Características dos produtos da combustão

Para Hebbar e Baht, 2012, a temperatura dos gases na exaustão pode ser utilizada como um indicativo da temperatura da combustão e o aumento das emissões de HC está associado ao efeito de extinção da chama que ocorre em função do elevado calor latente de vaporização e do baixo índice de cetano do etanol. Para a emissão de fumaça, os autores citam que sua origem está na condensação de hidrocarbonetos e na presença de fuligem, que pode ser formada pela combustão incompleta, pequena parcela de lubrificante, ou ainda dificuldade de atomização do óleo diesel ou distribuição não homogênea do diesel na câmara de

combustão. Também explicam que a medida que o combustível em frente a chama (chamada de “pluma”) vai em direção a esta, as reações causam ruptura dos hidrocarbonetos mesmo antes de passar por ela, formando massas de particulados e, se a mistura tiver excesso de O2, grandes quantidades de partículas podem ser formadas. Tipicamente, em temperaturas acima de 500 °C, as partículas são compostas apenas por aglomerados de carbono, enquanto em temperaturas abaixo desta os hidrocarbonetos de elevado peso molecular condensam sobre estes aglomerados. À medida que estas partículas avançam para regiões mais densas em oxigênio os aglomerados tendem a oxidar, sendo por esta razão que as concentrações são reduzidas em regiões mais pobres. A presença de etanol favorece o processo de oxidação. Em relação as emissões de NOx, os autores citam que a sua formação está relacionada à fixação do nitrogênio atmosférico e sua oxidação na presença de elevadas temperaturas de combustão, sendo que seu controle pode ser alcançado reduzindo os picos de temperatura da chama, o que também é citado por Jamrozik et al., 2018.

Jamrozik et al., 2018, citam ainda que o etanol aumenta o atraso da ignição e, consequentemente, também a quantidade de combustível que pode ser queimado no modo de pré-mistura, elevando a temperatura da combustão. Este fato associado a maior presença de oxigênio, oriundo do etanol, pode incrementar as emissões de NOx. Os autores também citam que o aumento do atraso da ignição causado pelo uso da fumigação de etanol possibilita maior tempo para homogeneização da mistura ar/combustível.

Jamuwa et al., 2016, argumentam que o aumento da temperatura dos produtos da combustão em elevadas cargas ocorre em função do aumento da taxa de liberação de calor que predomina em locais do cilindro em que antes, com baixa carga, a chama se extinguia. Para a redução da temperatura dos produtos, relatada para baixas e médias cargas, os autores atribuem, assim, a extinção da chama em função do elevado calor latente de vaporização do etanol. Em relação a formação de NOx, os autores citam que a formação está atrelada a temperatura da combustão e a concentração de oxigênio presente no processo de combustão, e que diferentes mecanismos de formação podem estar envolvidos quando a fumigação é utilizada. Em elevadas cargas há redução da relação ar combustível e, usando a fumigação, o diesel é queimado em uma atmosfera que contém ar e etanol, o que afeta negativamente a disponibilidade de oxigênio para a formação de NOx, resultando, em última análise, na redução das emissões de NOx. Como argumento para o aumento das emissões de HC os autores explicam que o elevado calor latente de vaporização do etanol diminui sua vaporização, bem como a mistura entre ar e combustível, levando a combustão deteriorada e a redução da temperatura dos produtos. Telli, 2018, cita que o calor latente do etanol é de 0,92

MJ/kg enquanto para o óleo diesel cita valores entre 0,23 e 0,60 MJ/kg. Para o aumento das emissões de CO, os autores argumentam que resulta da deficiência de oxigênio ou da temperatura mais baixa dentro do cilindro durante o processo de combustão, inadequada para sustentar a combustão. Também relaciona o aumento de CO em função do aumento da parcela de fumigação com a extinção da chama devido ao elevado calor latente de vaporização e consequente resfriamento da carga, levando a combustão incompleta e a redução da relação ar combustível em elevadas cargas, ou seja, redução da disponibilidade de oxigênio.

A opacidade, ainda segundo Jamuwa et al., 2016, é um indicador indireto do teor de fuligem dos produtos da combustão. Citam ainda que o aumento do atraso da ignição, eleva a quantidade de óleo diesel queimado na fase de pré-mistura, reduzindo a quantidade queimada na fase difusiva. Quando o fluxo de etanol é aumentado, não somente a quantidade de diesel é reduzida, mas também a de aromáticos, de modo a reduzir a fumaça. Lopez et al., 2015, relatam que a fumigação com etanol provoca redução das emissões de material particulado em relação à operação convencional do óleo diesel, provavelmente pelo oxigênio presente no etanol e pela redução do teor de enxofre no total de combustível usado.

Segundo Geo et al., 2017, o aumento na participação de energia oriunda do etanol, reduz a temperatura de exaustão devido ao calor específico mais alto do etanol, melhorando assim a fase de combustão por difusão e reduzindo a queima tardia do óleo diesel. Assim, há economia na perda de energia dos gases de escapamento e no consumo de combustível, resultando em maior eficiência térmica.

As emissões de NOx diminuem devido à redução da taxa de queima pré-misturada, que tende a diminuir a liberação de calor. Com o aumento na participação de energia de etanol, o NOx aumenta para todas as cargas. A formação de NOx em um motor bicombustível de etanol biodiesel depende de vários mecanismos. Em primeiro lugar, o menor valor de aquecimento líquido e o maior efeito de resfriamento da injeção de etanol conduzido pela evaporação reduz a temperatura da chama e a velocidade de queima, suprimindo assim a formação de NOx. Em segundo lugar, o aumento do conteúdo de oxigênio (etanol e biodiesel) da carga pode contribuir para a maior formação de NOx. Em terceiro lugar, a injeção de etanol leva a um aumento no tempo de ignição, o que pode aumentar a queima de combustível no modo pré- misturado. Os gases queimados durante a combustão pré-misturada são comprimidos a uma temperatura mais alta, com o aumento adicional na pressão e temperatura do cilindro, levando a um aumento adicional no nível de NOx. Durante a expansão, a mistura de gás de alta temperatura com ar ou gás queimado resfriado leva ao congelamento da química de NOx com

pouca decomposição durante os estágios posteriores [Geo et al., 2017], aumentando assim as emissões.

3.2 Fumigação de etanol hidratado com elevada parcela de água em motores de