4 EMISSÕES EM MOTORES DIESEL

A relação entre a composição dos reagentes (combustível e ar) de uma mistura e a composição dos produtos dependem, apenas, da conservação de massa de cada elemento químico nos reagentes [59] . Portanto, são necessárias para defini-las a composição elementar relativa do combustível e as proporções relativas de combustível e ar.

Com oxigênio suficiente, o combustível pode ser completamente oxidado. Na combustão, o oxigênio é o componente reativo do ar. Em termos usuais, simplificados, considera-se suficientemente precisa a composição do ar como sendo 21% (0,2095) de oxigênio e 79% de gases inertes feito nitrogênio. Para cada mol de oxigênio no ar existem :

(1 - 0.2095) / 0.2095 = 3.773 (IV.10)

Em um combustível a base de hidrocarbonetos, o carbono é convertido em CO2 e o hidrogênio em H2O. O ar contém nitrogênio, contudo, quando os produtos estão a baixas temperaturas, ele não é afetado significativamente pela reação. As proporções estequiométricas são definidas pela equação [64] :

CaHb + (a + b/4)(O2 + 3.773N2) = a CO2 + (b/2) H2O + 3.773(a + b/4) N2 (IV.11)

onde a e b são a quantidade de cada elemento na composição química do combustível.

Esta é a equação genérica para a combustão completa de um combustível a base de hidrocarbonetos, cuja composição molecular é CaHb, onde estão definidas somente as proporções relativas sobre uma base molar. Dessa forma a composição combustível pode ser escrita na forma simplificada CHα, onde α = b/a .

Considerando que o peso molecular do oxigênio, do nitrogênio atmosférico, do carbono e do hidrogênio são respectivamente 32, 28.16, 12.011 e 1.008, a relação ar/combustível estequiométrica (A/F)s depende somente de α.

(A/F)s = [(1 + α/4)(32 + 3.773 x 28.16)] / (12.011 + 1.008α) (IV.12)

(A/F)s = [34.56 (4 + α)] / (12.011 + 1.008α) (IV.13)

Misturas ar/combustível mais ricas ou mais pobres que a estequiométrica podem ser queimadas. Entretanto, devido à composição dos produtos da combustão ser significativamente diferente para misturas pobres ou ricas e , também porque a razão ar/combustível estequiométrica depende da composição do combustível, a razão entre a razão ar combustível real e a estequiométrica fornece mais informação para definir a composição da mistura. A razão ar/combustível equivalente λ:

λ = (A/F)real / (A/F)s (IV.14)

Logo:

para misturas pobres λ>1 para misturas estequiométricas λ=1 para misturas ricas λ<1

No caso de combustíveis oxigenados, como os óleos vegetais, as proporções estequiométricas se alteram, tornando-se [64]:

onde:

α = relação atômica entre H/C β = relação atômica entre O/C

e = moles estequiométrico de O2 / mol do combustível k = moles de nitrogênio, etc / mol de O2 no ar

A = moles de CO2 em produtos E = moles de H2O em produtos

Infelizmente, a combustão perfeita, sob condições estequiométricas, é raramente obtida nos motores diesel, principalmente na queima de óleos vegetais que têm alta razão carbono/hidrogênio. Além disso, nem todo combustível que entra no motor é totalmente queimado dentro do cilindro. Há sempre uma ineficiência da combustão, até mesmo com excesso de ar. A massa de ar que entra em cada cilindro de um motor multicilíndrico não é exatamente igual, além de não serem completamente uniformes. Desse modo, a composição do gás de descarga deve corresponder a uma distribuição da razão ar/combustível, na mistura não queimada, sobre um valor médio [61].

A medição da composição dos gases de descarga do motor serve para o controle da eficiência da combustão e da poluição, além de determinar as proporções relativas de combustível e ar que entram no motor para que sua razão equivalente operacional seja calculada.

Para uma combustão não estequiométrica as proporções para combustíveis oxigenados são:

CHαOβ + g(O2 + kN2) = A CO2 + B CO + D H2 + E H2O +

F O2 + G N2 + X CHαOβ + Particulado (IV.16)

onde:

α = relação atômica entre H/C β = relação atômica entre O/C

g = moles reais de O2 / mol do combustível k = moles de nitrogênio, etc / mol de O2 no ar A = moles de CO2 em produtos

B = moles de CO em produtos D = moles de H2 em produtos

E = moles de H2O em produtos F = moles de O2 em produtos G = moles de N2 em produtos X = moles de CHαOβ em produtos

A emissão de hidrocarbonetos para óleo diesel tem a forma CHα,. No caso de óleos vegetais, essa emissão tomam a forma de CHαOβ [65].

Como os óleos vegetais são mais viscosos que o óleo diesel, a qualidade do spray do combustível tenderá a diminuir, aumentando o tamanho das gotas e, conseqüentemente, produzindo maiores quantidades de HC.

Hurn [65], em seu trabalho, afirma que as propriedades físicas dos combustíveis como densidade e viscosidade, têm maior influência na emissão de HC e CO do que as propriedades químicas. Nos óleos vegetais, por causa de sua maior viscosidade, o número de Reynolds será menor, provocando gotículas grandes no spray, provocando maior emissão de HC, devido à diminuição da velocidade do jato de combustível.

Desde que o motor diesel sempre trabalha em mistura pobre, as emissões de CO são bem menores do que nos motores de ignição por centelha [66]. Entretanto, devido à heterogeneidade da mistura, bem como deficiências locais de oxigênio, níveis de temperatura ou tempos de residência insuficientes para completar a combustão em forma de CO2, causam emissões de CO. Como a mistura ar/óleo vegetal é mais heterogênea do que o com o diesel devido à dificuldade de atomização citada anteriormente, a emissão de CO deverá ser maior do que com diesel.

A emissão de NOx resultante da combustão de óleos vegetais não deve ser significativamente diferente da combustão de óleo diesel. Pequenos decréscimos de NOx podem ocorrer em carga máxima, devido à diminuição da razão ar/ combustível. A formação de NO é governada pela temperatura máxima de combustão [66].

Aproximadamente todo o NO é formado próximo a 20 graus do PMS no início da combustão. Quando a injeção é atrasada a combustão começa mais tarde junto com a formação de NO [66].

As concentrações de óxido de nitrogênio (NOx) também aumentam com a relação ar/combustível comum. Esta diminuição nos níveis de NO com a relação combustível / ar é menor do que para um motor de ignição por centelha devido à

distribuição não uniforme do combustível na combustão do diesel. Na combustão do diesel, como a relação combustível / ar aumenta diretamente com o aumento do combustível, a emissão de NO é aproximadamente proporcional a essa quantidade de combustível [66] .

No caso da combustão de óleos vegetais onde o consumo específico é maior, para a mesma potência, que o diesel, haverá maior tendência à formação de NO.

Um dos produtos de uma combustão incompleta é o material particulado. Este é composto de um material carbônico (fuligem) gerado durante a combustão, no qual várias espécies orgânicas (SOF) são adsorvidas, constituindo de moléculas condensadas na fuligem, nas fases seguintes da combustão, as quais podem ser precursoras da formação da fuligem durante a fase da combustão. Esse SOF contém hidrocarbonetos, não queimados, derivados oxigenados (cetonas, ésteres, aldeídos éteres, ácidos orgânicos) e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos acompanhados por seus derivados de nitrogênio e oxigênio. Somam-se a eles uns poucos derivados inorgânicos (SO2, NO2 e sulfatos).

A composição dessas partículas depende das condições de trabalho do motor, em particular da temperatura de exaustão.

As partículas de fuligem são primariamente oriundas do carbono contido no combustível e dependem do tipo de combustível, número de carbonos nas moléculas e da razão carbono/hidrogênio (C/H). No caso de combustíveis oxigenados, como os óleos vegetais especialmente “in natura”, a tendência à formação de particulado aumenta, devido à sua molécula apresentar um grande número de carbono.