No ultimo mês, tanto a gasolina automobilística quanto a aeronáutica estiveram na mídia — se de um lado tivemos a questão de uma melhoria nos padrões técnicos da gasolina vendida nos postos, com uma densidade mínima especificada e uma nova e mais racional denominação da octanagem, do lado aeronáutico tivemos um verdadeiro absurdo: gasolina de aviação fora dos padrões provocando corrosão de tanques de combustível, selos, juntas e bicos injetores dos motores aeronáuticos provocaram a suspensão da comercialização do produto, algo inédito e que mostra o quão dependente ainda somos de uma companhia de petróleo controlada pelo governo, portanto uma estatal de economia mista.
O artigo, inicialmente trará uma parte adaptada do livro “Development of Piston Aero Engines”, do consagrado autor Bill Guston, que contara um pouco da história da gasolina e o seu desenvolvimento na aviação.
Posteriormente veremos o que está ocorrendo nos dias de hoje em função do banimento do chumbo tetraetila.
Um pouco de história
(Adaptado da obra Development of Piston Aero Engines, de Bill Guston)
Na alvorada da aviação, as refinarias de petróleo ainda estavam sendo implantadas ao redor do mundo. Seus produtos principais eram o querosene, voltado para o aquecimento e a iluminação e o óleo combustível para caldeiras e alguns processos industriais.
A fração leve do petróleo, por sua vez, chamada de gasolinas, tinha pouco comércio e em sua maioria eram queimadas na própria refinaria ou descartadas em rios!
Gradualmente depois do ano de 1890, o início da era do automóvel começou a abrir mercado para a gasolina. Em 1903, os irmãos Wright provavelmente empregaram gasolina refinada pela Standard Oil em Baltimore, com petróleo extraído na Pensilvânia, com 38 octanas, embora esse numero, naquele tempo não tivesse qualquer significado.
Em 1903 ninguém tinha conhecimento ou sequer ouvido falar do fenômeno da detonação, também chamado de “batida de pino”, verdadeiro veneno dos motores de ciclo Otto.
Os irmãos Wright viram que seu motor inicialmente produzia 16 hp mas ele superaquecia e perdia potência, passando a produzir cerca de 12 hp. Com uma taxa de compressão de 4,4:1, possivelmente a gasolina de 38 octanas causasse detonação e o superaquecimento e por mero palpite, os Wright reduziram a taxa de compressão de seu motor para 4:1 e aparentemente não tiveram mais problemas de superaquecimento.
Na Primeira Guerra Mundial, (1914-1918) a proporção de aeronaves empregadas no conflito cresceu exponencialmente desde seu inicio e grande parte do combustível consumido por ingleses e franceses eram provenientes da extração de petróleo das Índias Orientais Holandesas (N.d.T.: atual Indonésia), petróleo este composto por hidrocarbonetos de cadeia aromática em sua maioria.
A entrada dos Estados Unidos na guerra em abril de 1917 também teve como consequência o fornecimento de combustível americano às aeronaves inglesas e francesas e o aparecimento das consequências foi imediato: motores superaquecendo, perdendo potencia e quebrando. Somente muito tempo depois concluiu-se que a gasolina produzida a partir de petróleo indonésio tinha cerca de 70 octanas, ao passo que a americana era de 45 a 55 octanas e somente neste momento o comportamento dos combustíveis nos motores de combustão interna de ciclo Otto passaram a ser estudados.
Em algum momento nesta época, alguém descobriu que a adição de 20% de benzina (molécula de cadeia aromática mais simples) simplesmente eliminava o problema da gasolina americana (a benzina tem 114,8 octanas) e estudos sobre como ocorria a queima do combustível dentro do motor tiveram início.
O primeiro estudo concreto sobre o que ocorria na queima do combustível dentro do cilindro se deu nas mãos de Sir Harry Ricardo (já mencionado aqui no AE em virtude do seu trabalho com as Sleeve Valves), contratado em 1919 pela Shell, e que descreveu, pela primeira vez, as causas e o efeito da detonação dentro do motor, publicando-as no livro “The Internal Combustion Engine”, de 1923.
Em paralelo, nos Estados Unidos, diversos estudos foram conduzidos no sentido de analisar a resistência do combustível à detonação. Na subsidiária da General Motors chamada Dayton Engineering Laboratories Co. (Delco) os engenheiros Thomas Midgley e Thomas Boyd confirmaram que a detonação estava relacionada à taxa de compressão dos motores e em em 9 de dezembro de 1921 confirmaram que o componente Pb(C2H5)4 tinha grande capacidade de incrementar a resistência do combustível ao fenômeno da detonação. Esse componente, o Tetra-Ethyl Lead (chumbo tetraetila), ou simplesmente TEL), subitamente tornou-se parte fundamental da gasolina aeronáutica e num momento posterior, da gasolina automobilística.
Em 1924 formou-se uma joint venture entre a General Motors e a Standard Oil denominada Ethyl Gasoline Corporation. Seu diretor de pesquisas, Graham Edgar, concentrou-se nos componentes antidetonação dos combustíveis, em especial dos componentes parafinados. Como todo processo científico, era preciso medir o que se estava estudando e para tal, Edgar confirmou que a n-hptane (normal heptana), no motor sofreria detonação em praticamente quaisquer condições e, em contrapartida ao que Sir Harry Ricardo advogava, o 2,2,3 trimetilpentano (ou iso-ctana) possuía elevada resistência à detonação.
E analogamente à escala Celsius, Graham Edgar atribuiu a resistência da iso-octana o valor de 100 e do heptana nomral, zero, nascendo aí o índice de octanas.
Em 1930 o exército americano estabelece o primeiro padrão de gasolina para suas aeronaves, com um índice de octanas de 87. Todavia nessa época três pilotos — Frank Klein, Edwin Aldrin e Jimmy Doolittle passam a fazer uma intensa campanha junto ao exército e companhias aéreas para pressionarem as companhias de petróleo a fornecerem gasolina de aviação de 100 octanas, fato conseguido em 1938 com a padronização pelo exército dessa octanagem.
A guerra, a medida de octanagem e o consumo de gasolina
Nem é preciso dizer que brutais quantidades de combustível foram consumidas durante a Segunda Guerra Mundial (1939-1945). E o desenvolvimento de motores a pistão de movimento recíproco de maior desempenho e supercarregados requereram ainda mais da gasolina de aviação, sendo que o padrão 100 octanas deixou de ser o padrão e combustíveis com valores superiores a 100 (chamado de Performance Number). Esse número grosso modo é obtido através da conversão, via uma longa fórmula, do iso-ctana adicionada de um x número de mililitros dechumbo tetraetila.
A medida da octanagem também é interessante. É feita por um motor denominado CFR, por ter sido desenvolvido pelo Corporative Fuel Research Committee (Comitê Corporativo para Pesquisa de Combustíveis), que consiste em um motor monocilindro de taxa de compressão variável (de 3:1 até 30:1), quatro tempos, com válvulas no cabeçote, de 612,48 cm³ (82,6 mm de diâmetro por 114,3 mm de curso).
A forma, no entanto, como é calculada a octanagem é regida pelas normas da American Society for Testing and Materials (ASTM, Sociedade Americana para Testes e Materiais) e basicamente consiste, no caso das gasolinas veiculares, nos métodos Research (RM, Reseach Method,. Método Pesquisa), e Motor (MM, Motor Method, Método Motor), obtendo-se, respectivamente, o Research Octane Number, RON/Número de Octanas RON, e o Motor Octane Number, MON/Número de Octanas MON).
No método RON, o motor CFR teste funciona com o combustível em questão, é posto a trabalhar a 600 rpm, e forçado até o limite de sua detonação, em mistura ajustada para maximizá-la, com o ar seco, sendo admitido a 52 ºC por aspiração atmosférica, com ponto de ignição de 13º antes do ponto morto superior (APMS). E a partir daí, a equivalência porcentual equivalente em iso-ctanas e normal-heptanas determinará a octanagem do combustível avaliado.
No método MON, o motor CFR funciona com o combustível em questão a 900 rpm. O ar de admissão natural é aquecido a uma temperatura de 149 ºC, mistura ajustada para maximização da detonação e o ponto de ignição variável conforme a compressão, de 19º até 26º APMS
Octanagem nos EUA, Canadá e Brasil
Nos Estados Unidos, Canadá e Brasil octanagem é expressa por meio de um índice antidetonante (AKI, Anti-Knock Index), aqui chamado Índice Antidetonante (IAD) e, logicamente, é um número maior que MON e menor que RON.. Esse índice nada mais é que a média aritmética entre as octanagens RON e MON. Mas a partir de 3 de agosto último o Brasil abandonou o IAD como expressão da octanagem em favor da praticamente universal octanas RON, sendo a gasolina comum e comum aditivada de 92 RON (93 RON a partir de janeiro de 2022) e as premium, mínimo 98 RON.
A Petrobrás afirma que sua gasolina já é 93 RON, mas fonte da Petrobrás informou ao Bob Sharp que a gasolina comum/aditivada é 95 RON há décadas, evidenciado tanto por elevação da taxa de compressão dos motores a partir de 2000 (Corsa e Celta 1-L com 12,8:1 e, ultimamente, Etios (13:1) e motores Firefly Fiat, 13,2:1. Motores de alta potência específica de marcas como Audi, BMW e Porsche, que recomendam gasolina 98 RON, funcionam perfeitamente com gasolina comum, aditivada ou não.
As gasolinas Podium, da Petrobrás, e Octapro, da Ipiranga, são 95 IAD/102 RON. E antes que o leitor pergunte, o álcool tem a resistência à detonação de uma gasolina 116 RON.
Os números IAD e RON são, aproximadamente, 87 IAD/91 RON, 91 IAD/95 RON e 93 IAD/98 RON.
Para a gasolina aeronáutica, criou-se um terceiro método de medida de octanagem do combustível que visa medir a resistência a detonação em condição de mistura rica. Regulado pela norma ASTM D909, ala prevê o teste com o motor em 1800 rpm e com admissão de ar forçada.
Assim, a octanagem expressa na gasolina aeronáutica era, até bem pouco tempo, expressa em dois valores, x/y, que alguns chamavam de octanagem em mistura pobre, mas na realidade é a octanagem MON) e a octanagem em mistura rica, obtida com a metodologia acima descrita.
Dessa maneira, as principais gasolinas aeronáuticas — abreviadamente Avgas — até 40 anos atrás eram a Avgas 80/87 (vermelha), Avgas 100/130 (verde) e a Avgas 115/145 (roxa).
Com a diminuição do consumo de Avgas e o incremento do querosene de aviação (QAV-1) empregado nas turbinas a gás, bem como os esforços na redução do chumbo tetraeitla presente na gasolina (qualquer que seja ela), surgiu a Avgas 100LL (azul, em que LL significa Low Lead, baixo conteúdo de chumbo tetraetila).
Basicamente, a 100LL tem as especificações da gasolina 100/130 mas com baixo teor de chumbo tetraetila (no máximo 0,53 mL / L), objetivando também atender os motores que requeiram Avgas 80/87 mas sem a quantidade de chumbo contida na 100/130.
É importante salientar que os motores aeronáuticos certificados foram projetados para o uso de combustível com chumbo, servindo de lubrificante para guias e sedes de válvulas.
Nem tudo são octanas na gasolina aeronáutica
O combustível aeronáutico é muito mais do que simplesmente número de octanas. A densidade do combustível e a pressão vapor são de suma importância na gasolina aeronáutica.
A gasolina de avião tem que ter baixo teor de enxofre, uma boa capacidade de vaporização (para que não gere congelamento do venturi do carburador) e ao mesmo tempo uma pressão de vapor constante para que, em altitude, evitar que as frações mais leves de hidrocarbonetos se vaporizem em função da menor pressão atmosférica em altitude e forme bolhas no circuito de alimentação, causando o chamado vapor lock (bloqueio por vapor) que pode literalmente provocar o apagamento do motor.
O vapor lock é bem conhecido dos brasileiros do tempo do carburador: nos dias quentes combinados com motor sob esforço como numa subida de serra, o calor do cofre acabava aquecendo demais a bomba de gasolina, que se vaporizava nela e cujo vapor impedia o funcionamento do diafragma da bomba. Um pano molhado (ou sorvete) sobre a bomba era o bastante para ela esfriar e a bolha de vapor desaparecer, votando o motor a funcionar. normalmente.
Curiosamente, como misturas de combustíveis têm comportamento inesperado, quando a gasolina brasileira passou de 5% a 8% de álcool para 12% em 1982, surgiu o problema do bloqueio por vapor em todas as marcas. Para resolver, todas as fabricantes passaram a adotar linha de retorno de combustível para impedir o bloqueio por vapor, já que a gasolina era devolvida para o tanque e a bomba puxava gasolina fria, resfriando-a permanentemente.
O uso de gasolina com muito chumbo em motores não projetados para tal pode gerar o acúmulo de resíduos nas válvulas e nas velas, nesse caso o chumbo, por ser condutor de eletricidade, ocasionando curto-circuito nelas, ou seja, a corrente de alta tensão era desviada para a massa e não havia a indispensável centelha para dar início à combustão.
O futuro da Avgas
O fato é que as constantes pressões ambientais pelo banimento do chumbo provocaram o fim de seu uso veicular. Mas na aviação, o problema é mais sério.
Todos os motores certificados são feitos para emprego de combustível com chumbo e em alguns casos, octanagem não inferior a 100.
Distribuidores de combustível nos Estados Unidos vem promovendo esforços no sentido de eliminar o chumbo da gasolina, sem que ela deixe de atender à norma ASTM D-910 que rege os padrões da Avgas. E qualquer decisão nesse sentido tem que passar pelo crivo dos fabricantes de motores a pistão (leia-se Lycoming e Continental).
Alguns anos atrás a Continental fez um teste empregando Avgas 94UL (unleaded — sem chumbo — essencialmente uma 100LL sem o chumbo) em dois motores de sua linha: O IO-550 e o TSIO-550 (turbocarregado), com taxas de compressão de 8,5:1 e 7,5:1 e por incrível que pareça, foi o turbocarregado com taxa de 7,5:1 que foi exitoso.
A Lycoming, por sua vez, defende que o mercado deve perseguir a alternativa de um combustível de 100 octanas MON sem chumbo, embora ela tenha certificado uma série de motores de sua linha (especialmente os a carburador) para o emprego de combustível sem chumbo, a Avgas 91UL, requerendo apenas o emprego de lubrificante específico para o uso deste tipo de combustível.
Existe uma terceira corrente que é o emprego da Avgas 100 ULL (ultra low lead – teores de chumbo ultrabaixos), entretanto ainda não se chegou a um denominador para a questão do chumbo na gasolina de avião.
E o álcool etílico?
Com tantas linhas comentando a questão da octanagem da gasolina, nada mais natural que venha a dúvida: e o álcool etílico?
Enquanto a gasolina é uma mistura de hidrocarbonetos diversos, o álcool etílico hidratado é uma mistura composta de 96% de álcool e 4% de água, dessa maneira, a “octanagem” (o certo seria um performance number) do álcool é o citado acima.
Abaixo, um belíssimo vídeo produzido pela NGK sobre os conceitos de detonação e pré-ignição.
DA
