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BIODIESEL DE GIRASSOL EM MICROTRATORES MONOCILÍNDRICOS: EMISSÕES, CONSUMO ESPECÍFICO E

CONSEQUÊNCIAS DO SEU USO PARA O MOTOR

Anderson Favero Porte

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Programa de Pós-Graduação em Tecnologia Ambiental Mestrado


BIODIESEL DE GIRASSOL EM MICROTRATORES MONOCILÍNDRICOS: EMISSÕES, CONSUMO ESPECÍFICO E

CONSEQUÊNCIAS DO SEU USO PARA O MOTOR

Santa Cruz do Sul, janeiro de 2008.


Dissertação apresentada ao Programa de Pós Graduação em Tecnologia Ambiental da Universidade de Santa Cruz do Sul como requisito parcial para a obtenção do título de Mestre em Tecnologia Ambiental. Orientadora: Profa. Dra Rosana de Cássia Souza Schneider

Santa Cruz do Sul, janeiro de 2008.

BIODIESEL DE GIRASSOL EM

MICROTRATORES MONOCILÍNDRICOS: EMISSÕES, CONSUMO ESPECÍFICO E CONSEQUÊNCIAS DO SEU USO PARA

O MOTOR


BIODIESEL DE GIRASSOL EM MICROTRATORES MONOCILÍNDRICOS: EMISSÕES, CONSUMO ESPECÍFICO

E CONSEQUÊNCIAS DO SEU USO PARA O MOTOR

Esta dissertação foi submetida ao Programa de Pós Graduação em Tecnologia Ambiental da Universidade de Santa Cruz do Sul, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Tecnologia Ambiental.

Dra Rosana de Cassia Souza Schneider Universidade de Santa Cruz do Sul – UNISC

Orientadora

Dr. Carlos Antônio da Costa Tillmann Universidade Federal de Pelotas - UFPEL

Dr. Ademar Michels Universidade Federal de Santa Maria - UFSM

Dr. Jorge André Ribas Moraes Universidade de Santa Cruz do Sul - UNISC

AGRADECIMENTOS

À Deus, pelas oportunidades ao longo da minha existência e por estar ao meu

lado em todos os momentos.

À minha companheira Graciele, por existir; por estar ao meu lado, por

suportar minhas crises de ansiedade; e por acreditar em mim... sempre!

Aos meus pais e minha irmã, por estarem sempre comigo, mesmo há

distância.

Aos meus sogros, João e Gelsa, por me incentivaram a buscar esta meta.

Aos meus amigos: Olga, David, Dayana e Lívia, pelas palavras de incentivo e

por fazerem parte desta etapa.

À Universidade de Santa Cruz do Sul, por ter oportunizado a realização do

mestrado.

À Professora Rosana de Cassia Souza Schneider, minha orientadora, por ter

aceitado o desafio de me orientar e pelas oportunidades geradas ao longo do curso.

Ao Professor Carlos Antônio da Costa Tillmann, por ter acreditado e por estar

comigo ao longo do curso, sempre, mesmo há distância.

A todos os professores e funcionários do Programa de Pós Graduação em

Tecnologia Ambiental – Mestrado, por terem participado desta caminhada.

À Vanessa e ao Vagner, meus colegas de mestrado, pelos momentos vividos

ao longo destes dois anos.

Ao Departamento de Engenharia, Arquitetura e Ciências Agrárias, em

especial, ao Professor Helio Nonnenmacher, pela oportunidade de realização de

estágio-docência durante o mestrado.

6

À Tramontini Implementos Agrícolas LTDA, por toda participação nos testes à

campo, sem os quais este trabalho não teria ocorrido. Em especial, aos Engenheiros

Luiz Fernando e Pedro, pela colaboração constante ao longo dos testes.

À Schultz Técnica Comercial, em especial, ao Gilberto e sua equipe, pelo

suporte nas avaliações dos motores.

Ao Instituto de Química da UFRGS, em especial, ao professor Renato

Cataluña Veses e à Eliana Weber de Menezes, por terem colaborado com os testes

de emissões atmosféricas.

Ao Charles Schimuneck, pela colaboração com as análises do óleo

lubrificante.

Aos agricultores, senhores Seloí, João e Vilmar, que gentilmente cederam os

seus microtratores para serem avaliados.

Aos professores Ademar Michels e Jorge André Ribas Moraes, membros da

banca examinadora, pelas importantes contribuições feitas ao trabalho.

“Os desafios não são difíceis por que tentamos; é por não tentarmos que são

difíceis.”

(Sêneca)

DEDICATÓRIA

Dedico este trabalho aos meus pais, pelas escolhas que fizeram em suas

vidas em prol da minha, e por acreditarem no meu sucesso.

Especialmente, à minha companheira Graciele, que esteve ao meu lado ao

longo deste período, suportando minhas inquietações e me dando o estímulo

necessário para que eu pudesse superar as adversidades.

À todos que, de alguma forma, colaboraram para a realização deste sonho.

“Fui à floresta por que queria viver profundamente; fui à floresta por que

queria sugar a essência da vida, eliminar tudo que não era vida e não, ao morrer,

descobrir que não vivi.”

(Thoreau)

RESUMO

A utilização de biocombustíveis para substituição dos derivados de petróleo em

motores endotérmicos é uma alternativa para buscar a redução dos efeitos nocivos

que o uso destes combustíveis causa ao meio ambiente. Todavia, para que a

substituição, parcial ou total, por biocombustíveis seja técnica e economicamente

viável, inúmeras avaliações têm sido conduzidas a fim de se verificar o real benefício

que esta mudança é capaz de promover. Na região do Vale do Rio Pardo, onde está

situado o município de Santa Cruz do Sul, a agricultura baseia-se fundamentalmente

no cultivo de fumo, que utiliza, como principal fonte de potência, microtratores

equipados com motores monocilíndricos ciclo diesel. Desta forma, buscou-se avaliar

as emissões atmosféricas produzidas por este tipo de motor, utilizando diferentes

misturas de diesel e biodiesel (diesel, B2, B10, B20, B50 e B100). Paralelamente,

também foi avaliado o consumo específico de combustível para cada mistura

testada. Por fim, avaliaram-se, a campo, três microtratores que utilizaram diferentes

misturas de combustível (B2, B20 e B100). Os resultados mostraram que um

aumento do percentual de biodiesel na mistura reduz significativamente as emissões

de material particulado e aumenta consideravelmente as emissões de NO. Não foi

observada nenhuma correlação entre a quantidade de biodiesel usada na mistura e

as emissões de CO e CO2. Em termos de consumo específico de combustível, foi

verificado uma elevação constante do consumo para um aumento no percentual de

biodiesel utilizado. Por fim, as avaliações a campo mostraram que misturas com até

20% de biodiesel não comprometem o desempenho e a manutenção dos motores.

Porém, verificou-se que o biodiesel puro danifica a camisa do cilindro e promove, por

conseqüência, a contaminação do óleo do carter.

Palavras – chave: Biodiesel, microtratores, emissões atmosféricas.

ABSTRACT

The use of biofuels for substituting petroleum sub products in endothermic engines is

an alternative to diminish the harmful effects in the environment caused by the usage

of this fuel. However, for an economical and technical viable partial or total

substitution, innumerable evaluations have been conducted in order to verify the real

benefit that this change is capable to promote. On the region of Vale do Rio Pardo,

where is located the city of Santa Cruz do Sul, agriculture is based basically on

tobacco culture, that uses, as main source of power, micro tractors equipped with

one-cylinder diesel cycle engines. With that, the scope was to evaluate the

atmospheric emissions produced by this type of engine, using different mixtures of

diesel and biodiesel (diesel, B2, B10, B20, B50 and B100). Parallel to that, it was

also evaluated the specific fuel consumption for each tested mixture. Finally, the field

research had analyzed three micro tractors which had used different fuel mixtures

(B2, B20 and B100). The results had shown that an increase on the percentage of

biodiesel in the mixture reduces the emissions of particulate matter significantly and

increases the emissions of NO considerably. No correlation was observed between

the used amount of biodiesel in the mixture and the emissions of CO and CO2. In

terms of specific fuel consumption, it was verified a constant increase in the

consumption when the percentage of biodiesel grown. Finally, the field evaluations

had shown that mixtures up to 20% of biodiesel do not compromise the performance

and the maintainability of the engines. However, it was verified that pure biodiesel

damages the wall of the cylinder and promotes, by consequence, the contamination

of the carter oil.

Key words: Biodiesel, micro tractors and atmospheric emissions.

11

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Representação esquemática do processo de obtenção de biodiesel.

“Rota Metílica” ................................................................................................ 27

Figura 2 - Reação de transesterificação de óleos vegetais..................................... 28

Figura 3 - Oleaginosas cultivadas em cada região do país. Fonte: ABIOVE .......... 35

Figura 4 - Microtrator Tramontini acoplado à carreta .............................................. 50

Figura 5 - Emissões de NO em função da mistura diesel / biodiesel utilizada........ 56

Figura 6 - Emissões de CO2 em função da mistura diesel / biodiesel utilizada....... 58

Figura 7 - Emissões de material particulado em função da mistura diesel/biodiesel

utilizada .......................................................................................................... 59

Figura 8 - Consumo específico de combustível em função da mistura diesel

biodiesel utilizada. .......................................................................................... 60

Figura 9 - Teste de pulverização de um bico injetor (B100).................................... 63

Figura 10 - A)– Camisa com brunimento; B) – Camisa sem brunimento............... 65

Figura 11 - Espectro no Infravermelho do óleo lubrificante ................................... 66

Figura 12 - A) filtro de combustível (B100) B) Água copo do filtro (B20)............... 68

Figura 13 - Desgaste (frisos) na parte superior do elemento da bomba de

combustível .................................................................................................... 69

Figura 14 - Bronzinas dos microtratores após o término dos testes...................... 69

Figura 15 - Bicos injetores após as 200h de teste................................................. 70

Figura 16 - Comparação dos bicos injetores......................................................... 70

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Propriedades físico químicas de biodiesel e diesel............................. 30

Tabela 2 - Propriedades físico químicas do biodiesel metílico e biodiesel etílico. 31

Tabela 3 - Emissão de poluentes em função do ciclo motor. ............................... 32

Tabela 4 - Caracterização do biodiesel utilizado na pesquisa.............................. 55

Tabela 5 - Consumo específico de combustível (g/kWh) em termos percentuais 61

Tabela 6 - Medições feitas nos motores em função da mistura usada ................ 64

Tabela 7 - Deposição de carvão no topo dos cilindros / cabeçote de válvulas .... 71

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ......................................................................................................... 15

Objetivos................................................................................................................... 17

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

1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA......................................................................... 18

1.1 Fontes de energia e impactos ambientais ..................................................... 18

1.2 Óleo diesel..................................................................................................... 19

1.2.1 Características ..............................................................................................19

1.2.2 Impactos ambientais do óleo diesel ..............................................................21

1.2.3 Perspectivas para o futuro ............................................................................22

1.3 Combustíveis renováveis – biodiesel............................................................. 25

1.3.1 Definição.......................................................................................................25

1.3.2 Histórico........................................................................................................25

1.3.3 Processo de obtenção (metílico / etílico) ......................................................26

1.3.4 Características do biodiesel ..........................................................................29

1.3.5 Benefícios sociais, econômicos e ambientais ...............................................32

1.3.6 Biodiesel no Brasil ........................................................................................34

1.4 Motores diesel ............................................................................................... 35

1.4.1 Definição e classificação...............................................................................35

1.4.2 Componentes ...............................................................................................36

1.4.3 Princípio de funcionamento – ciclo diesel .....................................................38

1.4.4 Combustão no motor diesel ..........................................................................39

1.4.5 Sistemas de combustão................................................................................40 1.4.5.1 Descrição do sistema de injeção ...................................................................................... 41

1.4.5.2 Componentes do sistema mecânico de injeção ............................................................... 42

1.4.6 Sistema de lubrificação.................................................................................42

1.4.6.1 Características e componentes do sistema...................................................................... 42

1.4.6.2 Óleo lubrificante ................................................................................................................ 43

1.4.7 Sistema de arrefecimento .............................................................................43

2 MATERIAIS E MÉTODOS................................................................................. 45

2.1 Caracterização do biodiesel de girassol ........................................................ 46

2.2 Avaliação das emissões atmosféricas do biodiesel de girassol..................... 48

Dissertação de Mestrado – Anderson F. Porte – Mestrado em Tecnologia Ambiental

14

14

2.3 Consumo específico de combustível ............................................................. 49

2.4 Avaliação do uso de misturas diesel/biodiesel em campo............................. 49

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO......................................................................... 54

3.1 Caracterização do biodiesel........................................................................... 54

3.2 Emissões atmosféricas .................................................................................. 56

3.3 Consumo específico de combustível ............................................................. 60

3.4 Ensaios a campo com microtratores.............................................................. 62

CONSIDERAÇÕES FINAIS...................................................................................... 73

TRABALHOS FUTUROS.......................................................................................... 74

REFERÊNCIAS........................................................................................................ 75

ANEXOS................................................................................................................... 80

ANEXO A – Planilha de acompanhamento 1 ........................................................... 81

ANEXO B – Planilha de acompanhamento 2 ........................................................... 82

ANEXO C – caracterização das condições iniciais dos microtratores ...................... 83

INTRODUÇÃO

Durante os últimos anos, o governo brasileiro vem incentivando o uso de

fontes alternativas de energia em substituição aos combustíveis fósseis, largamente

usados para movimentar a frota veicular em todo o planeta nos dias de hoje.

Algumas razões para este incentivo são econômicas, como a perspectiva de

escassez de petróleo nas próximas décadas, que tornará este produto mais caro,

enquanto outras são ambientais, como o aquecimento global, acelerado pela

poluição atmosférica gerada nas mais diferentes fontes (veículos automotores,

indústria e queimadas).

Diante deste cenário, o Brasil é favorecido por que possui uma imensa área

cultivável, com capacidade de produção das mais diferentes culturas de

oleaginosas, como o pinhão manso, a mamona, a soja, o girassol, o dendê, entre

outros, todas com potencial para produção de energia. Além disso, muitas das

oleaginosas utilizadas na produção de biodiesel podem ser produzidas em pequenas

propriedades rurais, como a mamona e o girassol, o que passa a ser uma alternativa

de renda para a agricultura familiar ou em localidades isoladas.

No Rio Grande do Sul, estão sendo desenvolvidos estudos sobre a cultura do

girassol para produção de óleo. Na região do Vale do Rio Pardo, onde a economia é

baseada no cultivo e no beneficiamento de fumo, o cultivo de girassol para

produção de biodiesel é uma alternativa de renda a mais para os fumicultores, que

podem equilibrar a sua renda utilizando a terra disponível para o cultivo desta

oleaginosa. Além disso, diante do recente advento da Convenção–Quadro, referente

à cultura de fumo, a produção de biodiesel é uma alternativa a ser considerada para

a diversificação econômica de municípios da região.


16

Em termos de poluição gerada nos veículos automotores, a principal

alternativa que pode ser adotada é a substituição total ou parcial de combustíveis de

origem fóssil (diesel e gasolina) por combustíveis de origem vegetal (biodiesel e

álcool). Já na década de 80, motivado pela alta nos preços do petróleo na época,

iniciou-se um processo de substituição de gasolina por álcool de cana de açúcar,

através do Proálcool. Atualmente, o fator econômico aliado às questões ambientais

cada vez mais notadas, faz com que a bioenergia para movimentação da frota

brasileira e mundial volte a ser o foco de estudos em todas as regiões do Brasil.

Todavia, torna-se necessário uma avaliação da viabilidade do uso destes

biocombustíveis, puros ou misturados com combustíveis fósseis, em termos de

operacionalidade, manutenção e rendimento dos motores, além dos parâmetros

ambientais, como emissões atmosféricas e uso dos recursos naturais disponíveis

para produção dos mesmos.


17

Objetivos

A presente pesquisa visou estudar, sob diferentes aspectos, a utilização de

biodiesel de girassol em microtratores agrícolas, monocilíndricos, com sistema direto

de injeção de combustível.

Objetivos Específicos

Avaliar o desempenho a campo de diferentes formulações diesel / biodiesel,

em termos de operacionalidade e manutenção dos equipamentos, bem como avaliar

as consequências do uso destas formulações para os motores.

Avaliar as emissões atmosféricas resultantes da queima de diferentes

formulações em motores monocilíndricos.

Avaliar o consumo específico de combustível para diferentes formulações em

motores monocilíndricos.

1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

1.1 Fontes de energia e impactos ambientais

Em todo o mundo, observa-se o aumento crescente no consumo de energia

para os mais diversos fins – alimentação, aquecimento, transportes. Contudo, nas

últimas décadas, o crescimento populacional e o estilo de vida das pessoas

acelerou o desgaste de diversas fontes de energia, pois a energia é um pré-

requisito essencial para o desenvolvimento sócio-econômico de uma região

(ALMEIDA & CLUA, 2005). Isso acabou acarretando em um desequilíbrio no

reabastecimento destas fontes de energia, em especial, do petróleo, indicando,

segundo Subramanian et al (2005), que tais reservas serão totalmente consumidas

durante os próximos 40 anos.

Conforme Almeida & Clua (2005), no período de 1980 à 2001, o consumo de

energia na Améria Latina cresceu 82%, algo em torno de 2,9% ao ano. Neste

período, a região se tornou menos dependente de combustíveis fósseis,

principalmente devido ao declíneo do consumo de petróleo e ao uso mais intenso

de hidroeletricidade.

Segundo Camargo et al (2002), no Brasil, o sistema energético origina sérios

problemas ambientais em função da grande importância dos combustíveis fósseis.

Portanto, é essencial dar mais ênfase à eficiência energética e ao uso de energias

renováveis, o que não só é possível em termos econômicos, como também é

desejável do ponto de vista ambiental. Neste contexto, o Brasil encontra-se numa

situação privilegiada em comparação à grandes potências, uma vez que os

combustíveis fósseis representam 58% do consumo de energia no Brasil, enquanto

Dissertação de Mestrado em Tecnologia Ambiental– Anderson F. Porte – UNISC

19

nos países da OECD (Organization for Economic Co-operation and Development)

eles representam 81% (CAMARGO et al, 2002). Este cenário favorece o cultivo de

oleaginosas para fins energéticos, apoiado pelas questões financeiras, sociais e

ambientais, pois diferentes culturas desenvolvidas nas cinco regiões do Brasil

podem servir de matéria prima para geração de biocombustíveis.

1.2 Óleo diesel

1.2.1 Características

O óleo diesel é um combustível obtido a partir do refino do petróleo. É uma

mistura formada por hidrocarbonetos e compostos minoritários que contém enxofre,

nitrogênio e oxigênio em baixas concentrações. É um produto inflamável, de alta

volatilidade, razoavelmente tóxico e com odor característico. Segundo a Petrobrás

(2006), é o derivado propulsor do refino do petróleo, correspondendo à 34% do

volume do barril de petróleo no Brasil.

Este combustível é a fonte de energia dos motores de ciclo diesel. Porém,

uma vez que o óleo diesel é uma mistura de inúmeras substâncias, muitas avarias

do motor ocorrem em função da qualidade do diesel utilizado. Desde os primeiros

veículos diesel produzidos, sempre houve a preocupação com o combustível

usado. Inicialmente, por uma questão meramente financeira, buscando o melhor

rendimento do motor, e mais recentemente, buscando minimizar os impactos

ambientais causados pelas emissões na queima deste combustível.

Atualmente, no Brasil, são utilizados dois tipos de óleo diesel, basicamente

diferenciados pelo teor de enxofre presente em sua composição: óleo diesel

metropolitano, com teor máximo de enxofre de 0,2%, e óleo diesel rural, com teor

máximo de enxofre de 0,3% (SOTREQ, 2006). Esta diferença na composição

acarreta em diferentes propriedades do combustível.

Segundo Sotreq (2006), as seguintes propriedades do combustível afetam a

operação de um motor do ciclo diesel:


20

- Peso específico: é a relação entre o peso de um volume fixo do combustível e o

peso do mesmo volume de água, tomado como padrão. Combustíveis com elevado

peso específico oferecem maior energia para o motor. Esta característica do

combustível está relacionada com seu poder de lubrificação e com a formação de

depósitos na câmara de combustão.

- Viscosidade: é a resistência que um determinado fluído oferece ao fluxo. Está

relacionada com o peso específico (maior peso específico, maior viscosidade).

Combustíveis mais viscosos apresentam maior capacidade de lubrificação (formam

uma película mais espessa) mas, em contra partida, oferecem problemas para uma

queima completa devido à dificuldade de atomização no momento da injeção de

combustível. Isto pode acarretar em carbonização interna do cilindro, pistão e

anéis. Por outro lado, combustíveis pouco viscosos atomizam com maior facilidade

mas apresentam menor poder de lubrificação, o que pode acelerar o desgaste no

sistema de injeção, pistões e cilindros.

- Ponto de névoa: é a temperatura abaixo da qual ocorre o surgimento de ceras e

parafinas, presentes no combustível, em forma de névoa. Esta característica é

importante, pois esta névoa pode provocar o entupimento do filtro de combustível.

- Ponto de fluidez: é a temperatura na qual um fluído deixa de escoar ou começa a

solidificar-se. O conhecimento desta informação é importante, pois afeta o

funcionamento do motor em baixas temperaturas.

- Índice de cetano: está relacionado com a qualidade da ignição, que afeta a

partida e aceleração do motor. É um índice calculado a partir da densidade e da

temperatura de destilação de 50% do fluído.

Além disso, também é importante saber se, no combustível, há presença dos

seguintes componentes:

- Água: pode causar avarias na bomba injetora de combustível.

- Sedimentos: são ferrugens, escamas ou sujeira presentes no combustível que

podem promover o desgaste no sistema de injeção ou o entupimento dos bicos e

filtros de combustível.

- Borra e fibras: diminuem a vida útil do filtro de combustível ou exigem limpezas

constantes, em função do seu entupimento.


21

- Enxofre: diminui a vida útil do motor. Durante a queima do combustível, o vapor

d’água gerado reage com os óxidos de enxofre, gerando ácido sulfúrico, que ataca

as superfícies metálicas dos cilindros, pistões e anéis. Além disso, em termos de

emissões, o enxofre pode combinar-se com o oxigênio no momento da queima,

formando óxidos de enxofre, que além de favorecerem a formação de particulados,

também colaboram para a formação de chuva ácida, quando lançados na

atmosfera.

- Vanádio: acelera a corrosão das superfícies metálicas mais quentes, como

válvulas de exaustão.

- Sódio e cloreto de sódio: em contato com o vanádio, o sódio forma compostos

que se fundem em temperaturas normais de funcionamento do motor, acelerando a

corrosão dos cilindros, pistões, válvulas e anéis.

- Gomas e resinas: provenientes da oxidação do combustível durante seu

armazenamento ou processamento, as gomas ou resinas se depositam ao longo

do sistema de injeção, afetando as tolerâncias dimensionais das partes móveis

deste conjunto e provocando o entupimento do filtro de combustível.

- Finos catalíticos (alumínio e silício): provenientes do processo de obtenção do

óleo diesel, estas substâncias causam desgaste abrasivo acelerado nas partes

internas no motor, como: bombas, injetores, anéis, pistões e cilindros.

1.2.2 Impactos ambientais do óleo diesel

Por ser obtido a partir do petróleo, o óleo diesel apresenta já no seu processo

de obtenção um impacto ambiental negativo referente ao uso de recursos naturais,

neste caso, não renováveis. Além disso, durante a sua utilização nos motores

endotérmicos para as mais diversas finalidades, a queima do óleo diesel apresenta

outro impacto ambiental negativo promovido pelas emissões atmosféricas liberadas

por estes motores.

Automóveis, ônibus, caminhões emitem diariamente grandes quantidades de

CO, NOx, HC e outros poluentes na atmosfera. Ao serem liberados, estes

poluentes se dispersam na atmosfera, podendo ocorrer em maiores ou menores


22

concentrações em função das condições meteorológicas, da sua origem

(combustível) e dos padrões de emissão (GOKHALE & KHARE, 2006).

Alguns países já possuem algumas estratégias para controlar e/ou reduzir

estas emissões. É o caso, por exemplo, da China, onde algumas medidas foram

introduzidas para regular a construção de estradas e o planejamento do tráfego,

além do controle das emissões em veículos novos e já em uso, melhorias na

qualidade do combustível e incentivos fiscais. Além destas medidas, um programa

adequado de inspeção e manutenção veicular voltado para as emissões

atmosféricas poderia reduzir significativamente os índices de emissões de CO e

HC na China, segundo estudo da Universidade de Tsinghua (FAIZ et al. 2005).

No Brasil, o problema é verificado com maior intensidade das regiões

metropolitanas. A alta concentração de indústrias, associada ao grande fluxo de

veículos acarreta numa grande quantidade de hidrocarbonetos, materiais

particulados e outros compostos lançados na atmosfera. Em casos extremos, como

no inverno, além da conseqüência ambiental, há um acréscimo nos problemas

respiratórios em função da presença destes elementos na atmosfera, o que é

função da dificuldade de dispersão destes poluentes agravada pelas baixas

temperaturas. Segundo Martins (2002), em pesquisa realizada no final da década

passada, os índices de O3, CO e material particulado na cidade de São Paulo

ultrapassaram os limites anuais nos anos 1996, 1997 e 1998 e houve um elevado

número de casos de problemas respiratórios existentes na região no mesmo

período.

1.2.3 Perspectivas para o futuro

Diante do panorama atual de poluição nas grandes cidades, tornou-se

necessária a busca por alternativas para redução dos índices de poluição.

Especificamente no caso do óleo diesel, no Brasil, as principais tentativas para

controle e redução da poluição provocada por este combustível tratam do uso de

combustíveis alternativos, como o biodiesel, adição de etanol ao diesel, ou ainda,

combinação de biodiesel/etanol/diesel. Além disso, com relação às emissões de


23

material particulado, há ainda a possibilidade de adição de compostos

organometálicos ao diesel, princípio básico de funcionamento dos catalisadores de

oxidação para motores diesel. Pode-se citar também, programas de inspeção e

manutenção veicular, visando manter a frota atual dentro dos limites de emissão

estabelecidos na legislação (Companhia de Tecnologia de Saneamento Ambiental

– CETESB, 2005).

Muitos estudos têm apontado para o fato de que a queima do biodiesel, puro

ou misturado ao diesel, pode reduzir as emissões de CO, material particulado, HC

e compostos de enxofre, além de relatar também o aumento nas emissões de NOx

e frações orgânicas solúveis (BAGLEY et al, 1998, citado por PINTO et al., 2005).

No Brasil, em função da biodiversidade do país, o biodiesel poderá ser obtido a

partir de oleaginosas como a soja, a mamona e o girassol, ou ainda, do sebo de

animais ou do óleo residual de frituras.

Meher et al (2004) testaram biodiesel de óleo de algodão, soja e girassol,

puros e misturados com diesel em diferentes percentuais, em um motor diesel

monocilíndrico, variando a rotação entre 1000 e 4500 rpm. Concluíram que a

quantidade de fumaça emitida pelas misturas B10 e B20 para as várias fontes é

inferior à quantidade emitida pelo diesel puro, diminuindo ainda mais conforme

aumenta o percentual de biodiesel na mistura. Ao contrário, para os óleos vegetais

“in natura” a quantidade de fumaça é maior para as misturas diesel – óleo vegetal

quando comparadas com a quantidade gerada pelo diesel puro. Ainda, a

quantidade de fumaça aumenta conforme aumenta a quantidade de óleo vegetal

na mistura.

Além disso, reduções significativas nas emissões de material particulado

podem ser obtidas a partir da adição de biodiesel ao diesel. Diante disso, o

Governo Federal vem incentivando a produção deste biocombustível. Atualmente,

todo diesel comercial do país tem 2% de biodiesel em sua composição (mistura

denominada B2). A perspectiva é de que, a partir de 2013, todo o diesel usado no

Brasil tenha 5% de biodiesel incorporado em sua composição (mistura B5).

Com relação ao etanol, pode-se afirmar que a sua adição ao diesel traria

benefícios com relação às emissões atmosféricas. Porém, devido a fatores de

ordem técnica, como octanagem do etanol e a sua baixa solubilidade no diesel


24

tornam inviável o uso desta mistura. Diante disso, surge a possibilidade de associar

biodiesel e etanol para adicioná-los ao diesel. Em termos de biocombustíveis no

Brasil, esta passa a ser uma alternativa interessante, pois o biodiesel facilita a

solubilidade do etanol no diesel. Além disso, impulsiona a produção destes

biocombustíveis no país. Shi et al. (2006) mostraram em seu estudo que uma

mistura com 5% de etanol (pureza de 99,7%), 20% de biodiesel de soja e 75% de

diesel apresentou redução nas emissões de material particulado e hidrocarbonetos

da ordem de 40% a plena carga, para diferentes rotações. Porém, o mesmo estudo

se mostrou não conclusivo para emissões de CO, além de indicar um pequeno

aumento nas emissões de NOx (da ordem de 10%, a plena carga, para rotação de

2000rpm) e compostos carbonílicos.

Isso indica que ainda são necessárias pesquisas para a redução deste

impacto utilizando catalisadores oxidativos em baixas temperaturas ou conversores

catalíticos. Os catalisadores oxidativos são estruturas cerâmicas que não retém os

particulados, mas agem sobre os HC presentes na fase de vapor que se

condensariam, tornando-se parte do particulado (MARTINS, 2002). Já os

conversores catalíticos são conhecidos pela sua ação na gaseificação do carvão.

Algumas empresas, porém, já lançaram no mercado mundial catalisadores

oxidativos a baixa temperatura que também eliminam NOx e obtiveram resultados

satisfatórios, como redução das emissões de HC e CO superiores à 50% além de

elevados índices de redução também para material particulado (ENGELHARD,

2005).

Com relação à frota de automóveis que circula atualmente no Brasil, é válido

lembrar ainda a importância de programas de inspeção e manutenção veicular. Em

São Paulo, a CETESB criou na década de 90 um conjunto de propostas técnicas

que deram origem ao Programa de Inspeção Veicular Ambiental (PIV). A meta é de

ainda reduzir 20% das emissões de CO e HC e 30% das emissões de material

particulado.


25

1.3 Combustíveis renováveis – biodiesel

1.3.1 Definição

O biodiesel é um combustível renovável derivado de óleos vegetais, como

girassol, mamona, soja, babaçu e demais oleaginosas, ou de gorduras animais. É

usado em motores de ciclo diesel, em qualquer concentração de mistura com o

diesel, reduzindo as emissões dos motores, sendo por isso, chamado de um

combustível de queima limpa. Quimicamente, é um combustível composto de

mono-alquil-ésteres de ácidos graxos de cadeia longa, derivados de óleos vegetais

ou de gorduras animais e designado B100 (BIODIESELBR, 2006).

1.3.2 Histórico

Os biocombustíveis vêm sendo pesquisados e produzidos em laboratórios há

vários anos. Brandes (1838) obteve propenal, um aldeído gerado da dupla

desidratação do glicerol, quando destilou óleo de côco. Mailhe (1922) empregou

catalisadores ácidos para auxiliar a transformação de óleos vegetais em

hidrocarbonetos. Wattermann & Perquin (1924), aplicaram o processo Bergius de

síntese de hidrocarbonetos por hidrogenação de carvão a alta pressão de H2 ao

óleo vegetal e obtiveram uma conversão quase total destes hidrocarbonetos.

A obtenção de combustíveis alternativos a partir da transformação catalítica

de óleos vegetais é uma possibilidade promissora, originária das crises mundiais

do petróleo, ocorridas em 1973 e 1978, que apresenta a vantagem sobre as

demais fontes de energia por não esgotar o solo e não agredir o meio ambiente

(GONZALEZ et al. 2000).

Porém, no período compreendido entre a Segunda Guerra e a crise do

petróleo, em 1973, pouco se estudou este tipo de combustível, em função do baixo

custo de obtenção de petróleo e da produção dos combustíveis fósseis

(GONZALEZ et al. 2000). Todavia, a elevação de preço do barril de petróleo no


26

oriente médio, ocorrida entre os anos de 1973 e 1974, fez com que os

biocombustíveis voltassem a ganhar importância no cenário econômico mundial.

No Brasil, o pioneiro do uso de biocombustíveis foi o Conde Francisco de

Matarazzo nos anos 60, quando as Indústrias Matarazzo utilizavam álcool para

remover as impurezas do óleo obtido a partir do café, o que gerava um produto que

hoje é chamado biodiesel (BIODIESELBR, 2006).

Recentemente, os biocombustíveis vêm ganhando mais espaço no cenário

econômico brasileiro. Primeiramente, com o Proalcool, na década de 80, houve um

forte incentivo para a produção de combustível a partir da cana de açúcar, a fim de

substituir parte da gasolina da frota nacional. Desde o ano de 2003, o Probiodiesel

vem desenvolvendo a cadeia produtiva do biodiesel obtido a partir de óleos

vegetais e/ou residuais (Ministério da Ciência e Tecnologia – MCT, 2005).

1.3.3 Processo de obtenção (metílico / etílico)

O biodiesel é definido pela National Biodiesel Board (1998), como o derivado

mono-alquil éster de ácidos graxos de cadeia longa, proveniente de fontes

renováveis, como óleos vegetais, cuja utilização está associada à substituição de

combustíveis fósseis em motores de ignição por compressão – motores de ciclo

diesel.

Diversos estudos demonstraram que a obtenção destes ésteres a partir de

óleo de colza, canola, girassol, soja e palma (dendê) é ecologicamente

recomendável, sobretudo porque apresenta menor combustão incompleta do que

os hidrocarbonetos e menor emissão de monóxido de carbono, materiais

particulados, óxidos de enxofre, óxidos de nitrogênio e fuligem (OBREGÓN, 2004).

O processo de produção de biodiesel é composto das seguintes etapas:

preparação da matéria-prima, reação de transesterificação, separação de fases,

recuperação e desidratação do álcool, destilação da glicerina e purificação desse

combustível renovável (BIODIESELBR, 2006). A Figura 1 é a representação

esquemática do processo de obtenção de biodiesel.


27

Figura 1 - Representação esquemática do processo de obtenção de biodiesel.

“Rota Metílica”

Neste processo, há certos inconvenientes que o dificultam e podem

comprometer a qualidade do produto final, como o elevado consumo energético, a

difícil recuperação do glicerol, o catalisador que necessita ser removido do produto,

o efluente alcalino gerado que necessita tratamento e os ácidos graxos e água que

interferem na reação (MEHER et al, 2004). A reação de síntese, geralmente

empregada a nível industrial, utiliza uma razão molar óleo:álcool de 1:6 na

presença de 0,4% de hidróxido de sódio ou de potássio, porque o meio básico

apresenta melhor rendimento e menor tempo de reação do que o meio ácido. Por

outro lado, o excesso de agente transesterificante (álcool primário) faz-se

Gorduras reaproveitáveis

Glicerina crua

Metanol + KOH ou NaOH

Correção da acidez

Glicerina refinada

Recuperação do metanol

Transesterificação

Glicerina

Óleos vegetais

Biodiesel cru

Refino

Biodiesel


28

necessário devido ao caráter reversível da reação (COSTA NETO et al. 2000). A

Figura 2 ilustra esta reação.

O

O

O

OH3C

CH3

O

OCH37 7

7

7 4

4

+

O

OCH3

7 4

H3C

O

OCH3

7 4

H3C

O

OCH3

7 7

H3C +

OH

HOOH

3 CH3OHNaOH

Figura 2 - Reação de transesterificação de óleos vegetais

Freedman & Butterfield (1986), demonstraram que a alcoólise com metanol é

tecnicamente mais viável do que a alcoólise com etanol, particularmente se esse

corresponde ao etanol hidratado, cujo teor em água (4-6%) retarda a reação. A

utilização de etanol anidro na reação diminui este inconveniente, o que não

significa solução para o problema de separação da glicerina do meio de reação, o

que pode ser feito por simples decantação no caso da síntese do éster metílico.

A separação de fases tem por objetivo assegurar a pureza do produto final de

acordo com as especificações. Segundo a União Européia, o teor de ácidos graxos

livres, álcool, glicerina e água devem ser mínimos, de modo que a pureza do

biodiesel seja superior à 96,5%.

Após separadas as fases, a fase de fundo contém água e álcool e deve ser

submetida a um processo de evaporação. Os vapores de água e álcool são, a

seguir, liquefeitos em um condensador. Da mesma forma, o álcool residual é

recuperado da fase de topo. Após essa recuperação, o álcool ainda contém água e

deve ser desidratado. Essa desidratação é normalmente feita por destilação

(BIODIESELBR, 2006).


29

Caso a reação de transesterificação seja incompleta ou a purificação seja

insuficiente, o biodiesel produzido pode ficar contaminado com glicerol livre e

retido, triglicerídeos e álcool. A presença de contaminantes pode ser prejudicial

para os motores e para o meio ambiente. Os ésteres deverão ser lavados por

centrifugação e, posteriormente, desumidificados ou podem ser tratados com

adsorventes.

1.3.4 Características do biodiesel

Com os recentes aumentos no preço do petróleo e a incerteza sobre a sua

disponibilidade futura, o interesse pelo uso de biocombustíveis em motores diesel

vem aumentando (DEMIRBAS, 2003 citado por BOZBAS, 2005). Porém, uma vez

que uma das maiores vantagens do uso de biodiesel é o fato de não ser necessário

alterações significativas nos motores de ciclo diesel, é de fundamental importância

o conhecimento das características físicas e químicas deste tipo de combustível.

O biodiesel apresenta características muito semelhantes ao óleo diesel obtido

do petróleo, o que permite o seu uso em motores diesel sem grandes modificações

na estrutura do motor e, uma vez que o carbono presente nele provém do CO2

atmosférico, as emissões de CO deste combustível contribuem muito menos para o

aquecimento global, quando comparado com o óleo diesel. McComrmick &

Graboski (2001) correlacionaram algumas variáveis como número de cetanos e

densidade de biodiesel proveniente de diversas fontes com emissões de NOx e

material particulado, e concluíram que misturas com maiores valores de

viscosidade apresentam maiores valores para emissões de NOx. Eles também

observaram que quanto maior for o número de cetanos da mistura, menor é a

emissão de NOx. Finalmente, observaram que as emissões de material particulado

não são afetadas pela variação de viscosidade ou número de cetanos do

combustível até certo valor, a partir do qual ocorre um pico deste tipo de emissão.

Goodrum & Eiteman (1996) citados por Villarreyes et al (2007) indicam a

densidade, a viscosidade dinâmica, tensão superficial, calor específico e pressão

de vapor como sendo as propriedades mais importantes para definição da


30

eficiência da combustão. Já Flores-Luque (1987) citado por Villarreyes et al (2007)

delimitaram o estudo à densidade, viscosidade dinâmica e tensão superficial,

através da combinação destas propriedades em 5 grupos que caracterizam a

eficiência da combustão (parâmetros indicativos) ou em 5 funções combinadas,

como segue:

A = µ/ρ, define a viscosidade cinemática do combustível;

B = σ/µ, indica se o jato de combustível se desintegra no momento correto;

C = σ/ρ, assim como o parâmetro anterior, também indica se o jato de combustível

se desintegra no momento correto;

D = σ²/µρ, indica a distribuição e o tamanho (diâmetro) das gotículas de

combustível no momento da atomização;

E = µ²/σρ, indica as condições da injeção do combustível para desintegração antes

da ignição;

Onde:

µ = viscosidade dinâmica do combustível

ρ = densidade do combustível

σ = tensão superficial do combustível

Bozbas (2005) afirma que o biodiesel tem características físicas muito

próximas das características do óleo diesel mineral. Balat e Demirbas (2003)

citados por Bozbas (2005) apresentam um comparativo entre as características do

biodiesel e do óleo diesel convencional, mostrado na Tabela 1.

Tabela 1 - Propriedades físico químicas de biodiesel e diesel.

Propriedades Biodiesel Diesel Densidade (kg/l) 0,87 - 0,89 0,84 - 0,86

N° cetanos 46 - 70 47 - 55 Ponto de névoa (K) 262 - 289 256 - 265 Ponto de fluidez (K) 258 - 286 237 - 243 Ponto de fulgor (K) 408 - 423 325 - 350

Enxofre (wt %) 0 - 0,0024 0,004 - 0,01 Cinzas (wt %) 0,002 - 0,01 0,006 - 0,01

N° iodo 60 -135 - Viscosidade cinemática, 313 K 3,7 - 5,8 1,9 - 3,8 Poder calorífico superior, MJ/kg 39,3 - 39,8 45,3 - 46,7

Fonte: Bozbas, 2005


31

Em termos de ponto de névoa e ponto de fluidez é possível observar na

Tabela 1 que praticamente não há diferenças. Porém, o mesmo não acontece com

o número de cetanos, viscosidade cinemática e poder calorífico, onde as

diferenças já se mostram mais significativas.

Bozbas (2005) afirma ainda que a viscosidade do biodiesel passa a ser um

problema em temperaturas inferiores à 0°C, e sugere o uso de aquecedores no

interior do tanque de combustível, o que tornaria mais fácil a ignição.

Um fator relevante na produção do biodiesel é o álcool utilizado na reação,

como mostra a Tabela 2, que compara as propriedades do biodiesel metílico de

soja e o biodiesel etílico de soja, em termos de propriedades físico-químicas:

Tabela 2 - Propriedades físico químicas do biodiesel metílico e biodiesel etílico.

Combustível PCI (kJ/kg) Densidade específica

Viscosidade (x10-² m²/s a 40°C)

Número de cetanos (ASTM D-613)

Óleo diesel n° 2 43319,36 0,85 2,6 45 B20 etílico de soja 42094,15 0,8562 3,05 (estimada) 46,3

B20 metílico de soja 42000 0,857 2,82 47,3

B100 metílico de soja

37184 0,8853 4,08 50,9

B100 etílico de soja 37193,3 0,881 4,41 48,2

Fonte: Grabosky, citado em BUENO, 2003.

Destaca-se na Tabela 2 o acréscimo de aproximadamente 25% para a

viscosidade do biodiesel etílico de soja frente ao biodiesel obtido a partir do

metanol, que se mostra ainda maior quando se compara o biodiesel etílico com o

diesel mineral puro. De acordo com a norma ASTM (American Society for Testin

and Materials) D-445, o valor máximo da viscosidade à 40°C de um combustível

para motores diesel é de 4,1 10-2 m² s-1. Diante disso, Bueno (2003) afirma que a

influência desta propriedade sob a dinâmica do jato combustível, além de sua

mistura com o ar durante a operação do motor, irá proporcionar ligeiras alterações

no processo de queima.


32

1.3.5 Benefícios sociais, econômicos e ambientais

O uso de biodiesel em máquinas agrícolas traz não apenas benefícios na

área ambiental, com a redução de emissões de poluentes, mas também nos

campos social e econômico.

Em termos ambientais, os poluentes resultantes da combustão do óleo diesel,

segundo Xavier (2003), são uma complexa mistura de combinações orgânicas e

inorgânicas, composta de gases (HC’s, NOx, CO, CO2, SO2), materiais na fase

líquida (HC’s e SO4) e na fase sólida (C). Os materiais sólidos são formações de

carbono com diâmetro na faixa de 100 a 300nm agregados a outros compostos

como sulfatos e água, variando em função do óleo lubrificante utilizado, da

qualidade do diesel e das condições de operação do motor (MARTINS, 2002). E

são estes materiais sólidos os maiores poluentes dos motores de ciclo diesel,

conforme mostra a tabela 3.

Tabela 3 - Emissão de poluentes em função do ciclo motor.

Ciclo CO(ppm) HC(ppm) NOx(ppm) SOx(ppm) MP(ppm)

Otto 20-200 10-50 10-60 0,1-1 0,1-0,4

Diesel 3-30 0,5-10 5-20 0,5-5 1-10

Fonte: Braun et al (2003)

Várias alternativas são encontradas na literatura, no sentido de buscar

minimizar os impactos negativos causados pela poluição dos veículos movidos à

óleo diesel. Muitos pesquisadores têm mostrado que as emissões de material

particulado, hidrocarbonetos não queimados, monóxido de carbono e enxofre são

significativamente inferiores quando se utiliza biodiesel puro ou misturas diesel

biodiesel como combustível (RAMADHAS et al, 2005), como já foi citado

anteriormente neste trabalho.

Teles et al (2006) testaram uma mistura B20, proveniente de óleo de soja, em

uma frota cativa para avaliação das emissões com uso de B20 em comparação

com diesel mineral e observaram que os veículos movidos a B20 apresentaram

uma redução de 18% na opacidade da fumaça em relação ao diesel.


33

Silva (2004) pesquisou o uso de óleo de dendê “in natura” em motores de

ciclo diesel e observou que os níveis de emissões ficam dentro dos parâmetros

atualmente encontrados para motores diesel, com a vantagem de ser biomassa

com emissão de enxofre e de incremento para o efeito estufa nulas.

Corrêa & Arbilla (2006) testaram diesel puro e as misturas B2, B5 e B20 de

biodiesel obtido por transesterificação de óleo de mamona usando etanol e

hidróxido de potássio (catalisador) em um motor ciclo diesel, novo, com 6 cilindros

em linha e injeção direta, a fim de monitorar as emissões de hidrocarbonetos

policíclicos aromáticos (HPA). Foram monitorados 12 HPA’s que, em comparação

com as emissões do diesel, apresentaram uma redução de 2,7% para B2, 6,3%

para B5 e 17,2 para B20.

Isto demonstra a capacidade que o biodiesel, quando utilizado de forma

adequada, apresenta no sentido de minimizar as emissões causadoras do efeito

estufa na atmosfera, sendo esta uma razão a mais para incentivar o

desenvolvimento desta tecnologia.

Nos campos social e econômico, o biodiesel tem um importante papel, pois,

uma vez que muitas oleaginosas capazes de fornecer matéria prima para produção

de biodiesel podem ser plantadas em pequenas áreas, favorece a agricultura

familiar, diminuindo o êxodo das famílias para as cidades em busca de outras

fontes de renda. Kubota (2003) citado por Soranso (2006) afirma que a produção

de matéria prima para ser utilizada na fabricação de biocombustíveis pode ser uma

importante forma de gerar empregos e renda em áreas carentes do Brasil e que

necessitam de alternativas econômicas para a população local, além de ser um

importante produto para exportação e independência energética nacional.

Para Alves (2003), o Brasil, por possuir um extenso território tropical, se

credencia como nação com maior potencial de energia renovável do planeta.

Porém, a adoção sistemática de tecnologias externas aos trópicos tem trazido a

exclusão social e a submissão do nosso povo, deixando em troca altos índices de

degradação ambiental e nos desviando de nossa verdadeira vocação: a de sermos

a maior potência energética do planeta.

Segundo a BIODIESELBR (2006), Estudos desenvolvidos pelos Ministérios

do Desenvolvimento Agrário, Agricultura, Pecuária e Abastecimento, Integração


34

Nacional e das Cidades mostram que, a cada 1% de substituição de óleo diesel por

biodiesel produzido com a participação da agricultura familiar, podem ser gerados

cerca de 45 mil empregos no campo, com uma renda média anual de

aproximadamente R$4.900,00 por emprego. Admitindo-se que para um emprego

no campo são gerados três empregos na cidade, seriam criados, então, 180 mil

empregos.

Outro enfoque importante é a aplicação integral dos subprodutos adquiridos

nas diversas fases dos processos industriais de obtenção da matéria prima

oleaginosa. Estes subprodutos podem ser usados tanto para ração animal (exceto

o biodiesel do óleo de mamona), indústrias farmacêuticas, quanto para o uso direto

em caldeiras, gerando mais empregos, o que é um dos grandes problemas

nacionais da atualidade (SOUZA, 2005).

1.3.6 Biodiesel no Brasil

No Brasil, há diversas experiências sobre o uso de biodiesel, oriundo de óleos

novos e usados, puros ou misturados ao diesel. Porém, apenas em 1998, a

Agência Nacional de Petróleo (ANP) publicou a Resolução n° 180, sobre a

necessidade de realização de testes pré-aprovados para homologação de

combustíveis não especificados (OLIVEIRA & COSTA, 2002).

Segundo a Associação Brasileira das Indústrias de Óleos Vegetais – ABIOVE,

o Brasil possui condições de solo e clima para a produção competitiva de

oleaginosas em todo seu território, conforme mostra a Figura 3.


35

Figura 3 - Oleaginosas cultivadas em cada região do país. Fonte: ABIOVE

De acordo com relatórios do MCT, o Brasil é o segundo maior produtor e

exportador mundial de óleo de soja, e pode tornar-se gradualmente um importante

produtor e consumidor de biodiesel, acrescido da oportunidade de utilização de

outros óleos vegetais típicos das diferentes regiões. Segundo o próprio MCT, a

disponibilidade de produção de biodiesel a partir de soja concentra-se nas regiões

centro-oeste e sul, com uma capacidade instalada de esmagamento de soja de

32,4 milhões de ton/ano (informações referentes ao ano de 2002). Porém, estudos

já demonstram a viabilidade do cultivo de girassol na região sul e sudeste, além de

palma no norte e mamona e palma na região nordeste, todas para fins de produção

de biocombustíveis.

1.4 Motores diesel

1.4.1 Definição e classificação

Os motores de ciclo diesel são motores de combustão interna que

transformam a energia calorífica desenvolvida pela combustão da mistura ar/óleo

��

��

��

��

��

��

��


36

diesel em energia mecânica, com a qual se faz girar a árvore de manivelas

(virabrequim), cujo movimento é transmitido para as rodas motrizes (VALLES,

1954).

Segundo Giacosa (1980), os motores de ciclo diesel são motores nos quais a

combustão se realiza a pressão constante, segundo um ciclo que leva o nome de

seu descobridor, Rudolph Diesel.

De acordo com Pinheiro et al (1998), os motores diesel podem ser

classificados da seguinte maneria:

Diesel Lento - trabalham a uma rotação de 400 a 800 RPM. Estes motores

por possuírem grandes dimensões são empregados onde a relação peso potência

não é importante, como nas embarcações marítimas, motores estacionários, etc.

Diesel normal - São os motores cujas rotações de trabalho variam de 800 a

2000 RPM.

Diesel veloz - Motores de rotações maiores que 2000 RPM. Este tipo de

motor vem sendo ultimamente muito utilizado nos automóveis de passeio.

1.4.2 Componentes

Os principais elementos que compõem um motor diesel são descritos

conforme segue:

- Cilindro: o cilindro é o componente dentro do qual desliza o pistão. É no interior

do cilindro que ocorrem as etapas de compressão de ar e expansão dos gases

produzidos pela combustão do óleo diesel. Na parte superior do cilindro,

localiza-se o que se chama de “câmara de combustão”, ou seja, o espaço

limitado pelo cilindro, pistão e tampa do motor, onde ocorre a combustão da

mistura ar-combustível. O cilindro é normalmente fundido, podendo receber

uma camisa interna de um material mais resistente, a fim de facilitar a sua

manutenção, quando ocorre desgaste (GIACOSA, 1980).

- Pistão: o pistão é o elemento deslizante, localizado dentro do cilindro,

responsável pela compressão do ar no interior da câmara de combustão. Ele

suporta a pressão gerada pela combustão da mistura ar-combustível,


37

transmitindo energia para o virabrequim através da biela. Para garantir a

estanqueidade da câmara de combustão, o pistão é ranhurado na sua face

lateral para receber, nestas ranhuras, os anéis elásticos de vedação. Estes

anéis, por sua vez, são segmentos metálicos de seção retangular, cortados em

um ponto e, normalmente, estão presentes em número de 3, sendo o anel

inferior para evitar que o óleo lubrificante suba para a câmara de combustão

(chamado anel raspador de óleo) e os outros dois para vedar a câmara de

combustão. O pistão, normalmente, é feito de ligas de alumínio e magnésio,

para suportar a pressão e o rápido movimento alternativo ao qual está

submetido. Já os anéis são produzidos a partir de ligas metálicas contendo

silício e titânio.

- Pino: serve para acoplar o pistão com a parte superior da biela. Está submetido

a um esforço muito grande porque suporta toda a pressão dos gases

produzidos pela combustão do óleo diesel e a transmite à biela (VALLES,

1954).

- Biela: este é o elemento que transforma o movimento alternativo do pistão em

movimento rotativo, transmitindo-o para o virabrequim. Em função dos esforços

ao qual está submetido, o corpo da biela usualmente apresenta seção

transversal em duplo T. Em sua parte superior, na superfície de contato com o

pino, a biela é revestida com um anel de bronze. Já na parte inferior, a

superfície de contato com o virabrequim é revestida com metal anti-fricção.

- Virabrequim ou árvore de manivelas: recebe o trabalho útil do pistão,

transmitido pela biela, transmitindo o movimento aos demais elementos do

motor (distribuição, resfriamento, lubrificação). O virabrequim é feito de aço

especial NiCr estampado a partir de uma peça somente, para minimizar a

ocorrência de trincas ou falhas no material (VALLES, 1954). Deve-se observar o

perfeito balanceamento estático e dinâmico desta peça.

- Bloco do motor: é a estrutura de ferro fundido que contém as partes móveis do

motor, oferece apoio ao virabrequim e no qual está embutido o cilindro. Em sua

parte inferior, o bloco é fechado pelo carter – reservatório de óleo lubrificante –

e na parte superior, pelo cabeçote de válvulas.


38

- Cabeçote de válvulas: é uma espécie de tampa do motor, contra a qual o pistão

comprime o ar admitido no interior do cilindro (PROVENZA, 1960). É no

cabeçote que se localiza a câmara de combustão, os assentos das válvulas e

do injetor de combustível, dos dutos de admissão e descarga além dos canais

de circulação da água de arrefecimento do motor.

- Volante: disco, relativamente pesado, preso ao virabrequim, montado na parte

traseira deste para garantir a inércia do motor.

- Válvulas de admissão e descarga: localizadas no cabeçote, tem as funções de

permitir a entrada de ar no cilindro e descarregar os gases gerados da queima

da mistura ar combustível, respectivamente.

- Eixo de comando de válvulas: é acionado pelo virabrequim através de uma

correia e tem a finalidade de abrir e fechar as válvulas de admissão e descarga

nos tempos corretos, através de ressaltos que elevam o conjunto

tucho/haste/balancim abrindo as válvulas no momento oportuno (PROVENZA,

1960).

Além destes elementos, existem outros componentes no motor diesel,

chamados “componentes auxiliares” que fazem parte dos sistemas de alimentação,

lubrificação e arrefecimento. Porém, estes elementos serão citados e descritos

quando forem abordados tais sistemas.

1.4.3 Princípio de funcionamento – ciclo diesel

Os motores de ciclo diesel podem ser motores de dois tempos ou quatro

tempos, em função do número de giros que o virabrequim realiza para completar

um ciclo. Nos motores de dois tempos, um ciclo é completado por uma volta do

virabrequim. Já nos motores de quatro tempos, aos quais este estudo se dedica,

um ciclo é completado a cada dois giros do virabrequim (ARTOMNOV et al, 1976,

citado em SILVEIRA, 2004).

Como o próprio nome já define, estes motores obedecem ao ciclo diesel, são

alimentados por meio de injeção direta ou indireta de combustível e tem seu

funcionamento dividido em quatro etapas, conforme segue:


39

- Admissão: na fase de admissão, a válvula de descarga encontra-se fechada, o

pistão encontra-se no ponto morto superior e ocorre a abertura da válvula de

admissão. O pistão desloca-se do ponto morto superior até o ponto morto

inferior, promovendo a admissão de ar, proveniente dos dutos de admissão,

após ter sido filtrado, até o enchimento do cilindro. Ocorre então o fechamento

da válvula de admissão.

- Compressão: nesta fase, o pistão desloca-se do ponto morto inferior até o ponto

morto superior, com as válvulas de admissão e descarga fechadas,

promovendo a compressão do ar admitido na etapa anterior. O ar quando

sujeito a esta compressão sofre um aumento de temperatura que será tanto

maior quanto maior for a taxa de compressão. Pouco antes de o pistão atingir o

ponto morto superior, a pressão do ar no interior do cilindro pode atingir valores

que variam de 65 à 130Kgf/cm² e sua temperatura pode chegar até 600°C. A

taxa de compressão do ar num motor de ciclo diesel está entre 16:1 e 24:1

(PINHEIRO et al, 1998).

- Combustão / expansão: na etapa de combustão, o combustível é fortemente

comprimido e pulverizado para o interior da câmara de combustão. Ao entrar

em contato com o ar, sob alta pressão e elevada temperatura, o combustível

inflama e explode, promovendo a expansão da mistura ar/combustível,

empurrando fortemente o pistão para o ponto morto inferior.

- Descarga: pouco antes de o pistão atingir o ponto morto inferior, ocorre a

abertura da válvula de escape, por onde começam a sair os gases provenientes

da queima da mistura ar/combustível. Após atingir o ponto morto inferior, o

pistão retoma o movimento ascendente, empurrando estes gases para fora do

cilindro. Quando o pistão atinge o ponto morto superior, ocorre o fechamento da

válvula de admissão e um novo ciclo reinicia.

1.4.4 Combustão no motor diesel

O processo de combustão nos motores do ciclo diesel se dá através do

contato entre as gotículas de combustível que são injetadas à alta pressão na


40

câmara de combustão, onde o ar se encontra comprimido e aquecido a uma

temperatura em torno de 600°C. Esta injeção de combustível ocorre através do

bico injetor de combustível, pouco antes de o pistão atingir o ponto morto superior

(PMS). Este adiantamento, aliado ao formato da câmara de combustão e ao

adequado jato de combustível fornecem uma melhor mistura entre as gotículas de

combustível e o ar necessário, garantindo assim uma boa combustão (PEREIRA,

2004).

1.4.5 Sistemas de combustão

Sistema de injeção direta: sistema em que o combustível é injetado

diretamente sobre a cabeça do pistão, por meio de um bico injetor com vários

orifícios, direcionados de forma a garantir a melhor mistura ar / combustível em

relação ao formato da câmara de combustão.

Sistema de injeção indireta: neste sistema, há uma antecâmara separada da

câmara principal de combustão por meio de um estreitamento. Nesta antecâmara,

ocorre a injeção do combustível, que queima parcialmente naquela região. Esta

queima parcial gera uma sobre-pressão que sopra a mistura inflamada para a

câmara principal, de forma violenta, onde ocorre a queima do restante do

combustível. Este sistema apresenta maiores perdas de calor, mas em

contrapartida, gera menos gases poluidores no escapamento, uma vez que a

queima é mais completa.

Sistemas de injeção atuais: Os sistemas de injeção modernos utilizados para

motores ciclo diesel são Unit injectors, Common Rail Systems e Bombas Rotativas

de Alta Pressão. Kegl (2006) realizou uma análise numérica do processo de

injeção de misturas diesel/biodiesel com o objetivo de avaliar o impacto em termos

de emissões atmosféricas e concluiu que, mantendo a performance do motor

dentro de limites aceitáveis, é possível reduzir estas emissões ajustando

corretamente o momento e o tempo de atuação da bomba de combustível em

função da mistura utilizada. O mesmo autor apresenta como justificativa o fato de

que as principais características da injeção são a pressão de injeção (pressão de


41

injeção em um sistema mecânico de injeção aumenta com o aumento do

percentual de biodiesel no diesel), duração e tempo de injeção (tempo entre a

entrega de combustível pela bomba e a injeção de combustível na câmara de

combustão diminui com o aumento do percentual de biodiesel no diesel),

abastecimento e taxa de injeção.

1.4.5.1 Descrição do sistema de injeção

Atualmente, a grande maioria dos motores de ciclo diesel utiliza o sistema de

injeção controlado eletronicamente, denominado Common Rail. Segundo Villanova

(2004), o Common Rail (CR) é um sistema de gerenciamento eletrônico que

permite a injeção direta de combustível na quantidade e no tempo exato,

eliminando o uso da bomba injetora convencional. Conta com uma Unidade de

Controle Eletrônico (ECU) que administra as informações captadas pelos sensores

do motor, gerencia os sinais dos atuadores e monitora o funcionamento de todo o

conjunto. A partir desses dados, a unidade determina a quantidade e momento da

injeção, sendo que cada unidade injetora alimenta um cilindro.

Já o sistema de injeção mecânico consta de um elemento mecânico acionado

por uma cremalheira, que fornece uma quantidade definida de combustível de

acordo com a rotação e carga do motor (SANTOS, 2005).

A injeção do combustível é dividida em duas etapas, denominadas pré-injeção

e injeção principal, ambas sendo funções da rotação e da carga do motor.

Segundo Benvenutti (2005), o sistema de injeção do motor pode sofrer

grandes avarias quando submetido ao uso de biodiesel. Ele afirma ainda que os

modos de falha típicos do sistema de injeção neste caso são:

- Formação de depósitos, causada por precipitação de produtos de

envelhecimento do biodiesel.

- Resinificação (aderência), causada por produtos de polimerização.

- Corrosão (ácido fórmico) de aço e metais não ferrosos.

- Formação de sabão (sais metálicos da corrosão por ácido fórmico).


42

1.4.5.2 Componentes do sistema mecânico de injeção

Bomba injetora: a pressão e dosagem de combustível em cada cilindro são

feitas por meio de uma bomba de pistão acionada pela árvore de cames, que

impulsiona o combustível até o bico injetor. Alguns motores têm uma bomba para

cada cilindro e outros têm uma só bomba que distribui o combustível para todos os

cilindros.

Bicos injetores: estes elementos estão instalados no cabeçote e têm a

finalidade de pulverizar o combustível em forma de névoa no interior da câmara de

combustão. Possuem uma agulha no seu interior, que se levanta no momento da

injeção, em função da pressão na linha de combustível e cujo retorno é realizado

por ação de uma mola. Uma pequena quantidade de combustível retorna ao

sistema de alimentação, pois é utilizada para remover calor e lubrificar as partes

móveis dos bicos.

1.4.6 Sistema de lubrificação

Trata-se do conjunto de elementos responsáveis pela lubrificação das partes

móveis do motor.

1.4.6.1 Características e componentes do sistema

Segundo a Catterpillar, fabricante de máquinas pesadas, os sistemas de

lubrificação dos motores diesel são normalmente dimensionados para um volume 2

a 3 litros de óleo lubrificante por litro de cilindrada do motor, a fim de garantir uma

correta lubrificação nas partes móveis do motor, bem como auxiliar o sistema de

arrefecimento a manter o motor trabalhando dentro de condições satisfatórias, em

termos de temperatura.

Os elementos que compõem este sistema são:

- Cárter, localizado na parte inferior do motor. É o reservatório de óleo lubrificante,

com capacidade adequada à potência do motor.


43

- Bomba de circulação forçada, normalmente tipo engrenagem. Responsável pelo

bombeamento do óleo lubrificante para todas as partes móveis do motor.

- Regulador de pressão: válvula próxima à bomba, que regula a pressão do

sistema.

- Trocador de calor do óleo lubrificante: responsável pelo arrefecimento do óleo,

que retorna aquecido do motor.

- Filtros, que na maioria dos casos, são do tipo cartucho de papel descartável,

devendo ser trocados a cada troca do óleo lubrificante.

- Sensores de pressão, manômetros e pressostatos, que servem como dispositivos

auxiliares do sistema.

1.4.6.2 Óleo lubrificante

A principal característica que o óleo lubrificante deve ter é a viscosidade

apropriada para o uso, considerando-se o meio em que será empregado e a

temperatura de trabalho. Isso deve-se ao fato de que o meio e a temperatura de

trabalho afetarão as propriedades físico-químicas do lubrificante, o que terá

impacto no correto funcionamento do motor. Silva (2004) testou óleos vegetais “in

natura” em motores diesel e observou teores elevados de Fe, Pb, Cu e Al no óleo

lubrificante utilizado, quando o tempo de funcionamento ultrapassa as 250 horas.

Além disso, não evidenciou contaminação do óleo lubrificante por óleo de dendê.

É importante salientar também que a composição química do óleo lubrificante

afeta diretamente o desempenho do motor, uma vez que estes óleos apresentam,

normalmente, teores de aditivos, como anticorrosivos, detergentes, dispersantes e

preventivos contra a fuligem, dependendo do uso a que se destinam.

1.4.7 Sistema de arrefecimento

Sistema cuja função principal é manter a temperatura do motor dentro dos

limites considerados adequados para o seu bom funcionamento. Para isso,

geralmente, é utilizada a água como fluído para remoção do calor do motor. A fim


44

de garantir melhor desempenho do sistema, especialmente, em condições

adversas, são aplicados aditivos na água, como por exemplo, anti-congelantes e

anti-oxidantes.

O sistema consiste, basicamente, de uma válvula termostática, que é

controlada pela variação da temperatura do motor. Em altas solicitações, quando a

temperatura do motor tende a elevar-se demasiadamente, entra em funcionamento

uma ventoinha, para melhorar a troca térmica no trocador de calor.

Com relação à água utilizada para o arrefecimento do motor, esta deve ser

livre de agentes químicos corrosivos, para eliminar a formação de incrustrações

nas tubulações. Além disso, também é importante que o pH da água esteja entre

8,0 e 9,5.


45

2 MATERIAIS E MÉTODOS

Os testes realizados ao longo da pesquisa objetivaram estudar alguns

aspectos distintos da utilização de biocombustíveis em microtratores agrícolas. O

primeiro aspecto foi ambiental, onde se procurou determinar as emissões

atmosféricas para diferentes misturas diesel/biodiesel, a fim de se avaliar o impacto

da adição de biodiesel em cada tipo de emissão. O segundo aspecto estudado foi o

aspecto operacional do uso de misturas diesel/biodiesel em microtratores, em

pequenas propriedades rurais, a fim de avaliar a viabilidade técnica e operacional da

utilização destas misturas na região do Vale do Rio Pardo. Por fim, avaliou-se

também o consumo específico de combustível para diferentes percentuais de

mistura.

Para todas as avaliações, foi utilizado o mesmo tipo de biodiesel (origem de

óleo de girassol, via rota metílica), produzido em uma única batelada. A

caracterização deste biodiesel foi realizada no TECPAR - Instituto de Tecnologia do

Paraná – Divisão de Biocombustíveis e no Laboratório de Oleoquímica (LAOL) da

Unisc.

A determinação da taxa de emissão quanto à CO, CO2, NO e material

particulado foi realizada no Laboratório de Combustíveis da UFRGS.

Quanto aos testes a campo com o uso do biodiesel de girassol, foram

utilizados três microtratores e a avaliação dos motores contou com a participação da

Tramontini Implementos Agrícolas e da Schultz Técnica Comercial.


46

2.1 Caracterização do biodiesel de girassol

Os métodos e normas usadas na determinação de cada parâmetro são

listados abaixo:

- Determinação do aspecto: visual.

- Determinação da densidade: método do densímetro, segundo NBR – 7.148 /

01. Este teste compreende a relação entre a massa específica do diesel a 20°C (g

cm-³) e a massa específica da água a 4°C (g cm-³).

- Determinação do ponto de entupimento de filtro a frio: realizado segundo

NBR – 14.747 / 01. É definido como a maior temperatura em que o combustível,

quando resfriado, não flui através de um filtro padronizado, ou leva mais de 60

segundos para passar através deste filtro (GARCIA et al, 2006).

- Determinação da estabilidade à oxidação: de acordo com a norma EN –

14.112 / 01. Visa verificar a formação de compostos de oxidação em uma amostra

exposta a um fluxo de ar (10 litros/h) a 110°C (LUTTERBACH et al, 2006).

- Determinação da corrosividade na lâmina de cobre: NBR – 14.359 / 05. Este

teste indica o potencial de corrosividade do combustível, no que se refefe às partes

metálicas e confeccionadas em ligas de cobre, que se encontram presentes nos

sistemas de combustível dos veículos e equipamentos.

- Determinação da viscosidade cinemática à 40°C: NBR – 10.441 / 02. Trata-

se da medida da resistência oferecida pelo combustível ao seu escoamento. Seu

controle é importante para garantir uma boa atomização do combustível.

- Determinação do teor de água e sedimentos – método da centrifugação,

NBR – 14.647 / 01. Este ensaio visa determinar a presença, no combustível, de

água (proveniente do processo de produção do combustível, de depósitos mal

vedados ou ainda de condensações internas) e sedimentos, que são constituídos

por ferrugem e borras.

- Determinação do teor de cinzas sulfatadas: NBR – 6.294 / 04. Determina o

teor de resíduos inorgânicos, não combustíveis, gerados durante a queima de uma

amostra de combustível.


47

- Determinação do micro resíduo de carbono: ASTM D – 4.530 / 85. Mede a

formação de coque a partir de produtos com tendência a degradação térmica sob

condições de pirólise e altas temperaturas.

- Determinação da destilação à vácuo: ASTM – 1.160 / 03. Este ensaio é

usado para separação de solventes que possam estar presentes no combustível,

através de uma trompa d’água como fonte de vácuo e banho-maria para

aquecimento.

- Determinação do teor de metais por Inductive Coupled Plasma (ICP) –

Optical Emission Spectrometry (OES): Ca, Na, K, Mg – EN – 14.107 / 02;

- Determinação do ponto de fulgor – método vaso fechado Pensky Martens –

NBR – 14.598 / 00. Este método visa a determinação do ponto de fulgor para

combustíveis através da colocação de uma amostra em uma cuba de ensaio,

fechada, sob aquecimento lento e constante, com a introdução de uma chama, em

intervalos regulares, até a ocorrência do lampejo.

- Determinação da contaminação total – EN – 12.662 / 98.

- Determinação do índice de acidez – ANP (ABNT NBR 14448).

- Determinação do índice de iodo – EN 14213.

- Determinação do índice de saponificação.

- Determinação do índice de refração – AOCS (TP 1a- 64). O índice de

refração é um meio de caracterizar se uma amostra de óleo e de biodiesel foram

alteradas. Para este teste utilizou-se um refratômetro de Abbe a temperatura de

25oC. Colocou-se duas gotas do óleo no prisma do refratômetro e visualizou-se

índice de refração. As análises foram realizadas em triplicatas.

- Determinação do índice de peróxido

- Espectroscopia no infravermelho – Para realização da espectrometria na

região do infravermelho (IV) foi utilizado um espectrofotômetro Nicolet Magna 550

com transformada de Fourier, onde a superfície de seleneto de zinco cobriu-se com

amostra. As análises foram realizadas em duplicata.


48

2.2 Avaliação das emissões atmosféricas do biodiesel de girassol

Esta etapa da pesquisa buscou determinar o impacto do uso de biodiesel nas

emissões de materiais particulados, NO, CO e CO2. Em paralelo a estes ensaios,

também foi avaliado o consumo específico de combustível para diferentes misturas

diesel/biodiesel, a fim de verificar o impacto do uso de biodiesel neste parâmetro.

Os ensaios de emissões atmosféricas e consumo específico foram realizados

no Laboratório de Combustíveis do Instituto de Química da Universidade Federal do

Rio Grande do Sul, em um motor/gerador diesel Toyama, estacionário, 4 tempos,

com injeção direta de combustível. O motor operou com rotação fixa de 3600rpm e

tensão de saída de 240V. A energia produzida pelo gerador foi dissipada em um

banco de resistências com potência de 1800W. As especificações técnicas do motor

estão descritas a seguir:

Modelo: T 70F

Tipo: Monocilindro, 4 tempos, injeção direta de combustível

Sistema de refrigeração: a ar forçado

Diâmetro x Curso mm: 78 x 62

Cilindrada L: 0.296

Rotação nominal rpm: 3000-3600

Potência nominal kW (HP): 4.0 (5.4)- 4.4 (6.0)

Velocidade média do pistão m/s: 6.2 - 7.44

Pressão efetiva média kPa (kgf/cm2): 540.5 (5.52)- 496.6 (5.07)

Relação de consumo de combustível g/kW.h (g/HP.h): 208 à 292 (206 à 215)

Taxa de compressão: 11

Os resultados das emissões de NO foram obtidos por reação de

quimiluminescência LD = 0,001%. Os resultados das emissões de CO e CO2 foram

obtidos por cromatografia gasosa TCD LD = 0,01%. Já o material particulado foi

determinado por análise gravimétrica em função do volume do gás amostrado a

300°C.


49

2.3 Consumo específico de combustível

O consumo específico de combustível (g/kWh) foi obtido através da razão

entre a vazão mássica de combustível que alimenta o motor pela potência dissipada

pelo gerador num banco de resistências. A vazão mássica de combustível foi

determinada utilizando-se uma célula de carga, cujo sinal elétrico em função do

tempo foi obtido continuamente através de um sistema de aquisição de dados

computadorizado. A medida da potência dissipada no banco de resistências foi

determinada pelo produto da voltagem e da amperagem, as quais foram obtidas

através da aquisição de seus respectivos sinais elétricos, multiplicados pelos seus

fatores de conversão. Os resultados obtidos correspondem a média de, no mínimo 5

ensaios, para o diesel e suas formulações. Cada ensaio teve a duração de 10

minutos.

2.4 Avaliação do uso de misturas diesel/biodiesel em campo

Para a avaliação em campo, foram utilizadas três misturas diesel/biodiesel:

B2 (2% de biodiesel), B20 (20% de biodiesel) e B100 (100% biodiesel) em três

microtratores da mesma marca e em condições de uso. Buscou-se, nesta etapa,

avaliar a operacionalidade dos microtratores com cada mistura de combustível,

observando-se, especialmente, dificuldade de partida a frio, uma vez que o período

em que o equipamento é mais utilizado corresponde ao inverno, desempenho a

campo com relação à perda ou ganho de potência e vibrações excessivas do

microtrator, assim como avaliar o desgaste dos componentes do sistema de injeção

e compressão.

Os microtratores utilizados foram da marca Tramontini, modelo GN 18 - PE,

com as seguintes características técnicas:

- modelo do Motor: TR18R - PE – Partida elétrica

- tipo monocilíndrico diesel, com injeção direta de combustível

- potência veicular CV (KW)/RPM: 18 (12,8) /2.200

- sistema de arrefecimento: Radiador e água selada

- capacidade de Água (usar aditivo): 5,5 Litros


50

- capacidade tanque combustÍvel: 14 Litros Diesel

- óleo do cárter: 2,5 Litros (SAE 15 W 40)

- óleo do filtro de ar: 0,2 Litros (SAE 15 W 40)

Os equipamentos cedidos para o teste pertencem à agricultores da cidade de

Passo do Sobrado, município localizado à 10km de Santa Cruz do Sul. A realização

dos testes em microtratores justifica-se pelo fato de que, na região do Vale do Rio

Pardo, a grande maioria da população rural vive do cultivo de fumo. Uma vez que o

cultivo do fumo se dá em pequenas propriedades rurais, a principal fonte de potência

utilizada pelos agricultores são os microtratores, por serem máquinas de pequeno

porte, capazes de atender às operações básicas desta cultura, que são: roçar o

campo para o preparo da terra (trabalho realizado com a roçadora acoplada ao

microtrator) e recolher e transportar o fumo da lavoura até o secador, com o auxílio

da carreta acoplada ao microtrator, conforme Figura 4.

Figura 4 - Microtrator Tramontini acoplado à carreta

No início dos testes, os três microtratores apresentavam aproximadamente, o

mesmo número de horas trabalhadas, variando entre 600h e 650h de uso. Todos

eram usados nas mesmas operações agrícolas e, em geral, ainda não haviam


51

apresentado problemas de ordem técnica que pudessem ter alguma relação com o

tipo de combustível usado.

Os microtratores foram testados por um período aproximado de 200h. Esta

quantidade de horas representa o tempo médio de uso dos equipamentos para cada

safra de fumo, tendo sido iniciados os testes no mês de abril de 2007 e finalizados

em outubro do mesmo ano. Segundo histórico obtido junto ao fabricante dos

microtratores, registrado através de um questionário inicial, conforme mostra o

Anexo A, em conjunto com as informações dos próprios agricultores, durante a

entre-safra de fumo (período que corresponde aos meses de novembro à fevereiro),

os tratores são usados eventualmente, para carregar alguns materiais na

propriedade, totalizando em torno de 50h de uso, razão pela qual este período não

foi considerado para a pesquisa. Para as avaliações nos testes a campo, os

agricultores também preencheram periodicamente um formulário (Anexo B).

Antes de se iniciar os testes, cada microtrator foi recolhido pelo fabricante

para ser feita uma reforma inicial objetivando eliminar qualquer discrepância

existente entre os microtratores, fruto do seu uso anterior aos testes, evitando assim

interferências nos resultados finais, especialmente, em termos de contaminação do

combustível no motor. Para tanto, a reforma nos motores constou da substituição

dos seguintes itens:

- elemento da bomba injetora

- válvula de recalque da bomba injetora

- elemento do bico injetor

- elemento do filtro de combustível

- junta da bomba injetora

- junta do cabeçote

- junta da tampa de válvulas

- junta do coletor de escape

- junta do coletor de admissão

- 3,5 litros de óleo lubrificante SAE 15w40 (foi coletada uma amostra de óleo antes

de iniciar os testes, para avaliação inicial).

Além das substituições realizadas, foram feitos serviços de limpeza do

sistema de injeção, limpeza e revisão nos cabeçotes e coletores, regulagem das


52

válvulas de admissão e escape e regulagem do ponto de injeção. No Anexo C está o

registro fotográfico dos motores dos microtratores antes da reforma feita pelo

fabricante, caracterizando as condições iniciais dos motores.

Para os testes a campo, as misturas de combustível foram preparadas no

Laboratório de Preparação de Biodiesel da Universidade de Santa Cruz do Sul, em

proporções volumétricas. O biodiesel utilizado na mistura foi o mesmo utilizado para

a realização das análises de emissões atmosféricas. Já o óleo diesel utilizado foi

adquirido na rede comercial, proveniente de um único fornecedor.

O combustível previamente preparado era levado periodicamente para os

agricultores, em intervalos aproximados de 2 semanas. Para tanto, utilizou-se galões

de 20 litros e 50 litros, previamente limpos. Durante estas visitas, era anotado o

horímetro de cada trator, assim como era discutido com os usuários o desempenho

do equipamento com o combustível que estava sendo testado.

Para avaliação do grau de contaminação do motor e do óleo lubrificante, os

microtratores foram encaminhados até a Schultz Técnica Comercial após os testes,

onde foram abertos. Foi seguida a metodologia de análise sugerida por Martins

(2004), que compreende à análise visual e metrológica do sistema de compressão e

injeção de combustível, filtro do óleo, bico injetor, topo do êmbolo, câmara de

combustão, anéis e cilindro.

Para avaliação do grau de carbonização nos motores, foi feita uma raspagem

no topo dos cilindros e nos cabeçotes de válvulas. O material raspado foi pesado

para comparação entre os três microtratores.

Com relação à avaliação do grau de contaminação do óleo lubrificante, foram

recolhidas amostras deste óleo após 100h e 200h de cada microtrator e analisadas

por espectroscopia no infravermelho em um espectrofotômetro Magna 550 da

Nicolet, sendo o ensaio realizado em duplicata para cada amostra, com resolução de

4 cm-1 e 32 scans de varredura em um acessório de refletância total atenuado

horizontal (HATR) com cristal Seleneto de Zinco (ZnSe). A amostra foi colocada

sobre todo o cristal, onde foram observadas as bandas características para cada

espectro produzido.


53

A avaliação do sistema de injeção constou, além da análise visual, de um teste

de estanqueidade e pressão, a fim de avaliar possíveis vazamentos ou perda de

pressão do bico injetor após os testes.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO

3.1 Caracterização do biodiesel

A Tabela 4 mostra os parâmetros para a caracterização do biodiesel de

girassol utilizado nos testes. Com base nesta Tabela pode-se observar que a

densidade do biodiesel está bastante próxima à densidade do diesel mineral e do

valor recomendado pela ANP, de 858 kg/m³. Além disso, outra propriedade de

grande importância para o funcionamento do motor, a viscosidade, ficou dentro dos

limites estabelecidos pela ANP, que são de 2cSt à 5,4cSt. Estas propriedades terão

impacto direto sobre a qualidade da pulverização de combustível na câmara de

combustão dos motores, influenciando no desempenho do motor.

Salienta-se ainda o valor obtido para o teor de água e sedimentos, que foi

100% maior do que o estabelecido pela ANP, o que implica na presença de água ou

sedimentos no biodiesel, ainda oriundos do seu processo produtivo ou provenientes

da sua armazenagem no Laboratório de Preparação de Biodiesel da UNISC. Isto

acarretará, provavelmente, problemas no sistema de injeção do motor, o que ficará

evidenciado na seção referente à análise dos microtratores à campo.

Os demais resultados indicados na tabela 6 ficaram dentro dos valores

pré-estabelecidos ou são parâmetros de pouca influência para os testes.


55

Tabela 4 - Caracterização do biodiesel utilizado na pesquisa

Ensaios Resultados Especificação

Aspecto Apresenta

turbidez

Límpido e isento de

impurezas

Densidade* à 20°C; kg/m³ 882,8 858

Ponto de entupimento de filtro a frio*; °C -15 Anotar

Estabilidade à corrosão à 110°C*; h 1,0 6 (mín)

Corrosividade ao cobre*; 3h à 50°C 1b 1 (máx)

Viscosidade cinemática*; mm²/s (cSt) 4,454 Anotar

Teor de água e sedimentos*; % volume 0,1 0,05 (máx)

Teor de cinzas sulfatadas*; % massa 0,012 0,02 (máx)

Micro resíduo de carbono*; % massa 0,02 0,1 (máx)

Ponto de fulgor*; °C 103 100 (mín)

Teor de sódio + Potássio*; mg/kg Não detectado

(<2,0)

10 (máx)

Teor de cálcio + magnésio*; mg/kg (Cálcio) 1,0 +

(Magnésio) 1,0

Anotar

Teor de fósforo*; mg/kg 11 Anotar

Índice de acidez; mgKOH/g 1,04 ±0,05 0,80 (máx)

Índice de iodo; mgKOH/g 122,83 ± 9,79 130 (máx)

Índice de saponificação; mgKOH/g 246,34 ± 0,69 186-194

Índice de refração; �ºD 1,460 ± 0,00 1,467-1,469

Índice de peróxido; meq/Kg 0,060 ± 0,00057 10 (máx) *Resolução ANP n° 42


56

3.2 Emissões atmosféricas

Primeiramente, cabe salientar que os resultados dos testes, para todas as

misturas, não indicaram presença de CO, ficando abaixo de 0,01%.

Em termos de emissões de NO, os resultados mostraram um acréscimo

destas emissões com o aumento percentual de biodiesel na mistura, conforme

Figura 5.

Emissões NO

43

61

383835

32

0

10

20

30

40

50

60

70

Diesel B2 B10 B20 B50 B100

Combustível

Em

issã

o N

O (p

pm)

Figura 5 - Emissões de NO em função da mistura diesel / biodiesel utilizada

Pode-se observar que, de zero à 50% de biodiesel na mistura, há um

incremento de 34,37% nas emissões de NO. Além disso, os testes indicaram um

incremento de emissões de NO de 90,62% para biodiesel puro em relação ao diesel

mineral puro.

Segundo Zhang & Boehman (2007), as causas do aumento das emissões de

óxidos de nitrogênio em função do uso de biodiesel não estão totalmente

esclarecidas. Os mesmos autores sugerem que o avanço ou atraso da injeção de

combustível e a presença de nitrogênio e compostos oxigenados no biodiesel são

fatores que podem ser associados ao acréscimo deste tipo de emissão. Uma vez

que não foi feita qualquer alteração nos intervalos (avanço e atraso) de injeção dos


57

microtratores antes ou durante os testes, a segunda hipótese seria mais provável

para explicar o aumento das emissões de NO. Pois, uma vez que o ar admitido para

a câmara de combustão é o ar atmosférico, com elevado percentual de nitrogênio na

sua composição, a presença deste elemento no combustível aliado a outros

compostos oxigenados, mesmo em pequenas proporções, acarretaria em maior

formação de NO no momento da queima.

O resultado concorda com o demonstrado por Teles et al. (2006), que

identificaram uma pequena variação entre as emissão de NOx de motores ciclo

diesel funcionando, em campo, com diesel mineral e com 20% de biodiesel de soja.

Também Szybist et al. (2006) testaram misturas diesel / biodiesel nas proporções de

100% diesel (B0), 20% biodiesel para 80% diesel (B20) e 100% biodiesel (B100) e

encontraram uma pequena variação nas emissões de NOx da mistura B20 para B0

(inferior à 1%). Porém, da mesma forma, evidenciaram um aumento de

aproximadamente 10,5% nas emissões de NO2 quando comparou B100 com B0.

O resultado também se assemelha ao obtido por Canakci (2006), que testou

biodiesel de óleo de soja (B100) em um motor estacionário e obteve um acréscimo

de 11,2% nas emissões de NO quando comparado às emissões do mesmo motor

utilizando dois tipos diferentes de óleo diesel mineral puro.

Com relação às emissões de CO2, os resultados mostraram uma varição

muito baixa em função da adição de biodiesel na mistura, conforme é mostrado na

Figura 6.


58

Emissões CO2

6,46,56,46,46,46,4

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10


Combustível

Em

issã

o C

O2

(% v

ol)

Figura 6 - Emissões de CO2 em função da mistura diesel / biodiesel utilizada

Este resultado pode ser comparado com o teste realizado por Usta (2004),

que comparou diesel mineral com uma mistura com 17,5% de biodiesel e encontrou

a mesma estabilidade na emissão de CO2 quando o motor trabalhou a plena carga.

Pereira et al. (2006) analisaram um motor estacionário monocilíndrico funcionando

com misturas diesel/biodiesel de soja e observaram uma variação na emissão de

CO2 de 1,38% (diesel puro) para 1,77% (75% de biodiesel na mistura), indicando

também pouca variação nas emissões de CO2 em função da presença de biodiesel.

No entanto, esta emissão de CO2 é proveniente de uma fonte renovável e

será posteriormente capturada durante a fotossíntese da planta de girassol. Isto

significa então, uma redução do CO2 emitido a partir da queima do óleo diesel

mineral. Uma vez que o CO2 é um dos gases que impactam o aquecimento global, a

emissão de CO2 proveniente do biodiesel passa a ser um aspecto favorável em

termos ambientais.

Para emissões de particulados, os resultados mostraram que as emissões

deste tipo de material mantém-se razoavelmente estáveis para misturas com até

10% de biodiesel. Isto pode ser justificado pela formação de óxidos de enxofre,

gerados no motor a partir da queima do combustível, com alto percentual de diesel

mineral, pois segundo Pitanguy (2004), estes óxidos participam da formação do


59

particulado. A partir de 10% de biodiesel, com a redução da quantidade de diesel na

mistura, reduz-se também a formação destes óxidos, o que justifica a redução de

material particulado observada a partir daí, como mostra a Figura 7. Arkoudeas et al

(2002) encontraram resultados semelhantes para baixas concentrações de biodiesel

na mistura, afirmando que os melhores resultados em termos de redução aparecem

para percentuais mais elevados de biodiesel na mistura, em função da drástica

redução de enxofre e da adição do oxigênio presente naturalmente na composição

do biodiesel.

Observa-se então, uma redução de 54,9% nas emissões de material

particulado, quando se compara B100 com o diesel mineral puro. Porém, já com

20% de adição de biodiesel na mistura, que é uma quantidade intermediária quando

se compara as diversas emissões geradas, é possível observar uma considerável

redução de 22,4% nas emissões de material particulado.

Emissões MP à 300°C

38

21

45

6062

58

0

10

20

30

40

50

60

70


Combustível

Em

issõ

es M

P

Figura 7 - Emissões de material particulado em função da mistura

diesel/biodiesel utilizada

Estes resultados concordam com Reyes e Sepúlveda (2006), que testaram

misturas diesel / biodiesel a partir de óleo de salmão e observaram uma redução de

50% nas emissões de material particulado quando compararam o mesmo motor


60

diesel trabalhando com biodiesel puro e diesel mineral puro. Kozerski e Hess (2006)

também observaram uma redução acentuada nas emissões de material particulado,

quando testaram B100, B20 e diesel mineral puro em uma frota de ônibus. Neste

caso, a redução de emissões de particulado foi de 72% para B100 e de 15,9% para

B20, em comparação com diesel mineral puro.

3.3 Consumo específico de combustível

Paralelamente às análises de emissões atmosféricas, também foi realizado o

estudo do consumo específico de combustível para as diversas misturas testadas. O

motor testado foi o mesmo utilizado para a análise de emissões. Com isso, obteve-

se a Figura 8, que mostra um acréscimo do consumo específico de combustível de

acordo com o aumento do percentual de biodiesel na mistura.

Consumo específico de combustível

425

400

374

384380

377

340

350

360

370

380

390

400

410

420

430


Combustível

Con

sum

o (g

/kW

h)

Figura 8 - Consumo específico de combustível em função da mistura diesel

biodiesel utilizada.


61

O mesmo resultado está apresentado, em termos percentuais, na Tabela 5.

Tabela 5 - Consumo específico de combustível (g/kWh) em termos percentuais

Combustível Média (g/kWh) %

Diesel 374

B2 377 0,80

B10 380 1,60

B20 384 2,67

B50 400 6,95

100 425 13,64

A Figura 8 mostra que para até 20% de biodiesel na mistura, o acréscimo no

consumo de combustível é pequeno (10g/kWh, o que representa um aumento de

2,67% no consumo de combustível). Isto é um aspecto positivo para a utilização de

biodiesel nos próximos anos, uma vez que a perspectiva de mistura a ser usada no

ano de 2013 no Brasil é de 5% de biodiesel para 95% de diesel. A partir de 20% de

biodiesel na mistura, o gráfico apresenta um forte incremento, chegando a um

acréscimo 51g/kWh, o que representa um aumento de 13,64% no consumo de

combustível. Isto demonstra a necessidade de alterações no motor para garantir um

consumo mais próximo do diesel mineral para a mesma potência gerada. Um

resultado semelhante também foi demonstrado a campo, por Lopes et al. (2005),

que relataram um aumento no consumo específico de 7% e 18% para um trator

funcionando com misturas B50 e B100, respectivamente, quando comparado com o

consumo específico do mesmo trator usando diesel mineral. Também Canakci

(2006) evidenciou um aumento de 13,8% no consumo específico de combustível

quando comparou um motor estacionário ciclo diesel funcionando com diesel puro e

com B100.


62

3.4 Ensaios a campo com microtratores

Durante os ensaios a campo, os proprietários dos microtratores não

identificaram nenhuma alteração no seu funcionamento que pudesse comprometer o

uso das formulações propostas. Isto ficou evidenciado através dos questionários

preenchidos durante o período de testes, cujo modelo é mostrado no Anexo B. A

única dificuldade encontrada foi mencionada pelo proprietário do microtrator que

utilizou B100. Este microtrator apresentou dificuldade de partida em dias frios, o que

passa a ser um inconveniente, uma vez que o inverno é rigoroso na região. Isso

indica a necessidade de adaptar os microtratores a esta condição de operação, para

utilizar o B100. Uma possível alternativa seria a introdução de um sistema de pré-

aquecimento no tanque de combustível, a fim de mantê-lo, internamente, a uma

temperatura superior à ambiente nos dias frios.

Após o uso a campo por 200h, os microtratores foram transportados para a

Schultz Técnica Comercial onde os seus motores foram abertos para análise. A

avaliação do sistema de injeção dos três microtratores mostrou que todos (B2, B20 e

B100) apresentavam pulverização normal ao término dos testes. Entretanto,

mostraram que houve uma pequena perda de pressão nos sistemas de injeção dos

microtratores que utilizaram B20 e B100 (mantiveram-se em torno de 170bar,

quando o recomendado pelo fabricante é 180bar). Mesmo assim, não foi identificado

vazamentos no bico injetor, o que pode ser comprovado através do teste de

estanqueidade realizado em bancada para os bicos injetores dos três microtratores,

como mostra a Figura 9.


63

Figura 9 - Teste de pulverização de um bico injetor (B100)

Baseado no trabalho de Villarreyes et al (2007), que afirmam que a

viscosidade do combustível afeta sua vaporização e pulverização na câmara de

combustão, o resultado dos testes é considerado normal mesmo para B100, pois a

viscosidade cinemática do biodiesel utilizado era de 4,454cSt, o que está dentro dos

padrões estabelecidos pela ANP.

As avaliações feitas nos componentes internos dos motores indicaram pouco

desgaste da camisa e do pistão. Porém, ficou evidenciada uma folga excessiva entre

pontas de anéis. Além disso, no microtrator que utilizou B100, também foi observado

um desgaste na face superior do primeiro anel de compressão. Segundo Tomanik

(2000), este é o anel sujeito às maiores cargas de velocidade, pressão e

temperatura. Desta forma, supõe-se que este desgaste na sua face superior seja

resultante da sobre-pressão gerada na parte superior do pistão, proveniente da

maior área de queima da mistura ar combustível. Esta, por sua vez, pode ser

associada à maior densidade do biodiesel em relação ao diesel mineral, que,

segundo Cardoso et al (2006) está diretamente ligada ao teor energético total


64

contido em uma determinada massa ou volume de combustível, razão pela qual as

maiores discrepâncias foram observadas no microtrator que trabalhou com B100.

Com relação à folga entre ponta de anéis, esta pode resultar, após um

número maior horas de uso do microtrator, em perda de compressão, redução da

eficiência de queima e maior consumo de óleo lubrificante que será arrastado para a

câmara de compressão durante o movimento do pistão. A tabela 6 ilustra as

medições realizadas.

Tabela 6 - Medições feitas nos motores em função da mistura usada

Medidas (mm) Componente B100 B20 B2 Valor padrão Camisa do cilindro 100,02 100,04 100,01 100 Pistão 99,85 99,85 99,90 99,90 Folga (ponta de anéis) 0,80 0,80 0,65 0,30 – 0,50

Além disso, a camisa do microtrator que operou com B100 perdeu o

brunimento, ficando com aspecto polido e espelhado. Isto pode ser verificado nas

Figuras 10a e 10b, que mostram respectivamente, uma camisa nova (com o

brunimento) e a camisa do microtrator que usou B100 (após os testes, sem o

brunimento). Isto indica lubrificação deficiente nesta superfície, que pode ter como

origem a degradação do lubrificante em função da sua contaminação por biodiesel,

oriunda da folga excessiva observada entre ponta de anéis. Salienta-se ainda que,

de acordo com a caracterização mostrada na Tabela 6, o biodiesel apresenta

elevado teor de água e sedimentos, o que também pode ter favorecido o desgaste

observado na camisa.


65

Figura 10 - A)– Camisa com brunimento; B) – Camisa sem brunimento.

Segundo Tomanik (2000), este desgaste, denominado desgaste de

deslizamento, identifica-se por uma superfície polida que se apresenta após o

desgaste e ocorre sob certas condições em que as pressões hidrodinâmicas

desenvolvidas não são capazes de manter as superfícies separadas e,

consequentemente, parte da carga passa a ser suportada pelas asperezas

presentes nestas superfícies. Diante disso, a probabilidade de contaminação de óleo

lubrificante por biodiesel, assim como a passagem de óleo lubrificante para a

câmara de combustão, aumenta consideravelmente. Isso ficou comprovado nos

gráficos apresentados na Figura 11, que mostram a presença de biodiesel no óleo

lubrificante neste microtrator, já com 100h e 200h de uso. Para os demais

microtratores, as análises também indicaram presença de biodiesel no lubrificante.

A B


66

Figura 11 - Espectro no Infravermelho do óleo lubrificante

Nos gráficos mostrados na Figura 11, percebe-se a presença de carbonila

(destaque em azul), um grupo funcional existente nos óleos e ésteres, em todos os

espectros, o que indica a presença de biodiesel no óleo lubrificante. Além disso, o

gráfico da Figura 11 correspondente a 100h de uso do microtratror abastecido com

B100 apresenta uma oscilação no comprimento de onda entre 3300 e 4000,

característica de contaminação por OH. Esta contaminação sugere a presença de

água no combustível, quer seja proveniente do seu processo de obtenção, quer seja

pelo seu armazenamento incorreto, que permitiu a formação de umidade. Esta

presença de água confere, então, com os sinais de desgaste observados nos

elementos das bombas injetoras.

Com relação à contaminação do óleo lubrificante por biocombustível, Maziero

& Corrêa (2005) testaram óleo bruto de girassol com a intenção de observar 200h de


67

uso em um motor diesel. Porém, o teste foi interrompido com 60h de uso em função

da alta contaminação do óleo lubrificante, que apresentava viscosidade muito

elevada, forte presença de produtos de oxidação e fuligem, queda acentuada de

reservas alcalinas além de elevado teor de chumbo, indicando possível desgaste em

casquilhos. Segundo Soares et al (2000), que testaram óleo de dendê em motores

diesel, em testes de curta duração, a contaminação do óleo lubrificante provocada

pelo biodiesel pode ser suprida simplesmente trocando-se o óleo num intervalo

inferior de tempo. Sendo assim, o custo de manutenção aumenta, porém, utilizando-

se um óleo lubrificante mais viscoso ou de especificação mais nobre, este custo

volta a cair.

Segundo Silva (2006), misturas com até 10% volume de biodiesel não

causam variação significante na concentração de elementos e nas propriedades

físico-químicas do lubrificante.

A Valtra, fabricante de tratores agrícolas, testou misturas B5 e B20 por 18

meses e concluiu que o consumo horário de um trator usando B20 equivale ao

consumo horário do mesmo trator usando diesel mineral. Além disso, a Valtra não

identificou qualquer contaminação no óleo lubrificante nas máquinas abastecidas por

biodiesel. Segundo a própria Valtra, isso comprova que não há desgastes anormais

dos componentes do motor.

Segundo a Storck Biodiesel (2008), se a viscosidade do óleo é extremamente

excessiva, como no caso dos óleos vegetais, ocorrerá uma má pulverização no

cilindro, reduzindo a eficiência da atomização e promovendo a contaminação do óleo

lubrificante e a produção de fumaça preta. O motor funciona, mas pode apresentar

problemas ao longo do período de uso, e seu desempenho pode ficar prejudicado.

A inspeção visual mostrou, ainda, uma pequena contaminação do filtro de

combustível do motor que utilizou B100, como mostra Figura 12A, e também um

pequeno resíduo de água no interior do copo do filtro de combustível do motor que

trabalhou com B20 (Figura 12B). No motor que trabalhou com B2, estas

contaminações não foram evidenciadas. Estes resultados, segundo Benvenutti

(2005) indicam boa qualidade do biodiesel utilizado, em termos de ausência de íons

alcalinos ou alcalino-terrosos, porém, confirma a presença de água no biodiesel,


68

conforme foi evidenciado na sua caracterização (100% acima do limite aceitável pela

ANP), conforme Tabela 6.

Figura 12 - A) filtro de combustível (B100) B) Água copo do filtro (B20)

Foi identificada certa opacidade no elemento da bomba injetora do microtrator

que trabalhou com B100. Além disso, os elementos das bombas dos três

microtratores apresentaram desgaste na sua parte superior (frisos), que pode ter

sido provocado pela presença de água no combustível (PITANGUY, 2004), o que

prejudicou a lubrificação naquela região de elevada pressão (Figura 13). Isto

concorda com os resultados obtidos por Benvenutti (2005), que também identificou

desgaste excessivo e formação de ferrugem no eixo da bomba rotativa de alta

pressão. Neste mesmo trabalho, Benvenutti (2005) identificou ainda a presença de

depósitos em alguns componentes do sistema de injeção, formados a partir de sais

de ácidos de envelhecimento do combustível com íons metálicos, resultantes da

corrosão e desgaste.

Além disso, Pitanguy (2004) avaliou diversas amostras de óleo diesel que

estava sendo usado em campo em diversos estados brasileiros e concluiu que o

contaminante mais crítico para o diesel no Brasil é a presença de umidade,

provavelmente, proveniente do ar atmosférico que entra em contato com o

combustível ao longo do seu processo produtivo, durante seu transporte e

estocagem ou durante sua utilização.

A B


69

Figura 13 - Desgaste (frisos) na parte superior do elemento da bomba de

combustível

Nos motores que utilizaram B2 e B20, foi visualizado um friso muito profundo

na bronzina da biela, provocado provavelmente por impureza ou material sólido

dentro do óleo lubrificante. A Figura 14 mostra as condições das bronzinas dos três

microtratores após os testes. O virabrequim dos motores não chegou a ser afetado,

continuando com sua superfície lisa.

Figura 14 - Bronzinas dos microtratores após o término dos testes

B100 B20 B2


70

Em termos de carbonização do motor, a análise visual não mostrou nenhuma

formação excessiva de carvão no pistão, cabeçote de válvulas ou bicos injetores,

que pudessem comprometer o desempenho do motor. Entretanto, a Figura 15

mostra o detalhe da formação de carvão nos bicos injetores.

Figura 15 - Bicos injetores após as 200h de teste.

A Figura 16 mostra ainda uma comparação entre o bico injetor novo e o bico

carbonizado após 200h de uso de biodiesel puro.

Figura 16 - Comparação dos bicos injetores

Bico injetor (B2) Bico injetor (B20) Bico injetor (B100)Bico injetor (B2) Bico injetor (B20) Bico injetor (B100)


71

Segundo a fabricante de máquinas pesadas Catterpillar, a carbonização pode

causar deformação do pistão, desgaste nas camisas, anéis presos e depósitos no

motor. Porém, como foi apresentado anteriormente, nenhuma destas

caracterizações se fez presente nos motores, o que confirma a baixa formação deste

tipo de contaminação.

Benvenutti (2005) afirma ter sido provado que glicerídeos e carbonato de

sódio (Na2CO3) estão presentes nos depósitos de biodiesel e que o carbonato de

sódio é formado na câmara de combustão a partir da queima do combustível.

Teixeira (2005) confirma que o resíduo de carbono indica a tendência de um

combustível formar depósitos de carbono nos motores e que estes se alojam nos

bicos injetores e em outras partes do motor, reduzindo assim sua vida útil. Diante

disso, a pequena carbonização evidenciada nos bicos sugere pouca presença

destes compostos no biodiesel utilizado.

Além disso, a raspagem feita na parte superior do pistão e no cabeçote de

válvulas, mostrada na tabela 7, seguida de pesagem, mostrou uma variação no

acúmulo de carvão no topo do pistão e no cabeçote de válvula dos microtratores em

função do combustível utilizado.

Tabela 7 - Deposição de carvão no topo dos cilindros / cabeçote de válvulas

Misturas usadas Carvão gerado (g) Desvio percentual em relação

ao motor que usou B2

B2 1,5318 0

B20 1,6062 4,8%

B100 1,9228 +25,5%

Os resultados desta tabela mostram uma maior quantidade de carbonização

(ou fuligem) presente no motor que utilizou B100. Isto pode ser explicado pela maior

viscosidade do biodiesel, que interfere na formação do jato na câmara de

combustão. Segundo Varde (1984) citado em Machado (2003), ângulos de cone de

jato menores, no momento da injeção de combustível, indicam a menor distribuição

deste na câmara de combustão, resultando em pior atomização e sugerindo pior


72

rendimento de combustão. O mesmo autor afirma que uma atomização pobre aliada

à baixa penetração do jato de combustível conduz a um incremento na formação de

fuligem.

CONSIDERAÇÕES FINAIS

Após os testes realizados, pôde-se concluir que misturas com maiores

percentuais de biodiesel em sua formulação favorecem a redução de emissões de

MP, porém, aumentam as emissões de NO. Ainda em termos ambientais, percebe-

se que o uso de biodiesel de girassol favorece a redução do aquecimento global

através da redução de emissões de CO2 provenientes de fontes não renováveis.

Observou-se um aumento gradual do consumo específico de combustível,

com o aumento do teor de biodiesel na mistura combustível, sugerindo a

necessidade de modificações nos motores para uso de biodiesel.

Por fim, conclui-se que as formulações B2 e B20 não provocaram danos aos

motores, ao passo que a formulação B100 provocou desgastes e contaminação do

óleo lubrificante, diante do que se recomenda maiores estudos à respeito do uso de

biodiesel de girassol puro em microtratores.

TRABALHOS FUTUROS

- Estudo econômico do uso de B20.

- Impactos do uso de biodiesel de girassol em microtratores em testes de longa

duração (mais de 1000h).

- Avaliação da degradação das propriedades do óleo lubrificante em função da

mistura diesel/biodiesel utilizada para longos períodos de utilização (mais de 1000h).

- Avaliação da interferência das condições de armazenamento do biodiesel no seu

desempenho a campo.

- Possibilidades de redução de emissões de NO para misturas com alto percentual

de biodiesel na sua formulação.

- Estudo do desgaste das partes móveis do motor em função do uso de diferentes

percentuais de biodiesel na mistura.

- Estudo da relação existente entre a densidade e a viscosidade do combustível e a

eficiência de queima.

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ANEXOS

ANEXO A – PLANILHA DE ACOMPANHAMENTO 1

UNIVERSIDADE DE SANTA CRUZ DO SUL PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL MESTRADO

1a PLANILHA DE ACOMPANHAMENTO DE TESTES DE BIODIESEL EM CAMPO

1) Há quanto tempo o seu trator é utilizado?

2) Para que o seu trator é usado? Em que tipo de terreno é usado (plano,

acidentado, etc)?

3) Quantas vezes seu trator precisou de manutenção em 2006?

4) O que foi feito nestas manutenções?

5) Qual o óleo lubrificante que você usa no trator?

6) De quanto em quanto tempo você trocava óleo lubrificante do trator antes de

começar os testes com biodiesel?

7) Que tipo de problemas seu trator costuma apresentar (por exemplo, dificuldade

de partida do motor, falta de força, entupimento dos bicos, etc)?

8) De quanto em quanto tempo você abastece o seu trator?

ANEXO B – PLANILHA DE ACOMPANHAMENTO 2

UNIVERSIDADE DE SANTA CRUZ DO SUL

PROGRAMA DE PÓS GRADUAÇÃO EM TECNOLOGIA AMBIENTAL MESTRADO

2a PLANILHA DE ACOMPANHAMENTO DE TESTES DE BIODIESEL EM CAMPO Data: __________________ Proprietário__________________________ 1. Qual o número do contador do trator quando você iniciou o trabalho? 2. O trator teve dificuldades para ligar? SIM ( ) NÃO ( ) 3. Isso acontecia antes de usar biodiesel? SIM ( ) NÃO ( ) 4. O trator está perdendo “força” depois que começou a usar biodiesel? SIM ( ) NÃO ( ) 5. O trator está ganhando “força” depois que começou a usar biodiesel? SIM ( ) NÃO ( ) 6. O trator precisou de manutenção hoje? SIM ( ) NÃO ( ) 7. Você abasteceu o trator hoje? SIM ( ) NÃO ( ) 8. Quantos litros de combustível você abasteceu? 9. Qual o número do contador do trator quando você terminou o trabalho? OBSERVAÇÕES: anote neste espaço algum comentário sobre o dia de trabalho de hoje, se houve manutenção, que tipo de manutenção, se há algum problema com o combustível, se está atrapalhando o seu trabalho, etc. ___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

___________________________________________________________________

ANEXO C – CARACTERIZAÇÃO DAS CONDIÇÕES INICIAIS DOS MICROTRATORES

Condições dos microtratores antes da reforma inicial

Bico injetor contaminado pelo uso do óleo diesel

Cabeçote carbonizado pelo uso de óleo diesel

Detalhe da carbonização do elemento, pelo uso de óleo


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Contaminação do filtro de combustível

Detalhe do microtrator desmontado durante reforma inicial

Carbonização do pistão

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