Estudo Sobre a Utilização de Óleos de Origem Vegetal Em Motores Diesel n Modificados

7/25/2019 Estudo Sobre a Utilizao de leos de Origem Vegetal Em Motores Diesel n Modificados

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Estudo sobre a utilizao de leos de origem vegetal em

motores diesel no modificados

Rafael Lozano Espasandin

Tese de fim de curso do

Mestrado Integrado em Engenharia Mecnica

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Realizada na

Universidade Tcnica de Liberec

Orientador na FEUP: Professor Doutor Jos Manuel Ferreira Duarte

Orientador na TUL: Ph.D. Michal Vojtisek-Lom

Porto

Janeiro de 2011


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Estudo sobre a utilizao de leos de origem vegetal em motores diesel

Tese de fim de curso de

Rafael Lozano Espasandin

Realizada sob a superviso do Professor Doutor

Jos Manuel Ferreira Duarte

e do engenheiro Ph.D

Michal Vojtisek-Lom

Departamento de Engenharia Mecnica

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto


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Aos meus pais e av


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Resumo

Devido crescente preocupao com a eminente escassez dos combustveis fsseis e aos

problemas ambientais provenientes da sua utilizao, cada vez mais pesquisadores tm direcionado

seus esforos na busca de fontes energticas renovveis e que sejam menos nocivas ao meio

ambiente. Neste cenrio, os leos de origem vegetal tm se mostrado promissores para seremutilizados em motores diesel. Entretanto, sua elevada viscosidade um entrave para uma

combusto eficiente, levando a perda de desempenho, aumento das emisses, avarias no motor, etc.

As trs formas conhecidas de se reduzir a viscosidade so: Transformao em biodiesel,

aquecimento e mistura com combustveis menos viscosos.

Este trabalho descreve os experimentos realizados em um motor Cummins ISBe4 185,

130 kW, 4,5 litros, sistema de injeo Bosch Common Rail, equipado com um sistema bi-

combustvel com aquecimento no tanque e no filtro de combustvel, utilizando como combustveis

leo de colza aquecido a diferentes temperaturas, mistura com 50% de diesel e 50% de leo de

colza aquecida, biodiesel e suas misturas B10, B30 e B50. Os resultados mostram uma perdadesprezvel de desempenho com a utilizao das misturas B10 e 50% diesel-OC e uma reduo

moderada (cerca de 10%) para os demais combustveis. Um aumento no consumo

visto para todos os combustveis. Um ligeiro aumento nas emisses de NOX, acompanhado de

uma reduo nas emisses de CO foi verificado para todos os regimes, exceto em vazio. Um

aumento nas emisses totais de partculas tambm foi presenciado, principalmente devido as

partculas de at aproximadamente 15 nm.

Ensaios adicionais foram realizados em um motor Zetor 1505, 90 kW, 4,2 litros, sistema de

injeo totalmente mecnico, equipado com um sistema bi-combustvel, objetivando o estudo da

influncia da temperatura do combustvel sobre o torque mximo e a comparao com a mesmainfluncia exercida em sistemas de injeo do tipo Common Rail (Cummins). Foi observado que

apesar das diferenas, o aumento da temperatura de injeo do combustvel causa uma diminuio

no torque mximo em ambos os sistemas e que essa diminuio foi devida basicamente a mesma

causa.

Palavras chave: leo vegetal, biodiesel, leo diesel, Common Rail, combustveis alternativos.


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Abstract

Due to the growing concern about the imminent depletion of fossil fuel and environment

problems arising from their use, researchers have increasingly focused their efforts on finding

renewable and less harmful to the environment fuel sources. In this scenario, vegetable oil has

shown promise for use in diesel engines. However, its high viscosity is an obstacle to efficientcombustion, leading to loss of performance, increased emissions, engine damage, etc. The three

known ways of reducing the viscosity are conversion in biodiesel, heating and blending with less

viscous fuels.

This work reports on laboratory experiments carried on a 130-kW, 4,5-liter Cummins ISBe4

engine with a Bosch Common Rail injection system, fitted with an auxiliary heated secondary

fueling system, and operated on fuel-grade rapeseed oil heated to different temperatures, 50%

blend of RO-diesel also heated, biodiesel and its blends B10, B30 and B50. The results show

almost no decrease in maximum torque for blends B10 and 50% blend of RO-diesel and only a

moderate (around 10%) decrease in maximum torque for all the other fuels. An increase in fuelconsumption is seen for all fuels. A slight increase in NOxemissions, followed a decrease in CO

emission was seen for all regimes, except for idle. An increase in total particulate emissions were

also seen, mainly because particles of size approximately 15 nm.

Further experiments were carried on a tractor engine Zetor 1505, 90kW, 4,2-liter with a fully

mechanic controlled injection system, equipped with a dual fuel system, which aimed the study of

the fuel temperature influence on maximum torque and the comparison to the same influence

exerted on a Common Rail injection system. It was observed that despite differences, the increase

in fuel temperature caused a decrease in peak torque in both systems and this was due primarily to

the same cause.

Keywords: Vegetable oil, biodiesel, diesel fuel, diesel engine, renewable fuel.


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Agradecimentos

Embora este seja um trabalho individual, sem a ajuda de algumas pessoas que estiveram

presentes ao longo dos ltimos quatro anos, a sua realizao jamais seria possvel. Por esse motivo,

gostaria de expressar a minha sincera gratido:

Ao meu orientador na TUL, Eng. Ph.D Michal Vojtek-Lom, pela oportunidade mpar que me

foi concedida de fazer parte de sua equipe de pesquisas nesse novo e fascinante campo dos leos

vegetais combustveis. Gostaria de agradecer tambm por toda pacincia, disponibilidade e apoio

na realizao deste trabalho.

Ao meu orientador na FEUP, professor Doutor Eng. Jos Ferreira Duarte pela sua disposio,

boa vontade e apoio a idia da realizao deste trabalho em uma instituio estrangeira. Queria

agradecer tambm pela dedicao prestada e conhecimento transmitido ao longo da cadeira

Sistemas de Propulso e Suspenso Automvel e, em especial, na fase de realizao e apresentao

da tese de fim de curso.

Aos meus professores e funcionrios da FEUP pelo excelente servio prestado, que fazem com

que esta faculdade seja um exemplo de organizao e qualidade; e propicie aos seus alunos uma

slida e conceituada formao.

A Suzi Lozano, minha me, por todo carinho, apoio e por nunca ter me deixado faltar nada ao

longo desses quatro anos que vivi fora de casa para a realizao desse curso.

Por fim, dedico este trabalho a duas pessoas que foram grandes entusiastas e incentivadores

dessa carreira, mas que infelizmente, j no se fazem mais presentes nesse mundo. Jos Maria

Espasandin Farina e Eny da Silva Lozano, onde quer que vocs estejam, podem ficar orgulhosos

pelo fato que o vosso Rafael chega ao fim deste curso, momento to aguardado por vocs... Estareispara sempre em minha memria e no meu corao.

O trabalho experimental foi financiado pela Fundao Tcheca de Cincias, projeto no.

101/08/1717: Otimizao da combusto de leos vegetais em motores diesel.


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Acknowledgements

Although this is an individual work, without the help of some people who have been present

over the past four years, its realization would never be possible. Therefore, I would like to thanks:

My advisor in TUL, Ph.D. Michal Vojtek-Lom for the unique opportunity given to me to be

part of his research team, in this new and fascinating field of vegetable oil fuels. Also many thanks

for all patience, availability and support in this work.

My supervisor in FEUP, Professor Dr. Eng Jos Ferreira Duarte for his willingness and support

to the idea of this work be done in a foreign institution. I also want to thanks for the teachings in

the subject Suspension and Motorized Systems and, in particular, for the help during the

elaboration and presentation of this thesis.

My professors and the FEUP staff for their excellent services that make this college a model of

organization and quality; and provide to its students a strong and reputable academic training.

Suzi Lozano, my mother, for the endearment and all support provided during this time Ivebeen living away from home due to the Mechanical Engineering course.

Finally, I dedicate this work to two people who were the most enthusiastic of this career, but

sadly, are no longer in this world. Jos Maria Espasandin Farina and Eny da Silva Lozano,

wherever you are, you can be proud of the fact that your Rafael has achieved the end of this course,

long awaited moment for you You will be forever in my mind and in my heart.

The experimental work was funded by the Czech Foundation of Sciences, project no.

101/08/1717: Optimization of combustion of vegetable oils in diesel engines.


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ndice

Resumo .............................................................................................................................................. v

Abstract ........................................................................................................................................... vii

Agradecimentos ............................................................................................................................... ix

Acknowledgements .......................................................................................................................... xi

ndice de figuras ........................................................................................................................... xvii

ndice de tabelas ............................................................................................................................ xxi

Abreviaturas e Smbolos ............................................................................................................. xxiii

Introduo ......................................................................................................................................... 1

1.1 Perspectiva histrica da utilizao dos leos vegetais ....................................................... 21.2 Benefcios da utilizao de leos vegetais ......................................................................... 6

1.2.1 Questes ambientais ............................................................................................... 6

1.2.2 Eficincia ................................................................................................................ 6

1.2.3 Emisses de CO2.................................................................................................... 6

1.2.4 Questes econmicas ............................................................................................. 7

1.2.5 Questes geopolticas ............................................................................................. 8

1.3 Contexto e objetivos ........................................................................................................... 9

1.4 Estrutura da dissertao .................................................................................................... 10

Reviso bibliogrfica ...................................................................................................................... 11

2.1 Constituio molecular dos leos ..................................................................................... 12

2.1.1 Similaridades entre os leos vegetais, biodiesel e diesel mineral ........................ 13

2.2 cidos graxos e diferenas entre os leos vegetais .......................................................... 14

2.2.1 Cadeia de carbono ................................................................................................ 14

2.2.2

Ligaes duplas .................................................................................................... 14

2.3 Poder calorfico ................................................................................................................ 16


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2.3.1 Influncia sobre o consumo e potncia ................................................................ 16

2.4 Viscosidade ...................................................................................................................... 17

2.4.1 Problemas relacionados com a viscosidade .......................................................... 17

2.4.2 Formas de diminuir a viscosidade ........................................................................ 18

2.4.3 Temperatura ideal ................................................................................................. 18

2.4.4 Convergncia da viscosidade ............................................................................... 19

2.5 Retardo de ignio ............................................................................................................ 20

2.5.1 Efeitos do retardo de ignio ................................................................................ 21

2.5.2 Retardo de ignio e insaturao .......................................................................... 21

2.6 Densidade ......................................................................................................................... 22

2.7 Mdulo de compressibilidade .......................................................................................... 22

2.7.1 Influncias da temperatura e presso no mdulo de compressibilidade ............... 23

2.8 Calor especfico ................................................................................................................ 23

2.9 Lubricidade ....................................................................................................................... 23

2.10 Solvncia ...................................................................................................................... 24

2.11 Pontos de Nvoa e de Fluidez ...................................................................................... 25

2.12 Ponto de fulgor ............................................................................................................. 25

2.13 Ponto de auto-ignio ................................................................................................... 26

2.14 Razo estequiomtrica ar/combustvel ......................................................................... 26

2.15 Processos de degradao dos leos vegetais ................................................................ 26

2.15.1 Oxipolimerizao ................................................................................................. 26

2.15.2 Hidrlise ............................................................................................................... 29

2.15.3 Polimerizao trmica .......................................................................................... 31

2.15.4 gua ..................................................................................................................... 31

2.16 Depsitos de carbono ................................................................................................... 32

Procedimento experimental ........................................................................................................... 33

3.1 Motor ................................................................................................................................ 34

3.1.1 Cummins ISBe4 185 ............................................................................................ 34

3.1.2 Zetor 1505 ............................................................................................................ 35

3.2 Sistemas bi-combustvel ................................................................................................... 36

3.2.1 Cummins ISBe 4 185 ........................................................................................... 36

3.2.2 Zetor 1505 ............................................................................................................ 37

3.3 Dinammetro .................................................................................................................... 39


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3.4 Controle da clula............................................................................................................. 40

3.4.1 Posio e velocidade ............................................................................................ 40

3.4.2 Torque e velocidade ............................................................................................. 40

3.4.3 Software de controle ............................................................................................. 41

3.5 Ciclo de teste .................................................................................................................... 42

3.5.1 ESC ...................................................................................................................... 42

3.5.2 WHSC .................................................................................................................. 43

3.6 Medio de emisses ........................................................................................................ 45

3.6.1 Analisador infravermelho nodispersivo (NDIR) .............................................. 45

3.6.2 Detector de quimiluminescncia (CLD) ............................................................... 46

3.6.3 Detector de ionizao de chama (FID) ................................................................. 46

3.6.4 Mtodo gravimtrico ............................................................................................ 47

3.6.5 Analisador de partculas por mobilidade eltrica (EEPS) .................................... 47

3.7 Medio do consumo de combustvel .............................................................................. 48

3.8 Combustveis .................................................................................................................... 49

Resultados ....................................................................................................................................... 51

4.1 Desempenho ..................................................................................................................... 52

4.1.1 Diesel, biodiesel puro e misturas de biodiesel e leo diesel ................................. 52

4.1.2 Diesel e mistura de 50% de leo diesel e 50% de leo de colza .......................... 53

4.1.3 Diesel e leo de colza a diferentes temperaturas .................................................. 55

4.1.4 Diesel, biodiesel e leo de colza a diferentes temperaturas ................................. 58

4.1.5 Comparao dos resultados .................................................................................. 60

4.1.6 Efeito da temperatura do combustvel sobre um sistema de injeo em linha ..... 62

4.2 Consumo e eficincia ....................................................................................................... 63



4.2.3 Diesel, biodiesel e leo de colza .......................................................................... 66

4.2.4 Comparao dos resultados .................................................................................. 67

4.3 Emisses de partculas ..................................................................................................... 68


4.3.2 Diesel, biodiesel e leo de colza a diferentes temperaturas ................................. 70

4.4 Emisses de gases ............................................................................................................ 73



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Discusso ......................................................................................................................................... 75

Concluso ........................................................................................................................................ 77

Referncias e Bibliografia .............................................................................................................. 79


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ndice de figuras

Figura 1Produo dos principais tipos de leos vegetais em 2009/10 ........................................... 3

Figura 2Crescimento da utilizao de leos vegetais para a produo de biocombustveis .......... 4

Figura 3Utilizao de leos vegetais para a produo de biocombustveis por pas produtor. ...... 4

Figura 4Produo por hectare dos principais leos vegetais. ......................................................... 5

Figura 5Representao do ciclo do carbono................................................................................... 6

Figura 6 Representao de um triglicerdeo e de seus elementos formadores (Glicerina e cido

graxo). .............................................................................................................................................. 12

Figura 7Reagentes e produtos da reao de transesterificao. ................................................... 13

Figura 8 Similaridade molecular entre uma molcula de leo diesel (Cetano) e um cido graxo

tpico. ................................................................................................................................................ 13

Figura 9Representao da disposio mais dispersa dos triglicerdeos nos leos de oliva e maiscompacta na manteiga/banha de porco. ............................................................................................ 15

Figura 10Influncia da temperatura na viscosidade de diversos leos vegetais........................... 19

Figura 11 Relao entre o nmero de cetano e o ndice de iodo de diferentes leos vegetais

baseados na Tabela 1. A tendncia quanto maior for o ndice de iodo (Insaturao) menor seja o

nmero de cetano (Maior atraso da ignio). ................................................................................... 21

Figura 12Influncia da temperatura e presso no mdulo de compresso dos leos vegetais. .... 23

Figura 13 Relao entre os pontos de nvoa e fluidez e o ndice de iodo de diferentes leos

vegetais baseados na Tabela 1. A tendncia que quanto maior for o ndice de iodo (Insaturao)menor sejam os pontos de nvoa e fluidez. ...................................................................................... 25

Figura 14leo lubrificante contaminado por um leo vegetal polimerizado. .............................. 27

Figura 15Taxa da reao de oxipolimerizao, formao de perxidos e aumento da viscosidade.

.......................................................................................................................................................... 29

Figura 16Reao de hidrlise e formao de di e monoglicerdeos e cidos graxos livres.......... 30

Figura 17 Decrscimo exponencial e convergncia das viscosidades do leo vegetal reciclado e

fresco. . ............................................................................................................................................. 31

Figura 18Depsitos de carbono nos injetores e vlvulas. ........................................................... 32


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Figura 19Componentes da clula de ensaio do laboratrio de motores da Universidade Tcnica

de Liberec. ........................................................................................................................................ 33

Figura 20Foto do motor Cummins ISBe 185 utilizado nos experimentos feitos no laboratrio de

motores da Universidade Tcnica de Liberec. ................................................................................. 34

Figura 21 Foto do motor Zetor 1505. Laboratrio de motores da Universidade Tcnica deLiberec. ............................................................................................................................................. 35

Figura 22Diagrama do sistema bi-combustvel instalado no motor Cummins ISBe4.................. 36

Figura 23Vlvula eltrica 3 orifcios e duas posies Greasecar e bomba auxiliar Facet utilizadas

no sistema bi-combustvel do motor Zetor 1505. ............................................................................. 37

Figura 24Diagrama do sistema bi-combustvel instalado no motor Zetor 1505. ......................... 38

Figura 25Princpios de funcionamento de um dinammetro hidrulico: (a) seo longitudinal do

dinammetro; (b) viso do rotor ....................................................................................................... 39

Figura 26Formas de controle da clula de ensaio. (a) Posio, velocidade (b) Torque, velocidade........................................................................................................................................................... 40

Figura 27Programa utilizado para o controle e aquisio de dados do motor Cummins ISBe4. . 41

Figura 28Mtodo para o clculo das velocidades e cargas do ciclo de teste ESC. ....................... 43

Figura 29 Da esquerda para a direita: Banca com o NDIR, CLD e FID; EEPS; Banca para o

ensaio gravimtrico com o lugar dos filtros em detalhe. Laboratrio de motores da Universidade

Tcnica de Liberec. .......................................................................................................................... 45

Figura 30Esquema da medio de gases em um instrumento NDIR............................................ 45

Figura 31Esquema de um detector FID. ....................................................................................... 46

Figura 32Esquema de funcionamento do EEPS modelo 3090 da TSI. ........................................ 47

Figura 33Mtodo utilizado para a medio da massa de combustvel consumida. ...................... 48

Figura 34Valores de torque e rpm obtidos ao longo do ciclo de teste ESC (European Stationary

Cycle) em ensaios realizados utilizando leo diesel, biodiesel puro e diferentes misturas entre esses

dois combustveis. ............................................................................................................................ 53


Cycle) em ensaios realizados com leo diesel e mistura de 50% diesel e 50% de leo de colza. ... 54

Figura 36Influncia da temperatura sobre o torque mximo obtido com leo de colza e mistura

de 50% leo de colza50% leo diesel em um sistema de injeo do tipo Common Rail. ........... 55

Figura 37Torque, rpm e temperatura. Ciclo de teste ESC (European Stationary Cycle). ............ 56

Figura 38Valores de torque e rpm obtidos ao longo do ciclo de teste WHSC (World Harmonized

Sationary Cycle) em ensaios realizados utilizando leo diesel e leo de colza a diferentes

temperaturas. .................................................................................................................................... 57

Figura 39 Influncia da temperatura sobre o torque mximo obtido com leo de colza em um

sistema de injeo do tipo Common Rail. ........................................................................................ 58


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Cycle) em ensaios realizados utilizando leo diesel, biodiesel e leo de colza a diferentes

temperaturas. .................................................................................................................................... 60

Figura 41Comparao dos resultados obtidos em todos os ciclos de teste. ................................. 61

Figura 42 Influncia da temperatura sobre o torque mximo obtido com leo de colza em umsistema de injeo mecnico em linha. ............................................................................................ 62

Figura 43Consumo acumulado e instantneo verificado para o diesel e 50% Diesel-OC (Ciclo de

teste ESC). ........................................................................................................................................ 63

Figura 44Consumo instantneo e presso no CR verificados para o diesel e OC a diferentes temp

(Ciclo WHSC). ................................................................................................................................. 64

Figura 45 Consumo instantneo e acumulado verificados para o diesel e OC a diferentes temp

(Ciclo ESC). ..................................................................................................................................... 65

Figura 46 Consumo acumulado e instantneo verificado para o diesel, biodiesel e OC (Ciclo deteste ESC). ........................................................................................................................................ 66

Figura 47 Comparao dos resultados de consumo especfico e eficincia com a utilizao de

diversos combustveis em um motor Common Rail a diesel. .......................................................... 67

Figura 48Emisses totais de partculas. Diesel e mistura 50% diesel 50% leo de colza. Ciclo

ESC. ................................................................................................................................................. 68

Figura 49 - Distribuio de partculas por tamanho para o leo diesel e mistura 50% diesel 50%

leo de colza. Regime de rotaes em vazio. ................................................................................... 69

Figura 50 - Distribuio de partculas por tamanho para o leo diesel, biodiesel e leo de colza aduas temperaturas diferentes. 1900 rpm, 165 N.m. .......................................................................... 69

Figura 51 - Distribuio de partculas por tamanho para o leo diesel, biodiesel e leo de colza a

duas temperaturas diferentes. 1900 rpm, 330 N.m. .......................................................................... 69




duas temperaturas diferentes. 1900 rpm, carga mxima. ................................................................. 70

Figura 54 - Distribuio de partculas por tamanho para o leo diesel, biodiesel e leo de colza aduas temperaturas diferentes. 1900 rpm, carga mxima. ................................................................. 70

Figura 55 - Emisses totais de partculas. Diesel, biodiesel e leo de colza a diferentes

temperaturas. Ciclo ESC. ................................................................................................................. 71

Figura 56 Distribuio de partculas por tamanho para o leo diesel, biodiesel e leo de colza a

duas temperaturas diferentes. Regime de rotaes em vazio. .......................................................... 71






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duas temperaturas diferentes. 1900 rpm, carga mxima. ................................................................. 72

Figura 61 - Distribuio de partculas por tamanho para o leo diesel, biodiesel e leo de colza aduas temperaturas diferentes. 1500 rpm, carga mxima. ................................................................. 72

Figura 62 Efeito do leo de colza nas emisses de THC em vrios regimes de funcionamento

(relativo ao diesel). ........................................................................................................................... 73

Figura 63 Efeito da temperatura do leo de colza nas emisses de THC em vrios regimes de

funcionamento (relativo ao leo de colza a temp. mais baixa). ....................................................... 73

Figura 64 - Efeito do leo de colza nas emisses de CO em vrios regimes de funcionamento


Figura 65 - Efeito da temperatura do leo de colza nas emisses de CO em vrios regimes defuncionamento (relativo ao leo de colza a temp. mais baixa). ....................................................... 74

Figura 66 - Efeito do leo de colza nas emisses de NOX em vrios regimes de funcionamento


Figura 67 - Efeito da temperatura do leo de colza nas emisses de NOX em vrios regimes de

funcionamento (relativo ao leo de colza a temp. mais baixa). ....................................................... 74


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ndice de tabelas

Tabela 1ndice de iodo, nmero de cetano, ponto de nvoa e fluidez dos leos vegetais. ........... 15

Tabela 2Compatibilidade de diversos materiais com os leos vegetais, diesel e biodiesel. ........ 24

Tabela 3Concentrao de metais necessria para reduzir a estabilidade do leo pela metade. .... 28

Tabela 4Parmetros do motor Cummins ISBe 185 ...................................................................... 34

Tabela 5Parmetros do motor Zetor 1505. ................................................................................... 35

Tabela 6Modos do ciclo de teste europeu ESC ............................................................................ 42

Tabela 7Modos do ciclo de teste WHSC...................................................................................... 44

Tabela 8Propriedades dos combustveis....................................................................................... 49

Tabela 9 Valores absolutos de potncia e torque mximos obtidos em cada regime (Diesel,

biodiesel e misturas de biodiesel e leo diesel). ............................................................................... 52

Tabela 10 Valores absolutos de potncia e torque mximos obtidos em cada regime (Diesel e

mistura 50% diesel50% leo de colza)......................................................................................... 53

Tabela 11Potncia e torque mximos obtidos em cada regime (Diesel e leo de colza a diferentes

temperaturas). T2 = Maior temperatura, T1 = Menor temperatura. ................................................. 56

Tabela 12Valores absolutos de potncia e torque mximos obtidos em cada regime utilizando o

ciclo de teste WHSC (Diesel e leo de colza a diferentes temperaturas). T2 = Maior temperatura,

T1 = Menor temperatura. ................................................................................................................. 57

Tabela 13Valores absolutos de potncia e torque mximos obtidos em cada regime (Diesel). ... 58

Tabela 14Valores absolutos de potncia e torque mximos obtidos em cada regime (Biodiesel)........................................................................................................................................................... 59

Tabela 15 Valores absolutos de potncia e torque mximos obtidos em cada regime (leo de

colza a diferentes temperaturas). ...................................................................................................... 59

Tabela 16Temperatura do leo de colza em cada ensaio. ............................................................ 59

Tabela 17 Valores absolutos de consumo acumulado, especfico e eficincia (Diesel e mistura

50% diesel-OC). ............................................................................................................................... 63

Tabela 18 - Valores absolutos de consumo e eficincia para o Diesel e OC a diferentes temp (Ciclo

WHSC). ............................................................................................................................................ 64


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xxii

Tabela 19 - Valores absolutos de consumo e eficincia para o Diesel e OC a diferentes temp (Ciclo

ESC). ................................................................................................................................................ 65

Tabela 20 - Valores absolutos de consumo acumulado, especfico e eficincia (Diesel, biodiesel e

OC). .................................................................................................................................................. 66


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Abreviaturas e Smbolos

cVelocidade do somKMdulo de compressibilidade

Densidadec.eConsumo especfico Eficincia

$diesel - Preo do litro de leo diesel$OVPreo do litro de leo vegetalPCIPoder calorfico inferiorESCEuropean Stationary CycleWHSCWorld Harmonized Sationary CycleOVleo vegetalOCleo de colzaCRCommon Railrpmrotaes por minuto


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Captulo 1

Introduo

Diversas questes tm levado ao desenvolvimento de fontes de energia alternativas. A primeira

delas a demanda energtica de uma populao em constante crescimento. Estima-se que a

populao mundial dobre a cada trinta e cinco anos, entretanto, o consumo de energia demora

menos da metade desse tempo, dobrando a cada quatorze anos [1].

Neste cenrio, destaca-se o setor dos transportes, responsvel por mais da metade do consumo

mundial de petrleo [2] e quase trinta por cento do consumo de toda a energia produzida [3]. O

consumo desse setor cresce cada vez mais, impulsionado pelo aumento da quantidade de veculos

em circulao nas ruas. Atualmente, a frota mundial conta com mais de um bilho de veculos.

Embora esse nmero possa parecer elevado, o crescimento continuar nos prximos anos. Empases como China e ndia, o aumento da riqueza pessoal aliado a queda nos preos dos automveis

tem levando cada vez mais pessoas a adquirirem seu prprio veculo. Esses pases so atualmente

os lderes em crescimento, com uma taxa de oito por cento ao ano contra um por cento na Europa e

trs por centro a nvel mundial [2].

Face essa crescente demanda e ao fato da maior parte da energia utilizada ser proveniente de

fontes no-renovveis, essencial encontrar fontes alternativas que possam substituir as atuais.

A segunda questo, e a mais preocupante atualmente, o efeito nocivo causado pela emisso de

gases na atmosfera. Os gases mais comuns so o dixido de carbono (CO2), metano (CH4), osclorofluorcarbonos (CFCs) e o xido nitroso (N2O). O primeiro destes, principal responsvel pelo

efeito estufa, conseqncia direta da utilizao da energia. produzido principalmente pela

utilizao de combustveis fsseis nos transportes, indstrias e gerao de energia [4].

Finalmente, questes econmicas, geopolticas e at mesmo tecnolgicas estimulam a busca

por fontes de energia alternativas. Dentre essas fontes, os leos vegetais tem-se mostrado

promissores como combustveis para motores diesel e sero o tema deste trabalho.

Neste primeiro captulo sero abordados assuntos como a evoluo histrica da utilizao de

leos vegetais, os benefcios que a utilizao desses leos pode trazer, alm de serem apresentados

o contexto e os objetivos da realizao deste trabalho, assim como o trabalho em si, captulo acaptulo e globalmente.


28/107

2 Introduo

2

1.1 Perspectiva histrica da utilizao dos leos vegetais

comum encontrar na literatura a afirmao de que Rudolf Diesel concebeu o motor que leva

seu nome para funcionar a base de leos vegetais. Tal fato se deve a demonstrao realizada na

exibio de Paris de 1900, na qual um motor diesel utilizou leo de amendoim como combustvel.

Entretanto, uma extensa reviso literria feita por Knothe [5] revela que a demonstrao foi

conduzida em um motor construdo para utilizao de diesel e que no havia sofrido qualquer tipo

de modificao para a utilizao de leo de amendoim. A idia de utilizar esse leo partiu do

governo francs, que via nos leos vegetais um enorme potencial para que suas colnias pudessem

se tornar auto-suficientes em combustvel. Nem mesmo a demonstrao foi realizada por Diesel, e

sim por uma companhia francesa chamada Otto Company.

Testes posteriores realizados com outros tipos de leos vegetais confirmaram a potencialidade

desses combustveis e levaram Rudolph Diesel a declarar: ... o uso de leos vegetais como

combustvel para motores pode parecer insignificante atualmente, porm, tais leos podem se

tornar, com o passar do tempo, to importantes quanto os derivados do petrleo e carvo mineral

so hoje em dia...[5]. No entanto, devido ao baixo custo e a grande disponibilidade apresentados

naquela poca, o petrleo acabou se tornando a fonte de energia dominante e o diesel o principal

combustvel para esse tipo de motor.

Com o passar do tempo, o petrleo e seus derivados periodicamente passaram por quedas de

produo e fornecimento, o que estimulou a busca por fontes alternativas. H relatos da utilizao

de leos vegetais durante a Segunda Guerra Mundial como combustvel de emergncia e para

outros fins. Por exemplo, no Brasil a exportao de leo de algodo foi proibida para que houvesse

queda no preo, de forma a favorecer seu uso como combustvel em trens [6]. Redues nas

importaes de combustveis lquidos tambm foram relatadas na Argentina, implicando na

explorao comercial dos leos vegetais. A China produziu leo diesel, leos lubrificantes,

"gasolina" e "querosene", os dois ltimos por um processo de craqueamento, a partir de leo de

tungue e outros leos vegetais. Investigadores na ndia, impulsionados pelos acontecimentos da

Segunda Guerra Mundial, estenderam suas investigaes sobre dez leos vegetais para o

desenvolvimento como combustvel domstico. Tais investigaes deixaram de acontecer quando

os combustveis derivados do petrleo voltaram a estar fartamente disponveis a baixo custo [5].

As preocupaes com o aumento do uso e a possibilidade de escassez de combustveis

derivados do petrleo tiveram um papel inspirador no projeto bi-combustvel, da Universidade

Estadual de Ohio (Columbus, EUA) nos anos ps-guerra, durante o qual, leo de algodo, leo de

milho e misturas dos mesmos com leo diesel convencional foram investigados [5].

As crises do petrleo nas dcadas de 70 e 90, que elevaram drasticamente seu preo, bem

como a crescente preocupao com questes ambientais, renovaram o entusiasmo pela busca de

combustveis alternativos [6].

Em 1982 ocorreu uma importante conferncia intitulada leos Vegetais Combustveis,

realizada pela Sociedade Americana de Engenheiros Agrnomos (ASAE), que documentou osestudos realizados durante a dcada de 70. Contribuies foram feitas por pesquisadores de todo o


29/107

3 Introduo

3

mundo.Embora naquela poca a maioria dos papis relatasse o potencial da utilizao de leosbrutos como combustvel, vrios trabalhos discutiram a produo de steres e o uso destes, os quais

se mostravam mais promissores do que a matria-prima bruta. Cientistas do Brasil, frica do Sul e

de universidades americanas fizeram apresentaes sobre a converso de leo vegetal,principalmente leo de girassol, em steres metlicos [7]. O tema geral e os resultados dessa

conferncia foram que os leos vegetais brutos, enquanto mostravam-se promissores, tinham

tendncia em causar depsitos de carbono no injetor, polimerizao e aumento da viscosidade do

leo lubrificante, o que causava falha repentina e catastrfica dos rolamentos da biela e/ou

cambota.

Em 1983, o processo de produo de biodiesel foi completado e publicado internacionalmente

[7]. Em novembro de 1987 foi construda a primeira planta piloto de biodiesel pela empresa

austraca Gaskoks. Dois anos depois foi construda a primeira usina de produo de biodiesel, com

capacidade de processamento de 30.000 toneladas de leo de colza por ano. Na dcada de 90,usinas foram abertas em muitos pases europeus, incluindo Repblica Checa, Frana, Alemanha e

Sucia. Ao mesmo tempo, naes em outras partes do mundo tambm iniciaram produes de

biodiesel em menor escala e em 1998, o instituto austraco de biocombustveis identificou 21 pases

com projetos comerciais de biodiesel [7].

Atualmente o biodiesel pode ser produzido a partir de diferentes fontes como leos vegetais,

gorduras animais e leos vegetais reciclados. Geralmente, fatores como geografia, clima e

economia determinam qual leo vegetal de maior interesse para o uso como combustvel (Direto

ou como biodiesel).

Os leos mais produzidos atualmente so os leos de Palma, Soja e Colza. O primeiro

produzido basicamente por Tailndia e Malsia que detm mais de 85% da produo mundial. O

segundo apresenta grande produo em pases como China, EUA, Argentina e Brasil. Esses quatro

pases juntos so responsveis por 80% da produo total. leo de Colza tem a EU271como sua

maior produtora com um total de 9,4 milhes de toneladas produzidas em 2009/10. A China

aparece a seguir com um total de 5,2 milhes de toneladas [8]. A Figura 1 mostra a produo

mundial de leos vegetais em 2009/10.

Figura 1Produo dos principais tipos de leos vegetais em 2009/10. Fonte: USDA [8].

1

EU27 inclui Alemanha, ustria, Blgica, Bulgria, Chipre, Republica Tcheca, Dinamarca, EslovquiaEslovnia, Espanha, Estnia, Finlndia, Frana, Grcia, Holanda, Hungria, Irlanda, Itlia, Letnia, Litunia,Luxemburgo, Malta, Polnia, Portugal, Reino Unido, Romnia e Sucia.

Palma 33%Soja

28%

Colza

16%

Girassol

8%

Palmiste 4%

Amendoim 3%

Algodo 3%

Coco 3%

Oliva 2%


30/107

4 Introduo

4

Nos ltimos anos, tem-se presenciado um grande crescimento na produo e consumo de leos

vegetais. A produo mundial quase que duplicou ao longo dos ltimos 12 anos e atingiu a marca

de quase 140 milhes de toneladas em 2009/10 [8]. Entretanto, o maior responsvel por esse

crescimento no o setor dos biocombustveis e sim a indstria de alimentos e a utilizaodomstica [9]. Ainda assim, a utilizao desses leos para a produo de biocombustveis

aumentou mais de nove vezes nos ltimos seis anos (Figura 2).

Figura 2Crescimento da utilizao de leos vegetais para a produo de biocombustveis. Fonte: [9].

A utilizao de leos vegetais para a produo de biocombustveis alcanou 13% do total no

ltimo ano. Neste cenrio, destaca-se a EU-27 como a maior consumidora de leos vegetais para

este fim. Espera-se que nos prximos anos haja um crescimento ainda maior neste percentual

devido consolidao da tecnologia para a utilizao de leos vegetais em motores diesel

(Diretamente ou como biodiesel).

Figura 3Utilizao de leos vegetais para a produo de biocombustveis por pas produtor. Fonte: [9].


31/107

5 Introduo

5

A utilizao de leos vegetais como combustvel tem gerando grande polmica. O aumento no

preo dos leos consequente do aumento da demanda afetar principalmente os pases pobres. H

aqueles que dizem que a utilizao de leos vegetais como combustvel criar uma competio

entre alimentos em pases pobres e combustveis em pases ricos.

Nesse contexto, um fato merece destaque: A relao entre rea plantada e quantidade de leo

produzida. Os leos de palma e palmiste juntos tm um rendimento superior a seis vezes o

rendimento do leo de colza. Esta caracterstica extremamente importante para superar o

problema da crescente demanda sem a necessidade da utilizao de reas destinadas a agricultura

de outros produtos.

Figura 4Produo por hectare dos principais leos vegetais. Fonte: [9]


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6 Introduo

6

1.2 Benefcios da utilizao de leos vegetais

1.2.1 Questes ambientais

Diferentemente do leo diesel, a utilizao de leos vegetais permite o estabelecimento de um

ciclo de carbono. O CO2 absorvido pela planta para a realizao da fotossntese, mecanismo pelo

qual ela produz energia. O excesso de energia armazenado sob a forma de leo, seja em suas

folhas ou nas sementes. O leo extrado, processado e preparado e aps a sua utilizao como

combustvel, o CO2 produzido e volta novamente para a atmosfera (Figura 5).

Figura 5Representao do ciclo do carbono.

1.2.2 Eficincia

Ainda no existe um estudo sobre o consumo energtico e as emisses geradas pela utilizaode leos vegetais como combustvel, entretanto, possvel fazer uma extrapolao a partir dos

trabalhos realizados sobre o biodiesel. Em 1998, um estudo realizado pelo laboratrio nacional de

energias renovveis dos EUA analisou a quantidade de energia despendida em cada etapa do

processo de produo e transporte do biodiesel at o consumidor final, incluindo a quantidade de

energia requerida para o cultivo da plantao, transporte das sementes, extrao do leo, transporte

do leo, converso do leo vegetal em biodiesel e transporte do biodiesel [10]. Constatou-se que

cada megajoule (MJ) disponvel para o consumidor final requereu o consumo de 0,311 MJ de

energia. Isso resulta em uma eficincia de 3,215. Em outras palavras, com a produo de biodiesel

transforma-se 1 MJ de energia fssil em 3,215 MJ de energia renovvel.

A eficincia dos leos vegetais ainda maior, uma vez que ao contrrio do biodiesel o processo

no demanda a utilizao de combustveis fsseis como matria-prima, nem exige uma

transformao qumica dispendiosa do ponto de vista energtico. Desconsiderando estas duas

etapas, chega-se a uma estimativa de 6,4 para a eficincia da utilizao desses leos.2

1.2.3 Emisses de CO2

De acordo com o mesmo estudo, a substituio do diesel pelo biodiesel reduz as emisses totais

de dixido de carbono (Ciclo de vida) em 78 por cento. Essa reduo no acontece durante a

combusto no veculo, onde ambos os combustveis liberam aproximadamente a mesma quantidade2leos vegetais e biodiesel possuem quantidades de energia similares.


33/107

7 Introduo

7

de CO2. Ela acontece porque a maior parte do carbono contido no biodiesel e liberado durante a sua

produo foi retirada da atmosfera durante o cultivo da matria-prima, ao contrrio do que acontece

com o leo diesel. A quantidade total de dixido de carbono liberada na produo, transporte e

queima do biodiesel de 253,22 gramas por MJ. Desse total, 202,4 g foram absorvidos pela plantapara produo do leo. Portanto, a emisso de dixido de carbono resultante lanada na atmosfera

de 50,79 g por MJ.

Novamente, a utilizao de leos vegetais reduz ainda mais as emisses de CO2,uma vez que

no exige uma transformao qumica que consome metanol e de grande quantidade de energia,

como acontece com o biodiesel. A grande maioria do metanol produzida a partir de gs natural

em refinarias. O estudo diz que a converso de leo vegetal em biodiesel responsvel por cerca de

um tero da emisso total de dixido de carbono. Ao deixar de fora esta etapa, chega-se a uma

estimativa de uma reduo nas emisses de 85 por cento.

As emisses de CO2 s podem ser completamente eliminadas se em todas as etapas do processo

de produo tambm forem utilizados biocombustveis, incluindo a utilizao de biometanol no

caso do biodiesel. Outro benefcio dos leos vegetais a no emisso de SO2.

1.2.4 Questes econmicas

A utilizao de leos vegetais pode gerar grande economia, dependendo dos seguintes fatores:

Hbitos de conduo (Quantidade de quilmetros percorridos e porcentagem desses quilmetros

utilizando leo vegetal), consumo do veculo, preo do diesel, preo do leo vegetal e custo inicial

da converso. Essas variveis podem ser equacionadas na seguinte frmula:

(1)

Pela frmula acima possvel concluir que a economia depende de vrios fatores que no esto

relacionados com o combustvel propriamente dito. Por exemplo, um condutor que possua um

veculo extremamente eficiente e que o utilize por menos de 10.000 km por ano, principalmente em

trajetos curtos onde o motor utiliza leo vegetal somente durante uma pequena parte do percurso,

pode jamais recuperar o investimento gasto na converso do veculo. Por outro lado, um condutorque utilize seu veculo em mdia 30.000 km por ano em trajetos de mdia e longa durao, em que

o motor utilize leo vegetal a maior parte do tempo, provavelmente recuperar o investimento em

um ou dois anos.

To importante quanto a economia de combustvel e os hbitos de conduo o custo dos leos

vegetais utilizados como combustvel. Nesse aspecto, a utilizao de leos novos no to

vantajosa, uma vez que atualmente estes possuem preos prximos ao do diesel. A grande

vantagem se encontra na utilizao de leos residuais, ou seja, aqueles que foram usados

previamente na preparao de alimentos. Entretanto, no fcil descobrir o custo real desses

leos. Para fazer esse clculo, devem ser includos os custos de eletricidade, filtros descartveis edos demais materiais utilizados na coleta e filtragem do leo. Talvez menos bvio, mas que


34/107

8 Introduo

8

tambm deve ser considerado o custo das horas de trabalho necessrias para recolhimento e

processamento de cada litro de leo utilizado. A maioria das pessoas gasta cerca de uma hora ou

mais por cada 100 litros de leo. Assim, cada litro de leo custar 0,10 em mo-de-obra

considerando uma pessoa cuja hora de trabalho vale 10 . Para uma pessoa que valore seu tempoem 80 /h, esse custo ser de 0,80 /litro.

O retorno do investimento na compra e instalao de um kit de converso para a utilizao de

leos vegetais gira em torno de dois anos. Este prazo extremamente favorvel quando comparado

com outras fontes de energia alternativas disponveis no mercado. Por exemplo, o retorno de um

sistema de aquecimento de gua atravs da energia solar, utilizado em residncias de cinco a oito

anos. O retorno de um sistema de clulas fotovoltaicas de sete a quinze anos.

1.2.5 Questes geopolticas

Os leos vegetais podem ser produzidos praticamente em todas as regies do globo, em grande

ou pequena escala. Essa descentralizao significa o fim da submisso as regras impostas pelos

pases produtores de petrleo. Alm disso, a produo no limitada a capacidade de uma fonte,

dessa forma ela pode se adequar a demanda, impedindo grandes oscilaes nos preos.


35/107

9 Introduo

9

1.3 Contexto e objetivos

A motivao deste trabalho estabelecer recomendaes prticas para a utilizao de leos de

origem vegetal em motores diesel. Tendo em conta a longa durabilidade desses motores, prev-se a

utilizao desses leos em mquinas j existentes, sem que estas tenham que sofrer grandes

modificaes, sem que haja perda de desempenho com a utilizao do combustvel original (leo

diesel), sem que haja perda de durabilidade, tanto do motor quanto de seus componentes e que as

emisses atendam as normas aplicveis.

A viscosidade dos leos vegetais cerca de 10 vezes maior que a do leo diesel convencional.

Essa propriedade faz com que o leo seja injetado em um spray de baixa qualidade e

inadequadamente atomizado, levando a uma combusto desigual e ineficiente. conhecido que o

aumento da temperatura provoca a reduo da viscosidade e, consequentemente, melhora a

eficincia da combusto. Entretanto, deseja-se conhecer o efeito sobre o desempenho causado pela

alterao das outras propriedades devido ao aumento da temperatura. Para isso, foram realizados

ensaios com a temperatura do leo (de colza) variando a entrada da bomba de alta presso.

Outra tcnica utilizada para reduzir a viscosidade dos leos tambm foi investigada: Mistura

destes com combustveis menos viscosos. Para tal, foram testadas misturas de leo de colza com

leo diesel (50%-50%).

A transesterificao de leos vegetais, que resulta em um produto conhecido como biodiesel,

uma tcnica amplamente utilizada para a reduo da viscosidade desses leos. Para avaliar o seu

potencial, foram realizados testes com biodiesel puro e misturas com leo diesel.Por fim, com dados obtidos a partir de ensaios em um motor Zetor 1505, motor de mdio porte

utilizado na propulso de tratores e dimensionalmente comparvel ao Cummins ISBe4, pretende-se

comparar o efeito da temperatura dos leos vegetais em diferentes sistemas de injeo. O primeiro

utiliza um sistema de injeo mecnico do tipo inline e o segundo um sistema eletrnico do tipo

Common Rail.

Os testes foram realizados sob diferentes condies operacionais de torque e rpm seguindo

ciclos de teste padro. A influncia no desempenho, eficincia e emisses devido a utilizao

desses combustveis foi estudada com a obteno de dados de torque, rpm, consumo de

combustvel, temperatura em diferente pontos do sistema de injeo, emisses de partculas e gasesem cada um desses modos.


36/107

10 Introduo

10

1.4 Estrutura da dissertao

Uma breve reviso bibliogrfica ser feita no captulo 2, apresentando as propriedades mais

relevantes dos leos vegetais que determinam a qualidade e rapidez com que ocorre a combusto

em motores diesel. Essas propriedades esto relacionadas com as caractersticas de atomizao,

vaporizao e mistura com o ar. Essas caractersticas so de extrema importncia, uma vez que so

as grandes responsveis pela qualidade da combusto. As propriedades sero sempre comparadas

as do diesel e as do biodiesel de forma a obter um ponto de comparao. nfase ser dada a

viscosidade, uma vez que esta principal responsvel pelos problemas enfrentados na utilizao

dos leos vegetais.

O captulo 3 descrever o procedimento experimental adotado. Sero apresentados os motores

utilizados, dinammetro, mtodos de medio de gases e de consumo de combustvel. Todos estes

dispositivos tero seu princpio de funcionamento explicado. Um esquema dos sistemas bi-

combustvel utilizados ser mostrado, assim como as vantagens de cada configurao. Ser

apresentado o mtodo de controlo da clula (Motor e dinammetro). Por fim, sero apresentados os

ciclos de teste utilizados e suas aplicaes.

A apresentao dos diversos dados obtidos com os experimentos ser feita no captulo 4, de

forma escrita e atravs de grficos para uma melhor visualizao. Comentrios sero feitos nos

pontos de maior interesse.

A discusso ser feita no captulo 5. Nessa parte, os resultados experimentais sero

comentados, identificando os pontos de interesse e procurando elucidar as questes levantadas pelarealizao deste trabalho.

No captulo 6 ser feita a concluso do trabalho, resumindo todo o conhecimento adquirido

com a realizao do mesmo e apontado possveis lacunas a serem preenchidas em trabalhos

futuros.


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Captulo 2

Reviso bibliogrfica

As propriedades do combustvel tm vital importncia na sua combusto. Em motores diesel, a

combusto ocorre em duas fases: Pr-misturada e difusa. Na fase pr-misturada, o retardo de

ignio determina o tempo que transcorrer entre o incio da injeo e o incio da combusto. Na

difusa, a velocidade da queima controlada pela velocidade com que o combustvel vaporiza e

mistura com ar. Estas duas etapas so facilitadas pela injeo de um combustvel finamente

atomizado, ou seja, em pequenas gotas, o que representar uma maior razo superfcie/volume.

Alm da presso de injeo, a viscosidade desempenha papel fundamental na capacidade de

atomizao de um combustvel. Os calores especficos, sensvel e latente, influenciam a taxa de

vaporizao.

Alm das propriedades vitais para a combusto, outras tm grande importncia na trajetria do

combustvel ao longo do sistema de injeo. A densidade e o mdulo de compressibilidade

determinam a velocidade de propagao da onda de presso ao longo do sistema de injeo e so

responsveis pelo incio da injeo em sistemas em linha. Dois efeitos indesejveis como injeo

secundria e o nozzle dribbling tm relao com essas propriedades. O mdulo de

compressibilidade tambm responsvel pela presso de injeo.

O poder calorfico determina a quantidade mxima de energia que o combustvel pode fornecer

com a sua combusto completa. Essa propriedade tem grande importncia nas diferenas de

potncia mxima, torque mximo e velocidade em vazio. As propriedades ponto de auto-ignio,ponto de fulgor, pontos de nvoa e fluidez, razo estequiomtrica ar/combustvel, lubricidade e

solvncia tambm sero revistas devido a importncia em outros aspectos.

Alm das propriedades dos combustveis, outros fatores definem como ocorrer a queima.

Dentre eles, os principais so: Design da cmara de combusto, design do sistema de admisso,

design do sistema de injeo e regime de funcionamento. Como o interesse desse trabalho estudar

a influncia das propriedades sobre o desempenho, eficincia e emisses, fatores relacionados ao

design do motor no sero considerados.

Neste captulo sero apresentadas diversas propriedades dos leos vegetais com nfase na

viscosidade. Sempre que possvel sero feitas comparaes com as propriedades do leo diesel.


38/107

12 Reviso bibliogrfica

12

2.1 Constituio molecular dos leos

Os leos vegetais so compostos por molculas chamadas triglicerdeos, costumam ser lquidos

temperatura ambiente e so derivados de plantas. Os triglicerdeos so molculas formadas por

trs cidos graxos unidos a uma estrutura principal chamada glicerol ou glicerina (Figura 6).

Gorduras slidas, provenientes de animais ou plantas, tambm so triglicerdeos e podem ser

usadas como combustvel para motores diesel, embora sua natureza no-lquida acrescente

complicaes.

As plantas produzem triglicerdeos como uma forma eficiente de armazenar energia. Em

volume, o leo vegetal contm mais de trs vezes a energia contida no acar ou amido. A energia

armazenada nas numerosas ligaes carbono-carbono e carbono-hidrognio dos cidos graxos.

Figura 6Representao de um triglicerdeo e de seus elementos formadores (Glicerina e cido graxo).


39/107


13

2.1.1 Similaridades entre os leos vegetais, biodiesel e diesel mineral

O biodiesel um leo vegetal que foi quimicamente alterado para formar um produto muito

menos viscoso, embora ainda compartilhe caractersticas comuns com os leos vegetais.Basicamente, ele produzido desconectando os cidos graxos do glicerol, o que reduz o tamanho

mdio da molcula resultante a um tero do tamanho do triglicerdeo original. Essa reduo de

tamanho reduz a sua viscosidade a nveis comparveis ao do diesel.

Como mencionado anteriormente, um triglicerdeo composto por trs cidos graxos

conectados a uma estrutura principal chamada glicerol. O glicerol um lcool e as ligaes que o

conectam aos cidos graxos so chamadas de ligaes ster. Esta a forma tpica que alcois e

cidos se conectam. A reao que produz o biodiesel apenas uma substituio do lcool da

ligao ster por um lcool mais simples, usualmente metanol, na presena de um catalisador. Essa

reao chamada de transesterificao. O resultado a formao de trs steres (Metlico, etlico,etc.) e um glicerol livre (Figura 7).

Figura 7Reagentes e produtos da reao de transesterificao.

O leo diesel convencional composto principalmente por hidrocarbonetos (Exemplo: n

hexadecano). Uma molcula de diesel e um cido graxo tpico contm uma quantidade prxima de

ligaes carbono-carbono e carbono-hidrognio dispostas aproximadamente na mesma forma

(Figura 8).

Figura 8Similaridade molecular entre uma molcula de leo diesel (Cetano) e um cido graxo tpico.


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14

2.2 cidos graxos e diferenas entre os leos vegetais

O leo vegetal produzido a partir de um tipo de planta pode ser radicalmente diferente do leo

produzido a partir de plantas de espcies diferentes. Por exemplo, o leo de coco semi-slido a

temperatura ambiente e possui grande resistncia aos processos naturais de degradao, enquanto o

leo de linhaa lquido a essa temperatura, porm, pode se tonar inutilizvel aps um perodo de

poucos dias de exposio ao ar. A diferena entre esses leos se encontra nos cidos graxos que os

compem.

Plantas podem gerar cerca de doze tipos diferentes de cidos graxos. Tais cidos se diferenciam

pelo comprimento da cadeia de carbono e tambm pelo nmero de ligaes duplas carbono-

carbono existentes nessa cadeia. Cada espcie de planta possui determinados tipos de cidos graxos

na composio de seus triglicerdeos. Esses cidos determinam caractersticas como: Viscosidade,

temperatura de fuso, estabilidade qumica, etc.

2.2.1 Cadeia de carbono

Um cido graxo pode conter de 14 a 24 tomos de Carbono. Em geral, leos que contm cidos

com cadeias de carbono mais longas possuem temperatura de fuso mais elevada, so mais

viscosos, e contm maior quantidade de energia por unidade volume.

O ndice de saponificao um indicador do comprimento mdio da cadeia de carbono. Quanto

maior o ndice de saponificao menor ser o comprimento da cadeia.

2.2.2 Ligaes duplas

Os cidos graxos tambm variam no nmero de ligaes duplas existentes entre os tomos de

carbono. Eles podem conter zero, uma, duas ou trs ligaes desse tipo. O nmero de ligaes

duplas carbono-carbono tambm chamado de grau de insaturao. Isso porque quando possui

uma ligao dupla, o tomo de carbono necessita de uma ligao a menos com o tomo de

hidrognio, do que necessitaria se tivesse conectado a outro tomo de carbono por uma ligao

simples. Em outras palavras, ele no est saturado de hidrognio. Portanto, quanto maior o nmero

dessas ligaes, menos tomos de hidrognio a molcula possuir e maior ser o grau de

insaturao.Quando ocorrem naturalmente, essas ligaes impem uma espcie de dobra na cadeia

predominantemente reta dos cidos saturados, tornando-as mais rgidas, como pode ser visto na

Figura 6.

Um alto grau de insaturao explica, por exemplo, porque os leos vegetais so lquidos a

temperatura ambiente e a manteiga slida. Os triglicerdeos da manteiga contm principalmente

cadeias retas de cidos graxos saturados, o que permite uma unio de forma mais compacta e a

formao de ligaes intermoleculares mais fortes do que as ligaes formadas entre os cidos

insaturados presentes nos leos vegetais (Figura 9).


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15

Figura 9Representao da disposio mais dispersa dos triglicerdeos nos leos de oliva e mais compacta namanteiga/banha de porco. Fonte: [11].

Entre os leos vegetais, quanto maior for o grau de insaturao, menor ser a temperatura de

fuso, a viscosidade e a estabilidade qumica. O ndice de iodo um indicador da insaturao.

Quanto maior o valor deste ndice, mais insaturado ser o leo.

Tabela 1ndice de iodo, nmero de cetano, ponto de nvoa e fluidez dos leos vegetais.

leo ndice de iodo Nmero de cetanoPonto de nvoa

(C)

Ponto de fluidez

(C)

Palma 3561 - 31

Soja 69,82 38,1 4 12

Castor 88,72 42,3

Gergelim 91,76 40,4 4 9

Avel 98,62 52,9

Oliva 100,16 49,3

Amndoa 102,35 34,5

Colza 108,05 37,5 4 32Algodo 113,20 33,7 2 15

Papoula 116,83 36,7

Milho 119,41 37,5 1 40

Amendoim 119,55 34,6 13 7

Trigo 120,96 35,2

Girassol 132,32 36,7 7 15

Noz 135,24 33,6

Crtamo 139,83 42,0 12 21

Linhaa 156,74 27,6 2 15

Fonte: [12], [13] e [14]


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16

2.3 Poder calorfico

O poder calorfico a quantidade de energia por unidade de massa (ou de volume no caso dos

gases) libertada na oxidao de um determinado combustvel. Geralmente utiliza-se o poder

calorfico inferior (PCI), que no leva em considerao a energia libera pela posterior condensao

do vapor dguacontido nos gases de escape.

Os leos vegetais possuem entre 89 e 98% da energia por unidade volume contida no diesel. O

biodiesel, por sua vez, possui entre 91 e 93% da energia do diesel [15]. Essas pequenas diferenas

se refletem em um consumo um pouco maior, pequena diminuio no torque mximo e menor

velocidade em vazio.

O PCI do leo diesel vale, aproximadamente, 36 MJ/litro. O PCI dos leos vegetais mais

comuns costuma estar entre 32 e 35 MJ/litro [13]. Os leos vegetais reciclados se encontram naparte inferior desse intervalo devido ao combustvel j ter sido parcialmente oxidado. O PCI do

biodiesel vale entre 32,7 e 33,5 MJ/litro.

Quando comparado com outros combustveis alternativos, os leos vegetais esterificados e no

esterificados so extremamente similares ao diesel em termos energticos. Combustveis como o

etanol (E85), gs natural e GLP contm apenas cerca de 68%, 63% e 72% do poder calorfico do

diesel, respectivamente [15]. Tal proximidade surge da profunda similaridade molecular entre os

leos vegetais e o diesel (Figura 8).

2.3.1 Influncia sobre o consumo e potncia

Sendo todas as demais propriedades iguais e sabendo-se a diferena entre o PCI dos leos

vegetais, do biodiesel e do diesel, possvel estimar o aumento no consumo e a reduo na

potncia mxima (Admitindo a mesma eficincia da combusto para ambos os combustveis). Por

exemplo, se um carro movido a diesel consegue andar 10 km com um litro de combustvel, ao

passar a utilizar leo vegetal este mesmo carro ser capaz de andar entre 8,9 e 9,8 km por litro de

combustvel e entre 9,1 e 9,3 km com biodiesel.

Similarmente, se a potncia mxima limitada pelo volume mximo de combustvel que o

sistema de injeo capaz de fornecer, espera-se uma reduo de 2 a 11 por cento nessa potncia

com a utilizao de leos vegetais e uma reduo de 7 a 9 por cento com a utilizao de biodiesel.Em uma condio normal de conduo, o motorista no notaria essa perda porque

inconscientemente a compensaria acelerando mais o carro.

Finalmente, em motores onde a velocidade em vazio definida pela quantidade de combustvel

injetada, o motor funcionar a rotaes mais baixas em vazio devido menor densidade de energia

dos leos vegetais e biodiesel.


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2.4 Viscosidade

Viscosidade a resistncia a deformao (movimento) apresentada por um fluido. Essa

resistncia provocada pela atrao existente entre as molculas do fluido. Um triglicerdeo uma

molcula apolar, o que significa que no h regies permanentemente carregadas positiva ou

negativamente. Essas molculas se unem atravs de outro tipo de ligao conhecida como Van der

Waals. Essas foras aumentam com o aumento do tamanho da molcula e consequentemente h o

aumento da viscosidade. Por esse motivo os leos vegetais so mais viscosos que o leo diesel e o

biodiesel, pois sua molcula , em mdia, trs vezes maior. Entre os leos vegetais, sendo as

demais propriedades iguais, aqueles que apresentam cidos graxos com cadeias de carbono mais

longas sero mais viscosos.

Essa a maior diferena em relao ao diesel e o principal problema dos leos vegetais. Esses

leos podem ser at 10 vezes mais viscosos que o diesel. A utilizao direta desses leos, ou seja,

sem serem antes submetidos a nenhum procedimento para que sua viscosidade seja reduzida

(Aquecimento, transesterificao, mistura com diesel), tem-se mostrado inaceitvel, causando

significativa perda de desempenho e levando a danos no motor devido a formao de depsitos de

carbono e a contaminao do leo lubrificante.

A viscosidade do diesel, tipicamente medida a 40 C, se encontra entre 1,9 e 4,1 centistokes

[16] e a do biodiesel entre 1,9 e 6,0 [17]. leos vegetais comuns tm viscosidade entre 30 e 40

centistokes.

2.4.1 Problemas relacionados com a viscosidade

Bombas, filtros e linhas de combustvel

Quanto maior a viscosidade, maior dever ser a potncia da bomba para mover uma

determinada quantidade de leo ao longo das linhas que levam o combustvel ao motor. Se o leo

for muito viscoso, a potncia fornecida pela bomba pode no ser suficiente para levar a quantidade

de combustvel requerida ao motor. Mesmo com uma bomba suficientemente potente para mover

um leo de grande viscosidade, as grandes presses ou vcuos gerados podem causar problemas.

Sob grandes presses, poder haver vazamentos nas ligaes entre os tubos e filtros podem romper.

Sob vcuo, um problema muito comum a entrada de ar nas linhas de combustvel, fazendo comque o motor passe a receber uma quantidade insuficiente de combustvel, o que pode levar a

combusto incompleta e fumaa nos gases de escape.

Atomizao

A alta viscosidade de um combustvel dificulta a sua atomizao, gerando um spray de baixa

qualidade, que evaporar lenta e desigualmente. Por sua vez, a baixa qualidade do spray resulta em

uma combusto incompleta e leo liquido atingindo as paredes do cilindro. Ambos levaro a

carbonizao dos injetores, dificultando a sua abertura, carbonizao das vlvulas de admisso e

escape, carbonizao da haste da vlvula de escape, depsitos de carbono nos anis do pisto e

combustvel lquido atravessando os anis de vedao e contaminando o leo de lubrificao domotor [13].


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2.4.2 Formas de diminuir a viscosidade

Para que a utilizao de leos vegetais em motores diesel no modificados seja possvel,

necessrio que a viscosidade do leo seja reduzida. Isso pode ser conseguido atravs de trsmtodos:

Alterando quimicamente o combustvel e produzindo steres metlicos (biodiesel). atualmente a

estratgia mais popular.

Aquecendo o leo. A temperatura tem um enorme impacto na viscosidade dos leos vegetais,

havendo um decrscimo exponencial com o aumento da temperatura.

Misturando os leos vegetais com outros combustveis menos viscosos. Essa estratgia tem sido

geralmente mal sucedida. A maior parte da literatura relata que misturas compostas por mais de 20

por cento de leo vegetal resultaram em falhas do motor [13]. Misturas com menos de 20 por centode leo vegtal se mostraram possveis em testes de curto prazo, no entanto, o efeito a longo prazo

da utilizao dessas mituras desconhecido.

2.4.3 Temperatura ideal

Os leos vegetais s atingem 4,1 centistokes, a maior viscosidade permitida para o leo diesel

(No. 2 ASTM D975), a cerca de 140 C. Alguns pesquisadores sugerem que essa a temperatura

mnima que os leos vegetais devem ser aquecidos, entretanto, como difcil chegar a essa

temperatura em aplicaes reais, o aquecimento a 70 C considerado aceitvel pela literatura.

Em um programa de pesquisas patrocinado pelo departamento de agricultura dos EUA(USDA), a fim de desenvolver especificaes para a utilizao de leos vegetais como

combustvel, Ryan, Dodge e Callahan recomendaram o aquecimento dos leos a 140 C antes de

serem injetados na cmara de combusto. Eles se basearam no fato de que os leos, quando

aquecidos a esta temperatura, possuam viscosidade de aproximadamente 4 centistokes e

apresentavam caractersticas de injeo e atomizao equivalentes as do diesel a 40 C com

viscosidade de 2,4 centistokes [18]. Os pesquisadores demonstraram que os leos aquecidos a

temperatura recomendada apresentavam uma combusto muito mais eficiente e completa que a

apresentada pelos leos quando no aquecidos. Entretanto, eles no compararam o desempenho e

emisses do motor utilizando leos aquecidos a temperaturas mais baixas que 140 C.

Pugazhvadivu e Jeyachandran realizaram estudos com leo de girassol aquecido a 70 C e

relataram melhorias acentuadas em relao ao leo no aquecido (30 C) em termos de eficincia

trmica, produo de monxido de carbono, consumo de combustvel, densidade de partculas;

aumento nas emisses de NOXe temperatura dos gases de escape, todos indicativos de um maior

rendimento da combusto. O posterior aquecimento a 135 C produziu apenas pequenas melhorias,

particularmente em uma maior eficincia trmica e menores emisses de monxido de carbono

[19].

Labeckas e Bari realizaram estudos com leo de palma aquecido a 60 C e relataram bons

resultados iniciais. Entretanto, ao realizarem estudos de longo prazo, eles verificaram que oaquecimento a esta temperatura era inadequado, levando a depsitos de carbono na cmara de


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combusto; desgaste dos anis de pisto, camisas dos cilindros, pistes e vlvulas da bomba

injetora e a injeo de um spray de baixa qualidade, todos problemas associados a um combustvel

excessivamente viscoso [20].

At que se realizem testes destrutivos de longa durao, a questo da temperatura adequada que

os leos vegetais devem ser injetados permanecer aberta. No entanto, grande parte dos artigos

publicados sugere que cerca de 70 C a temperatura mnima, e, correspondentemente, entre 13 e

15 centisstokes a viscosidade mxima.

2.4.4 Convergncia da viscosidade

Com o aumento da temperatura, as viscosidades dos leos vegetais no s diminuem, como

tambm tendem a convergir (Figura 10). Este fato permite o estabelecimento de uma temperatura

mnima de injeo para todos os leos, em vez de ter que especificar uma temperatura diferentepara cada um. por isso que, num sistema com o aquecimento adequado, a viscosidade do

combustvel temperatura ambiente no importa. Em um sistema que aquea o leo a 70 C, ele

ser injetado com uma viscosidade suficiente para queimar de forma eficiente, mesmo que se

apresente como manteiga a temperatura ambiente.

Figura 10Influncia da temperatura na viscosidade de diversos leos vegetais. Fonte: [21]


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2.5 Retardo de ignio

O retardo de ignio do combustvel, isto , o perodo de tempo entre o incio da injeo e o

incio da ignio do mesmo, medido pelo nmero de cetano. Quanto maior for o nmero de

cetano, menor ser o retardo de ignio e melhor ser a qualidade do combustvel. O retardo de

ignio afeta diversas caractersticas do motor como knock, rudo, potncia, eficincia da

combusto e emisses.

Os motores a diesel funcionam bem com combustveis que tenham nmeros de cetano entre 40

e 55. Combustveis com nmeros mais elevados, e que possuam por isso, atrasos de ignio mais

reduzidos, do mais tempo ao motor para que este complete a combusto. por isso que motores a

diesel de alta velocidade operam de forma mais eficiente com combustveis que possuam nmeros

de cetano elevados. No h qualquer vantagem em termos de desempenho ou de reduo de

emisses acima de 55, valor aps o qual o desempenho do combustvel atinge um limite.

O padro para o leo diesel comercializado na Unio Europia e na maior parte dos restantes

pases europeus o EN 590, com um nmero de cetano mnimo de 51 [22]. J o diesel de tipo

premium pode ter um nmero de cetano prximo de 60. O nmero de cetano dos leos vegetais

varia entre 30 e 50, tendo os leos mais comuns valores sempre abaixo de 40, o que indica que

esses leos tm um retardo de ignio maior que o do diesel, tornandoos inaceitveis como

substitutos (Tabela 1).

Entretanto, o nmero de cetano no um bom indicador para o real retardo de ignio dos

leos vegetais quando estes so aquecidos antes de entrarem na cmara de combusto. Para queeste nmero seja vlido, os ensaios devem ser realizados seguindo um rgido protocolo, o qual

define, entre outras coisas, que o combustvel seja injetado a uma temperatura entre 18 e 32 C3. No

entanto, sabe-se que a estas temperaturas o leo vegetal apresenta grande viscosidade, levando uma

atomizao inadequada e a um spray de baixa qualidade, que por sua vez levar a um maior retardo

de ignio do que o apresentado pelo leo aquecido. Caso o leo seja aquecido, a fim de retratar as

reais condies de uso, o ensaio deixar de seguir o protocolo e o valor encontrado para o retardo

de ignio, embora muito til, no cumprir a definio de nmero de cetano e no poder ser

definido como tal.

Estudos realizados confirmaram que os leos vegetais aquecidos apresentaram um retardo deignio menor que o indicado pelo nmero de cetano, e consequentemente, um atraso menor do

que o do diesel.

Infelizmente, no existe outra medida aceitvel alm do nmero de cetano que permita

comparar quantitativamente o retardo de ignio dos leos vegetais aquecidos com o do diesel. O

melhor que se pode fazer ressaltar que os leos, quando aquecidos acima de 70 C, apresentam

retardos de ignio relativamente curtos que os tornam aceitveis para serem substitutos do diesel.

3Padro ASTM D613 nos Estados Unidos e EN ISO 5165 na Europa


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2.5.1 Efeitos do retardo de ignio

O retardo de ignio extremamente importante porque determina o quo explosiva ser a

combusto. Um combustvel com longo retardo de ignio ter a maior parte ou mesmo todo ocombustvel injetado na cmara de combusto e misturado com ar antes da ignio iniciar e, uma

vez iniciada, todo o

Estudo Sobre a Utilização de Óleos de Origem Vegetal Em Motores Diesel n Modificados

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