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ANÁLISE DO DESEMPENHO E EMISSÃO DE POLUENTES DE MOTORES DIESEL A

4 TEMPOS COM O USO DE VARIADAS MISTURAS DO BIODIESEL

Thiago Trigo Carim (1) ([email protected]), Washington Gomes Nascimento(2)

([email protected]), André Luiz Vicente de Carvalho(3) ([email protected]),

Ronilson de Carvalho Martins(4) ([email protected]), Jumar Nascimento de Oliveira da Silva(5)

([email protected])

(1) Faculdade Redentor (FACRED); DEMEC (2) Faculdade Redentor (FACRED); DEMEC

(3) Faculdade Redentor (FACRED); ISECENSA; UNIVERSIDADE CÂNDIDO MENDES (UCAM); DEMEC (4) Faculdade Redentor (FACRED); DEMEC (5) Faculdade Redentor (FACRED); DEMEC

RESUMO: Em meio à tentativa de minimizar os efeitos produzidos pelos combustíveis fósseis, a escassez

do petróleo e a necessidade da renovação da matriz energética brasileira, o biodiesel tem-se apresentado

como uma excelente fonte alternativa ao óleo Diesel utilizado em motores de ignição por compressão. O

Brasil, por possuir condições geográficas e climáticas favoráveis e extensas áreas cultiváveis, destaca-se

como fonte potencial para a produção de biocombustíveis. O biodiesel pode ser obtido a partir de qualquer

óleo ou gordura. Normalmente é obtido a partir de uma reação denominada de transesterificação.

Atualmente o biodiesel é vendido nos postos brasileiros como uma mistura conhecida por B5, composta por

5% de biodiesel e 95% de óleo Diesel. Assim objetiva-se com este trabalho, utilizar várias proporções de

misturas do biodiesel, incluindo o Biodiesel puro denominado de B100 em motores do Ciclo Diesel a fim de

avaliar seu desempenho e o nível de poluentes emitidos por meio da queima desses combustíveis. Para esse

fim utiliza-se um motor monocilíndrico a quatro tempos, dispondo-se de aparelhos que permitem analisar e

avaliar essas misturas.

PALAVRAS-CHAVE: Biodiesel, Desempenho, Motor, Poluentes, Misturas.

PERFORMANCE ANALYSIS OF POLLUTANTS AND ISSUANCE OF A 4 STROKE DIESEL WITH

THE USE OF VARIOUS BLENDS OF BIODIESEL

ABSTRACT: Amid the attempt to decrease the effects produced by fossil fuels, shortage of petroleum and

the need for renewal of Brazilian energy matrix, biodiesel has been presented as an excellent source

alternative to oil diesel used in engines with compression ignition. The Brazil that has geographical and

climatic conditions favorable and extensive region cultivated appears as a potential source for the

production of biofuels. Biodiesel can be obtained from some fat or oil usually by a reaction called

transesterification. Currently, Biodiesel is sold in the brazilian service stations as a blend known as B5,

consisting of 5% biodiesel and 95% diesel oil. Thus the objective of this work, using various ratios of

biodiesel blends, including biodiesel pure called B100 in engines Diesel cycle in order to assess their

performance and level of polluants emitted by burning these fuels. For this purpose used a single-cylinder

four-stroke, available are devices that allow to analyze and evaluate these blends.

KEYWORDS: Biodiesel, Performance, Engine, Polluants, Blends.

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial

Auditório do Senai CIMATEC - Prédio 2 - 2º andar - Salvador - BA,

23 a 26 de Setembro de 2014

Construindo Hoje a Engenharia do Amanhã

Anais do XIV CONEMI - Congresso Nacional de Engenharia Mecânica e Industrial | 2

1. INTRODUÇÃO

No decorrer das últimas décadas, emergiu no contexto mundial globalizado, conceitos

relacionados à idéia de utilizar-se dos recursos naturais disponíveis para suprir as necessidades

humanas sem comprometer ou prejudicar as gerações futuras, conceito esse conhecido como

sustentabilidade.

Uma das grandes preocupações atuais está relacionada ao uso dependente e contínuo de

combustíveis fósseis como o querosene, energia nuclear e o carvão mineral para geração de energia.

Esses combustíveis são fontes potencias de poluição ambiental gerando consequências irreversíveis

ao planeta.

O grande setor responsável pela maior parte de emissão de poluentes na atmosfera é o setor

de transporte, pois para obtenção de energia mecânica, em grande parte se faz uso de combustíveis

fósseis como a gasolina e o óleo Diesel.

Para reduzir a dependência quanto ao uso de combustíveis fósseis e minimizar os efeitos

nocivos da emissão de poluentes na atmosfera, utilizam-se os combustíveis de origem biológica, os

chamados biocombustíveis, obtidos a partir de produtos agrícolas.

Atualmente para a redução da utilização do óleo Diesel é realizado a mistura do biodiesel no

óleo diesel. Este método é legalizado e autorizado pelo governo federal brasileiro. A ANP (Agência

Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis) permitiu inicialmente a utilização de 2% do

biodiesel em 98% de óleo Diesel o chamado B2, passando a utilizar 5% de biodiesel na mistura, que

é denominada B5 e atualmente já utiliza-se 6% já aprovado o aumento para 7% pelo senado

aguardando somente a aprovação pelo presidente da república.

A substituição total ou parcial do óleo Diesel pelo biodiesel é de suma importância neste

contexto. O Brasil é referência mundial de inúmeras opções de matéria prima como soja, mamona,

girassol, dendê, pinhão manso entre outras para obtenção do biodiesel. Independentemente da

matéria prima a ser utilizada é necessário conhecer suas propriedades físico-químicas e

consequentemente determinar as emissões de poluentes e o desempenho mecânico gerado pelo

motor. Desse modo, tem-se por finalidade apresentar o biodiesel como fonte alternativa sustentável

a motores de ignição por compressão por meio de análises e avaliações de desempenho deste motor,

alimentado por variadas misturas do biodiesel, e o nível de emissão de poluentes em ensaios que

serão feitos em uma bancada formada com o uso de um grupo gerador elétrico, resistências elétricas

para o consumo de energia e um aparelho para medição de gases emitidos.






2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1 Diesel e Biodiesel

O óleo diesel utilizado nos ensaios foi adquirido em um posto de combustível na cidade de

Itaperuna, no estado do Rio de Janeiro. Suas características deverão estar de acordo com as exigidas

pela Agência Nacional do Petróleo (ANP), resolução Nº 65 de 9.12.2011

O biodiesel foi produzido na Faculdade Redentor, campus de Itaperuna RJ, visto que não foi

possível a compra do mesmo devido às normas da ANP que proíbe a venda em pequenas

quantidades. Portanto, o biodiesel foi obtido através da transesterificação de óleo de soja filtrado.

Montou-se um mini-reator para realizar o processo. Ele constituía-se de um recipiente

grande de latão, um aquecedor elétrico, um recipiente plástico (bombona) com um furo na tampa,

uma furadeira elétrica, uma abraçadeira, um suporte para a furadeira e um agitador. Na Figura 1

mostra a imagem do mini-reator.

Figura 1: Mini-reator.

Para a produção do Biodiesel, utilizou-se as seguintes proporções: 1 litro de óleo de soja,

200 ml de álcool metílico (metanol) e 3,5 gramas de soda cáustica (NaOH). A produção foi iniciada

com a mistura do metanol com a soda cáustica em uma garrafa de vidro com tampa. Essa mistura

produz o metóxido de sódio. Colocou o óleo de soja dentro da bombona aqueceu até a temperatura

de 55°C, que é a temperatura ideal para a reação. Ao atingir essa temperatura, adicionou-se à

bombona com o óleo de soja aquecido o metóxido de sódio e o eixo agitador acoplado a furadeira

elétrica, que ficou ligada durante uma hora realizando a mistura. Utilizando-se sempre um termopar

para controlar a temperatura, pois se a temperatura ultrapassar os 64,7°C, o álcool metílico

(Metanol) evapora, podendo trazer problemas graves a saúde. Após realizar o processo, deixar a






mistura em repouso durante vinte e quatro horas para que ocorra a decantação, como pode ser visto

na Figura 2.

Figura 2: Processo de decantação.

Passado esse tempo o Biodiesel é separado da glicerina a partir de uma drenagem com

auxílio de uma mangueira. Os combustíveis utilizados nos ensaios serão: óleo Diesel S10 e S1800,

B5, B10, B20, B40, B60, B80 e B100. Todas as misturas de biodiesel foram feitas com óleo Diesel

S10. Assim como todas as densidades aferidas a partir de um densímetro.

Figura 3: Misturas prontas

2.2 Painel de combustível com medidor de consumo

O painel tem dois tanques feitos de garrafas de vidro com a capacidade de aproximadamente

500 ml cada. Uma seringa de plástico de 60 ml é usada para medir o consumo volumétrico durante

cada grupo de lâmpadas no ensaio de cada combustível. Ela está fixada no painel de modo que se

encha de combustível toda vez que uma das válvulas se abrir. O volume utilizado para os cálculos é

de 10 ml e seu consumo cronometrado. A Figura 4 mostra o painel de combustível com o medidor

de consumo.






Figura 4: Painel de combustível com medidor de consumo. (2013).

2.3 Grupo-gerador

O grupo-gerador utilizado é o modelo BD-2500CFE, mostrado na Figura 5, que possui um

motor a diesel monocilíndrico de quatro tempos e injeção direta, refrigerado a ar e potência

mecânica nominal de 5 HP, capaz de gerar uma potência elétrica nominal de 2,2 kVA.

Figura 5: Grupo-gerador pronto para ensaios.

2.4 Painel de resistência elétrica

Compõe-se de vinte lâmpadas incandescentes de 100 Watts e 127 Volts ligadas em paralelo

que servem como cargas resistivas para consumir a potência produzida pelo grupo-gerador. As

lâmpadas são divididas em cinco grupos e cada grupo tem quatro lâmpadas. Elas são montadas em

um quadro de madeira, com vinte bocais de cerâmica e cinco interruptores externos que permite

incluir ou excluir cada grupo durante os ensaios. No final do circuito colocou-se uma tomada para






que possa ser feito a leitura das tensões com o auxílio de um voltímetro. Na Figura 6 pode-se ver o

painel.

Figura 6: Painel de resistência elétrica. Em A, o painel desligado. Em B, o painel com quatro

grupos de lâmpadas ligadas.

2.5 Analisador de gases

O analisador de gases utilizado nos ensaios para a leitura dos gases é o Tempest 100 como

mostra a Figura 7, ele pode medir a concentração de diversos gases como: O2, CO2, CO, NOx, NO2,

NO e SO2.

Figura 7: Analisador de gases Tempest 100.

O sensor do analisador de gases fo colocado em um pequeno tubo vazado e soldado

perpendicularmente no cano de descarga com um parafuso de aperto para garantir a fixação do

sensor no escapamento.

Figura 8: Sensor do analisador acoplado no cano de descarga.






3. RESULTADOS

3.1 Análises gráficas experimentais.

3.1.1 Potência

O combustível que apresentou maior potência desenvolvida foi o B5. Então, para rotações máximas

do motor uma pequena adição de 5% na mistura com óleo diesel S10 eleva significativamente os

níveis de potência produzida pelo motor. Por outro lado em pequenas e médias rotações o motor

apresentou maior potência desenvolvida com óleo Diesel S1800. Vale ressaltar que quando o motor

operava com as 20 lâmpadas acessa usando esse mesmo combustível, durante algum tempo o motor

apresentava picos de tensão.

Figura 9: Comparação de potência para todos os combustíveis.

3.1.2 Consumo

Visualizando o gráfico da Figura 10 vê-se que o Biodiesel puro apresentou para qualquer

faixa de potência maior consumo de combustível por tempo. Sendo assim é notório que qualquer

proporção de mistura com o biodiesel eleva o consumo de combustível. Fato que se justifica pelo

menor PCI do biodiesel.






Figura 10: Comparação para todos os combustíveis de consumo volumétrico.

3.1.3 Rendimento térmico

O rendimento térmico é um dos parâmetros indispensáveis na avaliação da eficiência de um

combustível. Conforme a figura 11 o óleo Diesel S1800 apresentou para quase todas as faixas de

potências listadas, o melhor rendimento térmico, Porém a mistura com 5% de biodiesel apresentou

melhor rendimento térmico quando o motor é usado em sua carga máxima. O biodiesel puro

também apresentou bons resultados.

Figura 11: Valores de Rendimento térmico para todos os combustíveis.

3.2 Análises da emissão de poluentes

3.2.1 Dióxido de Carbono ( CO2) e Monóxido de Carbono (CO)

Abaixo demonstra- se nos gráficos das Figuras 12 e 13 de emissão de CO2 e CO

respectivamente.






Figura 12: Emissão de dióxido de carbono para todos os combustíveis.

Para baixas rotações do motor, os valores correspondentes à emissão de CO2 não tiveram

variações expressivas. Porém o motor quando exigido, produziu maiores níveis de CO2, com uso de

óleo diesel S1800 e B10.

Figura 13: Emissão de monóxido de carbono para todos os combustíveis.

As misturas B40, B80 e o B100 apresentaram níveis altos de CO. O monóxido de carbono é

um gás combustível, pois reagindo com o oxigênio do ar ele libera o calor, por isso no caso de

combustão incompleta o aproveitamento do combustível e o rendimento do motor irão diminuir.

Quando analisa-se os dois gráficos em paralelos temos a mistura B20 como uma ótima relação de

CO2 x CO.






3.2.2 Óxidos de nitrogênio; NOx , NO2 ,NO

Visualizando o gráfico da Figura 14, pode observar que para baixas potências o B40 possui

o menor teor de emissão de NOx. O B80 mostrou-se também uma excelente alternativa de redução

de NOx. Os óleos diesel S10 e S1800 apresentaram os maiores valores de emissão. As misturas de

Biodiesel em pequenas proporções reduziram muito pouco a quantidade de NOx.

Figura 14: Emissão de NOx para todos os combustíveis.

3.2.3 Dióxido de Enxofre (SO2)

O gráfico da Figura 15 mostra a quantidade de SO2 emitido para cada combustível.

Figura 15: Representação das emissões de SO2.






Pode-se observar que a adoção de biodiesel ao óleo diesel reduz em qualquer proporção

significativamente a quantidade de enxofre produzida, porém nem sempre segue uma proporção.Esse fato se justifica, pois o S02 só se formar a altas temperaturas. O biodiesel puro

apresentou ligeira formação de SO2 , que pode ser justificado por um erro de leitura do aparelho

previsto em sua magem de erro.

4. CONCLUSÃO

Com todos os testes realizados e dados obtidos pode- se observar que o B10 apresentou a

melhor média entre todas as demais misturas. Para uma mistura não basta apenas apresentar baixo

indíce de emissão de poluentes, a mesma tem que garantir uma boa autonomia para o motor sem

grandes perdas.

Relação B5 X B10

Observa-se na figura 16 a emissão de S02 , um dos principais motivos para substituição dos

óleos diesel para os biocombustíveis. Essa comparação é feita com a atual mistura comercializada

no país o B5.

Figura 16: Comparação entre as misturas B5 e B10, quanto a emissão de SO2.

O B10 apresentou ligeira diminuição em relação e emissão desse gás. Já pela figura 17, vê-

se que o motor não teve perdas significativas quanto a geração de potência.

Figura 17: Comparação entre potências desenvolvidas pelas misturas B5 E B20.






Por fim pela análise gráfica a adição de 10% ao Biodiesel se mostra mais relevante para ser

incorporado na matriz energética brasileira. Tendo em vista que as usinas Brasileiras se dizem

capacitadas para fornecer a quantidade necessária para essa mistura.

4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Rio de Janeiro: Campus, 2011.

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PARENTE, EJ de S. et al. Biodiesel: uma aventura tecnológica num país engraçado. Fortaleza:

Tecbio, 2003.

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FEE, v. 32, n. 4, p. 271-294, 2005.

SILVEIRA, B. I. Da. Produção de Biodiesel. 1ed: Biblioteca 24horas, 2011.

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