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2. REVISO BIBLIOGRFICA

2.1. ASPECTOS GERAIS

A partir do fim da dcada de 70 o mercado brasileiro de combustveis e de veculos leves passou a ter caractersticas nicas em relao aos demais pases do mundo devido ao uso do etanol como combustvel automotivo. Em um primeiro momento foi adicionado etanol anidro gasolina e tambm foram desenvolvidos

veculos movidos a etanol hidratado. Atualmente, pela aplicao em larga escala de veculos com tecnologia flexvel, que permite o funcionamento dos motores com gasolina C, etanol hidratado e quaisquer de suas misturas. Tal fato tem como consequncia um nmero reduzido de publicaes tcnicas que tenham objetivos semelhantes a esta, destacando-se alguns trabalhos realizados por pesquisadores brasileiros, dados os maiores avanos do pas no uso do etanol e da tecnologia flexvel. Existe uma grande quantidade de trabalhos publicados no exterior que versam sobre as misturas de etanol gasolina. No entanto, a reviso bibliogrfica

teve foco em publicaes que contemplaram trabalhos experimentais com etanol anidro ou hidratado em motores, fornecendo caractersticas desses combustveis e informaes tcnicas sobre o funcionamento de motores flexveis.

2.2. ETANOL OU LCOOL ETLICO

De acordo com PENIDO (1983), o etanol possui diversas caractersticas positivas para o uso como combustvel automotivo no pas, tais como ser renovvel, possuir

menor custo e ser produzido em larga escala no Brasil. O percentual de gua classifica esse combustvel como etanol anidro, com at 0,7% em massa de gua e etanol hidratado, com 6,2% a 7,4% em massa de gua (ANP, 2002). PENIDO (1983) tambm afirma que a quantidade tima de gua no etanol varia com o tipo de motor e sua aplicao. O percentual escolhido para hidratao do etanol no Brasil, segundo o autor, se baseou em dados econmicos, devido ao menor custo de produo do etanol hidratado frente ao etanol anidro, bem como tcnicos, considerando-se principalmente a reduo do poder calorfico do combustvel

gerada pela adio de gua.

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Como vantagens do etanol em comparao com a gasolina so citadas:

- maior octanagem, possibilitando a utilizao de motores com taxas de compresso mais elevadas e; - menor formao de depsitos de combusto devido ao menor nmero de ligaes C C, evitando o aumento excessivo da taxa de compresso pelo

acmulo de resduos na cmara de combusto, o que poderia levar ocorrncia de detonao. Tambm so listadas algumas desvantagens do etanol: - menor poder calorfico, cerca de 70% do verificado na gasolina C;

- menor velocidade de combusto em relao gasolina; - alto calor latente de vaporizao, favorecendo a condensao do combustvel no coletor de admisso ou impedindo a vaporizao do mesmo, gerando dificuldades na partida a frio do motor em baixas temperaturas. Segundo o autor, cada grama

de etanol hidratado absorve 130% mais energia das paredes do coletor de admisso do que a mesma quantidade de gasolina. Enquanto a gasolina, quando passa da fase lquida para a gasosa, reduz a temperatura da mistura ar-combustvel em cerca de 20C, essa reduo para o etanol fica em torno de 50C; - alto ponto inicial de vaporizao, reduzindo a porcentagem de combustvel vaporizado a temperaturas mais baixas e tambm gerando inconvenientes na partida a frio do motor; - altas emisses de aldedos, nocivos sade humana;

- ser solvente de borrachas e possuir alta corrosividade, demandando a aplicao de materiais mais resistentes no sistema de combustvel com consequente aumento de custos. Do ponto de vista do desempenho dos motores, as vantagens citadas por Penido (2003) so as seguintes: - maior rendimento global, proporcionado pela maior octanagem do etanol que permite aumento da taxa de compresso; - aumento da potncia e do torque como consequncia da elevao da taxa de compresso.

J as desvantagens apresentadas pelo autor so: - maior consumo de combustvel devido ao poder calorfico reduzido;

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- diminuio do rendimento mecnico, como consequncia da maior fora normal

autuando sobre os pistes e seus componentes horizontais, aumentando os atritos no motor.

2.2.1. HIDRATAO DO ETANOL

Conforme PENIDO (1983), o etanol um combustvel higroscpico, ou seja, possui caractersticas naturais de absoro de gua. A hidratao do etanol possui alguns inconvenientes como a diminuio do poder calorfico em relao ao

etanol anidro, aumentando o consumo de combustvel do motor, bem como a reduo da inflamabilidade dos gases do combustvel. Por outro lado, a gua contida no etanol hidratado, pelo seu elevado calor latente de vaporizao, proporciona a esse combustvel um aumento de sua capacidade

antidetonante, permitindo que a taxa de compresso possa ser elevada, com impacto direto no aumento do rendimento trmico do motor.

2.3. TECNOLOGIA FLEXVEL

Devido ao aumento do preo do petrleo em 1975, os Estados Unidos adotaram um programa de reduo de consumo de combustvel (chamado Corporate Average Fuel Economy, CAFE) que imps regras rgidas aos fabricantes de veculos, obrigando-os a desenvolver veculos mais econmicos. Porm, esse mesmo programa permitia algumas excees para os fabricantes que oferecessem veculos movidos a combustveis alternativos (o que, para os americanos, naquela poca, era o metanol com 15% de gasolina, chamado M85). Como era difcil encontrar o M-85 nos postos de abastecimento, o que dificultava o comrcio de veculos movidos exclusivamente a esse combustvel, as montadoras americanas desenvolveram automveis que podiam usar tanto gasolina como M85 os chamados flex fuel. Mais tarde, com o crescimento da produo de etanol a partir do milho, os Estados Unidos abandonaram o uso do metanol e passaram a usar o

etanol, E85 (JOSEPH JR, 2008). A tecnologia flexvel nasceu de pesquisas realizadas nos Estados Unidos e na Europa no final da dcada de 80, incentivada pela necessidade de solucionar o problema da falta de infraestrutura de abastecimento para o uso de metanol e

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etanol, o que inviabilizava o uso e expanso desses combustveis. O

desenvolvimento dessa tecnologia possibilitou o uso do combustvel formado pela mistura E85, estabelecido para facilitar a partida do motor do ciclo Otto em condies extremas de frio. Trabalhos de pesquisa realizados no Brasil resultaram em uma concepo

tecnolgica superior a dos Estados Unidos e outros pases. Enquanto os veculos flex fuel americanos eram derivados dos veculos gasolina, podendo utilizar apenas E10 ou E85, no Brasil, os motores flexveis foram concebidos e desenvolvidos a partir de conhecimentos adquiridos com os motores originais a

etanol. A vantagem brasileira foi obtida em funo da experincia com veculos a etanol, que possuem maiores taxas de compresso. Dessa forma, o conceito flexvel brasileiro provou ser melhor em termos de reduo de consumo de combustvel e desempenho, permitindo o uso de gasolina com 20% de etanol

anidro at 100 % de etanol hidratado, incluindo quaisquer misturas desses dois combustveis. Em 2003, a indstria automobilstica iniciou a produo desses motores. A Volkswagen, em parceria com um de seus fornecedores de sistemas eletrnicos de

injeo de combustvel, a Magneti Marelli, foi a primeira montadora brasileira a lanar um veculo com esse conceito flexvel no mercado brasileiro. Os veculos nacionais do tipo flexvel possuem um mdulo de injeo eletrnica que capaz de gerenciar o funcionamento do motor para utilizar etanol hidratado e gasolina,

misturados em qualquer proporo. A produo de veculos flexveis no Brasil, que foi de 48.178 unidades em 2003, subiu para 2.127.740 em 2009 (ANFAVEA, 2009). Em parte para atendimento demanda, a produo de etanol brasileiro subiu de cerca de 14 bilhes de litros na safra 2003 / 2004, para aproximadamente 22 bilhes de litros na safra 2007/2008

(UNICA, 2009). Em 2009, o percentual de produo de veculos flexveis representou 88,3% dos novos veculos produzidos no Brasil (ANFAVEA, 2009). Conforme NIGRO et al., o princpio de funcionamento da tecnologia flexvel utilizada no pas baseia-se no sensor do teor de oxignio nos gases de

escapamento (sonda lambda), o qual j era necessrio para satisfazer os requisitos de emisses da fase L-3 do PROCONVE em veculos a gasolina. A mistura ar/combustvel tem que ser mantida estequiomtrica para que o catalisador de trs vias possa reduzir drasticamente os HC, CO, NOx e aldedos (RCHO). A funo

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da sonda lambda informar unidade de controle eletrnico do motor (ECU) para injetar mais ou menos combustvel conforme a mistura esteja pobre ou rica (tenha menos ou mais combustvel), de modo a mant-la na estequiometria correta da combusto. Para detectar com preciso o ponto de operao do motor (porcentagem de carga e rotao), existem tambm sensores que medem e informam ECU tanto a rotao do motor como o fluxo de ar admitido. Os valores das relaes estequiomtricas ar/etanol e ar/gasolina so conhecidos e esto armazenados na memria da ECU. Esta por sua vez infere a quantidade de combustvel que injetada para manter a mistura ar/combustvel estequiomtrica por meio do tempo que os injetores permaneceram abertos. Dessa forma, pode-se calcular o teor de etanol no combustvel lquido. Com base nesse teor calculado, controlam-se outros parmetros de funcionamento do motor, como por exemplo, o avano da centelha,

a necessidade de injeo de gasolina na partida a frio, as quantidades injetadas para atender a resposta transitria do motor tanto a quente como a frio e as estratgias para melhorar a eficincia do catalisador. Outro aspecto fundamental, para a rpida introduo e evoluo da tecnologia

flexvel no Brasil, foi uma incorporao imediata dos desenvolvimentos anteriormente realizados nos motores a etanol, em termos de compatibilidade de materiais, grau trmico da vela de ignio, bomba e filtro de combustvel e sistema de partida a frio, dentre outros.

A introduo da tecnologia de motores flexveis no Brasil foi inicialmente baseada no conceito da no modificao do motor a gasolina original, de modo que, na primeira gerao, a ateno foi quase que exclusivamente dedicada funcionalidade do sistema e atendimento aos requisitos de emisses, com reduzida preocupao do consumo do etanol. A taxa de compresso do motor a gasolina C

era mantida, e os ganhos de torque e potncia quando utilizando etanol eram aproximadamente 2%. Em uma segunda gerao as taxas de compresso subiram cerca de um ponto em relao s de gasolina C, buscando-se um maior equilbrio no desenvolvimento do

motor para os dois combustveis, com ganhos de potncia e torque para o etanol, na faixa dos 3% a 4%. Tambm foi introduzido o uso de novos catalisadores e velas de ignio adequadas para as novas taxas de compresso.

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Numa terceira gerao, adotada em alguns modelos pelas montadoras com grande

experincia no desenvolvimento de motores a etanol, as taxas de compresso se aproximaram bastante das mximas taxas admissveis para o etanol com ganhos de torque para o etanol acima dos 5%. A Tabela 1, adaptada da apresentao feita por representante da Volkswagen no

14 Ethanol Summit 2009 resume, na viso da montadora, como tem ocorrido a evoluo da tecnologia. Observe-se que na 4 gerao da Volkswagen j existe um sistema de partida a frio com pr-aquecimento do etanol, o que dispensa a necessidade do tanque auxiliar de gasolina.

Tabela 2.1 Evoluo da Tecnologia Flexvel na viso da Volkswagen

Gerao Entrada

no

Mercado

Taxa de Compresso

do Motor

Ganho de

Potncia

com

Etanol

Ganho de

Torque

com

Etanol

Perda de Autonomia

com

Etanol

Partida a frio com

Gasolina

1 2003 10,1 a 10,8 2,1% 2,1% 25% a 35%

sim

2 2006 10,8 a 13,0 4,4% 3,2% 25% a 35%

sim

3 2008 11,0 a 13,0 5,6% 9,3% 25% a 30%

sim

4 2009 11,0 a 13,0 5,6% 9,3% 25% a 30%

no

2.4. TRABALHOS EXPERIMENTAIS

De acordo com MACLEAN et al. (2003), o etanol possui alta octanagem e maiores faixa de inflamabilidade, velocidade de chama e entalpia de vaporizao quando comparado s gasolinas convencionais. Estas caractersticas permitem maiores taxas de compresso, menores tempos para a combusto e um processo de queima mais eficiente do que para as gasolinas convencionais. As

desvantagens deste combustvel so o menor poder calorfico, alta corrosividade,

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miscibilidade com a gua e baixa presso de vapor, o que dificulta a partida a frio

dos motores. DAL BEM et al (2006), concluem que ao adicionar mais gua ao etanol hidratado, transformando-o de 92,8INPM (percentual de etanol em massa) para 75INPM e test-lo em um motor movido a etanol com taxa de compresso de 13,5:1, ocorreu aumento do torque mximo, potncia mxima e consumo de combustvel, bem como reduo da eficincia de converso de combustvel (rendimento trmico). Quanto s emisses, foram observados reduo de xidos de nitrognio (NOx) e aumento de hidrocarbonetos (THC). Ainda de acordo com os autores, uma maior hidratao do etanol permite projeto de motores com maiores taxas de compresso. MASSA (1992) utilizou um motor monocilndrico ASTM CFR Waukesha com taxa de compresso varivel, prprio para a determinao de octanagem de

gasolinas, tendo por objetivo obter curvas de presso no cilindro, calor liberado e frao de massa queimada para diversos combustveis utilizados em motores do ciclo Otto. Para tanto, foi necessrio instrumentar o motor, tornando possvel a obteno dos dados necessrios ao clculo de parmetros de combusto

pretendidos. Os combustveis utilizados foram: gasolina pura, misturas de gasolina e etanol anidro em 4%, 15% e 30% em volume, alm do prprio etanol anidro. Para este ltimo foram observados os valores mais altos de potncia, considerando uma taxa de compresso de 5,98:1, bem como os maiores valores de consumo especfico de combustvel. Tambm foi observado, pelo grfico de frao de massa queimada, que o etanol anidro apresentou a menor velocidade de combusto em relao s gasolinas. ANDRADE (2007) verificou a variao da durao da combusto do etanol, pesquisando a influncia da taxa de compresso e da relao ar combustvel da

mistura nesses resultados. Para tanto, tambm utilizou um motor monocilndrico com taxa de compresso varivel, utilizado para a determinao de octanagem de combustveis (ASTM CFR). VILANOVA (2007) verificou que o uso de etanol hidratado em motor flexvel apresentou grandes desvantagens em termos de consumo quando comparado gasolina C, sem que tenha havido qualquer aumento de trabalho produzido, concluindo que o desempenho deste estava otimizado para o uso de gasolina C.

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Segundo JOSEPH JR (2009), a primeira gerao dos carros flexveis, surgida em 2003 no Brasil, funcionava com motores com taxas de compresso entre 10,1 e 10,8, que tinham sua potncia e torque aumentados em 2,1% com o etanol, porm seu rendimento trmico diminudo de 25% a 35%, em comparao com a gasolina. O sistema de injeo de partida a frio com gasolina foi utilizado nas trs primeiras geraes (2003-2008). J em 2009, com a quarta gerao, foi desenvolvido, um sistema de pr-aquecimento do combustvel, deixando de ser necessria a utilizao somente da gasolina para dar a partida no motor a temperaturas baixas. O pr-aquecimento controlado pela ECU e uma exclusiva

unidade de controle de aquecimento (HCU). O sistema, portanto, analisa as condies do combustvel no momento da partida, determinando se necessrio ou no o seu pr-aquecimento. OLIVERIO et al. (2009) relatam que, com o incio da tecnologia flexvel, diversos sensores de etanol tm sido desenvolvidos para detectar a concentrao desse combustvel alternativo nas misturas com gasolina. Porm, tais dispositivos (instalados no tanque ou na linha de combustvel) no so amplamente utilizados na produo veicular, devido principalmente ao seu alto custo.

O contedo do etanol no combustvel tambm pode ser detectado indiretamente por meio do sensor de oxignio, tambm conhecido como sonda lambda (sinal de correo da mistura ar/combustvel, que trabalha em circuito fechado com a unidade de controle eletrnico). Embora a determinao do etanol atravs do sensor lambda possa atingir uma aceitvel exatido, sua velocidade de deteco lenta e, portanto, no pode ser usado na partida do motor (ROTRAMEL et al., 1999). Alm disso, este mtodo pode acarretar outras falhas, tais como os desvios no sensor da vazo mssica de ar ou no injetor de combustvel, causado por uma alterao na concentrao de etanol (THEUNISSEN, 2003). Outros mtodos modernos baseiam-se na leitura de sensores de presso do cilindro, explorando os efeitos da concentrao do etanol no comportamento da combusto. No entanto, essas tcnicas coincidem, em certa forma, com o mtodo da sonda lamba, porque ambas dependem da combusto para relacionar as

propriedades do combustvel. Uma aplicao dessa metodologia foi proposta por OLIVERIO et al. (2009) para determinar o teor de etanol em motores flexveis de injeo direta. No entanto, sua tcnica se fundamentaria nos efeitos do resfriamento da carga sobre a curva da presso no cilindro.

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MELO (2007) realizou estudos experimentais de um motor flexvel, 1,8 litros, 4 cilindros, 8 vlvulas, taxa de compresso de 11:1, mxima rotao de 5.250 rpm, operando com dois combustveis comerciais no Brasil: a gasolina comum (com 23% de etanol anidro) e o etanol hidratado (com 7% de gua destilada). Os ensaios foram realizados em dois nveis de carga (50 e 75 Nm) e cinco rotaes do motor (1.500, 2.000, 2.500, 3.000 e 3.500 rpm). Assim, em cada ponto de operao (torque x rotao), a potncia do motor foi mantida constante quando utilizados cada um dos combustveis. Porm, as curvas da presso no interior do cilindro apresentaram valores mximos quando o motor funcionou com o etanol

hidratado. Tal efeito foi explicado, em parte, pela diferena dos ngulos de avano da ignio, que ficaram entre 5 e 7 menores com a gasolina na condio de carga mais elevada (75 N.m). COSTA e SODR (2009) estudaram o desempenho e as emisses de um motor flexvel, 1,0 litro, 4 cilindros, 8 vlvulas, taxa de compresso de 12:1, funcionando com etanol hidratado (6,8% de gua no etanol) e mistura combustvel gasolina-etanol (22% de etanol anidro). O desempenho do motor nas condies de plena carga foi otimizado atravs do avano da ignio. Os resultados dessa

otimizao reportaram que, em toda a faixa de rotao avaliada (1.100 a 6.500 rpm), os ngulos do avano da ignio para o etanol hidratado (entre 20 e 32 antes do PMS) foram maiores do que os da mistura gasolina-etanol (entre 16 e 26). Em baixas rotaes, inferiores a 4.000 rpm, os valores de torque foram maiores quando o motor consumiu a mistura gasolina-etanol. Porm, nas altas rotaes, entre 4.000 e 6.500 rpm, o uso de etanol hidratado produziu uma maior potncia no eixo do motor. A relao dos consumos especficos de ambos os combustveis (incluindo unidades de volume, em lugar de massa) sugeriu que o uso de etanol hidratado somente ser rentvel quando o preo mximo ao consumidor for igual a 72% do preo da mistura gasolina-etanol. No que tange s emisses, CO e HC foram reduzidas com o etanol hidratado, mas os nveis de CO2 e NOx foram aumentados quando comparados ao funcionamento

com a mistura gasolina-etanol. A maior concentrao dos xidos de nitrognio nos gases de escape do motor foi atribuda ao maior avano da ignio na operao com etanol hidratado.

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BREWSTER (2007a) em seu estudo do desenvolvimento de sistema de combusto de injeo direta avaliou as vantagens e desvantagens do uso de etanol anidro (E100) como combustvel, ao invs de apenas adicionado na gasolina. Os testes foram realizados em um motor 4 cilindros, turbo-alimentado, de 2,0 litros, com taxa de compresso 10,4:1, funcionando em rotaes desde 1.250 at 5.500 rpm. Comparado a um motor tpico gasolina (98 RON), o etanol apresentou para maiores avanos de ignio, menores presses e vazes de ar requeridas, temperaturas de gases de exausto consideravelmente mais baixas, ausncia de combusto detonante e menores emisses de CO2. Claramente o consumo de

etanol foi maior por apresentar menor poder calorfico. Quanto ao torque mximo, os dois combustveis obtiveram valores semelhantes, apesar de o etanol fornecer torques maiores que o da gasolina em uma faixa de valores entre 1.250 e 1.500 rpm. No quesito partida a frio temperatura ambiente (25 C) no existiu nenhuma diferena entre o etanol anidro e a gasolina. Para o autor, o desenvolvimento de motores de injeo direta de etanol apresenta, alm de tudo, um grande potencial de reduo do tamanho de motores (downsizing) funcionando no modo bi-combustvel.

Em outro trabalho, BREWSTER (2007b) investigou os efeitos da gua contida nos combustveis sobre o processo de combusto e as emisses de um motor Otto utilizado em sua pesquisa anterior. Durante os testes, foram comparados o etanol anidro (E100) e trs misturas hidratadas (E93, E87, E80). Parte dos testes foram realizados em aproximadamente 50% da plena carga, numa rotao de 2.000 rpm, presso de 100 kPa no coletor de admisso e avano de ignio fixo, mostrando que houve um aumento do atraso da ignio (perodo definido desde a liberao da fasca at 10% da frao da massa queimada) junto ao aumento do teor de gua. Nessas mesmas condies, a potncia, o rendimento e a estabilidade da

combusto diminuram, enquanto o ngulo mnimo da ignio para o melhor torque (AMT) foi avanado. As emisses de CO no foram afetadas pela presena da gua. As emisses de NOx diminuram linearmente com o aumento do teor de gua no combustvel, enquanto as emisses de HC aumentaram nas misturas E93 e E87. A temperatura dos gases de escape tambm diminui ligeiramente com o teor de gua. No AMT, o aumento do teor de gua pode causar uma reduo por volta de 10 C.

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BRUNOCILLA (2006) estudaram a influncia da injeo aquecida de etanol hidratado (com 7% de gua) num motor flexvel, 4 cilindros em linha, 1,6 litros. Nesse trabalho, eles mostraram os benefcios desta tecnologia sobre dois aspectos principais: o primeiro trata-se do desenvolvimento de um sistema assistente de partida a frio que usa o prprio etanol, eliminando a necessidade de um tanque de

gasolina; o segundo diz respeito aos efeitos do aquecimento do combustvel sobre o enquadramento do veiculo no padro de emisses brasileiro chamado PROCONVE fase L-5, principalmente no que tange s emisses de hidrocarbonetos no queimados. H diversos fatores que influenciam na fase

inicial de partida do motor, dentre eles: poder calorfico, razo ar/combustvel (8,5:1 para o etanol e 13,3:1 para a gasolina), calor latente de vaporizao, ponto de fulgor (12 C para o etanol). Os pesquisadores afirmam que o novo sistema de partida aplicvel somente quando o veculo estiver usando etanol hidratado com

pureza maior a 70 %. Uma vantagem desse sistema de combustvel aquecido a possibilidade da reduo do volume de etanol injetado, reduzindo tambm a quantidade de combustvel no queimado e a contaminao do leo do motor. O motor teve seu funcionamento otimizado para operar com essa nova tecnologia,

obtendo melhores resultados do que os sistemas convencionais (partida a gasolina), reduzindo significativamente as emisses de HC (aprox. 21,5%) e CO (aprox. 28,5%).

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