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Papo de Garagem Técnica

27% de etanol na gasolina: quais os efeitos para os nossos motores?

Na semana passada, o ministro de Minas e Energia, Eduardo Braga, confirmou que o aumento da proporção de etanol na gasolina tipo C – de 25% para 27% – começa a valer para o dia 16 de março, exatamente daqui a uma semana. Este acordo foi firmado no dia 2 de fevereiro deste ano, durante uma reunião na Casa Civil entre representantes da União das Indústrias de Cana-de-açúcar (Unica) e a Associação Nacional de Fabricantes de veículos Automotores (Anfavea).

De acordo com declaração do presidente da Anfavea, Luiz Moan, “os testes de durabilidade ainda estão sendo realizados pela Anfavea e por isso nós insistimos bastante que a gasolina premium não sofresse nenhuma alteração na sua formulação, em nome da defesa do consumidor, para que ele também possa ter alguma alternativa de abastecimento no caso dos veículos exclusivamente movidos a gasolina. Essa gasolina (com maior percentual de etanol) é segura, sem dúvida nenhuma, mas ela é uma gasolina que deve ser usada nos veículos chamados flex, e nós colocamos uma precaução enquanto os nossos testes de durabilidade não forem concluídos”. Esta afirmação por um lado tranquiliza os donos de carros mais antigos ou que não foram tropicalizados: existe a opção premium. Por outro, dá a impressão de que a decisão foi tomada sem estudos conclusivos a respeito dos carros que não são flex – um problema ainda maior se considerarmos a alta que os combustíveis sofreram recentemente. Afinal, nem todos terão a condição financeira de usar a gasolina premium permanentemente.

Mas afinal, qual o impacto que essa mudança pode causar no seu motor? Aqui vamos buscar explorar essa questão – mas antes, precisamos clarificar alguns conceitos.

 

Octanagem e pré-detonação: temperamento explosivo

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Sabe aquela namorada esquentadinha, que ao menor sinal de aborrecimento explode? Pois é, ela devia se chamar Gasolina… Ela, a namorada gasolina, é formada por diversos hidrocarbonetos com diferentes cadeias, e assim que sai da coluna de destilação tem uma resistência à detonação próxima das 65 octanas. Com os atuais processos envolvidos na pós-destilação esse número pode subir para até 87 Octanas. Vejam o vídeo abaixo para entender melhor como funciona uma coluna de destilação.

 

O número de octanas é um método desenvolvido pelo químico Russell Earl Marker em 1926 e introduzido em uma escala padrão por Graham Edgar em 1927, para avaliar a resistência à detonação de um determinado combustível. Dois hidrocarbonetos são tomados como referência de valores, o hetano tem valor 0 e o iso-octano tem valor 100. A combinação de variadas proporções entre estes dois hidrocarbonetos são usadas como referência comparativa ao combustível que está sendo estudado. Por exemplo, a gasolina com 87 octanas tem tendência a detonação equivalente a uma mistura de 87% de iso-octano e 13% de heptano. No caso do etanol, que possui índice de 108 Octanas, um aditivo é combinado ao iso-octano para que este alcance a mesma resistência do Etanol. Quanto maior a porcentagem de aditivo combinado ao iso-octano para a equivalência, maior será o índice de resistência do combustível.

A medição da resistência é feita utilizando um Motor de Determinação de Número de Octanagem. Num ambiente controlado (a temperatura e umidade são estáveis e determinadas) a mistura estequiométrica é admitida pelo motor, que trabalha com rotação constante. A razão de compressão do cilindro vai sendo elevada até que a pré-detonação ocorra. As mesmas condições usadas para o combustível são aplicadas às misturas de iso-octano/heptano para que seja determinado o índice de resistência.

Existem dois padrões de teste definidos pela Associação Americana para Testes e Materiais ASTM: o Método de Pesquisa (RON) ASTM D 2699 e o Método Motor (MON) ASTM D 2700. Os métodos se diferenciam pela temperatura de admissão da mistura (60°F a 120°F RON e 300°F MON) e rotação de trabalho (600 rpm RON e 900 rpm MON). Essa diferença entre as condições de teste cria também uma diferença entre os resultados de cada um, sendo os valores obtidos pelo RON sempre mais altos que os resultados do MON. A média entre os dois testes é chamada de Índice Anti Detonação (IAD), o IAD é o valor utilizado no Brasil para a classificação do combustível.

Por conta da baixa octanagem da gasolina pura (tipo A), o motor que irá trabalhar com esta deve ter uma taxa de compressão reduzida, aproximadamente de 7,5:1, assim reduzindo o risco de pré-detonação. E sobre o assunto “taxa de compressão” não se preocupem: trataremos dela com toda a atenção em um outro post exclusivo sobre a cinética da combustão.

O vídeo acima mostra um cilindro com baixa razão de compressão, porém já pode ser observado o aquecimento excessivo da mistura, e aos 17 segundos…

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Observe a porção superior da imagem. Enquanto a frente de chama se desloca chegando à válvula, na outra extremidade da câmara podemos ver uma onda de choque indo de encontro à frente de chama. A pré- detonação é um fenômeno no qual a mistura ar-combustível atinge pressão e consequente temperatura tão elevadas, que por si só ela inicia o processo de combustão – sem que a frente de chama tenha entrado em contato com aquela porção da mistura, e em casos mais críticos, antes mesmo que a centelha seja disparada pela vela de ignição.

 

Poison Ivy: chumbo tetraetila na gasolina

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Uma menor taxa de compressão afasta o risco de pré-detonação, porém o motor gera menos potência, devido a menor eficiência térmica da combustão. Com a popularização dos motores de combustão interna no início do século XX, a procura por maior desempenho para fins comerciais e principalmente militares fez com que uma taxa de compressão mais alta fosse necessária. Então novos métodos de elevação da octanagem do combustível foram buscados.

Para entender como o etanol foi parar na gasolina, temos que falar um pouco da história dos combustíveis. No fim de 1921, o engenheiro mecânico e químico Thomas Midgley, juntamente com seu grupo de trabalho, descobriu que a adição de 0,044% de chumbo tetraetila elevava a resistência à detonação da gasolina para um mínimo de 76 octanas na época da descoberta. Essa mudança afastava completamente o risco de pré-detonação para os motores da época, aumentava a confiabilidade dos motores e ainda trazia ganhos significativos de desempenho.

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Em 1923, durante os treinos e provas da Indianapolis 500, Harry Miller utilizou a Ethyl Gasoline (nome comercial da mistura) com 0,05% de concentração nos seus modelos Miller 122. Eles tinham um motor com 2 litros de deslocamento, duplo comando de válvulas, duas válvulas por cilindro, câmaras hemisféricas, taxa de compressão de 7,5:1 e rendiam 150 hp. O #1 chegou a alcançar os 227,14 km/h.

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Com o passar dos anos a quantidade de ethyl adicionado à gasolina foi aumentando e isso possibilitou que os motores tivessem taxas de compressão cada vez mais altas. A tabela abaixo mostra alguns dos valores ao longo de uma linha do tempo.

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O sucesso da gasolina aditivada com chumbo tretraetila foi tão grande que ofuscou outros aditivos, como era o caso do etanol. Porém a Ethyl Gasoline – que parecia a perfeita solução para os problemas da baixa octanagem – tinha uma contraindicação extremamente perigosa. O envenenamento por chumbo. Por tratar-se de um metal pesado o chumbo não era consumido durante a combustão, então ele contaminava a atmosfera com os gases expelidos. E este era absorvido pelas pessoas através da pele e respiração. Os sintomas do envenenamento só apareceriam quando os níveis de chumbo no sangue fossem bastante altos. Na década de 1960 estudos comprovaram de forma eficaz a contaminação de crianças pelo chumbo. Na década seguinte o Ethyl foi retirado do mercado – a consequência imediata foi a queda da taxa de compressão dos motores lançados na época.

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A maior popularização do etanol

Após a retirada da Ethyl Gasoline do mercado, as alternativas desenvolvidas desde a década de 1920 começaram a ganhar espaço. Na segunda volta da Indianapolis 500 de 1964, um acidente entre sete carros vitimou dois pilotos. Os veículos incendiaram, entretanto o carro de Johnny Rutherford, também envolvido no acidente, aparentemente não incendiou. Fato atribuído ao carro usar o metanol como combustível – nota: as chamas da combustão do metanol são invisíveis a olho nu e não produzem fumaça. A partir desse evento a gasolina foi banida da Indy e todos os carros passaram a usar metanol como combustível (mas sabemos bem que essa atitude não evitou outros incêndios). Essa mudança do regulamento foi mantida por mais de quarenta anos.

De forma quase concomitante à retirada do chumbo tetraetila como aditivo à gasolina, em 1973 A OPEP iniciou o embargo do petróleo. Com a crise energética a produção de etanol e seu uso como combustível alternativo cresceu em todo o mundo.

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No Brasil especificamente, onde a indústria sucroalcooleira sempre teve grande poder porte, em 1975 o General Ernesto Geisel criou o Programa de Nacional do Álcool (Proálcool) para viabilizar o uso de combustíveis alternativos à gasolina. Com o fim do embargo, a queda do preço do barril do petróleo e problemas de abastecimento de etanol no mercado consumidor, o programa entrou em declínio, desaparecendo na década de 1990. Para compensar artificialmente esta queda, os índices de etanol adicionado à gasolina subiram mais (dados do Ministério da Agricultura). Acompanhe os dados históricos: 5% (1931), 10% (1966), 13% a 22% (1985), 13% (1990), 22% (1994), 24% (1997), 26% (1999), 25%(2010), 20%(2011), 25% (2013) e 27% (2015).

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Como mostra a tabela acima e os dados do parágrafo anterior, a quantidade de etanol misturado à gasolina aumentou. Porém a taxa de compressão dos motores não acompanhou de forma fiel esse aumento. O que nos leva a entender que as mudanças da mistura não visavam atender principalmente as características dos veículos…

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Flex: toma lá, dá cá

A partir de 2003 foi introduzida no mercado brasileiro a tecnologia dos veículos bicombustível, com o Gol Total Flex 1.6. Com o caminho aberto pela VW vários outros fabricantes seguiram a trilha – e o que começou como um nicho virou fatia dominante e exigência de mercado, chegando a abocanhar 88,4% do total de vendas de veículos leves do país em Fevereiro deste ano.
Mas como os flex conseguem trabalhar com uma variação tão grande de misturas, sem um sensor analítico de combustível e com uma taxa de compressão tão alta e, claro, fixa? O segredo está no sensor de detonação.

A estratégia de ignição encontrada na maioria das centrais eletrônicas dos carros brasileiros baseia-se na rotação do motor, pressão absoluta do coletor de admissão e posição de borboleta; tendo mapas de correção por lambda, temperatura e principalmente por sinal de pré-detonação. Quando a central recebe um sinal da pré-detonação o ponto de ignição é atrasado em um número de graus, normalmente 3°, até que o sinal cesse. Durante todo o tempo em que o motor estiver naquela condição operacional (carga, temperatura, rotação e mistura) o ponto de ignição atrasado será mantido.

Então no final das contas a central não sabe qual a real proporção de etanol/gasolina está alimentando o motor (exceto em centrais mais sofisticadas, como a do novo BMW 328i Active Flex). Ela sabe que tem que trabalhar com um ponto de ignição “X” para evitar a pré-detonação. Por isso ouvimos alguns carros flex “batendo pino” na saída de quebra molas, sinais de trânsito ou qualquer outra situação de alta carga e baixa rotação. Como é uma solução de adaptação relativamente limitada no sentido de aproveitamento energético da explosão – pois a taxa de compressão não é a ideal para nenhum dos dois combustíveis e o “trabalho sujo” de fazer tudo funcionar fica com a variação do ponto de ignição – , muitos dos motores que eram movidos exclusivamente a gasolina ou a etanol perderam rendimento nesta transição. Especialmente os fabricantes que optaram por taxas de compressão mais conservadoras e mapeamentos mais seguros no ponto. Não é o ideal, mas é o que temos para hoje – e o mercado impôs isso. As vendas do Ford Focus da geração anterior, por exemplo, só começaram a subir quando seus motores passaram a ser bicombustíveis.

 

Toc, toc. Quem é?

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Como já vimos, uma das consequências da adição do etanol é a elevação da octanagem. Alguns estudos desenvolvidos em todo o mundo, inclusive no Brasil, mostram que a cada 1% de volume de etanol adicionado a gasolina eleva o número de octanas em 0,29. Isto significa que, com a atual porcentagem de etanol adicionado à gasolina, e considerando uma gasolina de 87 octanas, temos uma mistura com 95 octanas. Abaixo temos uma tabela das razões de compressão mínima e máxima para um determinado número de octanas, bem como a mistura etanol/gasolina equivalente.

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Vantagens

Uma vantagem da adição do etanol é a elevação do calor de vaporização da mistura, pois o etanol precisa de mais calor para vaporizar (910 kJ/kg) quando comparado à gasolina (390 kJ/kg). Trocando em miúdos, quando o combustível é injetado no coletor de admissão, a massa de ar em contato com o líquido é resfriada pelo calor que o combustível rouba para se vaporizar. Quanto mais etanol houver na gasolina, mais fria a mistura que entra na câmara será. Menor temperatura significa maior densidade, e maior densidade significa mais mistura dentro da câmara. Que nos leva a maior potência.

A menor temperatura de admissão significa também menor temperatura em todos os outros tempos do ciclo. O que é benéfico para o motor, por este trabalhar com uma menor carga térmica e consequente menor desgaste.

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E a lubrificação? O aumento da quantidade de etanol na gasolina, por incrível que pareça e ao contrário do que se pensa, eleva a viscosidade da mistura em 0,006 mm2/s a cada 1% de etanol adicionado. A viscosidade é determinante para a dimensão das gotículas de combustível contidas no coletor de admissão. Com uma viscosidade muito alta as gotículas serão grandes e haverá dificuldade na vaporização. Já a viscosidade baixa demais acarreta problemas de lubrificação ao sistema de combustível, pois não haverá formação de filme lubrificante nas bombas, carburadores e bicos injetores.

Estudos também demonstraram que a adição de etanol reduz a emissão de CO e Nox, ao mesmo tempo em que eleva a emissão de CO2. O que significa que a combustão é mais completa – muita gente usou o truque de adicionar mais etanol à gasolina para aprovar o carro nos testes da Controlar. Além disso, por ser de origem vegetal as emissões totais de CO2 do Etanol é menor, pois considera-se a absorção do dióxido de carbono da atmosfera durante o crescimento da planta que servirá para a produção do etanol.

 

Efeitos colaterais…

Aqui começam os problemas do blend – e provavelmente a parte que mais preocupava vocês. O etanol possui menor poder calorífico (23,62MJ/L) em relação à gasolina (34,84 MJ/L), uma diferença de 32% pra ser mais exato. O que significa que, para alcançar a mesma quantidade de energia liberada na combustão da gasolina, precisaremos injetar mais etanol. Observou-se que a cada 1% de etanol adicionado à gasolina o poder calorífico da mistura cai em 0,1069 MJ/L. Portanto, a nossa atual mistura de combustível tem um saldo negativo de 2,8863 MJ/L. Essa diferença impacta diretamente no consumo de combustível pelo motor, já que a cada pulso de injeção serão necessários mais de 8% de combustível para atingirmos a potência anterior. Em resumo, com a nova proporção de 27% de etanol no gasolina, pode-se esperar sensível aumento no consumo.

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Por ser um composto oxigenado e higroscópico, o etanol é reativo com determinados metais. Essa reação causa a oxidação de metais e borrachas não tratadas para o contato com o etanol, como é o caso da foto acima. A afinidade com a água faz com que o etanol forme um gel e haja a separação de fases entre a gasolina e o etanol quando o combustível fica em repouso por longos períodos. Este gel obstrui venturis, gicleurs, bicos de injeção, filtros e bombas. A gasolina que se separa tem octanagem mais baixa, que nos leva novamente ao risco de pré-detonação. Portanto caso seja necessário deixar o veículo parado por períodos longos (mais de 40 dias), o ideal é que o tanque e as linhas de combustível sejam drenadas. A maior porcentagem de etanol acaba acelerando sensivelmente estes processos e possíveis danos, especialmente em veículos mais antigos.

Por outro lado, como a mistura gasolina/etanol é amplamente usada pelo mundo, os fabricantes de componentes dos sistemas de combustível há alguns anos produzem peças e equipamentos aptos a trabalharem com blends até E30 para motores Otto a gasolina sem os riscos do parágrafo acima. Porém não recomendam que esta barreira seja ultrapassada – por isso, fique ligado com o posto em que você está abastecendo: quanto mais suspeito, maiores as chances de o blend ser, na verdade, algo superior a 27% de etanol (isso considerando apenas estas duas substâncias…). Neste caso, você estará sendo prejudicado no bolso (afinal, o litro de etanol é bem mais barato e tem menor poder calorífico, rendendo menos) e seu veículo ainda pode sofrer com isso em médio prazo. Para veículos antigos, muito mais sensíveis a esta questão, é recomendável a utilização de aditivos anti-oxidantes ou a substituição de peças por partes com tratamentos adequados ao etanol (especialmente o carburador e a bomba – vale também dar uma checada no tanque e nas linhas), pois eles sofrerão um pouco mais com esta nova proporção. Já os donos de veículos flex, por razões óbvias (o projeto foi dimensionado para rodar com 100% de etanol, caso o dono prefira), não possuem razões para se preocupar.

Pudemos observar após o informe da Anfavea que alguns fabricantes de veículos recomendaram o uso somente de gasolina premium em seus veículos – principalmente os que possuem a tecnologia de injeção direta. Esta recomendação veio pela não inclusão da gasolina premium no aumento do percentual de etanol.

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