OS BENEFICIOS DA UTILIZAÇÃO DO ETANOL BRASILEIRO EM MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNAS E POSSÍVEIS DANOS A LONGO PRAZO

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<p>FACULDADE DE ENSINO ANHANGUERA</p><p>CURSO DE GRADUAÇÃO ENGENHARIA MECÂNICA</p><p>MATHEUS DA SILVA OLIVEIRA</p><p>OS BENEFICIOS DA UTILIZAÇÃO DO ETANOL BRASILEIRO EM MOTORES DE</p><p>COMBUSTÃO INTERNAS E POSSÍVEIS DANOS A LONGO PRAZO</p><p>JUIZ DE FORA</p><p>2024</p><p>MATHEUS DA SILVA OLIVEIRA</p><p>OS BENEFICIOS DA UTILIZAÇÃO DO ETANOL BRASILEIRO EM MOTORES DE</p><p>COMBUSTÃO INTERNAS E POSSÍVEIS DANOS A LONGO PRAZO</p><p>JUIZ DE FORA</p><p>2024</p><p>Trabalho apresentado a Faculdade de ensino</p><p>Anhanguera – Campus Mariano Procópio, como re-</p><p>quisito para obtenção do título de Bacharel em En-</p><p>genharia Mecânica.</p><p>Orientador: Profa. Camille Chaves Vicente</p><p>Orientador: Prof.______________________</p><p>Co-orientador: Prof.____________________</p><p>FACULDADE DE ENSINO ANHANGUERA</p><p>CURSO DE GRADUAÇÃO ENGENHARIA MECÂNICA</p><p>FOLHA DE APROVAÇÃO</p><p>MATHEUS DA SILVA OLIVEIRA</p><p>OS BENEFICIOS DA UTILIZAÇÃO DO ETANOL BRASILEIRO EM MOTORES DE</p><p>COMBUSTÃO INTERNAS E POSSÍVEIS DANOS A LONGO PRAZO</p><p>Aprovado em: XX de XXXXX de 201X.</p><p>JUIZ DE FORA</p><p>2024</p><p>Trabalho de conclusão de curso apresentado</p><p>como requisito parcial para obtenção do título de</p><p>Bacharel em Engenharia Mecânica, pela</p><p>Faculdade de Ensino Anhanguera.</p><p>"É ótimo celebrar o sucesso, mas mais importante ainda é assimilar as lições trazi-</p><p>das pelos erros que cometemos". - Bill Gates</p><p>SUMÁRIO</p><p>1 INTRODUÇÃO 07</p><p>2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 08</p><p>2.1 PANORAMA DO BIOETANOL NO BRASIL 08</p><p>3 DINÂMICA DE FUNCIONAMENTO DOS MOTORES A</p><p>COMBUSTÃO INTERNA 11</p><p>3.1 FUNCIONAMENTO 11</p><p>3.2 RAZÃO DE COMPRESSÃO E OCTANAGEM 13</p><p>3.3 COMBUSTÃO ESTEQUIOMETRICA 14</p><p>3.4 COMBUSTÃO ESTEQUIOMETRICA DA GASOLINA BRASILEIRA 14</p><p>3.5 COMBUSTÃO ESTEQUIOMETRICA DO ETANOL HIDRATADO 16</p><p>4 CRONOGRAMA DE DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO 17</p><p>5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 18</p><p>7</p><p>1 INTRODUÇÃO</p><p>Na última década, o mundo presenciou mudanças tecnológicas acentuadas no</p><p>ambiente automotivo, partimos de modelos “muscle cars” com poucas tecnologias</p><p>embarcadas, e motores a combustão interna com grande capacidade volumétrica, a</p><p>carros com extrema interação computacional, e pequenos motores elétricos. Essas</p><p>mudanças bruscas, se devem à diversos fatores, como por exemplo: regras de</p><p>emissões de poluentes mais rígidas, menor oferta de combustíveis fósseis e maior</p><p>rigorosidade por parte dos consumidores, em relação a desempenho dos carros.</p><p>Sendo assim, a indústria foi forçada a desenvolver soluções eficazes para essas</p><p>demandas.</p><p>A tendência atual no mundo automotivo, é dedicar seus esforços em</p><p>desenvolver inovações que minimizem os impactos ambientais e forneçam maiores</p><p>desempenhos aos carros. Portanto, é comum as montadoras utilizarem sistemas de</p><p>propulsão híbridos ou 100% elétricos, atualmente.</p><p>Entretanto, mesmo adotando essas medidas, o mundo passa por desafios</p><p>energéticos que de certo modo, inviabilizam o avanço dos eletrificados. Problemas</p><p>como falta de matrizes energéticas limpas, e infraestrutura precária para suportar</p><p>picos de energia, provocados por esse aumento dos eletrificados, se tornam fortes</p><p>argumentos para questionamos a eficácia dessa eletrificação.</p><p>Em 2022, países como Itália, Áustria, Alemanha e Países baixos declararam o</p><p>retorno das termoelétricas movidas a carvão mineral, para geração de energia, por</p><p>isso, em uma ótica ambiental, é inviável incentivar o uso de carros elétricos, visto que</p><p>para a sustentação dessa frota, seja necessária, a queima de combustíveis fósseis.</p><p>Desde 1925, há registros de utilização do etanol em motores ciclo Otto, no</p><p>Brasil, esse combustível além de ter um excelente desempenho energético é</p><p>considerado uma fonte de energia renovável e ecologicamente correta. Com isso,</p><p>diante de todos desafios impostos e essa necessidade de mudança, o etanol se</p><p>mostra uma fonte de energia melhor apropriada, para o atual cenário mundial. Dentre</p><p>os autores pesquisados, foram selecionados os seguintes a serem estudados:</p><p>(ANFAVEA, 2005), (Pietro Erber e Marcos José Marques 2019), (INEE, 2015).</p><p>8</p><p>2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA</p><p>2.1 PANORAMA DO BIOETANOL NO BRASIL</p><p>Com base no histórico avanço da indústria automotiva no século XX e XXI, esse</p><p>trabalho tem como finalidade analisar e sugerir a utilização de biocombustível</p><p>renovável visto o crescente esforço mundial em reduzir os níveis de poluição, e</p><p>apresentar possíveis danos proveniente da utilização desses combustíveis a longo</p><p>prazo.</p><p>No Brasil, em virtude a acentuada frota de veículos, há projeções da ANP –</p><p>Agência Nacional do Petróleo que indicam uma possível falta de oferta de</p><p>combustíveis para automóveis com sistema Ciclo OTTO. Essa estimativa chega a</p><p>números aproximados de 200 a 600 mil barris/dia de gasolina, equipotente a 2024,</p><p>sendo um grande fator a estimular a produção de etanol hidratado na próxima década</p><p>(INEE, 2015).</p><p>Além de ser uma excelente opção para substituir por completo a utilização de</p><p>combustíveis fosseis, o etanol anidro apresenta uma característica</p><p>antidetonante/oxidante, quando adicionando na gasolina, ele atua como um inibidor</p><p>de detonação nos motores a combustão. Com isso, além de preservar os</p><p>componentes internos do motor, polui menos, comparado ao enxofre, sendo o</p><p>elemento que desempenha a mesma função antidetonante. Em virtude dessas</p><p>características, o etanol vem sendo produzido em mais de 60 países a partir de</p><p>vegetais como milho, beterraba, trigo e também a já conhecida, cana de açúcar (INEE,</p><p>2015).</p><p>A indústria automobilística tem investido em modelagens com o objetivo de</p><p>aprimorar o uso do etanol como combustível automotivo, conhecendo as propriedades</p><p>químicas dessa substância, é comprovada que sua composição é homogenia e há</p><p>9</p><p>elevado calor especifico latente de evaporação, se utilizado em motores com prepa-</p><p>ração adequada. Com esse nível de preparação, é possível obter desempenho melhor</p><p>do que o observado em carros atuais (INEE, 2015).</p><p>Como estratégia de melhorar a eficiência energética do etanol hidratado, a in-</p><p>dústria considera duas possibilidades: Desenvolver veículos puramente a etanol ou</p><p>aperfeiçoar o já existente, motor flex, aprimorando a construção de componentes da</p><p>injeção eletrônica e combustão (INEE, 2015).</p><p>O gráfico abaixo (gráfico 6.1) representa a frota nacional estimada de veículos</p><p>leves, flex, em 2025 (ANFAVEA, 2005).</p><p>Os fatores determinantes para esse salto estimado, são além dos supracitados:</p><p>I. O litro do álcool hidratado ser correspondente a 0,7 de gasolina comum, efeti-</p><p>vando o atual rendimento dos veículos flex.</p><p>II. Na solução de Gasolina, existe 0,25 litros de álcool anidro.</p><p>III. 80% dos carros flex, optam pela utilização do álcool hidratado.</p><p>Ao considerar a substituição do bioetanol face a gasolina, a taxa de redução de emis-</p><p>sões liquidas de CO2, são reduzidas drasticamente. O valor exato dessa redução</p><p>10</p><p>ainda é discutido, fato é, que o cultivo de grandes áreas de cana-de-açúcar, contri-</p><p>buem também para o sequestro do carbono (característica da planta em retirar CO2</p><p>da atmosfera para seu crescimento).</p><p>11</p><p>3 DINÂMICA DE FUNCIONAMENTO DOS MOTORES DE COMBUSTÃO</p><p>INTERNA</p><p>3.1 FUNCIONAMENTO</p><p>Segundo Pulkrabek (1997) motores de combustão interna são maquinas térmi-</p><p>cas, projetadas a transformar energia térmica</p><p>em mecânica, através da queima da</p><p>mistura ar-combustível.</p><p>Conforme afirmado pelo escritor e pesquisador Heywood (1988), o primeiro mo-</p><p>tor de combustão interna foi idealizado e projetado em meados de 1800 pelo enge-</p><p>nheiro belga Jean Joseph Étiènne Lenoir. A máquina utilizava a dinâmica de combus-</p><p>tão de mistura ar/combustível como fonte de energia para transformação em movi-</p><p>mento, porém, adequando essa mistura à combinação de ar-gás de carvão. Sendo</p><p>queimada a pressão atmosférica (1 ATM), em oposição ao atual motor ciclo OTTO -</p><p>quatro tempos – esse primitivo motor a combustão não possuía a etapa compressão</p><p>antes da combustão, mesmo assim, havia ignição por centelha.</p><p>Posteriormente, essas maquinas de combustão interna foram evoluídas, e che-</p><p>garam em um estágio padrão de quatro tempos, ou ciclo OTTO, sendo composto, por</p><p>períodos de admissão, compressão, combustão e escape.</p><p>12</p><p>Figura 3: As quatro etapas de funcionamento de um motor ciclo OTTO (Blair,1999)</p><p>No Intake stroke, há a entrada de ar por parte do sistema de admissão do motor,</p><p>envolvendo componentes como o próprio intake, filtro de ar, turbo compressor ou blo-</p><p>wer supercharger, intercoolers – em carros sobrealimentados, e coletor de admissão</p><p>(STONE, 2004).</p><p>A etapa de compressão tem como objetivo comprimir a mistura ar-combustível a uma</p><p>razão de compressão variada, utilizando como fator de limitação a resistência contra</p><p>detonação de cada combustível, essa compressão é executada com o movimento do</p><p>pistão até o PMS (ponto morto superior) (STONE, 2004).</p><p>A combustão é o resultado da centelha em meio a mistura de ar-combustível já com-</p><p>primida, a frente de chama proveniente dessa detonação movimenta o pistão em di-</p><p>reção contrária, resultando em energia cinética (STONE, 2004).</p><p>Para a eliminação dos gases resultante dessa detonação, entra a etapa de escape,</p><p>onde as válvulas de escape se abrem com o objetivo de liberar o fluxo de gases atra-</p><p>vés do coletor de escape (STONE, 2004).</p><p>13</p><p>Figura 4 - Fenômeno do backflow (Bell, 1997)</p><p>3.2 RAZÃO DE COMPRESSÃO E OCTANAGEM</p><p>A razão de compressão (rc) é definida como a razão entre o volume total dentro</p><p>do cilindro (Vt) e o volume mínimo. O volume total (Vt) é calculado somando o volume</p><p>deslocado (Vd) ao volume da câmara de combustão (Vc).</p><p>De acordo com Pulkrabek (1997), motores de ignição por centelha modernos</p><p>têm razões de compressão que variam de 8 a 11, enquanto motores de ignição por</p><p>compressão trabalham com razões de compressão entre 12 e 24. Motores equipados</p><p>com superchargers ou turbochargers normalmente apresentam razões de compres-</p><p>são menores em comparação com motores aspirados naturalmente, devido às pres-</p><p>sões mais altas alcançadas dentro da câmara de combustão, que são limitadas pela</p><p>tecnologia dos materiais e dos combustíveis (Bell, 1981).</p><p>14</p><p>3.3 COMBUSTÃO ESTEQUIOMETRICA</p><p>As composições dos produtos da combustão podem ser consideradas com as</p><p>seguintes características, segundo Pedrozo (2010 p. 30)</p><p>“Compressão é isentrópica, que a mistura é homogênea, que não há trocas de calor</p><p>com o ambiente externo (processo adiabático), que a combustão ocorre a volume</p><p>constante (motores ciclo Otto, ou SI), e que os produtos da combustão estão em equi-</p><p>líbrio químico (Ramos, 1989). ”</p><p>Desta forma, caso haja oxigênio suficiente na mistura, o combustível poderá</p><p>ser completamente consumido (Heywood, 1988). Conforme o mesmo autor, o carbono</p><p>da mistura se transformará em gás carbônico (CO2), e o hidrogênio (H) resultará em</p><p>água, (H2O).</p><p>3.4 COMBUSTÃO ESTEQUIOMETRICA DA GASOLINA BRASILEIRA</p><p>Conforme os dados do INEE, 2015 a gasolina, (C8H18) comercializada no Brasil, é a</p><p>mistura de 75% de gasolina e 25% de etanol anidro (C2H5OH).</p><p>Figura 5 – Constituição da gasolina brasileira</p><p>A equação do primeiro constituinte da gasolina brasileira é a seguinte:</p><p>15</p><p>Por isso, 1 kmol de gasolina “pura” consome 25/2(1+3,773) = 59,66 kmol de ar</p><p>para oxidar por completo. O segundo constituinte da gasolina brasileira, apresenta a</p><p>seguinte equação:</p><p>Assim, 1 kmol de etanol anidro adicionado a gasolina brasileira consome</p><p>3(1+3,773) = 14,32 kmol de ar para queimar completamente a substancia.</p><p>A tabela a seguir apresenta de forma organizada os valores supracitados.</p><p>Figura 6 - Quantidade de ar (kmol) total necessária para combustão completa da ga-</p><p>solina brasileira (mistura).</p><p>Fechando a equação geral de queima da gasolina brasileira, considerando que</p><p>a massa molar do ar tem valor de 29 kg/kmol, a razão estequiométrica final de ar-</p><p>combustível dessa mistura é:</p><p>16</p><p>3.5 COMBUSTÃO ESTEQUIOMETRICA DO ETANOL HIDRATADO</p><p>Com dados da ANFAVEA, 2005 o etanol comercializado no Brasil pode conter</p><p>um percentual de até 7,4% de água (H2O) e 92,6% de etanol anidro (C2H5OH) em sua</p><p>misturam, justificando assim, seu nome.</p><p>Figura 7: Constituição do etanol hidratado brasileiro</p><p>Atribuindo-se os produtos da combustão como sendo apenas CO2 e H2O, a</p><p>equação para esse combustível pode ser apresentada, em termos molares (kmol), a</p><p>seguir:</p><p>Por isso, 1 kmol, ou 108 kg, de etanol hidratado (C2H5OH + 0,08H2O), consome</p><p>5,92/2(1+3,773) = 14,22 kmol de ar para oxidar totalmente. Esse consumo de ar-com-</p><p>bustível pode ser melhor analisado na figura 8.</p><p>Figura 8 - Quantidade de ar (kmol) total necessária para oxidação total do etanol hi-</p><p>dratado</p><p>17</p><p>Sendo assim, considerando que a massa molar do ar é aproximada do valor de</p><p>29 kg/kmol, expõe a relação estequiométrica final de ar-combustível do etanol hidra-</p><p>tado, como:</p><p>4 CRONOGRAMA DE DESENVOLVIMENTO DO TRABALHO</p><p>TCC I: Será apresentado título, nome do aluno e orientador, introdução, funda-</p><p>mentação teórica, sendo (panorama do bioetanol no Brasil, dinâmica de funci-</p><p>onamento dos motores de combustão interna, funcionamento dos motores a</p><p>combustão interna, razão de compressão e octanagem, combustão estequio-</p><p>métrica da gasolina e etanol hidratado) e suas respectivas referências biblio-</p><p>gráficas.</p><p>TCC II: Como complementação e finalização do trabalho de conclusão de</p><p>curso, a segunda etapa irá conter além dos tópicos supracitados (resumo, pro-</p><p>cedimentos metodológicos para obtenção dos dados, analise dos resultados e</p><p>considerações finais).</p><p>18</p><p>REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS</p><p>BELL, A. G. Modern engine tuning. 2nd ed. Sparkford: Haynes Publishing Group,</p><p>1997. 271 p.</p><p>BLAIR, G. P. Design and Simulation of four-stroke engines. Warrendale: Society of</p><p>Automotive Engineers, 1999. 815 p</p><p>CALVITI, C. M. A. Estudo do processo de desenvolvimento de motores de combus-</p><p>tão interna. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Escola Politécnica</p><p>da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2008.</p><p>ENERGÉTICA, Eficiência et al. Eficiência Energética: Uma busca permanente.</p><p>In: Workshop sobre Incentivos Financeiros para que as Concessionárias de</p><p>Eletricidade Invistam em Eficiência nos Usos Finais de Energia” no Instituto de</p><p>Eletrotécnica e Energia da Universidade de São Paulo em. 2007. p. 07.</p><p>HEYWOOD, J. B. Internal combustion engine fundamentals. New York: McGrawHill,</p><p>1988. 930 p.</p><p>PULKRABEK, W. W. Engineering fundamental of the internal combustion engine.</p><p>New Jersey: Prentice Hall, 2003. 411 p</p><p>STONE, R.; BALL, J. K. Automotive Engineering Fundamentals. Warrendale: Society</p><p>of Automotive Engineers, 2004. 594 p.</p><p>19</p>