estudo experimental da combustÃo do etanol ......cabeça do pistão para o condicionamento térmico...
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Departamento de Engenharia Mecânica
ESTUDO EXPERIMENTAL DA COMBUSTÃO DO ETANOL
ADITIVADO NA MÁQUINA DE COMPRESSÃO RÁPIDA
Aluno: Dayana Siqueira de Azevedo
Orientador: Carlos Valois Maciel Braga
Introdução
Hoje em dia, muitas pesquisas estão sendo realizadas para substituir o diesel por
combustíveis alternativos. O Biodiesel e o etanol são fortes candidatos para esta finalidade.
No entanto, o estudo experimental da combustão de biocombustíveis em motores não é uma
tarefa fácil. Devido às grandes diferenças entre as propriedades dos novos combustíveis e o
diesel convencional, alterações radicais podem ser necessárias nos motores atuais,
desenvolvidos especificamente para o combustível fóssil. Assim, o estudo experimental da
combustão por compressão para a ignição do etanol não é simples de ser obtida nos motores
convencionais. Portanto, algum aparato experimental, como uma máquina de compressão
rápida (MCR), é útil para a realização desse tipo de estudo. Este relatório descreve as
adaptações feitas na MCR, a fim de executar testes de combustão usando o combustível
etanol-aditivado (ED95), o combustível desenvolvido pela Puc-Rio (ADPUC) e o diesel (S50)
para diferentes taxas de compressão e tempo de injeção. A MCR foi equipada com um
sistema de injeção do diesel (Common-Rail), um sensor piezoeléctrico, o seu amplificador e
uma câmara de alta velocidade. A ideia é usar os resultados obtidos com este sistema no
futuro para adaptar os motores e fazer correlações com os testes do motor.
A utilização de etanol como um substituto para o gasóleo nos motores diesel requer
qualquer modificação do motor, ou a utilização de aditivos para reduzir a temperatura de
ignição do combustível álcool. Durante mais de 30 anos, o etanol tem sido utilizado como
fonte de energia química na propulsão de veículos com motor diesel [1]. Pesquisas nos
últimos anos têm mostrado resultados positivos: em 2006, a União Europeia tem incentivado
o projeto BEST - Bioetanol para o Transporte Sustentável, coordenado pela cidade de
Estocolmo, na Suécia [2]. Este projeto teve como objetivo testar o aditivo de etanol em
veículos de transporte público em várias cidades do mundo, incluindo São Paulo [3]. Em São
Paulo, o projeto foi realizado com parceria de várias empresas. Scania América Latina
importou o chassi e o motor da Suécia, Marcopolo projetou, construiu e forneceu o corpo [4],
UNICA - União da Indústria de cana de açúcar forneceu o etanol para testes e BAFF /
SEKAB fez o aditivo, enquanto a Petrobras se encarregou da importação deste aditivo [3]. O
ED95 usado em motores diesel consiste em 95% de etanol e 5% de um aditivo com
características de melhoramento de ignição [2].
O Laboratório de Engenharia Veicular da Puc-Rio utilizou os testes com o
combustível ED95 para elaborar o novo combustível (ADPUC), foi utilizado o
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Polietilenoglicol (PEG), que é um tipo de polímero obtido da polimerização do óxido de
etileno, cujo peso molecular disponível comercialmente varia entre 300 e 10.000.000. Os
testes foram realizados com o PEG 400 nas concentrações de 10, 15 e 20% (m/m) em etanol
hidratado como aditivos para encontrar um resultado semelhante ao ED95.
Objetivos
O principal objetivo é desenvolver novas tecnologias para orientar a concepção de
novos motores e nova formulação do combustível, reduzindo rapidamente o tempo e os custos
do processo de desenvolvimento. Os resultados mostram o comportamento da combustão,
com a variação da taxa de compressão e o tempo de injeção. O momento de injeção associada
com taxas de compressão mais elevadas permite a otimização do processo de combustão,
aumentando a eficiência térmica, reduzindo assim as emissões de gases de escape.
Equipamentos e Metodologia
A. Máquina de Compressão Rápida (MCR)
A utilização da MCR permite estudar o comportamento dos combustíveis quando são
testados em processos de combustão por compressão e de ignição por centelha. A MCR está
instalada no Laboratório de Engenharia Veicular (LEV) na universidade PUC-Rio. Esta
máquina é capaz de operar de forma rápida e facilmente em ciclos Otto e Diesel. Figuras 1 e 2
mostram a foto da MCR e seu esquema de operação.
Figura 1. MCR instalada no LEV (PUC-Rio)
A máquina de compressão rápida executa um único processo de compressão e um
processo de expansão parcial para cada teste, desta forma possibilita os estudos mais
detalhados da injeção, vaporização, ignição, crescimento de chamas e combustão dos
combustíveis. A Tabela 1 resume as principais especificações da MCR.
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A operação da MCR pode ser explicada mediante três sistemas interligados com
funções predeterminadas: pneumático, hidráulico e de injeção de combustível. O sistema
pneumático fornece e controla o sistema de ar para o acionamento da MCR e para o processo
de combustão. Basicamente, compreende de um cilindro para armazenamento de ar
comprimido, um compressor, sensores de pressão e válvulas de admissão. O sistema
hidráulico é o encarregado das funções principais da MCR, o qual permite a geração do
processo de compressão no teste. Além disso, este sistema assegura a vedação entre o
cabeçote e o corpo da MCR, tendo as partes acopladas. Basicamente, compreende de um
reservatório de óleo, uma bomba de pistão, válvulas e sensores de alta pressão.
Figura 2. Adaptação e instalação da MCR para testes a diesel
Tabela 1. Importantes especificações da MCR.
Diâmetro do pistão (mm) 84
Curso do pistão (mm) 120 - 249
Taxa de compressão (-) 5 - 25
Simulação de rotações (RPM) 1500 - 3500
Sistema de injeção direta Diesel e Otto
Max. Desempenho do tiro 30 único tiro/h
Max. Pressão de combustão (bar) 200
Max Pressão de acionamento do pistão (bar) 0-50
O teste é determinado a partir da câmara de ar pressurizada, quando se alcança a
pressão de acionamento do pistão e a pressão do ar na câmara o pistão se move (curso de
compressão) e o pistão de óleo (pistão de equilíbrio) se move em sentidos oposto, o que
minimiza a vibração do equipamento. A velocidade de condução do pistão é determinada pela
pressão da câmara de ar, a pressão de acionamento do pistão e também pela unidade de área
de óleo que flui dentro da MCR. Esta área é ajustável e permite que a MCR simule diferentes
velocidades do motor. Em relação à mesma área de fluxo, as pressões de acionamento mais
elevadas significam taxas de compressão mais elevadas. A pressão de acionamento deve ser
compatível com o curso do pistão para evitar danos mecânicos (choque entre o pistão e o
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cabeçote). O sistema de injeção de combustível pode operar com injetores de alta e baixa
pressão de injeção. Este sistema está equipado com um controlador que permite controlar a
pressão de injeção de combustível e o tempo de duração da injeção, um sensor de pressão,
uma vela de ignição utilizada nos processos de ignição por centelha, um injetor de
combustível, uma bomba de alta pressão e o tanque de combustível.
B. Metodologia
A MCR foi equipada com sistema de injeção do diesel (Common-Rail). O ar foi
introduzido na câmara de combustão, antes do curso de compressão, e o combustível ED95
foi ajustado ao tempo de injeção típico. O tempo e a pressão da injeção do ED95 foram
reajustados para fornecer a mesma quantidade de energia química injetado num processo de
combustão diesel. As características do motor utilizado como referência estão apresentados na
Tabela 2. O valor do poder colorífico inferior (PCI) do diesel S50 é de aproximadamente 44,5
MJ / kg [5], para o ED95 é de 24,7 MJ / kg [6], já para o ADPUC ainda não foi encontrado o
valor real do PCI. Para cada processo de combustão, cerca de 80% a mais de massa de ED95
foi injetado em relação à quantidade de combustível injetado quando se opera com diesel S50.
As adaptações e instalação experimental na MCR foram mostradas na figura. 2. Aquecedores
elétricos foram adaptados tanto na parte superior do revestimento do cilindro quanto na
cabeça do pistão para o condicionamento térmico adequado da câmara de combustão durante
as experiências. A temperatura da parede e da cabeça do pistão foi estabelecida a cerca de 90
° C.
Tabela 2. Características do motor diesel.
Diâmetro interno 85 mm
Curso 88 mm
Comprimento do biela 145 mm
Tolerância 0,4 mm
Cilindrada 1997 cm3
Número de cilindros / Arquitetura 4 cilindros em linha
Número de válvulas / cilindros 4 válvulas
Taxa de compressão nominal 16
Potência máxima 120 kW CEE (163 ch CEE)
Torque máximo 340 Nm
Regime de marcha lenta fria 800 tr/mn (± 20 tr/min) à 20°C
Regime de marcha lenta quente 750 tr/mn (± 10 tr/min) à 80°C
Regime máximo vazio 5100 tr/Mn (+/- 150)
Regime de torque máximo 2000 tr/mn
Velocidade máxima 3750 tr/mn
Valor do torque na máxima potência 301 Nm
Regime máximo de potência 5000 tr/mn
O fabricante da MCR forneceu a caracterização do bico injetor do diesel. Durante os
ensaios, esta caracterização foi usada como referência para determinar o tempo e a pressão de
injeção, uma vez que o laboratório não possui um conjunto de equipamentos para caracterizar
um injetor diesel utilizando ED95 e/ou ADPUC. No entanto, a situação ideal para minimizar
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as incertezas associadas com os resultados é fazer a caracterização do bico injetor diesel
usando o ED95 e o ADPUC.
C. Resultados
Os testes foram realizados utilizando os combustíveis, Diesel S50, etanol ED95 e
ADPUC (com aditivos PEG400 com diferentes percentagens, 10, 15 e 20%). No teste
realizado com o Diesel S50 se manteve as condições de tempo de injeção, o ponto da injeção
e a pressão no common-rail. Este teste serviu de referência para os testes com ED95 e os
ADPUC. Os testes com com os combustíveis com etanol foram feitas com diferentes taxas de
compressão e diferentes pontos de injeção. Os processos de combustão foram feitos com taxas
de compressão 16, 20 e 25, com pontos de injeção a partir de 13 ° a 27 ° antes do PMS. As
Tabelas 7 e 8 mostram um resumo de todos os resultados obtidos nos diferentes ensaios
efetuados.
Tabela 3. Resultado dos testes na MCR
Ponto de
injeção Situação
Diesel
TC = 16
ED95
TC = 16
ED95
TC = 20
ED95
TC = 25
13° Combustão - Não Não Sim
P_Max (bar) - 37.99 50.99 98.00
15 Combustão Sim - - -
P_Max (bar) 83.32 - - -
17° Combustão - Não Não Sim
P_Max (bar) - 37.14 47.58 116.75
20° Combustão - Não Sim Sim
P_Max (bar) - 36.57 105.50 121.72
22° Combustão - - Sim Sim
P_Max (bar) - - 114.27 133.50
23° Combustão - - Sim Sim
P_Max (bar) - - 112.62 136.23
24° Combustão - - Sim Sim
P_Max (bar) - - 112.96 140.73
25° Combustão - - Sim Sim
P_Max (bar) - - 120.96 140.04
27° Combustão - - Não -
P_Max (bar) - - 47.33 -
Tabela 8. Resultado dos testes na MCR
Ponto de
injeção Situação
PEG400
(10%)
PEG400
(15%)
PEG400
(15%)
PEG400
(20%)
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TC=20 TC=20 TC=25 TC=20
13° Combustão Não Não Sim Não
P_Max (bar) 50,70 50,64 97,29 50,33
15° Combustão - - - -
P_Max (bar) - - - -
17° Combustão Não Sim Sim Sim
P_Max (bar) 50,76 100,56 112,23 100,98
20° Combustão Não Sim Sim Sim
P_Max (bar) 51,60 106,07 124,39 105,98
22° Combustão Não Sim Sim Sim
P_Max (bar) 51,30 115,06 130,37 115,78
23° Combustão Não Sim Sim Sim
P_Max (bar) 51,55 119,28 135,74 118,62
24° Combustão Não Sim Sim Sim
P_Max (bar) 50,79 122,46 142,26 123,13
25° Combustão Não Sim Sim Sim
P_Max (bar) 51,54 129,62 153,50 123,67
27° Combustão Não Sim Sim Sim
P_Max (bar) 51,10 129,60 164,29 130,77
Figura 3. Pressão no cilindro para o teste com o diesel S50. Avanço = 15° antes do PMS, a
duração de injeção = 1,75 ms, pressão de injeção = 1070 bar.
A Figura 3 mostra o comportamento da pressão no ensaio feito usando diesel S50. O
pico de pressão ocorre cerca de 6,12° depois do PMS. As figuras seguintes apresentam as
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melhores curvas de pressão nos processos de combustão com o ED95 e os ADPUC quando
utilizando as relações de compressão de 20:1 e 25:1.
Os resultados dos testes conduzidos com ED95 e uma razão de compressão de 16:1,
não são apresentados, devido ao fato de não ter ocorrido combustão. . Cabe mencionar que
este combustível é utilizado num motor de ciclo diesel com TC = 28:1
1. A comparação das curvas de pressão para diferentes pontos de injeção.
Através da Figura 4, observa-se o comportamento da pressão máxima do Diesel S50
(referência), D95 e das misturas de etanol hidratado com PEG400 quando se trabalha com
taxas de compressão de 16:1 (utilizada só no teste com Diesel S50), 20:1 e 25:1. O avanço da
injeção para este conjunto de testes foi mantido em 23° antes do PMS. Observa-se que para os
testes com TC = 20:1, o aumento da pressão máxima na combustão foi de 6%, para as
misturas de etanol com PEG400 (15% e 20%), em comparação ao valor da pressão máxima
na combustão com ED95. A combustão com ED95 para TC = 25:1 eleva em 21% a pressão
máxima na combustão com relação ao teste realizado com TC = 20:1. A combustão com
PEG400(15%) para TC = 25:1 eleva em 14% a pressão máxima na combustão com relação ao
teste realizado com uma TC = 20:1.
Na Figura 5 observa-se o comportamento da pressão máxima do Diesel S50
(referência), ED95 e as misturas de etanol hidratado com PEG400. As taxas de compressão
utilizadas são 16:1, 20:1 e 25:1. O avanço da injeção foi mantido em 27° antes do PMS.
Observa-se que para os testes com TC = 20:1, o aumento da pressão máxima na combustão de
5%, para as misturas de etanol com PEG400 (15% e 20%), em comparação ao valor da
pressão máxima na combustão com ED95. A combustão com ED95 para TC = 25:1 eleva em
16% a pressão máxima na combustão com relação ao teste realizado com uma TC = 20:1. A
combustão com PEG400(15%) para TC = 25:1 eleva em 18% a pressão máxima na
combustão com relação ao teste realizado com uma TC = 20:1.
Na Figura 6 observa-se o comportamento da pressão máxima do Diesel S50
(referência), ED95 e as misturas de etanol hidratado com PEG400. As taxas de compressão
utilizadas são 16:1, 20:1 e 25:1. O avanço da injeção foi mantido em 27° antes do PMS.
Observa-se que para os testes com TC = 20:1, ocorreu combustão para as misturas de etanol
com PEG400 (15% e 20%). A combustão com PEG400(15%) para TC = 25:1 eleva em 27% a
pressão máxima na combustão com relação ao teste realizado com uma TC = 20:1.
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Figura 4. Ponto de injeção de 23°
Figura 5. Ponto de injeção de 25°
0
20
40
60
80
100
120
140
160
-150 -100 -50 0 50 100 150
Pre
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o n
o i
nte
rio
r d
o c
ilin
dro
(b
ar)
Ângulo de virabrequim relativo ao PMS (graus)
Diesel TC = 16
ED95 TC = 20
ED95 TC = 25
PEG400 (20%) TC = 20
PEG400 (15%) TC = 20
PEG400 (15%) TC = 25
0
20
40
60
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100
120
140
160
180
-150 -100 -50 0 50 100 150
Pre
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o n
o i
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rio
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o c
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dro
(b
ar)
Ângulo de virabrequim relativo ao PMS (graus)
ED95 TC = 20
Diesel TC = 16
ED95 TC = 25
PEG400 (20%) TC = 20
PEG400 (15%) TC = 20
PEG400 (15%) TC = 25
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Figura 6. Ponto de injeção de 27°
2. A comparação das pressões máximas para diferentes tipos TC.
Figura 7. Pressão máxima no cilindro para o teste com TC = 20.
Na Figura 7, pode ser visto que a diferença na pressão máxima do combustível
ADPUC PEG400 (15%) e PEG400 (20%) é praticamente nula, já em relação ao ED95 o
aumento foi de aproximadamente 1,5%
0
20
40
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100
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-150 -100 -50 0 50 100 150
Pre
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o n
o i
nte
rio
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o c
ilin
dro
(b
ar)
Ângulo de virabrequim relativo ao PMS (graus)
Diesel TC = 16
ED95 TC = 20
PEG400 (20%) TC = 20
PEG400 (15%) TC = 20
PEG400 (15%) TC = 25
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-150 -100 -50 0 50 100 150
Pre
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rio
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(M
Pa
)
Ângulo de virabrequim relativo ao PMS (graus)
PEG400 (15%) - 25°
PEG400 (20%) - 27°
ED95 - 25°
Diesel
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Figura 8. Pressão máxima no cilindro para o teste com TC = 25.
Na Figura 8, pode ser visto que a diferença entre os combustíveis PEG400 (15%) e
ED95 é de aproximadamente 2,5%.
A combustão com PEG400(15%) para TC = 25:1 eleva em 3,14% a pressão máxima
na combustão com relação ao teste realizado com uma TC = 20:1. Já a combustão com ED95
eleva em 1,8%.
Conclusões
Durante os testes, foi possível observar que o etanol-aditivado (ED95) não pode
trabalhar em ciclo diesel sem se alterar a taxa de compressão. Portanto, a fim de tornar
possível a substituição do diesel por ED95 e ADPUC em motores a diesel, a primeira
alteração mecânica, é de aumentar a taxa de compressão.
O ponto de injeção estabelecido pela unidade de comando eletrônico do motor de
referência, quando operando com óleo diesel para a condição de 1500 rpm em plena carga é
de cerca de 15 graus. Utilizando este valor de referência do ponto de injeção e uma taxa de
compressão de 16 nos testes da MCR com o combustível ED95 não houve combustão. Para o
ponto de injeção de 15 graus, a única taxa de compressão que apresentou combustão, entre
aqueles que foram testados, foi a de 25. Para obter a combustão com uma taxa de compressão
intermediária foi necessário variar o ponto de injeção do combustível. Com um maior avanço
do ponto de injeção, os testes apresentaram combustão. O ponto de injeção observado nos
testes foram maiores do que os observados em testes a diesel. Portanto, é possível concluir
que, a fim de se obter combustão do etanol-aditivado em ciclo diesel, é necessário mudar o
tempo de injeção, além da taxa de compressão.
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2
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Pre
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r d
o c
ilin
dro
(M
Pa
)
Ângulo de virabrequim relativo ao PMS (graus)
PEG400 (15%) - 27°
ED95 - 24°
Diesel
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Referências
1. CADDET IEA OECD, “Ethanol – Powered Buses in Skaraborg”, Technical Brochure
N° 91, Oxfordshire – England, 1998.
2. CENBIO – Centro Nacional de referencia em Biomassa, “Projeto Best – Bioetanol
Para um Transporte Sustentável”, São Paulo – Brazil, 2008.
3. BEST, “The BEST Experiences with bioethanol buses”, Stockholm - Sweden, 2010.
4. Strömberg, J., “CVF 2009 - Scania’s Experience on biofuels”; São Paulo - Brazil,
2009.
5. Petrobras Distribuidora S.A., “Ficha de Informação de Segurança de Produto Químico
– FISPQ, Óleo Diesel S50”, Rio de Janeiro – Brasil, 2011.
6. Olofsson, M., “SEKAB – Polish Bioethanol as Clean Alternative for urban Heavy
Transport”, Warsaw – Poland, 2009.
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