SIMULAO TERMODINMICA DE MOTORES DIESEL UTILIZANDO LEO DIESEL E BIODIESEL PARA VERIFICAO DOS PARMETROS DE DESEMPENHO E EMISSES

Gelson Carneiro de Souza Junior Arsenal de Marinha do Rio de Janeiro 20180-000 Rio de Janeiro RJ Brazil, gelson@amrj.mar.mil.br Resumo. O presente trabalho tem como objetivo principal o desenvolvimento de um simulador de motores baseado em uma formulao termodinmica (zero - dimensional), que simula as fases de compresso, combusto e expanso de motores diesel de injeo direta, podendo tambm utilizar combustveis alternativos (biodiesel). Como objetivo secundrio foi realizada a medio dos gases de descarga para cada combustvel utilizado na bancada de testes para validao do simulador. Keywords: Simulao de motores; motores de ignio por compressol; combusveis alternativos, emisses .

1 Introduo No panorama energtico atual, h um aumento significativo da mistura de biodiesel junto ao diesel, sendo utilizada esta combinao como pesquisa de combustveis alternativos para motores de combusto interna. No Brasil, o biodiesel derivado dos leos de soja e de palma est sendo produzido para esse fim. Quando essas misturas de combustveis so utilizadas como substitutas para o leo diesel, muito importante compreender os parmetros que afetam as fases operacionais do motor e os resultados das modificaes de desempenho e de emisses. As propriedades do biodiesel a ser utilizado dependem do tipo de leo vegetal usado no processo de produo. Anlises experimentais do motor com misturas de combustveis diferentes exigem muito esforo, tempo e, consequentemente, grande investimento. Sendo assim, um modelo termodinmico foi desenvolvido para analisar as caractersticas de desempenho do motor, utilizando como combustvel diferentes misturas.

2 Metodologia da pesquisa Um modelo de simulao zero-dimensional desenvolvido para a simulao do motor. A simulao de combusto baseada em Lin (1962) e Watson (1980), e consiste em trs fases distintas: o atraso da ignio, a combusto pr-misturada e a combusto difusiva. O estudo termodinmico e desenvolvimento destas fases resultam num sistema de equaes diferenciais ordinrias, resolvido com o pacote de software MATHEMATICA.

3 Modelo termodinmico Um modelo baseado na primeira lei da termodinmica para o ciclo fechado foi desenvolvido para estudar o desempenho do motor, incluindo os processos de compresso, de combusto e de expanso. O processo de compresso modelado com a equao de gs ideal e equaes para o processo politrpico. O processo de combusto modelado atravs da funo dupla de

Weibe. Segundo Watson (1980) e Miyamoto et al. (1985), esta funo usada para modelar adequadamente a combusto nas fases pr-misturada e difusiva. O atraso de ignio obtido utilizando a funo de Hardenberg (1979). 3.1 Geometria do motor A geometria bsica do cilindro do motor mostrada na Figura 1.

Figura 1 Geometria do motor

A variao do volume do cilindro (V) com o ngulo de manivela() dada por Heywood (1988), na Equao 1:

2 21( ) 1 ( 1) 1 ( ( )2 180 180c

V V r BM cos BM sen = + + (1)

onde BM a relao biela-manivela (L/Rv), r a taxa de compresso do motor e Vc o volume da cmara de compresso (volume morto). 3.2 Equao da energia Utizando a 1 Lei da Termodinmica no volume de controle da Figura 2, temos:

WF QQdU W

d

= (2)

Figura 2 Balano de energia no cilindro

onde U a energia interna do sistema, QF a quantidade de energia, sob a forma de calor, fornecida pelo combustvel, QW a quantidade de energia perdida pelas paredes do cilindro, incluindo a parte supeior (cabeote) e inferior (cabea do pisto), e W o trabalho realizado. A energia interna e o trabalho realizado podem tambm ser escritos em funo das variveis termodinmicas, presso e temperatura, conforme descrito nas Equaes 3 e 4. Alm destas, o gs no interior do cilindro pode ser considerado um gs perfeito (Equao 5):

vg g v

g g

dcdU dTm T m cd d dW dVP

dPV m R T

= +

==

(3)

(4)

(5)

onde T a temperatura, P a presso, mg a massa de gs da mistura no interior do cilindro, Rg a constante universal dos gases desta mistura e cv o calor especfico a volume constante. Substituindo as Equaes 3, 4 e 5 na Equao 2 e considerando que:

g p v

p

v

R c ccc

=

=

(6)

(7)

obtemos a Equao 8, que representa a evoluo das variveis termodinmicas no sistema, com a variao do ngulo do eixo de manivelas, considerando as perdas de calor.

1 1 1 1 1( 1) ( 1)

WF QQdT d dVT d d PV V d

= (8) 3.3 Atraso da ignio O intervalo de tempo entre o incio da injeo e o incio da combusto, definido como perodo de atraso de ignio, calculado pela equao desenvolvida por Hardenberg (1979), conforme descrito na Equao 9:

0,631 1 21,2

17190 12,4( ) (0,36 0, 22. ).

a

AI P

ERT P

S e

= + (9) onde Sp a velocidade mdia do pisto e Ea a energia de ativao, que pode ser obtida pela seguinte expresso:

618840

25aE

NC= + (10)

sendo NC o nmero de cetano do combustvel. 3.4 Energia liberada pelo combustvel A energia total introduzida no sistema pelo combustvel (QF), depende da massa de combustvel introduzida (mF) e do poder calorfico inferior do combustvel (LHV), de acordo com a Equao 11:

(11)

A taxa de liberao de calor pode ser expressa por:

(12)

onde dx/d a taxa de queima de combustvel. A frao de combustvel queimado, pode ser expressa pela funo dupla de Wiebe, representando as parcelas da combusto pr-misturada e da combusto difusiva, como apresentado na Equao 13. Nota-se que: xp + xd = 1.

(13)

3.5 Transferncia de calor Para o clculo da transferncia de calor pelas paredes do cilindro, cabeote e cabea do pisto, foi utilizada a equao de Woschni (1974), conforme as Equaes 14 e 15:

(14)

(15)

onde h o coeficiente de transferncia de calor por conveco, D o dimetro do pisto, vg a velocidade dos gases no interior do cilindro, Vd a cilindrada do motor e P0 a presso de admisso de ar. As variveis P, V, e T com ndices 1 so as condies inciais no interior do cilindro no momento do fechamento da vlvula de admisso de ar.

3.6 Clculo do calor especfico apresentada uma nova expresso para o clculo do calor especfico a presso constante (cp), em funo da temperatura, em uma equao polinomial para temperaturas acima de 4000 K, proposta por Lanzafame et al. (2003):

2 3 4 5

0 1 2 3 4 5( ) (ln ) (ln ) (ln ) (ln ) (ln )pc T a a T a T a T a T a T= + + + + + (16)

Segundo Zhou (2005), o biodiesel apresenta o calor especfico a presso constante, com um valor cerca de 40% maior do valor para o leo diesel. Os coeficientes a1, a2, a3, a4 e a5 so apresentados nas referncias citadas para o biodiesel e leo diesel.

3.7 Combustvel equivalente

A definio de combustvel equivalente, (Heywood, 1988) foi utilizada na pesquisa, conforme a Equao 17, denotada por CoHpOq, onde C, H e O so os tomos de carbono, hidrognio e oxignio.

(17)

Os valores para "o", "p" e "q" so dados na Equaes 18, 19 e 20:

(10)

(18)

(19)

(20)

Onde "% D" e "%B" so o percentual de diesel e biodiesel que a mistura apresenta.

3.8 Parmetros de desempenho

O programa de simulao gera, no final de seus clculos, uma curva P x , e a partir desta curva pode-se calcular o trabalho indicado (Wi) confome a Equao 21, onde fv o ngulo de fechamento da vlvula de admisso de ar e av o ngulo de abertura da vlvula de descarga dos gases.

( )av

i fvW P dV

= (21)

Com o valor do trabalho indicado (Wi), pode-se calcular os outros parmetros de desempenho, como a potncia mdia indicada (PMI), a potncia (Pot) e o torque (Tq).

4 Dados de entrada

Os dados de entrada para o modelo de simulao so os seguintes: - Geometria (caractersticas do motor); - As condies iniciais de operao; - Dados de combusto, como a durao da combusto pr-misturada e difusiva, taxa de

combustvel queimado, etc; e - Composio do combustvel, com as misturas sendo produzidas variando de 3% (B3)

at 100% (B100) do biodiesel misturado ao leo diesel. Nesta pesquisa, o biodiesel de soja foi utilizado. A Tabela 1 apresenta os resultados de anlises de biodiesel de soja.

Tabela 1 Anlise do biodiesel de soja

Caractersticas Unidade Faixa Resultado Densidade a

20 oC kg/m3 850 - 900 882.1

Viscosidade a 40 oC mm2/s 3.0 - 6.0 4.132

Teor de gua mg/kg max 500 < 500 Contaminao total mg/kg max 24 - Nmero de cetano - 42-46 45

Ponto de fulgor C 100 153 Teor de carbono % massa max 0.02 0.00724 Ponto de nvoa C xxx -3 ndice de acidez mgKOH/g max 0.50 0.1

5 Resultados da simulao

A Figura 3 apresenta o resultado da simulao para as curvas de presso versus ngulo, no ponto de operao com 50% da carga mxima e uma rotao de 2.500 rpm. A carga mxima foi definida traando-se a curva caracterstica do motor, no experimento, sendo

encontrado um valor de torque mximo de 40 N.m. Observa-se que diferentes curvas so apresentadas para as diversas misturas utilizadas. Para todas as curvas, tanto simuladas quanto experimentais, o ngulo de injeo de combustvel foi de 17 antes do ponto morto superior (PMS).

Figura 3 - Presso versus ngulo de manivela

Tambm foram obtidas as curvas de temperatura versus o ngulo de manivela para as diferentes misturas. Elas so apresentadas na Figura 4.

Figura 4 Temperatura versus ngulo de manivela

A Figura 3 mostra que os combustveis que possuem maior teor de biodiesel na mistura entram em combusto mais rapidamente do que os que possuem menores teores de biodiesel. Isso se deve ao fato de que o nmero de cetano (NC) do biodiesel de soja maior do que o do leo diesel. Observa-se tambm (Figura 4) que os combustveis com maior teor de biodiesel apresentaram valores maiores de temperaturas no interior da cmara de combusto. 6 Testes experimentais

A Tabela 2 apresenta as principais caractersticas do motor utilizado em bancada para validao do simulador.

Os testes exprimentais foram realizados nas instalaes do Laboratrio de Mquinas Trmicas, da Universidade Federal do Rio de Janeiro. Foram tambm utilizados nos testes um dinammetro, um sistema de aquisio de dados para a verificao dos parmetros de desempenho, alm de um medidor dos gases de descarga.

Tabela 2 Caractersticas do motor

Fabricante / Modelo AGRALE/M95W

Tipo 04 tempos Diesel

Cilindro 01 cilindro

vertical, injeo direta

Dimetro do cilindro 95 mm Curso 105 mm

Dimetro da vlvula de admisso 42 mm

Cilindrada 744 cm3 Relao biela-manivela 3,24

Razo de compresso 21:1

A Figura 5 apresenta um diagrama simplificado dos equipamentos utilizados durante os ensaios. Um dinammetro DINAMATIC foi utilizado com o sistema de aquisio de dados DinMon. Vrios instrumentos para medir o consumo de combustvel, as curvas de presso, as temperaturas e o torque, pertencentes ao laboratrio, tambm foram utilizados. A Figura 6 mostra a localizao dos sensores de temperatura no motor.

Figura 5 Equipamentos utilizados durante os testes

Figura 6 - Sensores de temperatura no motor

7 Simulao x testes experimentais

Foram analisados diferentes pontos de operao usando diferentes misturas de combustveis, e foram comparadas as curvas simuladas e experimentais. A Figura 7 apresenta os resultados da simulao e dos testes experimentais da mistura B10 para carga de 50% da carga mxima e rotao de 2.000 rpm.

Figura 7 Simulao x experimental

Tabela 3 B20 Simulado x Experimental

% Carga/ RPM

Presso mdia indicada

(bar)

Potncia

(kW)

Exp Sim. Erro

(%) Exp Sim.

Erro

(%)

25 / 1500 3.71 3.85 +3.81 1.57 1.48 -6.00 50 / 1500 5.48 5.62 +2.63 3.16 3.09 -1.99 75 / 1500 8.23 8.36 +1.61 4.74 4.63 -2.32 25 / 2000 3.84 3.98 +3.68 2.09 2.12 +1.00 50 / 2000 5.39 5.42 +0.58 4.21 4.19 -0.50 75 / 2000 8.07 8.21 +1.74 6.30 6.37 +1.00 25 / 2500 3.71 3.77 +1.66 2.67 2.85 +6.86 50 / 2500 5.39 5.55 +2.99 5.26 5.58 +5.97 75 / 2500 7.97 8.52 +6.90 7.91 8.01 +1.32

Na bancada de testes foram verificados os percentuais dos gases de descarga para cada mistura. A figura 8 mostra uma reduo significativa dos nveis de monxido de carbono (CO) com a utilizao de biodiesel em maiores teores. Entretanto, devido a temperaturas mais elevadas encontradas na combusto com o biodiesel, os nveis de NOx aumentaram, conforme verificado na Figura 9.

Figura 8 Emisses de CO

Figura 9 Emisses de NOx

8 Anlises e concluses Quanto ao simulador, a Tabela 3 apresenta erros inferiores a 8% entre a simulao e os resultados experimentais, verificados para os parmetros de desempenho. Os modelos de simulao, desenvolvidos corretamente, podem prever o desempenho de um motor, usando diferentes misturas de biodiesel e leo diesel. Consequentemente, pode-se obter uma grande economia em testes experimentais a serem desenvolvidos. Quanto ao experimento, na utilizao do biodiesel em substituio ao leo diesel, em diversos percentuais de misturas, observou-se que o mesmo apresenta um bom comportamento, conseguindo manter carga e rotao nos pontos de operao testados. Na anlise da descarga de gases, notou-se uma reduo significativa dos gases de descarga

nocivos ao ambiente. Os nveis de CO tiveram uma reduo de cerca de 67% em relao a utilizao do combustvel B3 quando se utilizou o B100. Entretanto, os nveis de NOx aumentaram com o uso do B100 em cerca de 65% em relao ao B3. 9 Referncias Bibliogrficas HANDENBERG,H. O., HASE, F. W., An Empirical Formula for Computing the Pressure Rise Delay of a Fuel from its Cetane Number and from the Relevant Parameters of Direct-Injection Diesel Engines, SAE Technical Paper, 1979, nr. 790493, vol. 88. HEYWOOD, J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Company, 1988. LANZAFAME, R., MESSINA, M., ICE Gross Heat Release Strongly Influenced by Specific Heat Ratio Values, International Journal of Automotive Technology, 2003, Vol. 4, N. 3, pp. 125-133. LYN, W., Study of Burning Rate and Nature of Combustion in Diesel Engines, Nineth International Symposium on Combustion, 1962, pp.1069-1082, The Combustion Institute. MIYAMOTO N., CHIKAHISA T., MURAYAMA T., SAWYER R., Description and Analysis of Diesel Engine Rate of Combustion and Performance Using Wiebes Functions, SAE International Congress and Exposition, Detroit, Michigan, 1985, SAE paper n 850107. WATSON, N., PILLEY, A. D., MARZOUK, M., A Combustion Correlation for Diesel Engines Simulation, SAE Paper, 1980, nr. 800029. WOSCHNI , G., ANISITS, F., Experimental Investigation and Mathematical Presentation of Rate of Heat Release in Diesel Engines Dependent Upon Engine Operating Conditions, SAE Paper, 1974, nr. 740086. ZHOU, P. L., FET, A. M., A Feasibility Study of Using Biodiesel in Recreational Boats in the UK, University of Strathclyde, Glasgow, UK, 2005.