CAP 6
Combustíveis para MCIA
Prof. Vinicius Gomes, Esp.
COMBUSTÍVEIS FÓSSEIS
2
• O petróleo é conhecido pela humanidade desde a antiguidade;
• A era da produção dos MCIA’s é paralela à era da indústria petrolífera,
iniciada com a descoberta de óleo cru em 1859, na Pensilvânia, EUA;
• A figura abaixo mostra as projeções para as reservas restantes de petróleo neste século XXI.
• Principais derivados do petróleo em ordem crescente de densidade e
crescente de temperatura de destilação (mais leves sobem na torre).
Gás liquefeito de petróleo (GLP)
o
Uso como gás de cozinha e na fabricação de plásticos;
o
Mistura de alcanos com 1 a 4 átomos C;
o
Faixa de vaporização: abaixo de 40 C;
Nafta
o
Líquido altamente volátil usado como solvente e gás de síntese (distribuição urbana por gasodutos). É também adicionado ao gasóleo
desde meados de 1990 e, a partir de nov./2014, à gasolina;
o
Mistura de alcanos com 5 a 9 átomos C;
o
Faixa de vaporização: 60 a 100 C;
Aguarrás
o
o
o
Líquido solvente geral usado na fabricação de ceras e tintas;
Mistura de alcanos alifáticos (cadeias abertas) com 10 ou mais
átomos C;
Faixa de vaporização: 151 a 240 C.
Gasolina
o
Líquido de uso automotriz;
o
Mistura de alcanos alifáticos e cicloalcanos com 5 a 12 átomos C;
o
Faixa de vaporização: 32 a 180 C;
Querosene
o
Líquido usado em jatos, tratores especiais e como solvente;
o
Mistura de alcanos alifáticos e aromáticos com 10 a 18 átomos C;
o
Faixa de vaporização: 175 a 325 C;
Gasóleo (óleo diesel)
o
Líquido de uso automotriz, energético, e às vezes, solvente;
o
Mistura de alcanos alifáticos e cicloalcanos com 12 a mais átomos C;
o
Faixa de vaporização: 250 a 330 C.
Óleo lubrificante
o
o
o
Derivado sem finalidade combustível;
Mistura de alcanos alifáticos, cicloalcanos e aromáticos de cadeias
longas, com 20 a 50 átomos C;
Faixa de vaporização: 300 a 375 C;
Óleo combustível
o
o
o
Derivado pesado, às vezes o próprio petróleo bruto, de uso energé
tico industrial e como insumo intermediário para outros produtos;
Mistura de alcanos alifáticos, cicloalcanos e aromáticos de cadeias
curtas e longas com 20 a 70 átomos C;
Faixa de vaporização: 370 a 600 C;
Resíduos
o
Coque, asfalto, alcatrão, breu e ceras com várias aplicações;
o
Mistura de cicloalcanos com 70 ou mais átomos C;
o
Faixa de vaporização: acima de 600 C.
COMBUSTÍVEIS PARA
MOTORES DE IGNIÇÃO
POR CENTELHA
7
Gasolina Pura e Aditivada
 Mistura de hidrocarbonetos com vaporização entre 32 C e 180 C. Suas fra-
ções leves, que vaporizam abaixo de 40 C, permitem partida a frio de
MCIAct. Porém, a concentração dessas frações na mistura não deve ser excessiva, para não deslocar ar no processo de admissão do motor;
 Gasolina pura pode ser representada por uma das fórmulas: C8H15 (Pulkra-
bek, 1997); C8H18 e C8,26H15,8 (Heywood, 1988); e C7H17 (Ferguson, 1986);
 No Brasil, a gasolina pura é aditivada com 27% de álcool etílico anidro (desi
dratado) combustível, sigla AEAC. A sigla da mistura gasolina-AEAC é M27;
 A compressão da mistura ar-M27 em MCIAct deve ocorrer sem autoigni-
ção (AI) nem detonação (DT, ou “batida de pino”);
o
o
AI ocorre se a gasolina não tem capacidade antidetonante adequada, porque a frente de chama corre o cilindro pressionando a mistura à frente. Se o
combustível não suportar a pressão, autoinflama-se (vide o sl. 9, Cap. 7-1);
DT pode ocorrer na ascensão do pistão, se o MCIA está submetido a sobrecarga, mesmo o combustível tendo capacidade antidetonante adequada.
 A estrutura química dos hidrocarbonetos tem muita influência na capaci-
dade antidetonente da gasolina. Regra geral, quanto maior o conteúdo de
compostos voláteis (baixa pressão de vaporização) na gasoilna, maior a
sua resistência a AI e DT. Assim:
o Parafinas de cadeia linear: tem menor resistência a AI e DT que as parafinas de
cadeia ramificada, que as olefinas e que os hidrocarbonetos cíclicos aromáticos;
o Hidrocarbonetos naftênicos (cíclicos saturados): tem menor resistência a AI e
DT que os aromáticos (cíclicos insaturados).
 As formas de se obter gasolina com capacidade antidetonante mais alta
(sem uso de aditivos), portanto mais cara (de uso aeronáutico), são:
o Reforma catalítica: inclui reações de isomerização, alquilação e polimerização;
o Reações de desidrogenação de naftênicos: geram compostos aromáticos; e
o Hidrocraqueamento catalítico de parafinas: parafinas mais pesadas são “quebra
das” em parafinas mais leves e voláteis.
 O primeiro aditivo antidetonante,
usado a partir de 1930, foi o chum
bo tetraetila – (C2H5)4Pb, de eleva
das capacidades anti AI e DT (fig.);
 O chumbo tetraetila caiu em desuso
a partir de 1990 em todo o Mundo,
devido sua toxidez e incompatibilida
de com catalisadores de exaustão;
Nota: NO – “número de octano” (índice de antidetonação – CAP. 7-1).
Fonte: Salazar, Fernando. Internal Combustion Engines. University of
Notre Dame. USA, 1998.
 Atualmente, no exterior são empregados os antidetonantes: MTBE (metil-
tercibutil éter), ETBE (etiltercibutil éter) e TBA (álcool butílico terciário);
 No Brasil, o chumbo tetraetila foi eliminado em 1992, sendo substituído pe
lo etanol anidro (sem água, sigla AEAC), como aditivo antidetonante;
 Padrões brasileiros para gasolinas puras: “comum C” e “premium C” (Port.
ANP nº 309/2001);
 Propriedades médias: gasol. = 738 kg/m³ e PCIgasol. = 45 MJ/kg.
Álcoois
 Podem ter origem biológica (a maioria) ou fóssil;
 Dois tipos são usados em MCIAct (já foram testados em MCIAcp):
o Álcool metílico (metanol): CH3OH – mais utilizado nos EUA, onde é obtido do mi
lho com grande uso de petróleo. É venenoso (se não mata, cega);
o Álcool etílico (etanol): C2H5OH – tipo usado no Brasil há muito tempo. É obtido
da cana de açúcar sem usar petróleo (aproveita o bagasso como fonte térmica);
 No Brasil, são usados os produtos:
o
o
Álcool etílico anidro (desidratado) combustível – AEAC: para uso exclusivo na adição à gasolina pura, até 2015, na proporção de 22% em volume (sigla M22). A
partir de então, devido a razões macroeconômicas e ambientais, a proporção su
biu para 27% (sigla M27);
Álcool etílico hidratado (4% em volume) combustível – AEHC: para uso como com
bustível direto em MCIA (a hidratação é estratégia para evitar que o etanol absorva umidade na armazenagem e no transporte, dada sua solubilidade em água;
também contribui para a diluição de ácidos que restam no processo de obtenção).
 A figura ao lado mostra co-
mo se distribui o uso do
etanol como aditivo da gasolina no Mundo. Apesar
do Brasil liderar em conteú
do, é o segundo maior produtor mundial. Os EUA são
o primeiro, desde 2015;
 O radical OH pode ser considerado uma “precombustão” dos compostos
base (CH3 e C2H5), daí o menor conteúdo energético dos álcoois;
 Uma característica interessante dos álcoois é que suas temperaturas de va-
porização à pressão ambiente, acima de 70 C (o dobro das frações mais leves da gasolina) permite que esses combustíveis produzam menos emissões evaporativas (vapores emitidos pela tancagem) que a gasolina;
 Propriedades médias do etanol: et. = 789 kg/m³ e PCIet. = 29,7 MJ/kg.
Gás natural (GN)
 Na natureza, o GN é uma mistura de vários gases, do metano (CH4) ao bu-
tano (C4H10), contendo ainda, CO2, N2, traços de H2O, etc.;
 Pode ser usado consorciado ao gasóleo, em MCIAcp, em proporções entre
80% a 95% (neste caso, o gasóleo inicia a combustão);
 Quando usado em veículos com motores MCIAct, é chamado de gás natural
veicular (GNV), padronizado pela ANP conforme a tabela abaixo.
Tabela 1. GNV padronizado pela ANP
PARÂMETRO
URUCU
SUL-SUDESTE (BOLÍVIA)
Poder calorífico superior (PCS) 1
34,0 a 38,4 MJ/Nm³
35,0 a 43,0 MJ/Nm³
Número de metano (Cap. 7-2)
65
65
68% molar
85% molar
Teor de inertes (N2 + CO2)máx.
21% molar (ou vol. nas CNTP)
6% molar (ou vol. nas CNTP)
Massa específica (20 C , 1 atm) ²
0,895 4 kg/Nm³
0,850 9 kg/Nm³
Teor de CH4.mín.
Fonte: Resolução ANP 16/2008; ¹ Métodos NBR 15213, ISO 6976 e ASTM D 3588. ² Densidade relativa ao ar (20 C e 1 atm) entre 0,55 a 0,69
(http://pib.socioambiental.org/c/noticias?id=5635; acessado em: dezembro/2009).
 Abaixo se mostram as reservas mundiais de GN até o ano de 2007;
 A tabela não contempla as reservas brasileiras do pré sal, nem o “shale-
gas” que deram autosuficiência em GN aos EUA;
 Rússia, Irã e Catar juntos detinham, em 2007, 55.3% das reservas mundiais de GN. Este número está caindo, desde então, até hoje.
 O “shale gas” (gás de xisto), é a fonte de GN que os EUA iniciaram explo-
ração em 2010. Antes não havia tecnologia para explorá-la (gás preso em
rocha subterrânea). Hoje é usado o fraturamento hidráulico (“fracking”);
 Vários países tem reservas de “shale gas” (tabela abaixo).
Tabela 2 – “Shale gas” no Mundo
POSIÇÃO
PAÍS
GÁS [trilhão Nm³]
1
CHINA
32
2
ARGENTINA
23
3
ARGÉLIA
20
4
EUA
19
5
MÉXICO
16
6
CANADÁ
15
7
AUSTRÁLIA
12
8
ÁFRICA DO SUL
11
9
RÚSSIA
8
10
BRASIL
7
Fonte: O promissor mercado de shale gas na Argetina, apud http://www.gasnet.com.br/
conteudo/15629 (acessado em: setembro/2013).
COMBUSTÍVEIS PARA
MOTORES DE IGNIÇÃO
POR COMPRESSÃO
16
Óleos combustíveis
 Assim como a gasolina, são misturas de vários hidrocarbonetos com massas
moleculares crescentes;
 Há dois tipos básicos de óleo combustível:
o ÓLEO LEVE (gasóleo ou “óleo diesel”) – de uso veicular e estacionário até 1 MW.
Sua fórmula molecular varia de C12,3H22,2 (Mmédia = 170 kg/kmol; Pulkrabek, 1997)
a C10,8H18,7 (Mmédia = 148,6 kg/kmol; Heywood, 1988);
o ÓLEO PESADO – de uso naval (grande porte) e industrial. São padronizados pela
ANP nas denominações BPF (baixo ponto de fulgor) e APF (alto ponto de fulgor).
São mais viscosos que os óleos leves. Pode-se adotar para suas fórmulas moleculares a generalização C14,6H24,8 (Mmédia = 200 kg/kmol; Ferguson, 1987);
 Propriedades médias (ambos): od = 852 kg/m³ e PCIod = 42 MJ/kg.
 No Brasil, o gasóleo (veicular) é classificado em A, B, C e D, em termos do
teor de enxofre decrescente, como segue:
o Tipo A: pode conter no máximo 1% S. Foi usado em todo o País até 1988;
o Tipo B: pode conter até 0,5% S. Foi o óleo padrão para uso em transportes no
Brasil até meados de 1990, exceto nas principais regiões metropolitanas, onde era
usado o tipo C;
o Tipos C e D: o tipo C pode possuir até 0,3% S; e o tipo D, até 0,2% S. São mais vo-
láteis que os tipos A e B, porque contem mais frações leves (nafta). Em meados
dos anos de 1990, substituiram progressivamente, do Sul ao Norte do País, o uso
veicular do tipo B nas regiões metropolitanas brasileiras, segundo a política de iniciar pelo tipo C e depois substituí-lo pelo tipo D (a última grande cidade a receber
o tipo D foi Manaus, em 2005).
Biodiesel
 Rudolph Diesel inventou o MCIAcp visando o uso de óleos vegetais in natu
ra, tendo obtido sucesso na empreitada; ¹
 O biodiesel é um bom substituto do gasóleo, sendo obtido por transesteri-
ficação alcoólica sob catálise de óleos vegetais ou de gorduras animais. A
EMBRAPA e a UNB já conseguiram produzi-lo por craqueamento;
o Transesterificação: separa glicerina ( 20%) do óleo vegetal. O que resta são éste-
res. A glicerina eleva muito a viscosidade, e é removida por um álcool na presença
de um catalisador (NaOH ou KOH). No Mundo, predomina o uso do álcool metílico na produção de biodiesel, mas o Brasil usa o álcool etílico, dada a abundância
desse insumo no País, no que pese seu menor rendimento no processo;
 Para todos os fins práticos, considera-se que o biodiesel tem as mesmas
propriedades gerais do gasóleo.
1 Fonte: http://www.biodiesel.gov.br/docs/Cartilha_Sebrae.pdf
(acessado em: junho/2013).

Biodiesel não é usado puro, mas misturado ao gasóleo, com vantagens
nas emissões de particulados, CO e HC, mas com desvantagem na emissão de NOx (figura abaixo).
Fonte: Biodiesel. US Dept. of Energy. Handling and Use Guidelines. DOE/GO-102006-2358. 2006.
20
 Os maiores produtores de biodiesel no Mundo, até 2007: 1
o EUA: 6,55 bilhão m³ (rota: óleo de soja);
o Alemanha: 3,15 bilhão m³ (rota: óleo de canola e girasol);
o Itália: 1,01 bilhão m³ (rota: óleo de canola);
o França: 0,91 bilhão m³ (rota: óleo de canola);
o Resto da UE: 0,21 bilhão m³ (rota: óleo de canola);
 A Alemanha (44% do total da UE) é o único país onde, até 2010, se podia
abastecer um veículo com 100% biodiesel (B100);
 No Brasil, o biodiesel é misturado ao gasóleo, visando complementar
sua demanda; 1
 A adição de biodiesel no Brasil obedece à Lei no. 11.097/2005: 1
o 2005/20012 – 2% e 3%, denominados B2 e B3;
o 2013/2014 – 5%, denominado B5;
o A partir de nov. 2014 – 7%, denominado B7.
1 Fonte: http://www.biodiesel.gov.br/docs/Cartilha_Sebrae.pdf
(acessado em: novembro/2013).
PROPRIEDADES MAIS
IMPORTANTES
DOS COMBUSTÍVEIS
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COMBUSTÍVEIS LÍQUIDOS
 Ponto de fulgor (PF) – temperatura na qual, sob a ação de uma
chama, ocorre uma ignição que não se sustenta (lampejo). Sua determinação é feita no aparelho do próximo slide. É um fator impor
tante a ser considerado no armazenamento do combustível;
 Ponto de ignição (PI) – temperatura maior que o PF, na qual a
combustão se sustenta. Obtido no mesmo aparelho do PF;
 Temperatura de autoignição (TA) – temperatura maior que o PI,
na qual a combustão é iniciada e se mantém sem a presença de
uma chama, na pressão atmosférica;
 Ponto de fluidez – temperatura mínima na qual o combustível, so-
lidificado por resfriamento, se torna um fluido;
 Viscosidade – medida do atrito fluido. Permite definir as tempera-
turas de armazenamento, de bombeamento e de preparação do
combustível para a combustão, respectivamente.
Medidor de PF/PI/TA: 1 – vaso de Cleveland para a amostra; 2 – termômetro; 3 – bico oscilatório da chama
piloto; 4 – placa aquecedora do vaso e suporte do bico da chama piloto; 5 – base do conjunto; 6 – pinça
do termômetro; 7 – bico de Bunsen da chama aquecedora da cuba; 8 – depósito de gás para os bicos.
COMBUSTÍVEIS GASOSOS

Densidade (𝒅[0 C⁄1 atm] ) – razão, a 0 C e 1 atm, entre a massa específica do gás (𝝆𝒈[0 C⁄1 atm] ) e a massa específica do ar seco (𝝆𝒂𝒓[0 C⁄1 atm] );

Número de Wobbe (𝑾) – razão entre o poder calorífico superior do
gás e a raiz quadrada da sua densidade, ambos a 0 C e 1 atm:
𝑊=
𝑃𝐶𝑆
𝑑
= 𝑃𝐶𝑆
[0 C⁄1 atm]
𝜌
𝜌
J⁄kg
[0 C⁄1 atm]
Gases que tenham o mesmo valor 𝑾 podem ser trocados em um queimador (retrofiting), porque escoam a mesma quantidade de energia;
𝑾 permite classificar as famílias gasosas como seguem:
o
Gases derivados de carvão ou de petróleo: 19 J/kg  W < 39 J/kg;
o
GN ou gases fabricados de mesma composição: 19 J/kg  W < 59 J/kg;
o
GLP: 75 J/kg < W < 92 J/kg.


Limites de inflamabilidade (superior e inferior) – valores máximo
e mínimo da razão AC para que o gás queime. Estes limites garan
tem a segurança do armazenamento do gás. Os líquidos também
os tem, mas neles importam menos quanto à segurança, porque a
queima de um líquido também depende do seu ponto de fulgor;
Velocidade de chama (Vc) – significa a velocidade com que a chama se desloca inflamando a mistura ar-combustível.
o
o
Vc depende da vazão e da velocidade do ar fornecido, do PCS
do combustível e do tamanho das gotículas de combustível (o
próximo slide apresenta alguns valores de Vc);
Vc deve ser menor ou igual que a velocidade de entrada da mistura ar-combustível na chama, para evitar o seu retrocesso a jusante do queimador, o que pode resultar na explosão do depósi
to do combustível gasoso (líquido também).
A figura abaixo fornece valores de Vc de alguns gases combustíveis, relativamente à quantidade percentual de ar primário que entra no queimador
premixado ao combustível (onde o combustível recebe ar secundário complementar, até um total de 100% de ar para uma queima estequiométrica).
Fonte: http://www.gasnet.com.br/gasnatural/combust_completo.asp#introd (acessado em: outubro/2014).
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