ANÁLISE DA VARIAÇÃO DOS PARÂMETROS DE DESEMPENHO DEUM MOTOR DE IGNIÇÃO POR COMPRESSÃO UTILIZANDO

MISTURAS ÁLCOOL-DIESEL

Ithamar Ribeiro RangelInstituto Militar de Engenharia - IME

Departamento de Engenharia Mecânica e Materiais - DE/4Praça Gen. Tibúrcio, 80, Praia Vermelha - Urca - cep: 22290-160

Rio de Janeiro, RJ, Brasilita@epq.ime.eb.br / ithamar@ajato.com.br

Roberto Guimarães PereiraUniversidade Federal Fluminense - UFFDepartamento de Engenharia Mecânica

Rua Passos da Pátria, 156, São Domingos - cep: 24210-240Niterói, RJ, Brasil

temrobe@vm.uff.br

RESUMO

A baixa solubilidade do etanol anidro emóleo diesel, motivou o estudo de misturas ternáriasonde o butanol normal é utilizado como co-solvente.Dentro deste enfoque várias misturas foramensaiadas no motor MBB OM355/6A, obtendo-seem alguns casos, desempenho igual ou superior aodo óleo diesel. Os resultados obtidos nos testes dedesempenho em banco dinamométrico, olevantamento dos parâmetros reológicos e aspropriedades físico-químicas de misturas sãoapresentados.

ABSTRACT

The low solubility of ethanol in the dieseloil has motivated the study of blends using butanollike co-solvent. In this work, rheological parametersand physical and chemical properties wereinvestigated. The blends were tested in engines as:MBB OM355/6A. The results obtained indynamometer bench, the rheological and physicaland-chemical properties are shown.

INTRODUÇÃO

A matriz energética mundial mostra umamovimentação acelerada de substituir parte doscombustíveis fósseis por combustíveis derivados dasbiomassas. Tanto na Europa e nos Estados Unidoscomo na América Latina e Ásia, mostram tendênciasde intensificação de pesquisas e rápido aumento de

produção e uso de biocombustíveis, gerados à basede diversas matérias primas agrícolas, como milho,beterraba, trigo, soja e girassol, além da cana.

A demanda de óleo diesel, mais do quequalquer outro derivado, vem determinando a muitouma evasão de divisas através das importações doóleo cru e do próprio óleo diesel, além disso,ressalta-se que os grandes produtores e as grandesquantidades das Reservas Mundiais encontram-se noOriente Médio, região dotada de alta instabilidadepolítica. Dentro deste panorama o óleo diesel torna-se um combustível crítico, pois qualquerimpedimento às importações traria um reflexoimediato ao sistema de transporte do país, já que estesistema é baseado principalmente no transporterodoviário. Esses aspectos associados que novasreservas mundiais de petróleo estão cada vez maisescassas, torna-se imperativo que pesquisas sejamrealizadas com o objetivo de encontrar alternativasque venham minimizar ou até atingir um grau decompleta independência, não só do óleo diesel, mascomo de todos derivados do petróleo

No entanto, se as poucas modificações nostradicionais motores de ignição por centelha ( motora gasolina) viabilizaram a utilização do etanol.Primeiro como mistura e depois como substitutocompleto da gasolina, o mesmo não ocorre para como óleo diesel.

Dentre as várias alternativas parasubstituição parcial do óleo diesel, a utilização demisturas diesel-etanol anidro destaca-se como a deaplicação mais simples , já que existe grandedisponibilidade de etanol e não é necessárioqualquer alteração no motor original.

O principal problema deste tipo dealternativa é a baixa solubilidade do etanol em óleodiesel, e estabilidade que essas misturas possuemcom a variação de temperatura e umidade ambiente,impedindo a utilização de misturas com teores acimade aproximadamente 5% de etanol. . Uma dassoluções para aumentar a solubilidade e melhorar aestabilidade é utilizar uma terceira substância que,agindo como co-solvente, possibilite teores demisturas com o melhor nível de estabilidade e as emaiores percentuais de substituições. Dentre asvárias alternativas de utilização de co-solventes,optou-se inicialmente pelo butanol, uma vez que estasubstancia pode ser produzida a partir da cana.

A principal vantagem em utilizar o butanolcomo co-solvente, seria que esta alternativapermitiria alargar as possibilidades da cana deaçúcar, pois a partir dela três produtos principaisseriam obtidos: etanol, butanol e açúcar.

O objetivo do trabalho é apresentarresultados comparativos, obtidos através de ensaiosde desempenho em banco dinamométrico, do motorMBB OM355/6A óleo diesel e misturas ternárias, einvestigar as variações dos parâmetros reológicos efísico-químicos dessas misturas em relação ao óleodiesel.

TESTE DE DESEMPENHO

Foram realizados testes de desempenho embanco dinamométrico, utilizando o motor MBBOM355/6A, com as seguintes misturas:

Tabela 1. Misturas utilizadas nos testes de desempenho

MD+10(3,0+7,0)BE MD+11,5(3,5+8,0)BE

MD+12,5(3,5+8,0)BE MD+12,5(4,5+8,0)BEMD+15(5,0+10)BE -

MD+A(B+C)BE - misturas com A% de substituiçãode óleo diesel, sendo A% igual a B% de Butanolnormal mais C% de etanol anidro.

CARACTERÍSTICAS DO MOTOR

Motor: Mercedes-BenzModelo: OM355/6ANúmero de série: E-253-MBBNúmero de cilindros: 06Curso: 150mmDiâmetro do cilindro: 129,52mm(reparo III)Cilindrada total: 11857 cm3

Taxa de compressão: 15:1Aplicação: VeicularCâmara de combustão: Injeção diretaRegulador de velocidade: RQ-250/1100 PA419RBomba injetora: Bosch, 44 80 300

INSTRUMENTAÇÃO UTILIZADADinamômetro de indução marca Schenck, modeloD630, com capacidade de absorção de até 630 kw à5500 rpm.Manômetro analógico, marca Okan, campo, campode medição de zero a 20 kgf/cm2, precisão de 0,25kgf/cm2.Manômetro analógico, marca Suko, campo demedição de zero a 60 kgf/cm2, precisão de1 kgf/cm2.Termômetro analógico, marca Henni, campo demedição de zero a 160 °C, precisão de 1 °C.Bureta de vidro, calibrada para 100, 300 e 400 cm3.Cronômetro digital automático, marca ALFA,precisão de 0,1 segundos.Termômetro analógico, marca Hurger, campo demedição de zero a 55 °C, precisão de 1 °C.Manômetro analógico, marca Hurger, precisão 1mmde Hg.Psicômetro analógico, marca Hurger, precisão de1%.

METODOLOGIA APLICADAOs ensaios foram realizados segundo a orientação danorma ABNT 5484.O início de cada bateria de ensaios sempre foiprecedido da estabilização da temperatura do óleolubrificante e da temperatura da água dearrefecimento.Para a avaliação dos resultados tomou-se comopadrão de referência o desempenho do motor com oseu combustível original, óleo diesel, para asolicitação de plena carga.

RESULTADOS OBTIDOSOs percentuais de substituição de óleo

diesel, efetuados através da adição de butanolnormal e etanol anidro, foram corrigidos e avaliadosde acordo com as seguintes expressões:

SC = 1 - (CEVDM/CEVD) X 100 (1)

SC - percentual de substituição corrigido de óleodiesel.CEVDM - consumo específico volumétrico de óleodiesel na mistura.CEVD - consumo específico volumétrico de óleodiesel.

CEVDM = (DMX CV) / Neo (2)

DM - percentual de diesel na mistura.CV - consumo volumétrico da mistura álcool-diesel.Neo - potência efetiva observada.

Tabela 2. Resultados médios obtidos nos testes de desempenho em banco dinamométrico do motor MBB OM355/6AMISTURAS MD

+11,5(3,5+7,5)BE

MD+

11,5(3,5+8,0)BE

MD+

12,5(4,5+8,0)BE

MD+

12,5(5,0+7,5)BE

MD+

15(5,0+10)BE

ÓLEODIESEL

RENDIMENTOTÉRMICO

41,9 41,0 41,7 41,4 40,9 39,1

SUBSTITUIÇÃOVOLUMÉTRICA

DE ÓLEODIESEL

(%)

10 11,5 12,5 12,5 15 -

SUBSTITUIÇÃOVOLUMÉTRICACORRIGIDA DEÓLEO DIESEL

(%)

12 11,9 14,0 14,0 14,8 -

EFICIÊNCIA DESUBSTITUIÇÃO

(%)120 103,5 112 112 98,7 -

VARIAÇÃO DEPOTÊNCIA E

MOMENTO DEFORÇA

OBSERVADO(%)

0,5 -2,4 -2,7 -3,9 -4,1 -

VARIAÇÃO DOCONSUMO

ESPECÍFICO(%)

-3,6 -1,6 -2,7 -2,3 -0,4 -

VARIAÇÃO DORENDIMENTO

TÉRMICO(%)

7,2 4,9 6,6 5,9 4,6 -

ES = (SC / SV) X 100 (3)

ES - eficiência de substituição de óleo diesel.SC - percentual de substituição corrigido de óleodiesel.SV - substituição volumétrica de óleo diesel

Todas as misturas aplicadas ao motor MBBOM355/6A, resultaram em queda média máxima depotência inferior a 5% e um aumento médio máximono consumo específico de 6%, conforme a Tab. (2).

A variação de potência efetiva observada eo consumo específico entre o motor alimentado como óleo diesel e com as diversas misturas, pode serobservada através da Fig. (1) e Fig. (3).

As misturas MD+10(3,0+7,0)BE,MD+11,5(3,5+8,0)BE, MD+12,5(4,5+8,0)BE,MD+12,5(5,0+7,5)BE, MD+15(5,0+10)BEobtiveram variações percentuais médias de potênciaefetiva observada e momento de força observado de1,5; -2,4; -2,7; -3,9; -4,1 e -3,6; -1,6; -2,8; -2,3; -0,4para o consumo específico conforme a Tab. (2) eFig. (2) e Fig. (4).

Para a substituição volumétrica do óleodiesel, os valores encontrados de 12; 11,9; 14 e 14,8;

com eficiência de substituição de 120; 103,5;112;112 e 98,7 respectivamente, conforme a Tab. (2) eFig. (6).

Em termos de rendimento térmico, osresultados encontrados são superiores aos mostradoscom o óleo diesel, conforme Tab. (2) e Fig. (7),obtendo-se variações percentuais médias de 7,2; 4,9;6,6; 5,9 e 4,6 respectivamente, conforme a Tab. (2) eFig. (8).

CARACTERIZAÇÃO REOLÓGICA

O objetivo da caracterização reológica é olevantamento das possíveis variações dos parâmetrosreológicos das misturas álcool-diesel em relação aoóleo diesel. Para isto submeteu-se as amostras aoteste de cisalhamento (steady shear), obtendo-se ascurvas de viscosidade aparente em função da taxa dedeformação.

INTRUMENTAÇÃO UTILIZADATodas as medidas foram realizadas em um

reômetro rotativo RS50 conectado a um banhotermostático K20-DC, ambos da marca HAAKE,utilizando o sensor de geometria tipo cilindros con -

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

100

120

140

160

180

200

220

CURVAS DE POTÊNCIA EFETIVA OBSERVADAMOTOR: MBB 355/6A SOLIC. DE CARGA:PLENA

ÓLEO DIESEL MD+10(3.0+7.0)BE MD+11.5(3.5+8.0)BE MD+12.5(5.0+7.5)BE MD+12.5(4.5+8.0)BE MD+15(5.0+10)BEP

OTÊ

NC

IA E

FETI

VA

OB

SE

RV

AD

A -

Neo

- kw

VELOCIDADE ANGULAR - n- rpm

Figura 1. Curvas de potência efetiva observada

1

1

0

-1

-2

-3

-4

-5

VARIAÇÃO DE POTÊNCIA E MOM. DE FORÇA OBSERVADOMOTOR: MBB OM355/6A SOLIC. DE CARGA:PLENA

VA

RIA

ÇÃ

O D

E P

OTÊ

NC

IA E

MO

M. D

E F

OR

ÇA

OB

SE

RV

AD

O (%

)

MISTURAS

MD+10(3.0+7.0)BE MD+11.5(3.5+8.0)BE MD+12.5(4.5+8.0)BE MD+12.5(5.0+7.5)BE MD+15(5.0+10)BE

Figura 2. Variação percentual média de potência e momento de força observado

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200195

200

205

210

215

220

225

230

235

240

CURVAS DE CONSUMO ESPECÍFICO OBSERVADOMOTOR: MBB 355/6A SOLIC. DE CARGA: PLENA

ÓLEO DIESEL MD+10(3.0+7.0)BE MD+11.5(3.5+8.0)BE MD+12.5(5.0+7.5)BE MD+12.5(4.5+8.0)BE MD+15(5.0+10)BE

CO

NS

UM

O E

SP

EC

ÍFIC

O O

BS

ER

VA

DO

- q O

- g

/kw

.h

VELOCIDADE ANGULAR - n - rpm

Figura 3. Curvas de consumo específico observado

Figura 4.Variaçãopercentualmédia doconsumoespecífico

10,0

-0,5

-1,0

-1,5

-2,0

-2,5

-3,0

-3,5

-4,0

VARIAÇÃO DO CONSUMO ESPECÍFICO MOTOR: MBB OM355/6A SOLIC. DE CARGA : PLENA

VA

RIA

ÇÃ

O D

O C

ON

SU

MO

ES

PE

CÍF

ICO

(%)

MISTURAS

MD+10(3.0+7.0)BE MD+11.5(3.5+8.0)BE MD+12.5(4.5+8.0)BE MD+12.5(5.0+7.5)BE MD+15(5.0+10)BE

Figura 5. Comparação dos percentuais de substituição volumétrica do óleo diesel

Figura 6. Eficiência de substituição

1000 1200 1400 1600 1800 2000 220036

37

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

CURVAS DE RENDIMENTO TÉRMICOMOTOR: MBB 355/6A SOLIC. DE CARGA: PLENA

ÓLEO DIESEL MD+10(3.0+7.0)BE MD+11.5(3.5+8.0)BE MD+12.5(5.0+7.5)BE MD+12.5(4.5+8.0)BE MD+15(5.0+10)BE

RE

ND

IME

NT

O T

ÉR

MIC

O -

nt

VELOCIDADE ANGULAR - n - rpm

Figura 7. Curvas de rendimento térmico

Figura 8. Comparação entre os rendimentos térmicos do óleo diesel e misturas

cêntricos DG41 cuja especificações geométricasencontram-se listadas abaixo:Diâmetro interno 1: 35,500mmDiâmetro interno 2: 36,000mmDiâmetro externo 1: 42,800mmDiâmetro externo 2: 43,400mmVolume da amostra 6,3 cm3

METODOLOGIA APLICADAOs produtos utilizados na obtenção das misturasálcool-diesel são de origem comercial, sendo asmesmas preparadas no Laboratório de Reologia daUFF.Para cada medição sempre utilizou-se uma novaamostra, e antes de iniciar o teste aguardava-se queela entrasse em equilíbrio térmico.As amostras foram medidas e introduzidas no sensoratravés de seringas com campos de medição de 0 a6mm e precisão de 0,1mm.Foram realizadas, para cada mistura, testes nastemperaturas de 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 e 90 °Crespectivamente.

TESTE DE CISALHAMENTOOs teste de cisalhamento consiste em impor

à amostra de fluido um determinado valor de tensão(método a tensão controlada - CS) ou de deformação(método de deformação controlada - CR) obtendo-secomo resposta, respectivamente, um valor dedeformação ou de tensão. Obtém-se, então, a curvade escoamento do material, relacionando a tensãocom a taxa de deformação ou tensão. Uma relaçãolinear caracteriza o fluido como Newtoniano, sendoa viscosidade do fluido independente da taxa dedeformação. Para o caso de uma relação não linearentre a tensão e a taxa de deformação, tem-se umfluido não-Newtoniano cujo o valor da viscosidadedepende da taxa de deformação aplicada. Para osfluidos até então investigados a viscosidade nãovariou com a taxa de deformação, conforme Fig. (9).

100 1000 100000,001

0,01

CARACTERIZAÇÃO REOLÓGICA DO ÓLEO DIESEL E MISTURAS DE DIESEL/ETANOL/BUTANOL NA TEMPERATURA DE 20 °C

ÓLEO DIESEL MD+15(5.0+10)BE MD+12.5(4.5+8.0)BE

MD+12.5(5.0+7.5)BE MD+11.5(3.5+8.0)BE MD+10(3.0+7.0)BE

VIS

CO

SID

AD

E A

PA

RE

NTE

(Pa.

s)

TAXA DE DEFORMAÇÃO (1/S)

Figura 9. Caracterização reológica do óleo diesel e misturas

RESULTADOS OBTIDOSA Figura (10) apresenta a variação da

viscosidade aparente com a temperatura do óleodiesel e misturas álcool-diesel obtidas nos testes decisalhamento.

20 30 40 50 60 70 80 900,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

COMPARAÇÃO ENTRE AS VISCOSIDADES DO O. DIESELE MISTURAS DE O. DIESEL COM ETANOL E BUTANOL

VIS

CO

SID

AD

E A

PA

RE

NT

E (P

a s)

TEMPERATURA (°C)

MD+15(5.0+10)BE MD+12.5(5.0+7.5)BE MD+10(3.0+7.0)BE MD+11.5(3.5+8.0)BE MD+12.5(4.5+8.0)BE O. DIESEL

Figura 10. Comparação entre as viscosidades do óleo diesel emisturas álcool-diesel

Constata-se através da mesma a diferençaentre os valores de viscosidade aparente do óleodiesel e misturas álcool-diesel, sendo que estaacentua-se na temperatura de 20 °C e decresce namedida que a temperatura aumenta.

Na Figura (11) encontram-se as diferençaspercentuais dos resultados obtidos nos testes decisalhamento, entre a mistura MD+15(5,0+10)BE eo óleo diesel, obtendo-se valores que variam entre17,5 a 22,5% no intervalo de temperatura entre 20 a90 °C. Para as demais misturas os valoresposicionaram-se entre 12 a 21%, destacando-se amistura MD+10(3,0+7,0)BE, para a qual obtiveram-se as menores variações percentuais, e estasposicionaram-se entre 12 a 17,5%.

20

30

40

50

60

70

80

90

0 -5 -10 -15 -20 -25

VARIAÇÃO PERCENTUAL DA VISCOSIDADE DE MISTURASO. DIESEL COM ETANOL E BUTANOL EM RELAÇÃO AOO. DIESEL

TE

MP

ER

AT

UR

A (°

C)

VARIAÇÃO DA VISCOSIDADE APARENTE (%)

MD+12.5(4.5+8.0)BE MD+11.5(3.5+8.0)BE MD+10(3.0+7.0)BE MD+12.5(5.0+7.5)BE MD+15(5.0+10)BE

Figura 11. Variação percentual da viscosidade aparente dasmisturas álcool-diesel em relação ao óleo diesel

CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA

O óleo diesel é uma complexa mistura devários hidrocarbonetos, obtidos através da destilaçãodo petróleo no intervalo de temperatura entre 150 a

Tabela 4. Propriedades físico-químicas do óleo diesel e mistura MD+15(5,0+10)BE

a 380 °C. A sua composição está diretamenterelacionada a constituição do óleo que o deu origeme as necessidades impostas pelo mercadoconsumidor. A sua constituição determina ascaracterísticas necessárias para a sua utilização emmotores de ignição por compressão, necessitandoportanto que essas sejam determinadas emlaboratórios e acompanhadas no campo,possibilitando assim que sua utilização nãocomprometa a durabilidade e desempenho damáquina da máquina térmica.

RESULTADOS OBTIDOSA tabela (4) apresenta os resultados

encontrados através da análise físico-químicas doóleo diesel e da mistura MD+15(5,0+10)BE, dentreas características apresentadas destacam-se as queafetam o desempenho e durabilidade do motor,citando-se a viscosidade cinemática, o índice decetano, densidade, poder calorífico superior e teor deenxofre; obtendo-se as diferenças percentuais entre amistura e o óleo diesel de -16,8; -13,1; -3,0; -4,8 e-15,4 respectivamente.

Para as propriedades cor ASTM, ponto denévoa, destilação 85% evaporado, resíduo decarbono e água e sedimentos; as diferençaspercentuais encontradas foram de -20; 16,6; -15,4 e0,0 respectivamente.

ANÁLISE DOS RESULTADOS

De um modo geral, os resultados dedesempenho obtidos em banco dinamométrico, nasolicitação de carga plena, utilizando o motor MBBOM 355/6A , podem ser considerados excelentes.Apesar das misturas apresentarem uma queda depotência, exceto a mistura MD+10(3,0+7,0)BE,conforme a Tab. (2) e Figs. (1) e (2), todasapresentaram redução no consumo específico eaumento no rendimento térmico, conforme a Tab.(2) e Figs. (3), (4), (7) e (8), resultando empercentuais de substituição corrigidos semelhantesou maior que os percentuais volumétricos, obtendo-se assim, eficiência de substituição bastante elevada,conforme a Tab. (2) e Figs. (5) e (6). Essesresultados podem ser traduzidos, em uma primeiraanálise, que a perda de potência encontra-sediretamente relacionada a subtração do valorenergético agregado e a diminuição da densidade dasmisturas.

Através da caracterização reológica, o óleodiesel e misturas álcool-diesel apresentaram-se comofluidos newtonianos em relação a viscosidadeaparente, isto é, a viscosidade aparente não varioucom a taxa de deformação, conforme Figs. (9),porém constatou-se um decréscimo dos valores

Propriedades Óleo diesel Mistura Variação(%)

Cor ASTM 2,5 2,0 -20Viscosidade cSt à 37,8 °C 3,58 2,98 -16,8Ponto de névoa, °C 6 7 16,6Destilação 85% evaporado, °C 356 350 -1,6Resíduo de carbono 10% dofundo de destilação, % em peso

0,13 0,11 -15,4

Enxofre, % em peso 0,80 0,68 -15Água e sedimentos, % emvolume

0,1 0,1 0

Índice de cetano calculado 53,5 46,5 -13,1Densidade à 20 °C 0,8486 0,8230 -3,0Poder calorífico superior, cal/g 10828 10311 -4,8

obtidos com as misturas em relação ao óleo diesel,conforme Figs. (10) e (11). Estes resultados sãopreocupantes, pois o fluido combustível em ummotor de ignição por compressão é tambémresponsável pela lubrificação dos elementos debomba e bicos injetores. Esta queda de viscosidadeaparente das misturas pode ocasionar subtração dopoder de lubrificação e acarretar a deterioraçãoprecoce do sistema de injeção, resultando em quedade desempenho e durabilidade do motor.

Os valores obtidos na determinação daspropriedades físico-químicas da misturaMD+15(5,0+10)BE, utilizada como referência,apresentaram um decréscimo significativo noresíduo de carbono e teor de enxofre. Essesresultados norteiam para uma subtração nosdepósitos de carbono na câmara de combustão,melhora nas emissões de particulados e noscomponentes dos gases de escape. Em contrapartidao decréscimo da viscosidade cinemática, densidade eíndice de cetano influenciam diretamente acombustão, mudando as características do jato decombustível e proporcionando um maior atraso ainflamação.

CONCLUSÕES

Os ensaios de desempenho em bancodinamométrico efetuados com o motor MBBOM355/6A, na solicitação de plena carga, utilizandomisturas álcool-diesel, sua caracterização reológica efísico-química, mostraram uma possível viabilidadede aplicação em maior escala, principalmente para amistura MD+10(3,0+7,0)BE, porém para isto énecessário que sejam realizados testes dedesempenho utilizando outros tipos de motores,estudos de fenômenos inerentes a combustão, testede durabilidade em banco dinamométrico e aaplicação em frotas, determinando o seucomportamento em campo.

PALAVRAS CHAVES

Combustível, Reologia e propriedades defluidos, Motores de Combustão Interna.

AGRADECIMENTOS

Os autores do trabalho agradecem ao CNPqe a FAPERJ pelo apoio financeiro prestado.

REFERÊNCIAS

Macosko, C. W., 1994, "Rheology: principles,measurements and applications". Ed. VCH

Plubishers, Inc., United States of America, pp. 190-191.Owen, K. Coley, T., 1990, "Automotive FuelsHandbook", Ed. Society of Automotive Engineers,Inc., United States of America, pp. 417, 319-343.