Estudo do Desempenho de um Motor Multicombustível Operando Simultaneamente com GNV e Álcool Etílico em Diferentes Proporções

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1 Estudo do Desempenho de um Motor Multicombustível Operando Simultaneamente com GNV e Álcool Etílico em Diferentes Proporções Paulo Roberto Bomfim Burger 1, José Guilherme Coelho Baeta 2, Ramón Molina Valle 1 1 Universidade Federal de Minas Gerais 2 Sygma Motors paulo.burger@hotmail.com, jose.baeta@sygmamotors.com.br, ramon@demec.ufmg.br RESUMO O desenvolvimento tecnológico de motores automotivos está voltado para fontes alternativas de energia e otimização da utilização dos combustíveis convencionais. Os motores flexíveis atuais operam com misturas de combustíveis em diferentes proporções, apenas para combustíveis líquidos. Existe no mercado um motor flexível capaz de operar com GNV, mas o uso do combustível gasoso não ocorre simultaneamente com os combustíveis líquidos. A presente investigação consiste na utilização de sistemas de injeção eletrônica para o etanol e para o GNV, permitindo a utilização simultânea destes combustíveis em um motor naturalmente aspirado. O trabalho tem como objetivo determinar a melhor proporção de mistura álcool-gnv, de forma a maximizar a utilização do gás natural, garantindo menor consumo específico. A baixa eficiência volumétrica inerente ao uso do GNV é compensada pela injeção de pequena parcela de etanol. O calor latente de vaporização do etanol resfria o ar e aumenta a massa admitida no motor. Esta alternativa aproveita o elevado calor latente de vaporização do etanol e o baixo consumo específico inerente ao uso do GNV. Esta investigação é um estudo pioneiro sobre a operação simultânea com GNV e etanol e abre caminho para que sejam estabelecidas novas estratégias de controle em um motor flexível. A parcela de etanol e a estequiometria da mistura são ajustadas em função da demanda de torque ao motor, priorizando a utilização do GNV, o que resulta em menor consumo específico. 1. INTRODUÇÃO No Brasil, os combustíveis renováveis se mostram como a principal solução para substituição dos combustíveis fósseis, dado o grande potencial produtivo do país. Neste contexto, o álcool etílico é o principal combustível renovável em

2 produção e, recentemente, o biodiesel vem assumindo importância neste cenário [1,2]. O GNV disponível no mercado brasileiro, por sua vez, é de origem essencialmente fóssil, mas este combustível pode ser também obtido de maneira renovável dando origem ao chamado biogás. Este termo se refere à mistura de metano e gás carbônico proveniente da decomposição de matéria orgânica por bactérias em condições de ausência de oxigênio. Embora pouco aproveitado no Brasil, a relevância da produção do biogás pode ser comprovada pelos altos investimentos feitos na construção de plantas, como ocorre na Dinamarca. Neste país, no ano de 2006, se deu início à construção da maior planta de biogás do mundo, com capacidade anual de m³ de metano, o suficiente para o consumo de energia de 800 residências e aquecimento de 200 casas [3]. Em sintonia com a busca por alternativas aos combustíveis derivados do petróleo, estão os motores flexíveis e os motores multicombustíveis [4]. A possibilidade de escolha entre qual combustível é o mais interessante de acordo com as necessidades do proprietário do veículo pode ser apontada como principal causa do sucesso dos motores flexíveis. É importante observar que estes veículos, ao menos em tese, são imunes às oscilações do preço do petróleo, e viabilizam a redução do consumo e da dependência nacional deste recurso natural [5]. Apesar de estarem de acordo com as tendências mundiais em termos de energia, os motores multicombustíveis presentes no mercado apresentam uma série de deficiências por possuírem razão volumétrica de compressão fixa. Desta forma, estes motores não são capazes de extrair o máximo potencial dos combustíveis com os quais operam, em termos de eficiência térmica. Geralmente, o gás natural é o combustível mais prejudicado, pois seu potencial de operação com razões volumétricas de compressão mais elevadas em relação à gasolina e ao etanol não é explorado, resultando em prejuízos nos parâmetros de desempenho. Estes motores operam com misturas de combustíveis líquidos, mas operam apenas individualmente com o GNV, não combinando o uso deste combustível com os demais [2,4]. A presente investigação consiste na utilização de sistemas de injeção eletrônica para o etanol e para o GNV, permitindo a utilização simultânea destes combustíveis. Busca-se desta forma o melhor aproveitamento das características de ambos os combustíveis através do controle eletrônico dos sistemas de injeção e pela utilização de razão volumétrica de compressão adequada. Comparado aos motores multicombustíveis mais atuais, o presente motor se difere essencialmente quanto à programação do software da unidade de controle eletrônico, o que garante sua adequação em termos de custos. As provas foram realizadas em um motor de 4 cilindros aspirado com deslocamento volumétrico total de 1242cm³ e razão volumétrica de compressão elevada em relação ao motor original. O trabalho tem como objetivo determinar a melhor proporção de mistura álcool - GNV, de forma a maximizar a utilização do gás natural, combustível que garante menor consumo específico. Ao ser injetado, o gás natural ocupa o volume anteriormente ocupado pelo ar, o que reduz a massa admita pelo motor e leva à perda de desempenho. O elevado calor latente de vaporização do

3 álcool etílico é utilizado para resfriar o ar admitido e aumentar sua densidade [6]. Desta forma, há admissão de maior massa de ar e redução da perda de eficiência volumétrica inerente à utilização do GNV. A metodologia consiste inicialmente na instalação de um sistema de injeção multiponto de GNV e no aumento da razão volumétrica de compressão original do motor pela substituição dos pistões originais por pistões com depósito de material na face superior. Uma unidade de controle eletrônico com grande liberdade de configuração do software e de parametrização passa a gerenciar o funcionamento do motor para o GNV e outra para o álcool etílico, e a calibração para operação com misturas de álcool etílico e GNV é feita em bancada dinamométrica, conforme descrito na metodologia. 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 2.1. Escolha do motor e modificações necessárias O motor escolhido para a realização do trabalho possui deslocamento volumétrico total de 1242cm³, quatro cilindros e oito válvulas, projetado para o funcionamento com misturas em quaisquer proporções de gasolina brasileira e etanol. Inicialmente, foi modificada a razão volumétrica de compressão de 11:1 para 12,5:1, através da troca dos pistões originais por pistões com acréscimo de material em sua face superior. A operação do motor com GNV se deu através da instalação de um sistema de injeção multiponto de GNV de quinta geração da marca BRC. O sistema foi posicionado para a injeção de GNV ocorrer o mais próximo possível das válvulas de admissão, no coletor de admissão, conforme Figura 1. Figura 1. Localização do sistema de injeção de GNV Para a realização das provas de operação simultânea de GNV e etanol, foi instalado no sistema de admissão do motor um eletroinjetor para operação

4 exclusiva do combustível líquido. Para adaptação deste eletroinjetor foi feito um orifício no duto de aspiração, onde este faz uma curvatura de 90º imediatamente antes da válvula borboleta. Desta forma, a ponta do eletroinjetor ficou posicionada dentro do duto de admissão, de frente para a válvula borboleta. Os detalhes da adaptação e a configuração do sistema no motor podem ser visualizados na Figura 2. Figura 2. Adaptação do eletroinjetor de etanol no duto de admissão e disposição do sistema no motor 2.2. Sistema de gerenciamento eletrônico parametrizável A unidade de controle eletrônico original do motor foi substituída por duas UCEs parametrizáveis. Quando em operação simultânea de GNV e etanol, a MoTeC M4 foi utilizada para controlar a operação do motor com eletroinjetores de GNV, restando à MoTeC M400 o controle do eletroinjetor adicional de etanol. As UCEs podem ser visualizadas na Figura 3.

5 Figura 3. Unidades de controle eletrônico MoTeC M4 e MoTeC M Experimento Os ensaios dinamométricos se iniciaram com o amaciamento do motor em operação com etanol. Superada a etapa de amaciamento, foi necessária a realização de ajustes dos mapas de controle para todos os pontos previstos em operação com etanol, de 0 a 100% de abertura da válvula borboleta com intervalo de 10% e de 1500 a 6500rpm com intervalo de 500rpm. Na seqüência, foi iniciada a aquisição dos planos cotados, que consiste em aquisições de todos os parâmetros medidos pelo dinamômetro durante trinta segundos para todas as condições de carga e rotação previstas nos mapas de calibração. Para condições de carga iguais ou superiores a 80%, é feito usualmente o enriquecimento da mistura para combustíveis líquidos, por se entender que nesta condição de operação o condutor do veículo deseja o máximo torque, mesmo que em detrimento ao consumo de combustível. Nestas condições, o ajuste da quantidade de combustível injetada visa prioritariamente à obtenção do torque máximo, resultante do aumento da eficiência volumétrica. Não foi necessário o enriquecimento da mistura para cargas inferiores a 80% para preservação do conversor catalítico, uma vez que não foram atingidas temperaturas críticas a este componente nos gases de descarga. A etapa seguinte consistiu na realização dos ajustes dos mapas de calibração do motor para operação com GNV de forma semelhante ao realizado com etanol. Uma vez que o enriquecimento da mistura não resulta em aumento de torque para este combustível, o mapa de injeção foi parametrizado de forma a garantir a estequiometria da mistura em todas as condições de carga e rotação. Obtidas as curvas de referência para operação com os dois combustíveis, foi realizada a metodologia de escolha do eletroinjetor e da pressão de injeção de etanol no duto de admissão. Foram comparados o eletroinjetor original do motor e o eletroinjetor de motocicleta de 50cc, bem como as pressões de injeção de 3,5bar e 5bar, para cada sistema. O critério utilizado foi o ganho percentual de torque que cada condição de operação GNV-etanol forneceu em relação à operação exclusiva com GNV. Escolhido o eletroinjetor de etanol e a pressão de injeção, foi realizada a metodologia de determinação da melhor proporção de etanol na mistura arcombustível. Para a rotação de 2500rpm à plena carga, foi estabelecido como referência o desempenho do motor com operação exclusiva de GNV. Estes dados foram comparados com a operação de 1 a 10% de etanol na mistura ar combustível com intervalos de 1%, além das proporções de 15%, 20% e 30%. Todos os pontos foram ajustados com base no valor de lambda, e as comparações foram realizadas para misturas ar-combustível estequiométricas. Foi escolhida a proporção que forneceu o maior valor do produto entre eficiência térmica e eficiência volumétrica, parâmetro escolhido por ser capaz de avaliar o potencial ganho de eficiência volumétrica advindo da adição do

6 etanol sem que isso resulte em significativa redução da eficiência térmica. Este parâmetro se mostrou coerente para as condições de operação avaliadas, referentes à plena carga do motor. Embora seja desejável oferecer o máximo torque possível, se faz necessário levar em consideração a eficiência térmica para se evitar grandes perdas no balanço energético. Por fim, foram realizados ajustes dos mapas de calibração conforme metodologia e obtenção das curvas de desempenho à plena carga para operação simultânea com GNV e etanol na proporção definida como ideal. Adicionalmente, para a condição de 2500rpm à plena carga foi realizado mais um teste para operação do motor, com mistura rica. Este teste visa avaliar o efeito da adição de uma quantidade maior de etanol na mistura ar combustível, enriquecendo a mistura. O objetivo deste ponto adicional é avaliar os parâmetros de desempenho em condição de estequiometria semelhante à operação exclusiva com etanol à plena carga. O ponto de rotação e carga foi escolhido por ser a condição em que o motor apresenta valor próximo ao máximo de eficiência volumétrica. 3. RESULTADOS O eletroinjetor escolhido segundo a metodologia foi o de motocicleta 50cc, à pressão de injeção de 5bar, por ser a condição que gerou o maior ganho percentual de torque em relação à operação exclusiva com GNV. Para este sistema de injeção de etanol antes da válvula borboleta, a proporção de E94 que garantiu maior valor do produto entre a eficiência térmica e a eficiência volumétrica (com menor consumo específico) foi a proporção de 9% de etanol, para mistura ar combustível estequiométrica, conforme pode ser observado na Figura 4.

7 Figura 4. Eficiência térmica x Eficiência volumétrica em função da proporção de etanol na mistura ar combustível Para a proporção de 9% de etanol na mistura ar-combustível estequiométrica, foram ajustados os mapas de calibração para a nova condição de operação do motor e levantadas as curvas de desempenho à plena carga. As eficiências térmicas do motor para operação com GNV, etanol e 9% de etanol na mistura estequiométrica podem ser observadas no gráfico da Figura 5. Não foi verificada variação significativa deste parâmetro ao longo dos pontos de operação avaliados. Este resultado indica que a capacidade de conversão de energia não foi prejudicada com a adição de uma parcela de 9% de etanol na mistura ar-gnv, se comparado com as referências (apenas GNV ou apenas etanol). Uma vez que a eficiência térmica se mantém próxima às referencias ao passo que a eficiência volumétrica se eleva, têm-se o resultado observado na Figura 4 para o valor de 9% de etanol na mistura, que indica o aumento do valor do produto destas eficiências em relação à operação exclusiva com GNV. O resultado observado está em acordo com a proposta para a condição de operação do motor, ou seja, para operação à plena carga é desejável o aumento da eficiência volumétrica sem que ocorra prejuízo à eficiência térmica. Figura 5. Eficiência térmica do motor para operação com E94, GNV e 9%etanol+GNV Em uma comparação com o desempenho do motor operando apenas com GNV, o ganho obtido em eficiência volumétrica é ilustrado na Figura 6. No gráfico se pode observar que a operação simultânea com GNV e etanol para a razão ar combustível normalmente utilizada para o etanol (λ=0,92) resultou em aumento significativo de eficiência volumétrica, se comparado com o uso exclusivo de GNV. Para o ponto avaliado, à rotação de 2500rpm, foi verificado aumento absoluto de eficiência volumétrica próximo a 7% em relação à

8 operação exclusiva de GNV, aproximando o valor deste parâmetro ao verificado para utilização exclusiva de etanol. Figura 6. Eficiência volumétrica do motor para operação com E94, GNV, 9%etanol e GNV+E94 λ=0,92 A Figura 7 ilustra o comportamento do consumo específico para operações com GNV, etanol, 9% de etanol na mistura ar combustível estequiométrica e GNV e etanol para mistura rica (λ=0,92). Como se pode observar, a operação apenas com etanol resulta no maior consumo específico de combustível, em média 90% superior ao observado com operação exclusiva com GNV. Além de demandar maior massa de combustível para a estequiometria da mistura em relação ao GNV, a operação com etanol na condição avaliada se deu com mistura rica, com lambda em torno de 0,92. No caso da operação com 9% de etanol na mistura ar combustível estequiométrica, verificou-se um consumo específico em média 5% superior ao consumo do GNV, levando em consideração o consumo de ambos os combustíveis. Já para a operação de GNV e etanol com valor de lambda igual a 0,92, se pode observar pelos gráficos (Figuras 6 e 7) uma eficiência volumétrica 3,3% inferior à observada com uso exclusivo do combustível líquido. No entanto, o consumo específico para esta condição foi 59% inferior ao avaliado para uso exclusivo de álcool etílico. Em linhas gerais, observou-se para a condição em questão a eficiência volumétrica próxima à do etanol, para consumo específico próximo ao do GNV, comparando ambos os combustíveis.

9 Figura 7. Consumo específico do motor para operação com E94, GNV, 9%etanol e GNV+E94 λ=0,92 CONCLUSÂO Quanto às metodologias realizadas, pode-se afirmar que foram suficientes para alcançar os objetivos propostos. A escolha do motor se mostrou adequada pela facilidade de adaptação dos componentes necessários tanto para operação com GNV como para utilização do eletroinjetor adicional no duto de admissão, dedicado à injeção de etanol. A escolha pela utilização de duas UCEs resultou em simplicidade operacional e maior flexibilidade na implementação de estratégias de controle diversas, mas não exclui a possibilidade de utilização de uma única central, desde que possua os recursos necessários. A metodologia para escolha do eletroinjetor e pressão de injeção de etanol se mostrou eficiente e apontou como mais eficaz a condição que se espera maior atomização do combustível líquido, correspondente ao eletroinjetor de menor vazão mássica e maior pressão de injeção. A avaliação da melhor proporção de etanol em uso simultâneo com GNV permitiu estabelecer uma condição que oferece o melhor compromisso entre os ganhos em eficiência volumétrica, advindos do uso do combustível líquido, e a eficiência térmica do motor. Seguindo a metodologia proposta, foi possível reduzir perda de desempenho devido à baixa eficiência volumétrica, característica da utilização de GNV, aproveitando a propriedade de elevado calor latente de vaporização do etanol.

10 Os resultados obtidos permitem o primeiro estudo sobre a determinação de novas alternativas de operação que visam obtenção do menor consumo específico, perante os motores multicombustíveis atuais. O uso simultâneo de GNV e etanol em um motor de combustão interna se mostra como viável solução quando se busca o compromisso entre consumo específico e eficiência térmica. Ao manter a mistura ar combustível estequiométrica, uma pequena parcela de etanol foi suficiente para resultar em uma tendência de aumento de eficiência volumétrica. Esta condição de mistura, portanto, aponta resultados de desempenho que seriam de grande interesse para condições de cargas médias e elevadas no motor (acima de 50% de abertura da válvula borboleta). Foi também avaliado o desempenho do motor para uso dos dois combustíveis com formação de mistura rica, na mesma proporção que o etanol opera à plena carga. Para este caso, foi verificado significativo aumento de eficiência volumétrica, refletindo em aumento de torque. Este recurso se mostra viável para condições de plena carga do motor, pois ainda assim há drástica redução de consumo específico, se comparado ao uso exclusivo de etanol. A presente investigação é pioneira na avaliação da utilização simultânea de GNV e álcool etílico em um motor de combustão interna e não esgota o estudo sobre o tema. Foi possível comprovar a potencialidade da proposta, mas a elaboração de uma estratégia completa de controle da mistura entre os combustíveis para as diferentes condições de operação do motor se faz necessária. A utilização de uma parcela de etanol na mistura estequiométrica deverá ser avaliada para variadas condições de carga do motor. Além disso, deverá ser investigada também a estequiometria da mistura ar combustível em função da carga imposta ao motor. Desta forma será possível estabelecer estratégias de operação que prevêem a utilização gradual de etanol junto ao GNV com o aumento da carga do motor, estabelecendo também novas condições para a estequiometria da mistura ar combustível em função da carga. O estudo da operação do motor utilizando a configuração multiponto dos eletroinjetores originais do motor se mostra um importante recurso a ser explorado. Desta forma, permite-se avaliar o desempenho para diferentes instantes de injeção, e neste caso o etanol seria aproveitado para resfriar diretamente o gás natural após sua injeção, junto às válvulas de admissão. De uma maneira geral, por fim se teria uma estratégia que privilegia o uso do GNV em qualquer condição de operação do motor. REFERÊNCIAS 1. ABGNV ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DO GÁS NATURAL VEICULAR. País consome mais combustíveis em São Paulo, 16 de janeiro de Disponível em < Acesso em: 30 de janeiro de BURGER, P. R. B. Estudo do Desempenho de um Motor Multicombustível Operando Simultaneamente com GNV e Álcool Etílico em Diferentes Proporções. Belo Horizonte: Escola de Engenharia da UFMG, p. (Trabalho de Graduação em Engenharia Mecânica).

11 3. GREEN CAR CONGRESS Denmark To Build World s Largest Biogas Plant Disponível em: < Acesso em: 30 jan BAÊTA, J. G. C. Metodologia experimental para a maximização do desempenho de um motor multicombustível turboalimentado sem prejuízo à eficiência energética global. Belo Horizonte: Escola de Engenharia da UFMG, p. (Tese, Doutorado em Engenharia Mecânica). 5. VOLPATO, O.; THEUNISSEN, F.; MAZARA, R. Engine Control Module for Flex Fuel plus Compressed Natural Gas Vehicles. In: POWERTRAIN & FLUID SYSTEMS CONFERENCE AND EXHIBITION, 2005, San Antonio. SAE Technical Paper Series... Warrendale: SAE International, p. 6. HEYWOOD, J. B. Internal Combustion Engine Fundamentals. International Edition. Singapore: McGraw-Hill Book Company, p.