FUNDAÇÃO EDUCACIONAL DE ITUVERAVA

FACULDADE DE FILOSOFIA CIÊNCIAS E LETRAS

Aluízio Lima Fernandes

Cristiano Gomes Da Silva

Diego Vieira Calzada

Júlio Cesar Araújo

Kaio Cesar Vicente Vieira

Luciano Freire Lopes

Vinicius Manochio Da Silva

Wallan Dias Esbrólia De Assis

DESENVOLVIMENTO DE UMA CÉLULA ELETROQUÍMICA DE

DESPRENDIMENTO DE HIDROGÊNIO (H2) EM MEIO AQUOSO PARA

ALIMENTAR UM MOTOR DO TIPO CICLO OTTO.

ITUVERAVA

2018

ALUÍZIO LIMA FERNANDES

CRISTIANO GOMES DA SILVA

DIEGO VIEIRA CALZADA

JULIO CESAR ARAUJO

KAIO CESAR VICENTE VIEIRA

LUCIANO FREIRE LOPES

VINICIUS MANOCHIO DA SILVA

WALLAN DIAS ESBROLIA DE ASSIS

DESENVOLVIMENTO DE UMA CÉLULA ELETROQUÍMICA DE

DESPRENDIMENTO DE HIDROGÊNIO (H2) EM MEIO AQUOSO PARA

ALIMENTAR UM MOTOR DO TIPO CICLO OTTO.

Trabalho de conclusão de curso apresentado à

Faculdade de Filosofia Ciências e Letras de

Ituverava, para obtenção do título de Bacharel

em Engenharia Mecânica.

Orientadora: Dr. Raul S. Figueiredo

ITUVERAVA

2018

ALUÍZIO LIMA FERNANDES

CRISTIANO GOMES DA SILVA

DIEGO VIEIRA CALZADA

JULIO CESAR ARAUJO

KAIO CESAR VICENTE VIEIRA

LUCIANO FREIRE LOPES

VINICIUS MANOCHIO DA SILVA

WALLAN DIAS ESBROLIA DE ASSIS

DESENVOLVIMENTO DE UMA CÉLULA ELETROQUÍMICA DE

DESPRENDIMENTO DE HIDROGÊNIO (H2) EM MEIO AQUOSO PARA

ALIMENTAR UM MOTOR DO TIPO CICLO OTTO.

Trabalho de conclusão de curso apresentado à

Faculdade de Filosofia Ciências e Letras de

Ituverava, para obtenção do título de bacharel

em Engenharia Mecânica.

Ituverava, _____/_____/_____

ORIENTADOR(a): _________________________________________________

Dr. Raul S. Figueiredo

EXAMINADOR(a):_________________________________________________

Msc. Rodrigo Ricardo

EXAMINADOR(a)_________________________________________________

Msc. Ciro Sergio Abe

AGRADECIMENTOS

Agradecemos primeiramente a Deus, por nos acompanhar a cada minuto nesta nossa

jornada, dando-nos forças para superação de cada limite imposto nas dificuldades enfrentadas.

À Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ituverava, sua Direção e administração

pela oportunidade de realizarmos o curso.

Ao nosso orientador Prof. Pós Doutor Raul S. Figueiredo, pelo suporte, orientação,

apoio e confiança.

Aos nossos pais, por todo o incentivo, dedicação e carinho.

A todos os professores, por nos proporcionarem о conhecimento necessário para esta

nossa nova empreitada e pela dedicação e paciência com cada um de nós.

Em especial ao Sr. Josué, pela sabedoria e auxílio para o desenvolvimento e conclusão

deste projeto idealizado.

E a todos que direta ou indiretamente fizeram parte da nossa formação, nosso sincero

obrigado.

“A tarefa não é tanto ver aquilo que ninguém viu, mas

pensar o que ninguém ainda pensou sobre aquilo que todo

mundo vê.”

(Arthur Schopenhauer)

RESUMO

Este trabalho teve o objetivo de desenvolver e construir uma célula eletroquímica para

desprendimento de hidrogênio em seu estado gasoso para alimentação de um motor a

combustão, ciclo Otto de quatro tempos. Para a geração do gás H2 foi utilizado como

eletrólito um composto de KOH (hidróxido de potássio) para o processo de eletrólise. A

estrutura da célula foi confeccionada em aço carbono 1045, funcionando como um cátodo e

no interior da tampa de vedação, hastes e arruelas em aço inoxidável, funcionando com

ânodo. Com a injeção do gás H2 com a gasolina, foi adotado como parâmetro o tempo de

consumo de uma determinada quantidade de combustível em cinco testes distintos, com

inserção só de gasolina e gasolina e gás H2. Com os resultados, foi permitido avaliar uma

melhor eficiência ao funcionamento do motor com a inserção H2, além de uma melhora na

temperatura dos componentes do motor. Com estes resultados, o gás H2 demonstra a

capacidade de melhorar e diminuir o consumo de combustíveis fósseis tão comumente

utilizados.

Palavras Chave: Hidrogênio. Ciclo Otto. Gás H2. Eletrólito. Cátodo. Ânodo.

SUMMARY

This work had the objective of developing and constructing an electrochemical cell for the

evolution of hydrogen in its gaseous state to feed a combustion engine, Otto cycle of four

times. For the generation of H2 gas, a KOH (potassium hydroxide) compound was used as the

electrolyte for the electrolysis process. The cell structure was made of carbon steel 1045,

functioning as a cathode and inside the sealing cap, stainless steel rods and washers, working

with anode. With the injection of H2 gas with gasoline, the time of consumption of a certain

amount of fuel in 05 different tests was adopted as parameter, with insertion only of gasoline

and gasoline and H2 gas. With the results, it was possible to evaluate a better efficiency in the

operation of the engine with the H2 insert, in addition to an improvement in the temperature

of the engine components. With these results, the H2 gas demonstrates the ability to improve

and reduce the consumption of fossil fuels so commonly used.

Keywords: Hydrogen. Otto Cycle. H2 Gas. Electrolyte. Cathode. Anode.

LISTA DE TABELAS

Tabela 1-Motor antes e depois da retifica. .............................................................................. 28

Tabela 2- Tabela com dados dos testes.................................................................................... 33

Tabela 3- Tabela de Temperaturas .......................................................................................... 33

LISTA DE FIGURAS

Figura 1-Processo de Eletrólise. Fonte: Site Portal São Francisco, 2018 ............................... 17

Figura 2- Vista um alternador por partes. Fonte: Blog Mix Auto 2018 .................................. 21

Figura 3- Motor tipo Otto para a injeção do gás Hidrogênio. Fonte: Os Autores ................... 23

Figura 4- Seringa utilizada. Fonte: Os autores ........................................................................ 23

Figura 5- Célula eletroquímica. Fonte: Os Autores ................................................................ 24

Figura 6- Bateria utilizada. Fonte: Os Autores ........................................................................ 24

Figura 7- Alternador utilizado.Fonte: Os Autores ................................................................... 25

Figura 8- Abraçadeira com parafuso utilizada. Fonte: Os Autores ......................................... 25

Figura 9- Válvula tecalon utilizada. Fonte: Os autores ........................................................... 26

Figura 10- Nível utilizado. Fonte: Os Autores ........................................................................ 26

Figura 11- Borbulhador utilizado. Fonte: Os autores ............................................................. 27

Figura 12- Termômetro digital utilizado. Fonte: Os Autores .................................................. 28

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO ...................................................................................................................... 11

1 OBJETIVO GERAL .......................................................................................................... 14

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................... 15

2.1 Eletrólise ........................................................................................................................... 15

2.2 Leis da Eletrólise .............................................................................................................. 15

2.3 Tipos de Eletrólise ........................................................................................................... 16

2.3.1 Eletrólise Ígnea .............................................................................................................. 16

2.3.2 Eletrólise aquosa ............................................................................................................ 16

2.4 Células Eletroquímicas..................................................................................................... 17

2.5 Motor a combustão interna ............................................................................................. 18

2.6 Carburador ....................................................................................................................... 19

2.5 Alternador ........................................................................................................................ 20

2.6 Bateria .............................................................................................................................. 21

2.7 Razão estequiométrica .................................................................................................... 22

3 MATERIAL E MÉTODO ................................................................................................. 23

3.1 A Célula ............................................................................................................................ 29

3.2 Cálculos utilizados no teste ............................................................................................. 30

3.3 Metodologia Aplicada ...................................................................................................... 32

CONCLUSÃO ......................................................................................................................... 34

APÊNDICE I ........................................................................................................................... 37

11

INTRODUÇÃO

O desenvolvimento tecnológico caminhou de forma aceitável e rápida, causando um

grande impacto na quantidade de energia exigida para todos os aparatos tecnológicos. A

aceitação destes produtos tem movimentado as fornecedoras de energia elétrica de modo a

garantir a energia necessária e aproveitar das diferentes maneiras de sua obtenção

(GOLDEMBERG. J, 2000).

Várias maneiras são descritas na literatura como alternativas de obtenção da energia

elétrica e mecânica. A energia elétrica pode ser obtida através do movimento de um motor

elétrico possuidor de um eixo no sentido radial. Ao eixo do motor, pode se utilizar de

mecanismos capazes de absorver as energias mecânicas: vento, mares, máquinas térmicas,

hídricas etc. (DUPONT; GRASSI; ROMITI, 2015).

De maneira que o eixo absorva a energia mecânica exercida pelas diferentes fontes

energéticas, o mecanismo impulsiona o “motor elétrico” fornecendo movimento. Com a

rotação do eixo preso ao motor, o campo magnético, gerado pelo material ferroso magnético

do eixo, propicia o movimento dos elétrons no material metálico de boa condutividade

elétrica (cobre), que se encontra envolto do eixo e a uma distância mínima gerando a corrente

elétrica (FARIAS; SELLITTO, 2011, p. 4).

Outra alternativa é a energia elétrica e ou térmica gerar energia mecânica. Utilizando o

sistema inverso da geração de corrente elétrica, a mesma pode ser utilizada para geração de

energia mecânica. A dificuldade das transformações energéticas, porém está na ineficiência

do sistema e na dificuldade do aproveitamento máximo da combustão dos combustíveis.

Os combustíveis possuem classificações, conforme descreve (DIAS, 201-):

1o) Sólido: Combustível que é utilizado, por exemplo, em motores de combustão

externa, na forma de um pó bastante fino. Alguns exemplos de combustíveis sólidos

são a madeira e o carvão;

2o) Líquidos: Combustíveis ideais, por exemplo, para o uso em motores de

combustão interna. Boa parte dos combustíveis nesse estado físico é obtida a partir

da destilação do petróleo. Alguns exemplos são:

Álcool; Gasolina; Óleo diesel

3o) Gasosos: São combustíveis utilizados em câmaras internas, por exemplo.

Geralmente são misturas de duas ou mais substâncias gasosas. Alguns exemplos são:

Metano; Hidrogênio; Gás natural

12

Estes combustíveis sofrem uma reação conhecida como Combustão e liberam energia.

Combustão é uma reação química exotérmica entre uma substância (o combustível) e um gás

(o comburente), geralmente o oxigênio, que, por sua vez, libera calor, água e gases. Durante a

reação de combustão, são formados diversos produtos resultantes da combinação dos átomos

dos reagentes.

O Calor é aproveitado devido à expansão dos gases que se encontram em um sistema

fechado, assim sendo há o aumento da pressão, essa mudança física e química transfere

energia para as paredes do sistema podendo ser aproveitada. Essa energia é absorvida na

forma de movimento pelo sistema móvel transformando energia térmica em energia mecânica

(MONTICELLI; GARCIA, 1999).

Dos diferentes tipos de combustíveis, os mais utilizados para nos automóveis, por

exemplo, são os líquidos e gasosos.

Os combustíveis líquidos são consolidados devido à sua produção em larga escala,

fácil armazenamento e as reações são de fácil controle. Os combustíveis líquidos mais

utilizados em transportes terrestres são o Diesel, Gasolina e Etanol (DIONYSIO;

MEIRELLES, 2010).

Os gasosos têm sido utilizados em pequena escala, devido, a competitividade de sua

utilização, difícil armazenamento e as reações são de difícil controle quando se iniciam,

podendo causar danos irreparáveis.

Os combustíveis são constituídos, sobretudo de hidrogênio e carbono na sua base

molecular. Combustíveis contendo mais átomos de H2 podem ser melhores aproveitados

devido ao maior poder calorífico do H2 aproximadamente de 28700 Kcal/kg enquanto o

carbono é de 8140 Kcal/kg, por isso, quanto mais rico em hidrogênio for o combustível, maior

será o seu poder calorífico (SOUZA, 1999). Diante destes fatos, entende-se que o H2 é um

combustível muito promissor e versátil. Abundante nas moléculas da água, este pode ser

aproveitado como fonte de energia. A limitação deste gás está no seu armazenamento. Devido

a baixa densidade, volatilidade, alta inflamabilidade e tamanho atômico, este se torna um

combustível de extrema complexidade e de difícil utilização como meio de geração de energia

mecânica através da combustão. Assim sendo, uma alternativa é utilizá-lo e produzi-lo in situ

pela decomposição de uma solução aquosa e este já ser direcionado para as câmaras de

combustão, sem prévio armazenamento.

Utilizando uma solução aquosa contento cátions e aníons para diminuir a queda

ôhmica do sistema, a solução pode ser eletrolisada a uma corrente constante o qual no anodo

13

ocorrerá o desprendimento do gás Oxigênio (O2) e no catodo o desprendimento do gás

hidrogênio(H2), de acordo com a reação 1:

2H2O + e = 2H2 + O2 (1)

Levando em conta que a reação de combustão do H2 tem como produto H2O (reação

2), esse combustível torna-se promissor e objetivo desse estudo.

2H2 + O2 = 2H2O (2)

Motores do tipo Otto podem ser facilmente adaptados para receber combustíveis

gasosos, como o H2.

O combustível gasoso produzido in situ garante uma alimentação segura e contínua

sem muita adaptação de cilindros e tubulações para o combustível gasoso.

A geração do H2 pode ser realizada em Células eletroquímicas que serão instaladas

próximo ao motor. Por serem versáteis nas configurações, as células poderão ser fixadas em

qualquer espaço da região frontal do veículo, garantido uma proximidade do sistema gerador

de H2 (célula) e consumidor de H2 (Motor).

A célula é constituída de dois compartimentos, nos quais as reações ocorrem no

anodo, que pode ser um eletrodo do tipo DSA ou material inoxidável e no catodo que, neste

caso, tem propriedades inoxidáveis, favorecendo a reação de redução da água devido à

presença do Ni contido em sua composição.

A alimentação dos combustíveis é realizada utilizando o sistema original do motor,

com um pequeno orifício para a entrada do gás H2 no coletor. A câmara de combustão é

alimentada pelo combustível liquido e o gasoso de forma simultânea, aumentando-se a

proporção do combustível gasoso aos poucos para acompanhar o desempenho do motor.

14

1 OBJETIVO GERAL

A proposta deste trabalho consiste em realizar o funcionamento de um motor de ciclo

Otto, utilizando como combustíveis a gasolina e o hidrogênio gerado in situ utilizando uma

célula eletroquímica.

Após os testes do motor, o mesmo será acoplado ao veículo e testado de maneira a

alcançar o máximo rendimento e maior autonomia de combustível, revelando assim a melhor

proporção dos combustíveis.

Vislumbra-se uma autonomia 30% maior utilizando o hidrogênio neste sistema, ou

seja, o automóvel que antes oferecia 10 km por litro de gasolina, agora oferecerá 13 km por

litro gasolina/hidrogênio.

15

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 Eletrólise

Segundo o site Toda Matéria (1999), o processo de eletrólise parte da dispersão de

uma corrente elétrica que percorre a solução aquosa envolvida, proporcionando uma reação

química não espontânea, ocasionando em uma reação de oxirredução proveniente de uma

fonte de energia como um gerador elétrico.

Para o processo em si acontecer, a corrente envolvida deve ser corrente contínua (CC)

e com uma voltagem de alimentação correlata.

Com a aplicação da corrente elétrica, ocorre um processo químico, onde os íons

presentes na solução aquosa conduzem a corrente elétrica.

Grandes indústrias de produção de metais como Alumínio, Cobre eletrolítico e

Químicas para obtenção de Soda cáustica, Cloro e Gás flúor utilizam-se de processos

eletrolíticos.

2.2 Leis da Eletrólise

Segundo o físico e químico inglês Michael Faraday (1791-1867), em seu livro

constante de Faraday, a eletrólise é baseada em duas leis, e a primeira Lei tem o seguinte

enunciado: “A massa de um elemento, depositada durante o processo de eletrólise, é

diretamente proporcional à quantidade de eletricidade que atravessa a célula eletrolítica”.

Q = i . t

Onde:

Q: carga elétrica (C)

i: intensidade da corrente elétrica (A)

t: intervalo de tempo da passagem da corrente elétrica (s)

Já a segunda Lei da Eletrólise diz o seguinte: “As massas de vários elementos, quando

depositadas durante a eletrólise pela mesma quantidade de eletricidade são diretamente

proporcionais aos respectivos equivalentes químicos”.

16

M = K . E

Onde:

M: massa da substância

K: constante de proporcionalidade

E: equivalente-grama da substância

2.3 Tipos de Eletrólise

2.3.1 Eletrólise Ígnea

A eletrólise ígnea consiste na fusão de um sal metálico. A cuba de fusão pode ser

utilizada como anodo e um eletrodo de um metal inerte pode ser usado como catodo. Ao

aplicar a CC no sal metálico fundido, o metal presente deposita-se no catodo, podendo

posteriormente ser lingotado. Este é um tipo de reação bastante utilizada pela indústria,

destacando-se na produção de metais como, por exemplo, o alumínio a partir da bauxita.

2.3.2 Eletrólise aquosa

Segundo o site “Estudo Prático, 2014, Na eletrólise aquosa, a passagem elétrica ocorre

através de um líquido condutor. Nesta forma de eletrólise, somente um dos cátions e um dos

ânions participam da reação. A soda cáustica, o gás hidrogênio e o gás cloro são produzidos

na eletrólise do cloreto de sódio em meio aquoso.

17

Figura 1- Processo de Eletrólise.

Fonte: Site Portal São Francisco, 2018

2.4 Células Eletroquímicas

As células eletroquímicas são dispositivos capazes de transformar a energia elétrica

em reações químicas. Esse sistema eletroquímico é composto por dois eletrodos, anodo (+) e

catodo (-) e uma solução condutora (eletrólito). Quando os eletrodos estão em meio a solução,

reações químicas podem ser realizadas utilizando a corrente elétrica contínua (CC), que causa

a desestabilização das moléculas, quebrando-as e formando novos produtos. Sabendo que a

movimentação dos elétrons ocorre do anodo para o catodo, é possível direcionar as reações

em sentidos diferentes e, até mesmo, controlá-las.

Os eletrodos são constituídos de materiais bons condutores e resistentes quimicamente

ou não. Quando se desejam apenas reações no eletrólito, os eletrodos participam da reação

apenas como receptores e doadores de elétrons, não alterando as suas características. O

eletrodo negativo (ânodo) é o lado que as reações ocorrem ganhando os elétrons. O catodo,

lado positivo, é o local que as reações ocorrem perdendo elétrons. Tendo um sistema que

ganha e perde elétrons, tem-se assim uma célula eletroquímica. Neste caso, os eletrodos são

inertes quimicamente forçando o eletrólito a reagir, liberando gases em cada face dos

eletrodos. Neste caso a área dos eletrodos será a limitante das reações, podendo, no aumento

da área, melhorar a formação dos produtos nos eletrodos como, por exemplo, os gases H2.

O anodo utilizado é uma DSA de Ti e Ru. O DSA é um filme de Ti e Ru na proporção

de 70/30, que é crescido via decomposição térmica de soluções orgânicas, contento os metais

desejados em uma base metálica. Este eletrodo é encontrado comercialmente e muito utilizado

pela indústria de cloro/soda.

18

O aço inoxidável é uma alternativa como eletrodo para redução de cátions presentes

nas soluções. O aço é resistente quimicamente e por conter Ni em sua composição pode

favorecer a geração do hidrogênio devido ser considerado um bom catalisador para esse tipo

de reação.

2.5 Motor a combustão interna

Para o site Mundo Educação, 1999: Motores a combustão interna são máquinas

térmicas capazes de transformar a energia química da combustão em térmica e,

consequentemente, em energia mecânica, respeitando os ciclos termodinâmicos.

A combustão por sua vez é definida como “a oxidação rápida de substâncias gerando

uma quantidade de calor e luz”, de acordo com dicionário Webster apud Turns, Sthephen R.

2013.

A combustão interna pode acontecer de duas maneiras diferentes, sendo ela com ou

sem centelha. Como se tratará de um sistema do tipo Otto, neste caso, será exposto apenas

sobre a centelha, pois é o que diz respeito ao motor utilizado no trabalho em questão.

Neste processo está presente o combustível, neste caso o etanol ou a gasolina, o

oxigênio que, por sua vez, atua como comburente. Sob condições de alta pressão e o disparo

da centelha elétrica acontece a explosão desta mistura, que nada mais significa o aumento de

pressão e temperatura que ocasiona expansão do volume interno dos gases, movimentando o

pistão, que gera o trabalho mecânico.

Um grande problema dos motores a combustão é o seu rendimento, considerada a

potência produzida no interior dos cilindros pela potência produzida no eixo ou nas rodas,

neste caso. Parte dessa energia gerada é perdida ao longo deste percurso. Isso acontece por

vários fatores, tais como o atrito, calor, ruído, etc.

Segundo Tillmann 2013 , considera-se que o rendimento de um motor do ciclo tto

com alimentação por gasolina é em média, de 21 a 25 , enquanto o rendimento de um motor

do ciclo Diesel pode atingir mais de 35%.

A energia total desenvolvida pela combustão da gasolina no motor de ciclo Otto

distribui-se do seguinte modo:

32% sob forma de calor gasto pelo sistema de arrefecimento dos cilindros;

35% sob forma de calor retirado pelos gases de escape;

19

8% sob forma de energia mecânica absorvida pelos atritos internos do motor;

25% sob forma de energia mecânica disponível na extremidade do virabrequim.

Atualmente profissionais da área buscam desenvolver componentes que minimizam

essas perdas e aumente o rendimento do motor em questão.

Um outro problema que existe em motores a combustão é um fator conhecido como

“autoignição”. Esse fenômeno acontece porque parte do combustível não-consumido sofre

reações rápidas de oxidação em diversos pontos, por causa do aumento de temperatura e

pressão, ocasionando uma espécie de ruído metálico, indesejável no motor, conhecido pelos

mecânicos como “batida de pino”. Por outro lado, a autoignição em motores de ciclo Diesel é

vital para seu funcionamento, conforme diz Stephen R. Turns (2013). Todavia não se entrará

neste assunto, pois o objetivo do trabalho é o funcionamento de um motor utilizando o

Hidrogênio como um de seus combustíveis.

Carburador

O carburador é um componente mecânico responsável pela mistura ar/combustível de

um veículo automotor.

Atualmente foi substituído pelo sistema de injeção eletrônica, porém ele já teve seus

dias de glória.

Foi desenvolvido por dois cientistas húngaros Donát Bánki e János Csonka em 1883 e,

desde lá, o carburador passou por uma série de mudanças, visando cada vez mais a melhora

em seu desempenho.

Segundo o site Webmotors, 2008, “ no início, o carburador constituía-se por um tubo

ligado a um pequeno reservatório de combustível, com uma borboleta para regular a

passagem do ar, o qual arrastava o combustível da cuba para dentro do motor.”

O grande problema é que na época em que fora desenvolvido, não havia o suporte da

informática, não existiam sensores ou sequer dispositivos eletrônicos capazes de realizar uma

leitura, por exemplo, da qualidade dos gases de escape para se admitir uma quantidade quase

perfeita de combustível. Toda regulagem deste equipamento era feita por meios manuais,

através de componentes, por exemplo, como os giclês.

Os giclês são o conjunto dos orifícios que dosam a passagem do combustível ou ar,

quando esse vai para a câmara de carburação. Através deles consegue-se controlar a

aceleração e até mesmo o consumo de combustível. Os carburadores possuem vários giclês,

20

sendo cada um com sua função, como, por exemplo, os giclês de ar e combustível da marcha

lenta, localizados na parte superior do carburador, também existem o giclê principal, o qual

atua controlando a vazão de combustível da cuba do carburador, entre outros.

Alternador

Segundo o site Industria Hoje, 2014: O alternador tem a função de transformar a

energia mecânica em energia elétrica. O mesmo se dá por indução eletromagnética, na qual o

campo magnético criado permite o movimento dos elétrons, gerando a corrente elétrica pelo

rotor, o que proporciona a corrente alternada. Ao final por completo de cada giro, o ciclo se

repete.

A obra de (PEREIRA, 2012, p.19-20) deixa claro que o alternador é composto por:

Polia: polia tem a função mecânica de transmitir o torque do motor do veículo

para o eixo do rotor por meio da correia.

Mancais: s mancais são responsáveis pela sustentação do eixo do rotor. lém

disso, funcionam como um escudo que protege o sistema interno do alternador

contra a entrada de resíduos e objetos estranhos que poderiam danificá-lo.

Rolamentos: s rolamentos possibilitam ao alternador atingir altas rotaç es sem

que haja ruídos, aquecimento ou desgaste prematuro de seus componentes. s

rolamentos são indispensáveis para o bom funcionamento do alternador.

Rotor: no rotor que começa o processo de produção de energia elétrica.

Construído sobre um eixo de aço, possui em seu interior uma bobina de cobre fixada

em seu eixo. No momento em que a chave de ignição é ligada, o rotor, por meio do

coletor, recebe da bateria uma corrente elétrica. Essa corrente, por sua vez, produz o

campo magnético que é potencializado pela construção das garras polares de aço.

Este campo magnético é que induzirá a produção de corrente elétrica no estator.

quantidade de voltas e o diâmetro dos fios da bobina definem a pot ncia que varia

de acordo com a necessidade de corrente elétrica de cada aplicação.

Estator: No estator é produzida a energia elétrica necessária ao funcionamento do

veículo. s bobinas de fios de cobre são fixadas sobre um n cleo constituído de aço.

corrente elétrica nos fios do estator é induzida pelo campo magnético do rotor.

Regulador: Por meio dos contatos das escovas de carvão com o coletor, o regulador

monitora e regula eletronicamente a tensão do alternador, adequando os níveis de

tensão e corrente s condiç es ideais para o bom funcionamento do alternador.

tensão necessária produção de corrente deve estar de acordo com o sistema elétrico

do alternador, caso contrário todo o sistema pode ser danificado.

Retificador: tensão e corrente produzidas no alternador são alternadas e não

servem para alimentar os equipamentos elétricos do veículo, nem para carregar a

bateria, assim é necessário que sejam retificadas e filtradas. Também conhecida

como placa de diodos, o conjunto retificador tem a função de transformar corrente e

tensão alternadas em contínuas. s conjuntos retificadores, em sua maioria, são

equipados com diodos enner que protegem os equipamentos elétricos das cargas de

retorno e são montados de forma a bloquear correntes reversas, impedindo que a

bateria se descarregue.

21

Figura 2 - Vista um alternador por partes

Fonte: Blog Mix Auto 2018

2.6 Bateria

A bateria é uma célula elétrica, que produz eletricidade derivada de uma reação

química. Consiste em uma ou mais células interligadas em série e/ou paralelo, em que suas

células são constituídas de um eletrodo negativo (Ânodo), um eletrólito que conduz os íons,

um condutor de íons (Separador) e um eletrodo positivo (Cátodo).

A bateria surgiu por volta dos anos de 1800, quando físico e cientista italiano

Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta entendeu que os metais, de maneira individual,

seriam promotores de corrente elétrica. Por causa deste raciocinio ele desenvolveu um

dispositivo, atualmente conhecida como “pilha” que entregava uma corrente elétrica muito

maior do que o modelo utilizado na época, neste caso o experimento com animais

(CARNEIRO, R. L. et al, 2017).

Porem foi 1859 que surgiu a primeira bateria de chumbo, atualmente utilizada nos

automóveis. Gaston Plant, engenheiro frânces foi o primeiro que teve brilhante idéia de tomar

duas placas de chumbo formato espiral, separadas por tiras de borrachas e mergulha-las em

uma solução aquosa de ácido sulfúrico. (ANJOS, T. A.).

22

2.7 Razão estequiométrica

A relação de ar/combustível é dada pela massa do combustível queimado no processo,

com a quantidade de ar absorvido ao mesmo tempo, para que o mesmo ocorra. A

estequiometria significa que todos os hidrocarbonetos constituintes da massa de combustível,

foram convertidos juntamente com o oxigênio, em Água (H2O) e Dióxido de Carbono (CO2),

segundo PULKRABEK (2003), em uma combustão rica, ou seja, ideal.

O Fator Lambda é o responsável pela aferição da mistura admitida em cada cilindro

relacionando os diferentes tipos de misturas.

Onde:

λ – Fator Lambda

A: ar atmosférico

F: combustível admitido pelo motor;

at: é a relação real de massa de ar e combustível que está sendo admitida pelo motor kg/kg;

st: é a relação de massa ideal de combustível e ar estequiométrico kg/kg;

Para que uma mistura rica aconteça, o combustível admitido deve ser maior que o

comburente r admitido assim: λ<1 . nde não ocorre uma combustão completa,

caracterizado pelo fato de uma parte do combustível não ser totalmente queimado.

Já para a mistura pobre, o combustível deve ser menor que o comburente (Ar), assim:

λ>1 . Nesta, há uma quantidade maior de oxig nio que o necessário, o que também

proporciona uma ineficiência em sua queima.

Para Ribbens 1998 , a mistura ideal é igual a λ=1 , que significa que a mistura atual

e ideal estão uniformes, o que proporciona uma conversão total da mistura em energia.

23

3 MATERIAL E MÉTODO

Nos experimentos foram utilizados os seguintes componentes:

O motor utilizado foi um GM 1.4 (Chevette) carburado, os testes foram realizados

para a aferição do consumo de combustível com admissão do comburente ar e com admissão

do combustível hidrogênio na combustão. Nesta etapa, foi possível comparar o funcionamento

do motor com os combustíveis.

Figura 3 - Motor tipo Otto para a injeção do gás Hidrogênio

Fonte: Os Autores

Para os testes, o volume da cuba do carburador e a mangueira de alimentação do

reservatório de combustível foi mensurado por intermédio de uma seringa com capacidade de

100ml aferida utilizando um balão volumétrico.

Figura 4 - Seringa utilizada

Fonte: Os autores

24

Sabendo-se o volume da cuba e da mangueira de alimentação do reservatório de

combustível, foi possível iniciar os testes com a quantidade correta de combustível a ser

utilizada, considerando o necessário para alimentação das mesmas.

Para o teste de admissão do hidrogênio, confeccionou-se a célula eletroquímica capaz

de gerar gás H2via do processo de eletrólise.

Figura 5 - Célula eletroquímica.

Fonte: Os Autores

A célula eletroquímica apresentada na figura 5 foi construída de aço 1045, mas seus

eletrodos internos soldados a tampa de fechamento foram construídos em aço inoxidável,

material este capaz de conduzir a CC e garantir a inércia química.

A fonte de corrente se dá através foi uma Bateria alimentada com 12v e capacidade de

60Ah da marca American Racing alimentada pelo alternador do motor.

Figura 6 - Bateria utilizada

Fonte: Os Autores

25

A bateria é interligada ao alternador com capacidade de até 32Ah para sua

realimentação elétrica, neste caso a bateria é recarregada a todo momento em que o sistema

está em funcionamento.

Figura 7 - Alternador utilizado

Fonte: Os Autores

Para a sua ligação junto à célula, os terminais sofrem a descarga elétrica sendo um

deles uma abraçadeira de 2” com parafuso.

Figura 8 - Abraçadeira com parafuso utilizada

Fonte: Os Autores

26

Com o alternador alimentando a bateria e o sistema todo em funcionamento, há

produção de gás hidrogênio pela célula geradora alimentada pela bateria. O gás produzido é

direcionado ao carburador utilizando Tecalon de distribuição instalado no motor.

Figura 9 - Válvula tecalon utilizada

Fonte: Os autores

Ao sistema de válvulas um nível caseiro com mangueira de PVC transparente, com ø

interno de 7,5mm, e escala em polegadas foi utilizado para aferição da vazão na produção do

gás.

Figura 10 - Nível utilizado

Fonte: Os Autores

27

Ao final da aferição com o nível, o sistema de distribuição do gás gerado é acoplado

ao Borbulhador apresentado na figura 11 com capacidade de 300mililitros com o propósito de

dispersar qualquer retorno de chamas no sistema.

Figura 11 - Borbulhador utilizado

Fonte: Os autores

Após ser ligado ao borbulhador, o sistema de válvulas é admitido à cuba, direcionando

cada cm³ de gás gerado ao sistema.

A temperatura do motor foi aferida nos ensaios que utilizaram apenas a gasolina e a

mistura gasolina/H2. A comparação ocorreu sempre ao final do 4º ciclo de cada segmento.

Para isso utilizamos um Termômetro digital com marcador a laser Mt-350 – Minipa, com as

seguintes configurações:

Alcance: - 30 °C á 550 °C;

Exatidão: 2 °C em - 30 °C p/a 100 °C, 2% lendo de 101°C p/a 550 °C;

Emissividade Fixa: Ɛ = 0,95;

Campo de Visão: 100mm ø a 1000mm;

28

Figura 12 - Termômetro digital utilizado

Fonte: Os Autores

Configuração do motor

Por se tratar de um motor já desgastado pelo seu uso, algumas manutenções foram

necessárias para garantir o bom funcionamento do motor. A tabela 1 apresenta os ajustes

realizados no motor.

Tabela 1-Medidas antes e após a retifica do motor.

Fonte: elaborado pelos autores.

Os experimentos ocorreram no motor ciclo Otto ano 1982, carburado com quatro

cilindros, que trabalha em 4 tempos (admissão, compressão, explosão e escape). Por se tratar

Componentes Original Retificado

Cilindro 82mm 83mm

Eixo do Virabrequim 50,263mm 51,013mm

Colo da Biela 45,234mm 45,984mm

Deslocamento do Pistão 66,2mm 66,2mm

29

de um sistema de combustão antigo, foram necessários alguns reparos, para garantir o bom

funcionamento e o melhor aproveitamento do sistema.

3.1 A Célula

A célula é o sistema que foi adotado para a realização dos ensaios na geração do gás

H2.

Como a célula possuía duas partes, o corpo e a tampa foram confeccionados a partir

de dois tarugos cilíndricos de aço 1045.

No tarugo destinado ao corpo da célula, foi realizado o processo de usinagem. A

usinagem consistiu na remoção de uma quantidade de material do centro do tarugo criando

um sistema capaz de armazenar um volume de solução e manter a resistência mecânica do

corpo da célula. O próprio corpo da célula servirá como eletrodo, sendo que a reação ocorrerá

nas paredes internas da célula usinada. Como as reações geram gases, a célula necessita ser

fechada. O fechamento da célula ocorreu através da confecção de uma tampa também do aço

1045 de modo a não permitir que os gases gerados escapem. Como o corpo da célula e a

tampa são os eletrodos, uma bucha em nylon foi produzida. A bucha serviu como isolante

elétrico entre o corpo da célula e a tampa e formou um sistema de vedação mais eficiente,

permitindo a aplicação de CC sem causar risco de fechamento do circuito.

Como a tampa é um dos eletrodos e o material utilizado foi o aço 1045, material este

pouco inerte quimicamente, foi necessário aumentar a área superficial deste eletrodo

utilizando um material inerte quimicamente, neste caso utilizou o aço inoxidável, favorecendo

a reação desejada. O aumento de área se deu através da soldagem de três hastes, formando um

tripé e, entre o tripé, três arruelas foram soldadas espaçadas uma da outra. .

Furos não passantes foram realizados na parte inferior e superior da célula para

garantir uma melhor condutividade elétrica no sistema eletroquímico.

Um furo na tampa de vedação foi realizado para o direcionamento do gás hidrogênio

gerado até o motor.

A célula desenvolvida possui as seguintes dimensões:

Corpo em Aço 1045:

187mm de Comprimento;

Ø externo de 63,4mm;

Ø interno de 49,90mm;

30

Furo externo superior com ø de 6mm e profundidade de 7,5mm;

Furo externo inferior com ø de 6mm e profundidade de 5mm;

Canal interno com profundidade de 100,4mm;

Bucha em Nylon:

Ø parte superior de encaixe a tampa de 61,5mm;

Ø parte inferior de encaixe ao corpo de 49,7mm;

Estrutura interna em Aço Inox:

Ø externo das arruelas de inox de 33,15mm;

Ø interno das arruelas de inox de 16,74mm;

Espessura das arruelas de inox de 3,20mm;

Comprimento da estrutura de inox depois de soldada aos pinos da estrutura de 74,05mm;

Tampa em Aço 1045:

Ø externo de 63,5mm;

Ø interno de 45,50mm;

Altura de 29,10 mm;

3.2 Cálculos utilizados no teste

Vazão e Volume na produção de hidrogênio

Para calcularmos o volume de produção, medimos o diâmetro interno do bocal da

mangueira de PVC transparente do nível e a variação de altura do mesmo, usando as seguintes

fórmulas e dados:

Onde:

Q – Vazão em cm³/s

V – Volume em cm³

t – Tempo em s

Onde:

31

V – Volume em cm³

r – Raio em cm

h – Altura em cm

π – Constante que representa o valor da razão entre a circunferência de qualquer círculo e seu

diâmetro

Onde:

A – Área em cm²

r – Raio em cm

π – Constante que representa o valor da razão entre a circunferência de qualquer círculo e seu

diâmetro

Aplicação

Ø int. (Mangueira de PVC Nível) – 7,5mm ou 0,75cm

r int. (Mangueira de PVC Nível) – 3,75mm ou 0,375cm

Escala de altura no Nível em Polegadas – 25,4mm ou 2,54cm

Para a área:

Para o volume:

Atingiu-se uma altura favorável em um espaço de tempo muito curto, com apenas 22s

e se estabilizando, assim:

Altura – 28”

Tempo – 22s

1”------------- 2,54cm

28”------------ X

X = 71,12cm

32

Para a vazão:

3.3 Metodologia Aplicada

A solução utilizada foi de 5,6g de hidróxido de potássio (KHO) em 200 mililitros de

água destilada, do qual, após totalmente dissolvidos, foram utilizados 100 mililitros para o

processo de eletrólise na célula.

As medidas da vazão de saída na produção de H2 utilizaram-se de um nível constituído

de uma mangueira de PVC transparente com ø interno de 7,5mm, com uma escala em

polegadas.

Os testes foram realizados ao conectar os eletrodos da bateria ao alternador para que o

mesmo a alimentasse durante os testes.

O anodo (Polo negativo) foi ligado no contato superior da célula e interligado no polo

respectivo da bateria.

Já o catodo (Polo positivo) foi ligado na parte inferior de célula, onde no mesmo fio

foi interligado um disjuntor com capacidade de 70A na bateria, para que tivesse um melhor

controle e segurança na hora de ligar a célula durante os testes.

Para coletar o gás gerado na solução de H2 pelo processo da eletrólise, usou-se uma

mangueira tecalon de ø interno de 5mm, saindo da tampa da célula e entrando diretamente em

um Borbulhador com capacidade de 300 mililitros para lavagem dos gases que saem da célula

e, ao mesmo tempo, evitando um retrocesso das chamas, advindas do coletor de admissão.

O gás lavado no Borbulhador foi admitido diretamente na cuba e mangueira de

alimentação do reservatório de combustível com capacidade interna de ambos de 65 mililitros,

o qual o mesmo obedecendo a seu papel, se misturou ao combustível fóssil utilizado, neste

caso a gasolina.

Para os respectivos testes, a gasolina utilizada foi a aditivada.

Foram Realizados 05 testes com alimentação apenas de gasolina e 05 com alimentação

de gasolina e gás hidrogênio gerados pela célula.

33

Em cada teste foi utilizado um volume de 165 mililitros (65mililitros para alimentação

da cuba e da mangueira do reservatório de combustível, e os outros 100 mililitros para o

funcionamento do motor), em que foi aferido o tempo de funcionamento do motor com

aspiração de todo o combustível, e posteriormente seu afogamento com eliminação total dos

gases gerados e do combustível restante na cuba.

Tabela 2 - Tabela com dados dos testes

Testes Gasolina Gas.+HHO

Efic.

HHO/Combustível

Afog. Motor

(Gas.)

Afog. Motor

(HHO)

Efic.

HHO/Afog.

Motor

1º 02:24 02:48 14,29% 05:33 05:47 4,03%

2º 02:36 02:47 6,59% 05:49 06:09 5,42%

3º 02:41 02:48 4,17% 05:48 06:16 7,45%

4º 02:52 03:06 7,53% 05:47 06:44 14,11%

5º 02:53 03:15 11,28% 05:52 06:40 12,00%

Médias 02:41 02:56 8,82% 05:45 06:19 8,81%

Fonte: Os Autores

A última linha da tabela apresenta o tempo aferido em minutos. No quarto teste de

cada grupo, aferiu-se a temperatura utilizando de um Termômetro digital com marcador a

laser Mt-350 – Minipa, e obtiveram-se os seguintes resultados:

Tabela 3 - Tabela de Temperaturas

Temperatura Motor

Gasolina Gas.+HHO

Virabrequim 68,5°C Virabrequim 67°C

Carter 64,5°C Carter 65°C

Cabeçote 71,5°C Cabeçote 64,5°C

Fonte: Os Autores

34

CONCLUSÃO

O H2 como combustível apresentou melhoria gradativa ao longo dos testes. O bom

desempenho é tratado pelo maior poder calorífico do H2 e favorecendo a combustão por se

tratar de um combustível gasoso. Segundo o site Canal Rural, em (2017) foram vendidos 3,43

bilhões de litros de gasolina do tipo C, uma grande quantidade de gases nocivos para a

atmosfera foram expelidos.

Sabendo estes números, qualquer diminuição da quantidade dos gases do efeito estufa,

é um resultado satisfatório.

Com o rendimento melhorado de 8,82% na combustão mista (Gasolina/ H2), um

volume aproximado de 343 milhões de litros de gasolina seriam economizados e assim

diminuindo em 8,2 x108 kg de CO2 emitidos na atmosfera.

Tratando-se de alternativas que minimizem o efeito estufa, este trabalho demostra que

a geração de H2 in situ é uma garantia para contribuir com o planeta.

35

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APÊNDICE I

Tomaram-se certos cuidados com as ações neste trabalho, pois por englobar o termo

eficiência, modificações estridentes comprometeriam os resultados, gerariam riscos de

segurança, por exemplo, aumentar o número de bobinas no alternador, que consequentemente

aumentaria a corrente elétrica da célula, o qual resultaria em maior produção de Hidrogênio,

porém aumentaria a temperatura de trabalho da célula, e ao falar-se de combustível, sabe-se

que necessita de extrema cautela.