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Departamento de Engenharia Mecânica

COMBUSTÃO DIESEL - ETANOL

Alunos: João Paulo Coutinho Cardoso

Adahyl de Paula Garcez Rodrigues

Orientador: Sergio Leal Braga

Introdução

O meio ambiente começou a ser discutido internacionalmente por volta da década

de 60, mais especificamente em 1968, durante o clube de Roma e mais tarde em 1972,

com a realização da Conferência das Nações Unidas sobre Ambiente, em Estocolmo [1].

Devido a grande utilização de óleo nos últimos 70 anos, projeções mostraram um

possível esgotamento das reservas internacionais, o que contribuiria para um grande

aumento no preço desse recurso [2]. Tal aumento de preço tem criado grande apreensão

nas balanças comerciais de países não produtores de petróleo e também representa uma

ameaça ao crescimento de países em desenvolvimento [3]. O medo de que energia

oriunda de combustíveis fósseis não esteja disponível no futuro aumentou o interesse

na possibilidade de se encontrar um substituto para o petróleo. Um dos países que

possui clima e geografia ideais para a substituição de petróleo por combustíveis

baseados em biomassa é o Brasil. Ciente dessa possibilidade, o governo brasileiro criou,

em 1975, o Programa Nacional do Álcool, ou Pró-Álcool, que objetivava substituir os

combustíveis fosseis, tais como a gasolina, por etanol oriundo da cana de açúcar [4].

Óleo diesel é a opção mais comum quando se trata de transporte público, um

combustível que não pode ser renovado sendo produzido do petróleo. Atualmente o

diesel é o combustível mais usado no Brasil, correspondendo a 51% de todo

combustível consumido no país,Figura 1. Combustíveis alternativos não são utilizados

atualmente no transporte público devido a baixa eficiência.


Figura 1. Consumo de combustível no Brasil.

Bioetanol é a melhor alternativa de combustível para dispositivos que operam

em ciclo Otto enquanto biodiesel é utilizado para dispositivos que operam em ciclo

Diesel. O maior problema ambiental decorrente do uso de Álcool em um dispositivo a

Diesel é o aumento na taxa de combustível não-queimado ou queimado apenas

parcialmente. As primeiras tentativas de utilizar álcool em um motor de compressão por

ignição simplesmente não geraram ignição. Um dos maiores problemas que deve ser

superado é o baixo poder de ignição do álcool diante das condições de uma maquina a

diesel [5]. Isso geralmente é atribuído a alta entalpia de vaporização do álcool e uma

maior temperatura de auto-ignição quando comparada ao diesel.

Objetivos

O objetivo principal desse trabalho é estudar diferentes métodos de converter a

energia contida nos combustíveis presentes em maquinas de combustão interna. Dois

fluidos, com diferentes características de auto-ignição são injetados na câmara de

combustão[6] em instantes diferentes com o propósito de queimar o combustível com

menos poder de auto-ignição. A quantidade de combustível e o tempo de injeção ( Start

of Injection, SOI) são parâmetros que influenciam a combustão. O atraso de ignição é o

parâmetro mais importante da ignição e da combustão de motores a diesel e vai

influenciar diretamente a performance, emissão, barulho entre outros.. Os resultados

mostram diferentes atrasos de ignição para diferentes técnicas de injeção de

combustível, sob taxas de compressão de 16:1 e 20:1

O atraso de ignição é definido como intervalo entre a injeção de combustível e o

inicio da combustão. Portanto, o inicio da injeção e o inicio da combustão devem ser

determinados para que se conheça o atraso na ignição [7]. O momento de injeção pode

ser definido como o momento em que a agulha injetora se desloca. Entretando, é mais

dificil definir o inicio da combustão. Muitos métodos foram sugeridos para se encontrar

o inicio da combustão, esses métodos são classificados em duas categorias: métodos

diretos e indiretos [8]


O método direto é baseado em medições da posição da chama com relação ao

tempo, esse método exige uma grande modificação na câmara de combustão, visto que é

necessária a instalação de uma janela de quartzo para visualizar a chama. Além disso,

uma camera de alta velocidade e necessaria para que seja possivel gravar o fenomeno de

combustao. O método indireto por sua vez é baseado nos dados relacionados a pressão-

tempo do ciclo. Com um sensor de pressão instalado no cilindro, é possivel capturar,

com precisão, a variação de pressão com relação ao tempo. Entretanto, curvas P-T não

são suficientes para fornecer diretamente os parametros de combustão, seria necessario

também um pouco de intuição para definir o atraso de ignição e o tempo de duração, o

que torna o método não tão preciso.

A primeira e a segunda derivada da curva de pressão com relação ao tempo (dp

and d²p) permitem a avaliação do atraso de ignição com uma margem de erro aceitável.

Aparato Experimental

O dispositivo utilizado para esse estudo é mostrado na figura 2. A Máquina de

Compressão Rápida (MCR) está instalada no Laboratório de Engenharia Veicular

(LEV) na PUC-Rio. Essa máquina consegue operar de maneira rápida e fácil no ciclos

Otto e Diesel. A MCR simula um processo simples de compressão e um processo

parcial de expansão, permitindo um estudo detalhado de injeção, mistura, vaporização,

ignição e combustão. Isso inclui um diagnostivo visual, deslocamento do pistão e

pressão na camara de combustão. A tabela 1 resume as principais especificações da

MCR.

Figura 2: MCR instalada no Laboratório de Engenharia Veicular da PUC-Rio


Tabela1 : Principais especificações da MCR

Diâmetro do pistão (mm) 84

Curso do pistão (mm) 120 - 249

Taxa de compressão (-) 5 - 25

Rotação (rpm) 1500 - 3500

Sistema de injeção Diesel e Otto

Max. pressão de combustão (bar) 200

Temperatura máxima do Cilindro /

pistão 120°C

Para os testes foram instaladas na MCR dois injetores e um medidor de pressão,

como mostrado nas figuras 3 e 4

Figura 3: Disposição geométrica da camara de combustão da MCR

O sistema de injeção de Diesel foi feito utilizando um sistema de injeção comum

que suporta uma pressão máxima de injeção de 1800 bar. O sistema de injeção de etanol

foi feito com um injetor de uma maquina de ignição por centelha, que suporta pressões

acima de 100 bar.

Figura 4: Adaptações feitas na MCR


Metodologia

O ar foi injetado na camara de combustão antes da compressão e o Etanol H100

e Diesel S10 foram injetados. O tempo de injeção e a pressão dos combustíveis foram

reajustados com o objetivo de se obter a mesma quantidade de energia quimica injetada

em um processo de combustão a diesel. As caracteristicas do motor utilizado como

referencia são mostradas na tabela 2.

Tabela 2: Caracteristicas da máquina diesel

Diâmetro 85 mm

Extensão da haste de

conexão

145 mm

Desalinhamento 0,4 mm

Deslocamento 1997 cm3

Número de cilindros /

Geometria

4 cilindros enfileirados

Número de válvulas 4 valves

Taxa de compressão 16

Energia máxima 120 kW CEE (163 ch

CEE)

Torque máximo 340 Nm

Inércia fria 800 tr/mn (± 20

tr/min) à 20°C

Inércia quente 750 tr/mn (± 10

tr/min) à 80°C

Inércia 5100 tr/Mn (+/- 150)

Rotaçãomáxima 5000 tr/mn

O poder calorifico inferior do Diesel S10 é de aproximadamente 45 MJ/kg [9] e

para o Etanol H100 é 24.9 MJ/kg [10]. Aquecedores elétricos foram adaptados na parte

superior do cilindro e no pistão para se obter as condições termicas apropriadas durante

os experimentos. As condições para os testes são mostradas nas tabelas 3,4,5,6 e 7. Para

os testes realizados com etanol H100, a porcentagem de carga utilizada é equivalente a

porcentagem de carga de Diesel S10 substituido.

Tabela 3: Condições de teste para Diesel S10

Taxa de compressão (-) 16:1/ 20:1

Velocidade do motor

(rpm) 1500 / 1750

Deslocamento máximo

do pistão (mm) 217

Pressão (bar) 21.8 / 23.3

Temperatura na parede

do cilindro (°C) 55

Pressão do ar de

combustão (mbar) 1100

Combustivel Diesel S10

PCI (MJ/kg) 45

Inicio da injeção (mm) 209 / 212.6

Pressão de injeção do 1070


Diesel S10 (bar)

Carga para taxa = 16:1

(%) 100, 75, 60, 50, 45 e 25

Carga para taxa = 20:1

(%)

100, 75, 65, 55, 45, 35 e

25

Tempo de injeção (ms)

para taxa = 16:1

0.917, 0.716, 0.596,

0.516, 0.476 e 0.315

Tempo de injeção (ms)

para taxa = 20:1

1.318, 1.017, 0.897,

0.776, 0.656, 0.536 e

0.416

Tabela 4: Condições para o primeiro teste com mistura de combustíveis (60% de carga)

Taxa de compressão (-) 16:1

Velocidade do motor

(rpm) 1500

Deslocamento máximo do

pistão (mm) 217

Pressão (bar) 21.8

Temperatura na parede do

cilindro (°C) 55

Pressão do ar de


Combustível

Diesel S10 / Etanol

H100

PCI (MJ/kg) 45 / 24.9

Carga (%) e início da

injeção (mm) para o teste

1 25 / 0 e 209 / 0



2 60 / 0 e 209 / 0



3 25 / 35 e 209 / 108.7



4 25 / 35 e 209 / 0

Pressão de injeção do

combustível(bar) 1070 / 100

Tempo de injeção para o

teste 1 0.315 / 0


teste 2 0.596 / 0


teste 3 0.315 / 3.507


teste 4 0.315 / 3.507


Tabela 5: Condições para o segundo teste com mistura de combustíveis (75% de carga)


Velocidade do motor

(rpm) 1500


pistão (mm) 217

Pressão (bar) 21.8


cilindro (°C) 55

Pressão do ar de


Combustível

Diesel S10 / Etanol

H100

PCI (MJ/kg) 45 / 24.9



1 45 / 0 e 209 / 0



2 75 / 0 e 209 / 0



3 45 / 30 e 209 / 108.7



4 45 / 30 e 209 / 0


combustível(bar) 1070 / 100


teste 1 0.476 / 0


teste 2 0.716 / 0


teste 3 0.476 / 3.087


teste 4 0.476 / 3.087

Tabela 6: Condições para o terceiro teste com mistura de combustíveis (100% de carga)


Velocidade do motor (rpm) 1750


pistão (mm) 217

Pressão (bar) 23.3


cilindro (°C) 55

Pressão do ar de combustão

(mbar) 1100

Combustível Diesel S10 / Etanol


H100

PCI (MJ/kg) 45 / 24.9


injeção (mm) para o teste 1 212.6 / 0


injeção (mm) para o teste 2 1070 / 100


injeção (mm) para o teste 3 100 / 0 e 1.318 / 0


injeção (mm) para o teste 4

10 / 90 e 0.235 /

11.909


combustível(bar)

15 / 85 e 0.295 /

11.279


teste 1

20 / 80 e 0.355 /

10.649


teste 2

25 / 75 e 0.416 /

10.019


teste 3

30 / 70 e 0.476 /

9.389


teste 4

50 / 50 e 0.716 /

6.868

Resultados

Os testes foram conduzidos com Diesel S10 e Etanol H100. O teste realizado

com Diesel S10, nas condições originais de injeção e pressão serviram como referencia

para os testes com H100. Os resultados obtidos são apresentados para taxas de

compressão 16:1 e 20:1.

Os testes com Diesel S10 foram feitos mudando a taxa de compressão e a

quantidade de combustivel injetado. Para uma taxa de 16:1 o inicio da injeção se deu em

209 mm e para os testes com taxa 20:1, o inicio da injeção ocorreu em 212.6 mm.

A figura 5 mostra o comportamento da pressão nos testes utilizando Diesel s10 e

uma taxa de 16:1. O pico de pressão para os testec com 25%, 50% e 100% ocorre por

volta de 0.83 ms, 0,47 ms e 0.15 ms após o ponto morto superior.

Figura 5: Comportamento da pressão no teste com Diesel s10 e TC 16:1


Tabela 7:Atraso da ignição utilizando o metodo indireto das derivadas

Teste Carga

(%)

Atraso na ignição

dp d²p

�̅�(ms) 𝑠2 (ms)

�̅�(ms) 𝑠2 (ms)

D-TC16-

1 25 1.20 0.10 0.86 0.11

D-TC16-

2 45 1.21 0.25 0.83 0.33

D-TC16-

3 50 1.21 0.15 0.61 0.09

D-TC16-

4 60 1.16 0.02 0.57 0.03

D-TC16-

5 75 1.13 0.03 0.48 0.11

D-TC16-

6 100 1.07 0.07 0.81 0.12

A figura 6 mostra o comportamento do atraso na ignição determinado pelo

metodo da primeira derivada com relação a pressão. O valor máximo encontrado nos

testes foi 1.21 ms e o valor mínimo foi 1.07 ms.

Figura 6: Atraso na ignição pelo método da primeira derivada

A figura 7 mostra o comportamento da pressão nos testes realizados com Diesel

s10 e taxa de compressão 20:1. O máximo de pressão para os testes com 25%, 55% e

100% ocorreram por volta de 0.83 ms, 0.47 ms e 0.15 ms após o ponto morto superior.


Figura7: Comportamento da pressão no teste com Diesel s10 e TC 20:1

A figura 8 mostra o comportamento do atraso na ignição determinado pelo

metodo da primeira derivada com relação a pressão. O valor máximo encontrado nos

testes foi 0.62 ms e o valor mínimo foi 0.43 ms.

Figura 8: Atraso na ignição pelo método da primeira derivada

Os testes foram feitos com Diesel S10 e Etanol H100, 60% de carga and TC = 16:1

(DF1).

Os testes com Diesel S10 e etanol H100 foram feitos mudando a taxa de

substituição e a quantidade de combustivel injetado.


Figura 9: Pressão no cilindro para os testes com Diesel S10 e etanol H100, TC = 16:1 e

60% de carga

A pressão máxima para os testes 1,2, 3 e 4 ocorre por volta de 0.96 ms, 0.24 ms,

0.33 ms e 0.15 ms respectivamente

A tabela 10 mostra o comportamento do atraso na ignição do processo de

combustão com carga de 60%. Nesse caso, a injeção de etanol no ponto morto inferior

diminui o atraso de ignição se comparado a injeção quando o pistão está na metade do

seu movimento


Teste Número

Atraso na ignição

dp d²p

�̅�(ms) 𝑠2 (ms)

�̅�(ms) 𝑠2 (ms)

DF1

1 1.20 0.10 0.86 0.11

2 1.16 0.02 0.57 0.03

3 0.97 0.09 0.60 0.23

4 0.95 0.10 0.49 0.13


Os testes a seguir foram feitos com Diesel S10 e Etanol H100, 75% de carga and

TC = 16:1 (DF2)

Figura 10. Pressão no cilindro para os testes com Diesel S10 e etanol H100, TC = 16:1 e

75% de carga.

A pressão máxima para os testes 1,2,3 e 4 ocorreu por volta de 0.48 ms, 0.29 ms,

0.19 ms e 0.24 respectivamente


Teste Numero

Atraso na ignição

dp d²p

�̅�(ms) 𝑠2 (ms)

�̅�(ms) 𝑠2 (ms)

DF2

1 1.21 0.25 0.83 0.33

2 1.13 0.03 0.48 0.11

3 1.23 0.10 0.70 0.19

4 1.16 0.19 0.67 0.09

A tabela 11 mostra o comportamento do atraso na ignição do processo de

combustaõ com uma carga de 75%. Semelhantemente ao caso anterior, a injeção do

etanol no ponto morto inferior diminui o atraso da ignição se comparado a uma injeção

quando o pistão está na metade do seu movimento


Os Testes foram feitos com Diesel S10 e Etanol H100, 100% de carga e TC =

20:1 (DF3)

Figura 11. Pressão no cilindro para os testes com Diesel S10 e etanol H100, TC = 20:1 e

100% de carga.

A figura 11 mostra o comportamento da pressão nos testes 1,3,5 e 7. A pressão

máxima para esses testes ocorreu por volta de 0.49 ms, 1.1 ms, 1.12 ms e 1.11 ms

respectivamente.

Tabela 12: Atraso da ignição utilizando o metodo indireto das derivadas

Teste Numero

Atraso na Ignição

dp d²p

�̅�(ms) 𝑠2 (ms)

�̅�(ms) 𝑠2 (ms)

DF3

1 0.43 0.08 0.26 0.09

2 0.94 0.01 0.43 0.13

3 0.89 0.07 0.48 0.05

4 0.93 0.05 0.52 0.03

5 1.19 0.10 0.54 0.05

6 1.22 0.11 0.58 0.13

7 1.29 0.19 0.81 0.21

Conclusões

O tempo de atraso diminui enquanto a taxa de compressão aumenta durante o

processo de combustão por compressão. Foi observado que, se a compressão do Diesel

muda de 16:1 para 20:1, o atraso da combustão decai cerca de 55%.

Para os testes com mistura de combustivel e uma taxa de compressão de 16:1, o tempo

de atraso na combustão aumenta cerca de 10% quando a carga aumenta de 60% para

75%.

Para a substituição de diesel por etanol no processo de combustão é

recomendado o aumento da taxa de compressão e a adição de um aditivo ao etanol. Tal

aditivo deve aumentar a lubricidade e inibir a corrosão.

Quando a taxa de compressão aumenta, a combustão de etanol h100 com diesel

s10 causa altos pontos de pressão. Pôde ser observado uma máxima de cerca de 111 bar


durantes o teste DF3-7 (TC 20:1). Portanto, o engenheiro deve escolher a melhor opção

de custo-beneficio para a adaptação do mecanismo.

Referências

1 - Ometto, A., “Life CycleAssessmentofHydratedEthylicAlcoholFuelby EDIP,

ExergyandEmergyMethods,” Ph.Dthesis - Escola de Engenharia de São Carlos,

Universidade de São Paulo, SP – Brazil, 2005, 209p.

2 - Goldenstein, M. and Azevedo, R., “Combustíveis Alternativos e Inovações no Setor

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266, Rio de Janeiro – Brazil, 2006.

3 - Schaefer, A. and Hardenberg, H., “Ignition Improvers for Ethanol Fuels,” SAE

Technical Paper 810249, 1981, doi:10.4271/810249.

4 - Dickerson, M., “Brazil’s ethanol effort helping lead to oil self-sufficiency,”

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5 - Simonsen, H. and Chomiak, J., “Testing and Evaluation of Ignition Improvers for

Ethanol in a DI Diesel Engine,” SAE Technical Paper 952512, 1995,

doi:10.4271/952512

6 - Valdez, J., “Reactivity Controlled Compression Ignition of Diesel Fuel and Ethanol

in Rapid Compression Machine,” Ph.D thesis – Departamento de EngenhariaMecânica,

Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro, RJ – Brazil, 2005, 123p.

7 - Zou H.,Wang, L., Liu, S., Li, Y., “Ignition Delay of Dual Fuel Engine Operating

with Methanol Ignited by Pilot Diesel,” Front. Energy 2(3): 285-290, 2008,

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8 - Reddy, P., Krishna, D., Mallan, K. and Ganesan, V., “Evaluation of Combustion

Parameters in Direct Injection Diesel Engines - An Easy and Reliable Method,” SAE

Technical Paper 930605, (1993), doi:10.4271/930605.

9 - Da Silva E. and Tôrres R. “Thermophysical Properties Of Diesel/Biodiesel Blends,”

22nd International Congress of Mechanical Engineering (COBEM 2013), São Paulo –

Brasil, pag. 6577 – 6584, 2013.

10 - Villela, A. and Machado, G., "Multifuel Engine Performance, Emissions and

Combustion Using Anhydrous and Hydrous Ethanol," SAE Technical Paper 2012-36-

0475, 2012, doi:10.4271/2012-36-0475.

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