensaios no motor diesel de quatro tempos e as curvas características do motor

foram plotadas.A análise das curvas características do motor sugerem que o diesel é

o combustível mais indicado quando se prioriza a potência do motor. Entretanto, os

combustíveis com maiores proporções de biodiesel apresentaram melhor eficiência

térmica. Dentre estes destaca-se os combustíveis com a proporção de 20% de

biodiesel em sua composição, que obtiveram os melhores resultados para eficiência

térmica. Uma possível explicação para os combustíveis com proporção de 50% de

biodiesel em sua composição apresentarem resultados inferiores aos dos

combustíveis com 20% de biodiesel reside no fato destes combustíveis

apresentarem valores mais elevados de viscosidade cinemática.

Após os ensaios dos combustíveis no motor diesel, foram coletadas amostras

de fuligem provenientes da queima dos combustíveis em alta (3000 rpm) e baixa

rotação (1800 rpm). As amostras de fuligem foram coletadas diretamente a partir do

fluxo de gases de escape do motor e depositadas em lâminas de vidro para

microscópio óptico para análise utilizando-se a espectroscopia Raman. As medições

foram realizadas no comprimento de onda 514 nm. Os dados foram analisados

através dos programas de software Peakfit e OriginLab. Os espectros foram

deconvoluídos por Voigttendo como resultado quatro bandas: D1 em 1357 cm-1, D3

em 1526 cm-1, D4 em 1178 cm-1 e a banda G em 1598 cm-1.

A análise da razão entre as intensidades das bandas D1e G (ID1/IG)

demonstrou que as amostras de fuligem que foram coletadas em baixa rotação

(1800 rpm) apresentaram valores maiores do que as amostras que foram coletadas

em alta rotação. Esta tendência se confirmou para todos os tipos de combustíveis

62

em estudo. Portanto, a estrutura da fuligem em uma rotação mais baixa,

aproximadamente 1800 rpm é mais desorganizada do que a estrutura da fuligem

proveniente do mesmo combustível em rotações mais altas (3000 rpm).

Os resultados da razão ID1/IGpara o diesel convencional, os combustíveis com

20% de biodiesel (BG20 e BM20) e os combustíveis com 50% de biodiesel (BM50 e

BG50) apresentaram algumas oscilações mas nenhuma forte tendência. Portanto,

pode-se concluir que o aumento da proporção de biodiesel no diesel comercial não

afeta significativamente o nível de desorganização da estrutura da fuligem.

A razão entre as intensidades das bandas D3 e G (ID3/IG) está relacionada

com a presença de carbono amorfo na amostra de fuligem. Quanto maior o valor de

ID3/IGmaior será a concentração de carbono amorfo na fuligem. Os resultados de

ID3/IGobtidos para as amostras de fuligem provenientes da queima dos combustíveis

em análise com o motor operando em baixa rotação (1800 rpm) e em alta rotação

(3000 rpm) apresentaram pequenas diferenças entre si e nenhuma tendência.

Portanto, os resultados obtidos pela razão ID3/IG indicamque a uma maior

concentração de biodiesel, assim como a rotação do motor não afetam a estrutura

da fuligem em relação ao carbono amorfo.

A razão entre as bandas D4 e G(ID4/IG) não apresentou diferenças

significativas entre as amostras de fuligem dos combustíveis. A análise dos

resultados de ID4/IGpara as amostras de fuligem provenientes da queima dos

combustíveis em estudo em alta (3000 rpm) e baixa rotação permitem concluir que a

concentração de biodiesel no diesel assim como o tipo de biodiesel não afetam a

razão ID4/IG das amostras de fuligens.

Atualmente a legislação brasileira garante a mistura de 7% de biodiesel no

diesel comercial. Os resultados obtidos com a análise físico-química dos

combustíveis em conjunto com os ensaios dos combustíveis no motor diesel e com a

análise da fuligem dos combustíveis através da espectroscopia Raman indicam que

a legislação brasileira poderia aumentar a concentração de biodiesel para 20% no

diesel comercial. O aumento da porcentagem de biodiesel no diesel está

relacionado com uma queda acentuada de emissão de materiais particulados e

fuligem. Essa redução na emissão de poluentes atmosféricos vem de encontro ao

apelo da população que está se conscientizando cada vez mais em relação aos

impactos ambientais resultantes da queima de combustíveis fosseis.

63

7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

1. Analisar a fuligem proveniente da combustão dos combustíveis diesel, mistura

de 20% de biodiesel e diesel e mistura de 50% de biodiesel e diesel utilizando

a técnica de espectroscopia de raios x por dispersão em energia (EDX ou

EDS). Esta técnica é bastante utilizada em análises elementares ou

caracterizações químicas de uma amostra.



o microscópio de varredura eletrônica (MEV).



a termogravitometria para medir a quantidade de carbono amorfo.

64

8 REFERÊNCIAS

[1] Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis, 2014. Disponível em:<http://www.anp.gov.br/?pg=73292&m=&t1=&t2=&t3=&t4=&ar=&ps=&1443092571542> Acesso em: Set 2015 [2] ALBUQUERQUE, M. H. de O. et al. Avaliação da estabilidade oxidativa de biodiesel metílico de girassol com adição de diferentes concentrações de BHT pelo método de Rancimat e PDSC. In: IV Congresso Brasileiro de Mamona e I Simpósio Internacional de Oleaginosas Energéticas,1. 2010, João Pessoa. Inclusão Social e Energia: Anais... Campina grande: Embrapa Algodão, 2010. p. 18-23.

[3] ALI, Y.; HANNA, M. A.; LEVITICUS, L. I. Emissions and power characteristics of diesel engines on methyl soybean and diesel fuel blends. Bioresource Technology 52, 185-195. [4] BARROS, T. D.; JARDINE, J. G. Girassol. Disponível em: <http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/agroenergia/arvore/CONT000fj1om7kf02wyiv802hvm3jaupb6fn.html> Acesso em: Out 2015 [5] BI, X.; QIAO, X.; LEE, C. F. Investigation about Temperature Effects on Soot Mechanisms Using a Phenomenological Soot Model of Real Biodiesel. Energy Fuels, 2013, 27, 5320-5331. [6] Biodiesel Disponível em:<http://www.mybiodiesel.com/biodiesel-history.php> Acesso em: Set 2015 [7] Biodiesel Saving the world one drop at a time Disponível em: <http://www.odec.ca/projects/2007/ardi7m2/history_biodiesels.html>Acesso em: Set 2015 [8] Biodiesel: Uma alternativa de combustível limpo Disponível em: <http://www.qnesc.sbq.org.br/online/qnesc31_1/11-EEQ-3707.pdf> Acesso em : Set 2015 [9] BIODIESELBR. História e Biodiesel. Disponível em: <http://www.biodieselbr.com/biodiesel/historia/biodiesel-historia.html> Acesso em: Set 2015

[10] BIODIESELBR. PróAlcool - Programa Brasileiro de Álcool. Disponível em: <http://www.biodieselbr.com/proalcool/pro-alcool/programa-etanol.html >Acesso em: Set 2015 [11] BOEHMAN, A. L.; SONG, J.; ALAM, M. Impact of Biodiesel Blending on Diesel Soot and the Regeneration of Particulate Filters. Energy Fuels. 2005, 19, 1857-1864. [12] Boletim mensal dos combustíveis renováveis Ministério de Minas e Energia Disponível em: <

http://www.anp.gov.br/?pg=73292&m=&t1=&t2=&t3=&t4=&ar=&ps=&1443092571542



http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/agroenergia/arvore/CONT000fj1om7kf02wyiv802hvm3jaupb6fn.html



http://www.mybiodiesel.com/biodiesel-history.php

http://www.odec.ca/projects/2007/ardi7m2/history_biodiesels.html

http://www.qnesc.sbq.org.br/online/qnesc31_1/11-EEQ-3707.pdf

http://www.biodieselbr.com/biodiesel/historia/biodiesel-historia.htm

http://www.biodieselbr.com/proalcool/pro-alcool/programa-etanol.htm

65

http://www.mme.gov.br/documents/1138769/1732805/Boletim+DCR+n%C2%BA+90+-+julho+de+2015.pdf/ad10d95e-033d-44ba-b062-0b3d47b30db9> Acesso em: Set 2015 [13] Boletim mensal dos combustíveis renováveis Ministério de Minas e Energia Disponível em: <http://www.mme.gov.br/documents/1138769/1732805/Boletim+DCR+n%C2%BA+97+-+mar%C3%A7o+de+2016.pdf/5a4bf34c-4654-4fc7-8ead-751bb5f1641e> Acesso em: Abril 2016

[14] Brasil Escola- Reação de transesterificação. Disponível em: <http://brasilescola.uol.com.br/quimica/reacoes-transesterificacao.htm> Acesso em: Julho 2016 [15] BRUNETTI , F. Motores de Combustão Interna : Volume 1 / São Paulo: Editora Blucher , 2012. [16] CAN, O. Combustion characteristics, performance and exhaust emissions of a diesel engine fueled with a waste cooking oil biodiesel mixture. Energy Conversionand Management vol. 87, p. 676–686, 2014. [17] CAN, O. Combustion characteristics, performance and exhaust emissions of a diesel engine fueled with a waste cooking oil biodiesel mixture. Energy Conversion and Manegement. 2014, 87, 676-686. [18] CÉSAR, A. S. et al. The prospects of using Acrocomia aculeata (macaúba) a non-edible biodiesel feedstock in Brazil. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015, 49, 1213–1220. [19] COSTA, F. Produção de biodiesel deve crescer 25% no Brasil em 2015, 2015. Disponível em: <http://www.abiove.org.br/site/_FILES/Portugues/09042015-144802-09_04_2015_-_zero_hora.pdf> Acesso em: Set 2015 [20] DIKIO, E. D. Morphological Characterization of Soot from the Atmospheric Combustion of Diesel Fuel. Int. J. Electrochem. Sci. 2011, 6, 2214-2222. [21] ESANGBEDO, C.; BOEHMAN, A. L.; PEREZ, J. M. Characteristics of diesel engine soot that lead to excessive oil thickening. Tribology International. 2012, 47, 194-203. [22] FANG, T. et al. Biodiesel combustion in an optical HSDI diesel engine under low load premixed combustion conditions. Fuel 2009, 88, 2154−2162. [23] FANG, T. et al. Reducing NOx emissions from a biodiesel-fueled engine by use of low-temperature combustion. Environ. Sci. Technol. 2008, 42, 8865−8870. [24] FANG, T.; LEE, C. F. Bio-diesel effects on combustion processes in an HSDI diesel engine using advanced injection strategies. Proc. Combust. Inst. 2009, 32, 2785−2792.

http://www.mme.gov.br/documents/1138769/1732805/Boletim+DCR+n%C2%BA+97+-+mar%C3%A7o+de+2016.pdf/5a4bf34c-4654-4fc7-8ead-751bb5f1641e



http://www.abiove.org.br/site/_FILES/Portugues/09042015-144802-09_04_2015_-_zero_hora.pdf

http://www.abiove.org.br/site/_FILES/Portugues/09042015-144802-09_04_2015_-_zero_hora.pdf

66

[25] FRIEDRICH, A. Characterization of soot particles from diesel engines and tin dioxide particles milled in stirred media mills. Doctoral Thesis, Erlangen-Nürnberg University, January 2012. [26] GAMA, P. E.; SAN GIL, R. A. S.; LACHTER, E. R. Produção de biodiesel através de transesterificação in situ de sementes de girassol via catálise homogênea e heterogênea. Química Nova, São Paulo, Vol. 33, No. 9, 2010. [27] GEORGE, S. et al. Effect of diesel soot on lubricant oil viscosity. Tribology International. 2007, 40, 809-818. [28] GHEST, G. F et al. FT-Raman Spectroscopy Quantification of Biodiesel in a Progressive Soybean Oil Transesterification Reaction and Its Correlation with H NMR Spectroscopy Methods. Energy & Fuels An American Chemical Society Journal, vol. 21, n 5, 2007. [29] GLASSMAN, I.: Combustion (Third edition). Academic Press, San Diego, 1996 [30] GOLABCZAK, M. e KONSTANTYNOWICZ, A. Raman spectra evaluation of the carbon layers with Voigt profile. Journal of Achieviments in Materials and Manufacturing Engineering, 2009, 37. [31] JING, W. et al. Measurements of soot temperature and KL factor for spray combustion of biomass derived renewable fuels. Energy. 2015, 91, 758-771. [32] KIM, K. H. et a.l Characteristics of atmospheric elemental carbon (char and soot) in ultrafine and fine particles in a roadside environment, Japan. Aerosol Air Qual. Res. 2011, 11, 1−12. [33] KNOTHE, G.; GERPEN, J. V.; KRAHL, J.; RAMOS, L. P. Manual de biodiesel: 1ªedição/ São Paulo: Editora Blucher, 2006. [34] KOUKETSU, Y. et al. A new approach to develop the Raman carbonaceous material geothermometer for low-grade metamorphism using peak width. Island Arc, 2014, 23, 33-50. [35] LAPUERTA, M. et al. Effect of fuel on the soot nanostructure and consequences on loading and regeneration of diesel particulate filters. Combust. Flame. 2012, 159, 844-853. [36] LAPUERTA, M., RODRÍGUEZ-FERNANDEZ, J.; OLIVA, F. Effect of soot accumulation in a diesel particle filter on the combustion process and gaseous emissions. Energy. 2012, 47, 543-552. [37] LAPUERTA, M.; ARMAS, O.; RODRÍGUEZ-FERNANDEZ, J. Effect of biodiesel fuels on diesel engine emissions. Prog. Energy Combust. Sci.2008, 34, 198–223.

67

[38] , V.; CHIRON, M.; JOUMARD, R. Developing an indicator for the chronic health impact of traffic-related pollutant emissions. Environ. Impact Assess. 2013, 38, 35−43. [39] LI, X.; HAYASHI, J.; LI, C. FT-Raman spectroscopic study of the evolution of char structure during the pyrolysis of a Victorian brown coal. Fuel. 2006, 85, 1700-1707. [40] LIU, H. et al. Combustion Characteristics and Soot Distributions of Neat Butanol and Neat Soybean Biodiesel. Energy Fuels. 2011, 25, 3192-3203. [41] LÔBO , I, P. e FERREIRA , S. L. C. Biodiesel : Parametros de qualidade e métodos analíticos . Quimica Nova, 2009, 32, 6, 1596-1608. [42] LONG, D. A. The Raman effect: A unified treatment of the theory of Raman scattering by molecules, John Wiley and Sons, 2002. [43] LOPES, D.C. et al. Economic feasibility of biodiesel production from Macauba in Brazil. Energy Economics. 2013, 40, 819–824.

[44] MENEGHETTI, S.M. P. et al.A Reação de Transesterificação, Algumas Aplicações e Obtenção de Biodiesel. Revista Virtual de Química. 2013, 5 (1), 63-73. [45] MILLO, F.et al. Impact on vehicle fuel economy of the soot loading on diesel particulate filters made of different substrate materials. Energy. 2015, 86, 19-30. [46] MINOTOLO, P. et al. Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) of particles produced in premixed flame across soot threshold. Proc. Combust. Inst. 2011, 33, 649-657. [47] MIRANDA, A. M. et al. Line shape analysis of the Raman spectra from pure and mixed biofuels esters compounds. Fuel. 2014, 115, 118-125. [48] MOURA, L. G. Perfis de espalhamento Raman ressonante em estruturas unidimensionais de carbono: cadeias lineares e nanotubos quiralmente enriquecidos. 2011. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal de Minas Gerais.

[49] OBERT, E. F. Motores de combustão interna. Editora Globo, Porto Alegre, 1971. [50] PATEL, M. et al. Morphology,structure and chemistry of extracted diesel soot—Part I: Transmission electronmicroscopy, Raman spectroscopy, X-rayphotoelectron spectroscopy and synchrotron X-ray diffraction study. Tribology International. 2012, 52, 29-39. [51] PATEL, M.; ASWATH, P. B. Morphology, structure and chemistry of extracted diesel soot: Part II: X-ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy and high resolution transmission electron microscopy. Tribology International. 2012, 52, 17-28.

68

[52] PIRES, T. P. et al. Ecophysiological traits of the macaw palm: a contribution towards the domestication of a novel oil crop. Ind Crops Prod 2013; 44:200–10.

[53] QUESSADA, T. P. et at. Obtenção de biodiesel a partir de óleo de soja e milho utilizando catalisadores básicos e catalisador ácido. ENCICLOPÉDIA BIOSFERA, Centro Científico Conhecer - Goiânia, Vol.6, N 11; p. 1, 2010 [54] Renishaw. Disponível em: <www.renishaw.com> Acesso em: Abril 2016 [55] ROY, M.M.; WANG, W.; ALAWI, M. Performance and emissions of a diesel engine fueled by biodiesel–diesel, biodiesel–diesel-additive and kerosene–biodiesel blends. Energy Conversion and Management 20014, 84, 164–173. [56] RUSSO, C.; CIAJOLO, A. Effect of the flame environment on soot nanostructure inferred by Raman spectroscopy at different excitation wavelengths. Combust. Flame. 2015, 162, 2431-2441. [57] SADEZKY, A. et al. Raman microspectroscopy of soot and related carbonaceous materials: Spectral analysis and structural information. Carbon. 2005, 43, 1731- 1742. [58] SANTOS, A. P. F. Desenvolvimento de métodos para separação e identificação do biodiesel e/ou óleo vegetal no óleo diesel e de aditivos em combustíveis. Rio de Janeiro, 2012. Dissertação – Escola de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2012.

[59] SANTOS, R. F. E. Análise experimental do desempenho e da combustão de um motor de ignição por compressão alimentado por uma mistura ternária de combustíveis - diesel, biodiesel e etanol. Tese (doutorado em Engenharia Mecânica) – Escola de Engenharia de São Carlos - Universidade de São Paulo, 2005. [60] SEONG, H. J.; BOEHMAN, A. L. Evaluation of Raman Parameters Using Visible Raman Microscopy for Soot Oxidative Reactivity. Energy Fuels. 2013, 27, 1613-1624. [61] SHENG, C. Char structure characterised by Raman spectroscopy and its correlations with combustion reactivity. Fuel. 2007, 86, 2316-2324. [62] SILVA, L. N. et al. Synthesis and characterization of esters from different alcohols using Macauba almond oil to substitute diesel oil and jet fuel. Fuel. 2016, 166, 453–460. [63] SILVA, P. R. F.; SANGOI, L. Época da semeadura em girassol: I. Efeitos no rendimento de grãos, componentes do rendimento, teor de e rendimento de óleo. Lavoura Arrozeira, v. 38, n. 361, p. 20-27, 1985 [64] SMIDELER, O. J. O Girassol como alternativa de combustível Disponível em: <http://www.agrisustentavel.com/artigos/girassol.htm> Acesso em: Out 2015

http://www.renishaw.com/

http://www.agrisustentavel.com/artigos/girassol.htm

69

[65] SOUZA, G.K. et al. Synthesis of ethyl esters from crude macauba oil (Acrocomia aculeata) for biodiesel production. Fuel. 2016, 165, 360–366. [66] SOUZA, R. E. de. O Biodiesel em m contexto histórico mundial e nacional: um estudo do processo produtivo e da viabilidade de produção. 2007. Monografia para obtenção do título de Bacharel em Ciências Econômicas. Departamento de Economia. Faculdade do Norte Pioneiro- FANORPI, Santo Antônio da Platina, 2007. [67] TURNS, S. R. An Introdution to Combustion: Concepts and Applications. second edition, McGraw-Hill, p. 343, 2000. [68] VENTURA, D. A. M. F.; ALVES, K. B.; DOS SANTOS, M. K. V. A. Análise comparativa entre o biodiesel de girassol e o biodiesel de mamona. In: IV Congresso Brasileiro de Mamona e I Simpósio Internacional de Oleaginosas Energéticas,1. 2010, João Pessoa. Inclusão Social e Energia: Anais... Campina grande: Embrapa Algodão, 2010. p. 7-12. [69] VILLAMIZAR, S. M. G. Caracterização de carotenóides e lipídeos de microalgas in-vivo utilizando espectroscopia Raman. 2013. Dissertação (Mestrado) – Escola Politécnica, Universidade Federal da Bahia, Salvador, 2013. [70] WAL, R. L. V. et al. Study of diesel soot collected from diesel particulate filters. Carbon. 2007, 45, 70-77. [71] WAL, R. L. V.; TOMASEK, A. J. Soot nanostructure: dependence upon synthesis conditions. Combust. Flame. 2004, 136, 129-140.

[72] WANG, X. et al. Diesel engine gaseous and particle emissions fueled with diesel−oxygenate blends. Fuel 2012, 94, 17−323. [73] WU, Huawen et al. In vivo lipidomics using single-cell Raman spectroscopy. PNAS, vol.108, n 9, p. 3809-3814, 2011. [74] XIAO, M. et al. Experimental and Numerical Investigation on Soot Behavior of Soybean Biodiesel under Ambient Oxygen Dilution in Conventional and Low-Temperature Flames. Energy Fuels. 2014, 28, 2663-2676. [75] XU, Z. et al. Characteristics of Exhaust Diesel Particles from Different Oxygenated Fuels. Energy Fuels. 2013, 27, 7579-7586. [76] YAN, S. et al. Study of the Evolution of Soot from Various Fuels. Energy Fuels. 2005, 19, 1804-1811. [77] YOON, S. H.; SUH, H. K.; LEE, C. S. Effect of spray and EGR rate on the combustion and emission characteristics of biodiesel fuel in a compression ignition engine. Energy Fuels 2009, 23, 1486–1493. [78] ZAIDA, A. et al. Further development of Raman Microprobe spectroscopy for characterization of char reactivity. Proc. Combust. Inst. 2007, 31, 1881-1887.

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