ESTUDO EXPERIMENTAL DA COMBUSTÃO DO ETANOL ADITIVADO NA MÁQUINA DE COMPRESSÃO RÁPIDA

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1 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) e 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].

2 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. 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

3 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) Taxa de compressão (-) 5-25 Simulação de rotações (RPM) 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 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.

4 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 do diesel S50 é de aproximadamente 44,5 MJ / kg [5], e para o ED95 é de 24,7 MJ / kg [6]. 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. No entanto, a situação ideal para minimizar as incertezas associadas com os resultados é fazer a caracterização do bico injetor diesel usando o ED95. As condições de operação para os testes são apresentados nas Tabelas 3, 4, 5 e 6.

5 Tabela 3. Condições de operações de entrada para o teste de Diesel S50 na MCR. Taxa de compressão (-) 16 Velocidade do motor (rpm) 1500 Deslocamento máximo do pistão (mm) 217 Pressão de acionamento do pistão (bar) 20.8 Parede do cilindro/temperatura da cabeça do pistão ( C) 90 Pressão do ar na admissão (mbar) 1100 Combustível Diesel S50 PCI (MJ/kg) 44.5 Ponto de injeção ( ) Injeção de combustível 15 antes do PMS 1070 bar / 1.75 ms Tabela 4. Condições de operações de entrada para o primeiro teste com ED95 na MCR. Taxa de compressão (-) 16 Velocidade do motor (rpm) 1500 Deslocamento máximo do pistão (mm) 217 Pressão de acionamento do pistão (bar) 21.4 Parede do cilindro/temperatura da cabeça do pistão ( C) 90 Pressão do ar na admissão (mbar) 1100 Combustível ED95 PCI (MJ/kg) 24.7 Ponto de injeção ( ) 13, 17 e 20 Injeção de combustível 1615 bar / 2.7 ms Tabela 5. Condições de operações de entrada para o segundo teste com ED95 na MCR. Taxa de compressão (-) 20 Velocidade do motor (rpm) 1750 Deslocamento máximo do pistão (mm) 217 Pressão de acionamento do pistão (bar) 23.9 Parede do cilindro/temperatura da cabeça do pistão ( C) 90 Pressão do ar na admissão (mbar) 1100 Combustível ED95 PCI (MJ/kg) 24.7 Ponto de injeção ( ) 13, 17, 20, 22, 23, 24, 25 e 27. Injeção de combustível 1450 bar / 2.7 ms

6 Tabela 6. Condições de operações de entrada para o terceiro teste com ED95 na MCR. Taxa de compressão (-) 25 Velocidade do motor (rpm) 1900 Deslocamento máximo do pistão (mm) 217 Pressão de acionamento do pistão (bar) 25.1 Parede do cilindro/temperatura da cabeça do pistão ( C) 90 Pressão do ar na admissão (mbar) 1100 Combustível ED95 PCI (MJ/kg) 24.7 Ponto de injeção ( ) 13, 17, 20, 22, 23, 24 e 25. Injeção de combustível C. Resultados 1590 bar / 2.7 ms Os testes foram realizados utilizando os combustíveis, Diesel S50 e etanol ED95. 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. Os testes com ED95 foram feitas com diferentes taxas de compressão e diferentes pontos de injeção. Os processos de combustão foram feitos com taxas de compressão e 16, 20 e 25, com pontos de injeção a partir de 13 a 27 antes do PMS. A Tabela 7 mostra um resumo de todos os resultados obtidos nos diferentes ensaios efetuados. Ponto de injeção Tabela 7. Resultado dos testes na MCR Situação Diesel ED95 ED95 ED95 TC = 16 TC = 16 TC = 20 TC = 25 Combustão - Não Não Sim P_Max (bar) Combustão Sim P_Max (bar) Combustão - Não Não Sim P_Max (bar) Combustão - Não Sim Sim P_Max (bar) Combustão - - Sim Sim P_Max (bar) Combustão - - Sim Sim P_Max (bar) Combustão - - Sim Sim P_Max (bar) Combustão - - Sim Sim P_Max (bar) Combustão - - Não - P_Max (bar)

7 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 melhores curvas de pressão nos processos de combustão com o ED95 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. 1. A comparação das curvas de pressão para diferentes pontos de injeção. Através da Figura 4, é possível observar que há um aumento de 6,75% do valor máximo de pressão, quando o ponto de injeção varia de 20 a 23 antes do PMS. Quando o ponto de injeção varia de 20 a 25 antes do PMS, foi observado um aumento de 13%. O pico de pressão para o ensaio com taxa de compressão de 20 está situado 10,61 depois do PMS. Na Figura 5, pode ser visto que existe um aumento de 9,67% do valor máximo de pressão, quando o ponto de injeção varia de 20 a 22 antes do PMS. Quando o ponto de injeção foi variado entre 20 e 24 antes do PMS, o aumento do valor da pressão máxima foi cerca de 15%. O valor da pressão máxima observada em relação com a taxa de compressão de 25 ocorreu com ponto de injeção de 24, e está situado 6,27 depois do PMS.

8 Figura 4. A pressão no cilindro para o teste com ED95, TC = 20, Avanço = 20, 23 e 25, a duração de injeção = 2,7 ms e a pressão de injeção = 1450 bar. 160 PMS Pressão no interior do cilindro (bar) Ângulo virabrequim relativo ao PMS (graus) Diesel Figura 5. A pressão no cilindro para o teste com ED95, TC = 25, Avanço = 20, 22 e 24, o tempo de injeção = 2,7 ms e pressão de injeção = 1,590 bar.

9 2. A comparação das curvas de pressão para diferentes tipos TC. 160 PMS Pressão no interior do cilindro (bar) Ângulo de virabrequim relativo ao PMS (graus) TC = 20 TC = 25 Diesel Figura 6. Pressão no cilindro para o teste com ED95, avanço = 23 antes do PMS. Na Figura 6, pode ser visto que o aumento da taxa de compressão de 20 a 25 provoca um aumento de 20,6% do valor máximo de pressão. Figura 7. Pressão no cilindro para o teste com ED95, Avanço = 24 antes do PMS.

10 Na Figura 7, pode ser visto que o aumento da taxa de compressão de 20 a 25 provoca um aumento de 24,58% do valor máximo da pressão. Na Figura 8, pode ser visto que o aumento da taxa de compressão de 20 a 25 provoca um aumento de 15,77% do valor máximo de pressão. Figura 8. Pressão no cilindro para o teste com ED95, Avanço = 25 antes do PMS. 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 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 usando ED95 apresentaram combustão. O ponto de injeção observado em testes rodando com ED95 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.

11 Referências 1. CADDET IEA OECD, Ethanol Powered Buses in Skaraborg, Technical Brochure N 91, Oxfordshire England, CENBIO Centro Nacional de referencia em Biomassa, Projeto Best Bioetanol Para um Transporte Sustentável, São Paulo Brazil, BEST, The BEST Experiences with bioethanol buses, Stockholm - Sweden, Strömberg, J., CVF Scania s Experience on biofuels ; São Paulo - Brazil, Petrobras Distribuidora S.A., Ficha de Informação de Segurança de Produto Químico FISPQ, Óleo Diesel S50, Rio de Janeiro Brasil, Olofsson, M., SEKAB Polish Bioethanol as Clean Alternative for urban Heavy Transport, Warsaw Poland, 2009.