Combustíveis

1) Definição 

            De modo geral denomina-se combustível qualquer corpo cuja combinação química com outro seja exotérmica. Entretanto, as condições de baixo preço, a existência na natureza ou o processo de fabricação em grande quantidade limitam o número de combustíveis usados.

            Tendo por base o seu estado físico, eles podem classificar-se em sólidos, líquidos e gasosos.

 

2) Classificação  

2.1) Sólidos  

            São formados de C, H₂, O₂, S, H₂O e cinzas, sendo combustíveis somente o C, O₂, H₂ e o S. Entre os combustíveis sólidos, temos os minerais como lenha, serragem, bagaço de cana, etc.

            Os combustíveis sólidos para serem usados devem estar sob forma de pó muito fino, ele é pulverizado com o ar durante a alimentação do cilindro. O grande problema que apresentam os combustíveis sólidos, é a inaceitável erosão provocada nos pistões, válvulas, cilindros, etc. Isto acontece porque os produtos da combustão contêm partes muito duras, que ao depositarem nestes órgãos, causam estes inconvenientes.

   

2.3) Líquido  

            Também podem ser minerais ou não minerais. Os minerais são obtidos pela refinação do petróleo, destilação do xisto betuminoso ou hidrogenação do carvão. Os mais usados são a gasolina, o óleo diesel e o óleo combustível. Estes combustíveis são formados de hidrocarbonetos, sendo o óleo diesel C₈H₁₇ e a gasolina C₈H₁₈. Os combustíveis líquidos não minerais são os álcoois e os óleos vegetais. Entre os álcoois, temos o álcool metílico e o etílico, enquanto que os óleos vegetais são formados de C, H2, O2 e N2.  

 

2.3) Gasoso  

            Além de terem um baixo custo, porque geralmente são gases obtidos como subprodutos, são combustíveis que formam com o ar uma mistura mais homogênea.

            Esta característica, contribui para uma melhor distribuição nos cilindros, aumentando o rendimento do motor. Aumenta também a facilidade da partida a frio do motor.

            Os combustíveis gasosos, segundo o seu processo de fabricação podem ser:

Þ  Gás natural  - é encontrado em locais arenosos que contêm petróleo em várias profundidades do subsolo.

            Os principais gases naturais são:

·      Metano CH₄

·      Etano C₂H₆

·      Dióxido de carbono CO₂

·      Nitrogênio N₂

            Os gases naturais obtidos através da refinaria de petróleo são:

·      Propano

·      Butano

Þ  Gás do gasogênio  - estes gases são obtidos através da combustão do carbono.

            O emprego dos gases do gasogênio na automobilística, foi muito usado no tempo da guerra, devido a inexistência de outros combustíveis. Hoje em dia não é muito utilizado, por apresentarem os seguintes inconvenientes:

·      Alta percentagem de poluição

·      Baixo poder calorífico

·      Para serem produzidos, são necessários equipamentos de grande porte.

Þ  Gás do subproduto  - pode ser obtido pelos seguintes processos:

·      Processo destinado a produzir coque. A parte volátil do carbono é liberada com o aquecimento dos hidrocarbonetos mais pesados, obtendo assim um gás em H₂ e CH₄

·      Processo de produção de aço, onde se tem a formação essencialmente do CO e N₂.

 

3) Combustível Líquido  

            Os combustíveis líquidos empregados nos motores são constituídos de:

·      hidrocarboneto,

·      benzol ou

·      álcoois

 

Hidrocarbonetos

            São agrupados em quatro classes:

·      parafinas

·      olefinas

·      aromáticos

·      naftenos

 

- Família Parafínica

            A séries parafinica dos hidrocarbonetos começa com o CH₄ (metano) e os termos sucessivos têm um átomo a mais de carbono ligados a dois átomos de hidrogênio e recebem os seguintes nomes de acordo com o número de cabono:

1 carbono        - METANO

2 carbonos       - ETANO

3 carbonos       - PROPANO

4 carbonos       - BUTANO

5 carbonos       - PENTANO

6 carbonos       - HEXANO

7 carbonos       - HEPTANO

8 carbonos       - OCTANO

9 carbonos       - NONANO

10 carbonos     - DECANO

 

- Família das Olefinas

            A série das olefinas tem a cadeia aberta como a série parafínica, mas têm uma dupla ligação entre os átomos de carbono. Esta família é caracterizada pela terminação “ENO” e tem a fórmula geral C_nH_2n. As olefinas podem unir-se com facilidade com o hidrogênio, formando a parafina, ou também pode se unir com o oxigênio, que neste caso formará resíduos indesejáveis comumente chamados de borras.

 

- Família dos Aromáticos

            Possuem a fórmula geral C_nH_2n-6 para a série benzênica e C₂H_2(n-6) para a série dos naftalênicos.

 

- Família dos Naftenos

            A fórmula geral é, evidentemente, C_nH_2n. É uma família de compostos saturados com estruturas sólidas.

            Cada átomo de carbono é ligado a outros dois átomos de carbono, formando assim uma estrutura em anel. Cada carbono tem dois outros elementos ligados a este, que podem ser o hidrogênio, outro carbono ou ambos. Os compostos são denominados, adicionando o prefixo “CICLO” ao nome da parafina correspondente.

 

Benzol

            O benzol é obtido da destilação dos catrames de carbono.

            Devido a sua alta octonagem (NO = 120) e alto poder calorífico (10000 kcal/kg), é muito indicado para ser usado nos motores à combustão interna.

            A sua principal desvantagem é o alto ponto de solidificação (5ºC), que limita o seu emprego, principalmente em países frios.

            Este inconveniente pode ser minimizado adicionando ao benzol alguns produtos químicos, como por exemplo, a gasolina.

            Outro inconveniente é a dificuldade de se evaporar, portanto para que haja uma formação homogênea da mistura ar mais combustível, é necessário que esta sofra um preaquecimento.

 

Divisão dos combustíveis líquidos segundo a sua volatilidade

Os combustíveis se dividem em:

·      carburantes,

·      óleo combustíveis

 

- Carburantes

            Possuem elevada volatilidade e são usados nos motores à ignição por centelha.

            Os principais combustíveis que pertencem à classe dos carburantes são:

·      gasolina

·      benzol

·      álcool

 

- Óleos combustíveis

            Se dividem em:

·      óleos combustíveis leves

·      óleos combustíveis pesados

            Os primeiros chamam-se óleo diesel e são empregados em motores de combustão por compressão de médias e altas rotações, enquanto que os segundos são os óleos APF (alto ponto de fluidez) e BPF (baixo ponto de fluidez), utilizados em motores de grande porte e de baixa rotação.

            A diferença que existe entre os óleos combustíveis pesados e leves é sobretudo sua viscosidade, sendo a do óleo menor do que a do pesado.

            Em linhas gerais, a características principal de um óleo combustível é o “retardo de ignição”, e, quando menor for, melhor será o óleo combustível.

            Retardo de ignição é o tempo decorrido entre o início do combustível na câmara de combustão e o início da ignição do óleo de combustível.

 

Álcool

            Podem ser obtidos de produtos agrícolas ou da oxidação parcial do petróleo.

            Eles são compostos orgânicos que podem considerar-se divididos de um hidrocarboneto, saturado ou insaturado, mediante substituição de um ou mais átomos de hidrogênio com uma mais oxidrilas OH, quando os álcoois contém um ou mais oxidrilas, distinguem-se em monovalentes, bivalentes, etc.

 

4) Propriedade dos combustíveis  

- Volatibilidade  

            Pode ser definida como a porcentagem de um combustível a uma data temperatura, quando a pressão atuante for de uma atmosfera.

            Um combustível é tanto mais volátil quanto:

·      menor for a pressão interna

·      maior for a temperatura externa

·      Para um bom funcionamento de um motor, a volabilidade de um combustível não deve ser nem muito elevada e nem muito baixa.

- Se for muito elevada:

1.    haverá perdas no reservatório do carburador pelo tubo de equilíbrio

2.    formarão bolhas de vapor no circuito de alimentação, principalmente durante o verão

3.    formarão gelo no carburador durante o inverno, impedindo o funcionamento do motor

- Se for muito baixa teremos:

1.    dificuldade na partida do motor

2.    alimentação não uniforme nos cilindros

3.    diminuição da aceleração

4.    maior tempo para que o motor atinja a temperatura ideal de funcionamento

5.    diluição do óleo lubrificante, porque os combustíveis menos voláteis não são capazes de serem queimados na combustão

6.    maior formação de carvão nas câmaras de combustão e no céu do pistão

   

- Poder Calorífico  

            Defina-se como a quantidade de energia interna contida no combustível, sendo que quanto mais alto for o poder calorífico, maior será energia contida.

            Um combustível é constituído sobretudo de hidrogênio e carbono, tento o hidrogênio o poder calorífico de 28700Kcal/kg enquanto que o carbono é de 8140Kcal/kg, por isso, quanto mais rico em hidrogênio for o combustível maior será o seu poder calorífico.

            Há dois tipos de poder calorífico:

·      poder calorífico superior

·      poder calorífico inferior

 

Poder Calorífico Superior

            É a quantidade de calor produzido por 1kg de combustível, quando este entra em combustão, em excesso de ar, e os gases da descarga são resfriados de modo que o vapor de água neles seja condensado.

 

Poder Calorífico Inferior

            É a quantidade de calor que pode produzir 1kg de combustível, quando este entra em combustão com excesso de ar e gases de descarga são resfriados até o ponto de ebulição da água, evitando assim que a água contida na combustão seja condensada.

            Como a temperatura dos gases de combustão é muito elevada nos motores endotérmicos, a água contida neles se encontra sempre no estado de vapor, portanto, o que deve ser considerado é o poder calorífico inferior e não o superior.  

Fórmulas para determinar o poder calorifico inferior.

 Para a gasolina:                                                                                 Para o benzol:

PCI = PCS - 780 Kcal/Kg                                                                 PCI = PCS - 415

  Para álcool etílico:                                                                              Para o óleo diesel:

PCI = PCS - 700                                                                               PCI =PCS - 730

 

Para álcool  metílico:

PCI = PCS - 675

PCI = PODER CALORIFICO INFERIOR PCS = PODER CALORIFICO SUPERIOR

 

- Calor Latente:  

            A demora ou rapidez com o qual os corpos se fundem ou liquefazem, tem sua explicação no calor latente, que e a quantidade de calor absorvido pelos corpos na sua mudança de estado, sem que haja aumento aparentemente de temperatura.

            O calor latente necessário à fusão ou liquefação varia com sua natureza. Na passagem do estado líquido ao gasoso, o líquido não muda de temperatura enquanto dura sua transformação, e todo calor empregado é absorvido para produzir mudança de estado.

 

- Peso Específico  

            É a relação entre o peso de uma substância e o de um volume igual de água destilada, a uma temperatura de 4ºC. É o peso de uma substância por unidade de volume, densidade.

            Comercialmente, é usado para diferenciar os diversos tipos de combustíveis e permite calcular ainda o volume, peso e consequentemente, a tonalidade térmica que é expressa em kilocalorias por litro de mistura (cal/L).

            Para o peso específico dos carburantes, os limites máximos geralmente admitidos são 0,705 a 0,770kg/dm³. O peso específico da gasolina oscila entre 0,840 e 0,890kg/dm³.

   

- Viscosidade  

            A viscosidade se explica pela força de coesão das moléculas do fluido. Ao se tentar deslocar uma camada de água sobre outra, por exemplo, é necessário vencer a força de resistência provocada pela atração entre as moléculas das duas camadas. Para os óleos lubrificantes há uma escala arbitrária estabelecida pela Society of Automotive Engineers, os graus SAE, que são expressos por dezenas inteiras, sendo o óleo mais fino ou menos viscoso de grau igual a 10.

   

5) Gasolina  

            É o carburante mais utilizado atualmente nos motores endotérmicos, sendo uma mistura de hidrocarbonetos obtidos do petróleo bruto, por intermédio de vários processos como o “cracking”, destilação e outros. É um líquido volátil e inflamável.

            No Brasil, atualmente encontram-se no comércio vários tipos de gasolina que são:

gasolina do tipo A ( 73 octanas - gasolina amarela )

gasolina do tipo B ( 82 octanas - gasolina azul)

gasolina do tipo C ( 76 octanas - gasolina + álcool )

gasolina verde - cujo NO = 110 - 130

esta última é somente utilizada na aeronáutica. A gasolina empregada nos motores endotérmicos, deve possuir os seguintes requisitos:

volatilidade média

ausência de impurezas

alto poder calorífico

alta resistência à detonação

 

Índice de Octano (autodetonância)  

            O combustível é classificado segundo  seu poder antidetonante, em número de octanagem (NO). Quanto maior for o “NO”, mais antidetonante será o combustível e, por conseguinte maior será a sua capacidade de suporte as altas compressões sem sofrer a detonação.

            O número de octano de um combustível represente o percentual de isoctano (C₈H₁₈) e de heptanio (C₇H₁₆) contidos nele.

 

Aditivos Utilizados  

            Em alguns casos, o NO de um combustível pode ser aumentado, adicionando-se uma pequena quantidade de aditivos de grande poder antidetonante.

            Os aditivos geralmente são:

·      chumbo tretametila Pb (C2H5) e

·      chumbo tretaetila Pb (CH3)4

            Entre os dois aditivos, o mais eficaz é o chumbo tretaetila.

            A adição destes aditivos ao combustível causa os seguintes inconvenientes:

·      Produz formação de depósitos de óxido de chumbo, ocasionando corrosão nas paredes dos cilindros

·      São tóxicos

·      Não podem ser utilizados nos combustíveis empregados para alimentar motores com catalisadores no tubo de descarga.

            A percentagem adicionada destes aditivos no combustível, com a finalidade de aumentar o número de octanas, varia na ordem de 0,08 cm3/litro a 0,9 cm3/litro.

            Na figura abaixo é representado a curva da variação do NO da gasolina em função da adição do chumbo tetraetila.

  NO (motor)

 

6) Óleo Diesel  

Índice de Cetano 

            O número de cetano de um óleo combustível corresponde ao percentual volumétrico de cetano e alfametilnaftaleno contido neste óleo.

            Quando maior for o número de cetano, menor será o retardo de ignição o por conseguinte melhor será sua capacidade de incendiar-se.

            Um óleo diesel comumente empregado em motores térmicos tem o número de cetano compreendido entre 40 e 60.

            Os melhores óleos diesel são encontrados nas frações perto do querosene.

 

Aditivos usados para melhor o “NC”  

            Os aditivos mais usados para melhorar o NC de um combustível são:

·      tionitrito de amila

·      tionitrito de butila

·      tiontrito de etila

·      nitrito de amila

·      peróxido de acetila

·      nitrato de amila

·      nitrato de etila

            Dependendo da constituição do óleo combustível, pode-se elevar até 13 pontos o “NC”.

            No quadro são apresentadas as características de um óleo combustível leve e pesado: