Utilização de Mistura XXX Etanol- Biodiesel e Óleo Diesel em Motores

Transcrição

1 Utilizaçã de Mistura XXX Etanl- Bidiesel e Óle Diesel em Mtres Diesel cm Bmba Rtativa Autres: Yrdanka Reyes Cruz Prf. Dnat A.G. Aranda, D.Sc., Prf. Carls R.P. Belchir, D.Sc., belchir@pen.cppe.ufrj.br

2 HISTÓRICO: Experiências de Us das Misturas de Álcl e Diesel n Mercad Internacinal Diferentes países cntemplam a mistura d álcl a diesel criand perspectivas amplamente favráveis à expansã d mercad internacinal: Na Tailândia estudam a alternativa de misturar 10% de álcl n diesel; A Índia cmeçu a usar as misturas em frtas cativas de ônibus, lcmtras e mtres estacináris, cnsumind álcl prduzid a partir de cana de açúcar e celulse d bagaç; Na Suécia a cmpanhia Sekab pesquisu desenvlviment de duas misturas, a primeira denminada Etamix-D, mistura de 15% de álcl cm diesel e aditiv emulsificante Etamix-D para garantir a estabilidade. A segunda incluiu aditiv Beraid, que além de melhrar a estabilidade, aumenta númer de cetan e a viscsidade, melhrand a lubricidade da mistura. Essas misturas já estã send usadas na frta de ônibus de Estclm;

3 HISTÓRICO: Experiências de Us das Misturas de Álcl e Diesel n Mercad Internacinal Na Austrália, a partir d an 2001, intrduziu-se a mistura 15% de álcl, 84.5% de diesel e 0.5% de emulsificante em frta de ônibus Mercedes Benz. A mesma mistura também tem sid testada n Chile, Tailândia, Alemanha e Estads Unids; O Japã aprvu lei, a ser regulamentada, que permite a mistura d álcl a diesel; f) Os EUA têm sua demanda de etanl em franc cresciment. Lá tem desenvlvid, para cnsum das misturas, a denminada Tecnlgia AAE. De frma geral, frmulam a mistura cm 15% de álcl e um aditiv cmercializad pela cmpanhia AAE Technlgies Inc. A cmpanhia passu a ser chamada O2Diesel Inc. em julh de 2003, e cmercializa a mistura sb a sigla OTOD, cm experiências em caminhões e ônibus. Sua intrduçã cmercial cmprva ser um prdut cm cust-benefíci e um diesel mais limp, hje em fase adiantada de utilizaçã na América d Nrte, n Brasil e n mund;

4 HISTÓRICO: A Experiência Brasileira n Desenvlviment das Misturas de Álcl e Diesel N Brasil retmaram-se s estuds de pesquisa para desenvlviment das misturas álcl a diesel, a partir d an 1997, cm a frmaçã d grup técnic (GT II) para estudar a viabilidade técnica da mistura álcl - diesel. O grup, após analisar diversas alternativas, decidiu avaliar duas pssibilidades principais para us de álcl misturad a diesel: misturas timizadas para aplicaçã em frtas cativas, que utilizariam cerca de 10% de etanl na frma de emulsã u sluçã, incluind aditivs. Prjet crdenad pela Uniã da agrindústria canavieira de Sã Paul (UNICA); sluções nã aditivadas de 3% de AEAC em diesel, para aplicaçã geral. Prjet crdenad pela Assciaçã ds prdutres de álcl e açúcar de Paraná (ALCOPAR).] Outras experiências cm a d Grup Dedini, Usina Sã Matilde e Iadetel/USP/RP sã digns de mençã;

5 OBJETIVOS DA PESQUISA O estud das experiências anterires permite cncluir que a pesquisa a ser desenvlvida deve ter s seguintes bjetivs, para ser abrangente: Avaliar a qualidade das matérias primas (diesel e álcl) e das misturas aditivadas através da caracterizaçã físic-química. Determinar a influência d álcl nas prpriedades físic químicas d cmbustível diesel; Realizar estuds de estabilidade das mistura a diferentes temperaturas. Determinar a cncentraçã de água limite; Estudar a lubricidade d óle diesel e suas misturas cm diferentes teres de álcl. Determinar efeit da viscsidade nesta prpriedade; Desenvlver nva frmulaçã de aditivs que permitam garantir a estabilidade da mistura e cumprir cm as exigências de lubricidade d sistema de injeçã cm bmba rtativa, assim cm, a minimizaçã de sua dsagem na mistura. Além de avaliar efeit d aditiv cuban (BIOMIX-D) n increment d númer de cetan;

6 OBJETIVOS DA PESQUISA Testar a mistura selecinada em bancada dinammétrica, cm crrespndente levantament das curvas de desempenh e cnsum de cmbustível d mtr Diesel cm ambs sistemas de injeçã (em linha e cm bmba rtativa). Ensai de durabilidade d mtr e d sistema de injeçã cm bmba rtativa; Realizar medições das emissões de pluentes, que permitam quantificar efeit da mistura diesel etanl na pluiçã atmsférica;

7 Determinaçã da Influência d Álcl nas Prpriedades Físicquímicas d Óle Diesel Cmparaçã das prpriedades e características d etanl em relaçã a cmbustível diesel cnvencinal:

8 ASPECTOS AMBIENTAIS D estud das experiências relatadas n estad da arte, s seguintes aspects ambientais pderã ser citads: Para misturas cm aprximadamente 8% de álcl, tem-se: uma reduçã de cerca de 3,5% na emissã de carbn; Geraria ainda utrs ganhs ambientais pela reduçã de pluentes atmsférics cm, pr exempl, n mínim reduçã de 30% de fuligem, 6% de material particulad e 5% de óxids de nitrgêni, além da reduçã de cerca de 8% nas emissões de óxids de enxfre, gás cm efeits sbre a saúde animal e crrsiv de cnstruções industriais e civis; A estes benefícis smam-se s benefícis advinds da utilizaçã de cmbustíveis de fntes renváveis, pel seu desempenh psitiv n cntrle ds gases de efeit estufa, especialmente CO2 (dióxid de carbn), pis a cultura da cana de açúcar (fnte d álcl) tem características específicas cm relaçã à absrçã de CO2 da atmsfera, já que td carbn gerad n cultiv e transfrmaçã é reabsrvid pr nva safra, representand uma reduçã efetiva em relaçã à utilizaçã de cmbustíveis de fnte fóssil (óle diesel).

9 MISTURAS DE ÁLCOOL DIESEL Características Físic-químicas das misturas:

10 MISTURAS DE ÁLCOOL DIESEL Na tabela anterir, se bserva uma reduçã da capacidade calrífica d cmbustível na medida em que se incrementa a cncentraçã de álcl, chegand a uma reduçã de 5 % na mistura cm 14 % v/v, que implica uma menr dispnibilizaçã de energia durante sua cmbustã pdend cmprmeter rendiment d mtr, fazend cm que s mesms perem cm ptências menres das anunciadas pels fabricantes; N entant, se númer de cetan d cmbustível, aumentasse cm a adiçã de álcl, pderia existir um equilíbri entre ambas as prpriedades fazend cm que até determinada cncentraçã de álcl a perda de ptência se minimize; N cas da adiçã de álcl a diesel, númer de cetan estimad neste estud através d métd de índice de cetan, também diminui, prtant é necessári adicinar um aditiv que melhre este índice e cnsiga minimizar a perda de ptência n mtr.

11 MISTURAS DE ÁLCOOL DIESEL Testes de Carga / Desgaste:

12 MISTURAS DE ÁLCOOL DIESEL Ns Testes de Carga / Desgaste bservu-se que na amstra cm 3 % de álcl a película lubrificante é mantida até cargas de 32 kg; Sb as mesmas cndições de carga, as misturas cm teres de álcl superires prvcam um desgaste mair que cmbustível diesel, alcançand valres superires a 0,6 mm; Estes resultads alertam sbre a necessidade de realizar testes Estes resultads alertam sbre a necessidade de realizar testes rigrss de lubricidade e durabilidade em mtres, além de prpr aditivs que melhrem esta prpriedade.

13 MISTURAS DE ÁLCOOL DIESEL Características Físic-químicas d Diesel e da Mistura cm 8% de Etanl Anidr:

14 ASPECTOS DE LUBRICIDADE EM MOTORES COM BOMBA ROTATIVA O óle diesel, além das características necessárias para apresentar um bm desempenh cm cmbustível, deve atuar também cm lubrificante em determinadas partes ds sistemas de injeçã, cm acntece nas bmbas rtativas e injetres; Em alguns cass, apesar d cmbustível atender às especificações, pde crrer reduçã d temp nrmal de vida de bmbas e injetres em funçã d baix pder de lubrificaçã d cmbustível; A lubricidade é um term qualitativ que descreve a habilidade de um cmbustível em evitar a fricçã e desgaste entre superfícies metálicas em mviment relativ sb carga; Quand um cmbustível nã apresenta lubricidade adequada, sua capacidade de diminuir atrit entre superfícies em cntat é prejudicada;

15 ASPECTOS DE LUBRICIDADE EM MOTORES COM BOMBA ROTATIVA Ist é particularmente crític n cas das bmbas rtativas prque seus cmpnentes interns sã lubrificads pel própri cmbustível; Neste cas, cmbustível deve ter lubricidade adequada para cnferir a sistema de injeçã a durabilidade requerida, u seja, evitar desgaste prematur ds cmpnentes;

16 DESENVOLVIMENTO DE ADITIVOS PARA A MISTURA DE 8% DE ETANOL ANIDRO A revisã bibligráfica e s resultads da pesquisa demnstram que quand se pretende trabalhar cm teres de álcl superires a 3% u estender cnsum destas misturas a mtres diesel equipads cm bmbas injetras rtativas é necessári intrduzir na frmulaçã um terceir element, denminad aditiv ; Especificamente nas misturas álcl/diesel aditiv deve garantir a hmgeneizaçã perfeita e crrigir lubricidade e númer de cetan, prpriedades afetadas pela adiçã d álcl; Em cass cm este, nde se precisa repr u melhrar várias prpriedades d cmbustível riginal é cmum utilizar um pacte de aditivs ; Cm bjetiv de prpr um aditiv para a mistura cm 8% de álcl fram estudads e avaliads váris prduts dispníveis n mercad;

17 DESENVOLVIMENTO DE ADITIVOS PARA A MISTURA DE 8% DE ETANOL ANIDRO Aditiv para melhra da slubilidade da mistura: Os ésteres graxs de srbitan sã cmercializads pr várias empresas sb a marca SPAN. Entre s SPANs, mnleat de srbitan (SPAN 80) é um ds ésteres prpst cm aditiv slubilizante da mistura de cmbustível diesel cm 8% de etanl anidr; Sua cncentraçã na mistura fi minimizada a 0,5 %v/v, garantind a estabilidade da mistura pr 30 dias nas cndições brasileiras de armazenagem;

18 DESENVOLVIMENTO DE ADITIVOS PARA A MISTURA DE 8% DE ETANOL ANIDRO Aditiv para melhra da slubilidade da lubricidade: Na prpsta d aditiv melhradr de lubricidade, primeir candidat fi mesm mnleat de srbitan (SPAN 80), que cumpre cm as características exigidas para prduts usads cm estes fins; N Institut de Pesquisas Tecnlógicas de Sã Paul, estudu-se a lubricidade das amstras, utilizand s métds ASTM D e ISO 12156; O ter de cada um ds cmpnentes nas misturas fi selecinad cnsiderand: 8% etanl anidr, prcentual ideal timizad; 0,5% SPAN 80, prcentual minimizad; 1,0% SPAN 80, se decidiu duplicar ter de aditiv na mistura para verificar sua influência na lubricidade. 2% de bidiesel, regulamentad pela ANP a partir d 2006;

19 DESENVOLVIMENTO DE ADITIVOS PARA A MISTURA DE 8% DE ETANOL ANIDRO Resum ds resultads btids ns ensais de lubricidade:

20 DESENVOLVIMENTO DE ADITIVOS PARA A MISTURA DE 8% DE ETANOL ANIDRO Aditiv para elevar númer de cetan da mistura: A adiçã de álcl a óle diesel também resulta na reduçã d númer de cetan, pdend exigir utr aditiv que cnfira à mistura melhr qualidade de igniçã, cnfrme a natureza d óle diesel a ser usad; Partind destas analises, pretende-se avaliar aditiv Bimix-D cm melhradr da qualidade de igniçã da mistura de cmbustível diesel cm 8% de etanl anidr, redefinind sua cncentraçã; O Bimix-D, fi patentead em Cuba para ser adicinad a diesel em uma cncentraçã de 0,1%; Os melhres resultads em relaçã a aument d númer de cetan se btiveram na amstra aditivada cm 0,1% de Bimix-D.

21 DESENVOLVIMENTO DE ADITIVOS PARA A MISTURA DE 8% DE ETANOL ANIDRO Númer de cetan nas amstras estudadas:

22 DESENVOLVIMENTO DE ADITIVOS PARA A MISTURA DE 8% DE ETANOL ANIDRO Aditiv para elevar númer de cetan da mistura: Os melhres resultads em relaçã a aument d númer de cetan se btiveram na amstra aditivada cm 0,1% de Bimix-D; Este aditiv será denminad cm DIOLEFECT e frmulad a partir da mistura de 0,5% de SPAN 80 cm 0,1% de BIOMIX-D;

23 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA Os ensais de desempenh e cnsum de cmbustível realizaram-se, tmand cm base a Nrma brasileira NBR ISO 1585 n LMT / COPPE / UFRJ; Utilizu-se um mtr MWM Série 10 mdel 4.10 TCA acplad a um dinamômetr hidráulic marca Mtr Pwer mdel MP-800, pr mei de uma transmissã Vulkan mdel CN-50, injetra rtativa e cnsumind as seguintes qualidades de cmbustíveis: Cmbustível diesel S-500 (cm 2% bidiesel); Mistura de cmbustível diesel S-500 (cm 2% bidiesel) + 8% de etanl anidr + aditiv DIOLEFECT (0,5% SPAN ,1% Bimix-D);

24 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA A avaliaçã d desempenh d mtr se realizu mediante crrespndente levantament das curvas características (Trque (Nm) e Ptência (KW)) d Mtr MWM, a lad;

25 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA: TORQUE E POTÊNCIA Curvas características d mtr MWM Mdel 4.10TCA: Trque e Ptência;

26 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA: CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL Fram medidas também durante s testes em bancada, cnsum específic de cmbustível;

27 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA: CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL As curvas de cnsum específic se caracterizam pr serem diretamente prprcinais a rendiment d mtr em funçã das cndições de peraçã e ds cmbustíveis que estã send testads:

28 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA: ENSAIOS DE EMISSÕES Determinu-se a cmpsiçã ds gases de escapament (O2, CO, CO2, NOx e hidrcarbnets) cnsumind as seguintes qualidades de cmbustível: Cmbustível diesel S-500 (cm 2% bidiesel); Mistura de cmbustível diesel S-500 (cm 2% bidiesel) + 8% de etanl anidr + aditiv DIOLEFECT (0,5% SPAN ,1% Bimix-D);

29 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA: ENSAIOS DE EMISSÕES Cmpsiçã ds gases de emissã d mtr estudad cnsumind Óle diesel S % Bidiesel:

30 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA: ENSAIOS DE EMISSÕES Cmpsiçã ds gases de emissã d mtr estudad cnsumind a Mistura (Óle diesel S % Bidiesel + 8% AEAC + aditiv DIOLEFECT (0,5% SPAN ,1% Bimix-D)): As emissões médias NOx e hidrcarbnets reduziram-se 16,36% e 21,3%, respectivamente;

31 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA: ENSAIOS DE EMISSÕES Média das emissões expelidas na descarga d mtr MWM Mdel 4.10TCA:

32 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA: ENSAIOS DE DURABILIDADE A bmba injetra e s respectivs bics injetres fram testads e regulads para iníci d teste de durabilidade em bancada BOSCH na empresa FADIESEL;

33 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA: ENSAIOS DE DURABILIDADE Curvas de Ptência d Mtr MWM - Teste de durabilidade (0 hra) x (1000 hras);

34 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA: ENSAIOS DE DURABILIDADE Ptência prduzida pel mtr MWM n Teste de durabilidade: Os testes realizads sugerem que a perda de ptência d mtr MWM, após 1000 h de trabalh, chegu até aprximadamente 8% em 2500 rpm; Este elevad valr estima-se que pssa estar relacinad cm uma deficiente pulverizaçã u deficiente alcance d jat de cmbustível na câmara de cmbustã devid à frmaçã de lacas ns bics injetres.

35 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA: ENSAIOS DE DURABILIDADE Observe-se na figura a lad, a mudança na cr ds bics injetres a términ d teste de durabilidade;

36 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA: ENSAIOS DE DURABILIDADE Curvas de ptência d Mtr MWM n Teste de durabilidade (0 hra) x (1000 hras) x (1000 hras cm limpeza e regulagem de cnjunt prta injetr):

37 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA: ENSAIOS DE DURABILIDADE Ptência d mtr MWM cnsumind a Mistura Cm limpeza e regulagem de cnjunt prta injetr: A perda de ptência d mtr, após limpeza e regulagem de cnjunt prta injetr usad ns testes de durabilidade, fi de aprximadamente 2,98% em 2500 rpm, valr que está dentr da incerteza desse tip de teste em mtres que pde ser até ± 3%;

38 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA: ENSAIOS DE DURABILIDADE Cnsum específic de cmbustível cm cargas variáveis:

39 DESEMPENHO E CONSUMO MOTOR DIESEL COM BOMBA INJETORA ROTATIVA: ENSAIOS DE DURABILIDADE Cnsum específic de cmbustível cm cargas variáveis, após limpeza e regulagem de cnjunt prta injetr:

40 CONCLUSÕES A adiçã de etanl anidr a óle diesel, resulta na alteraçã das prpriedades físic químicas d cmbustível final; Características Psitivas Diminui ter de enxfre mercaptans e ttal (atenua efeit crrsiv) Baixa a acidez (atenua efeit crrsiv); Diminui ter de hidrcarbnets armátics (menr cntaminaçã); Aumenta ter de xigêni n cmbustível (cmbustã mais cmpleta); Características Negativas Pnt inicial de ebuliçã (baixa para 79 ºC); Diminui pnt de fulgr (se incrementam s riscs envlvids n manusei, armazenament e transprte d cmbustível); Reduz númer de cetan (diminui a qualidade de igniçã d cmbustível); Diminui a viscsidade (se incrementa desgaste das partes móveis d mtr e ds cmpnentes interns das bmbas de injeçã rtativas, além de afetar-se grau de atmizaçã d cmbustível); Diminui pder calrífic (incrementa cnsum em massa);

41 CONCLUSÕES Quand se pretende trabalhar cm teres de álcl superires a 3% u estender cnsum destas misturas a mtres diesel equipads cm bmbas injetras rtativas, é necessári intrduzir na frmulaçã um terceir element, denminad aditiv ; O bidiesel e SPAN 80 mstraram-se cm aditivs melhradres de lubricidade; A perda média de ptência d mtr MWM Mdel 4.10TCA fi de 2,55±2%, cnsumind a mistura prpsta (cm aditiv melhradr da cmbustã) em relaçã a seu desempenh cnsumind cmbustível diesel de referência; Este valr é inferir a resultad btid cm a mistura sem aditivar (8,6%±2%), demnstrand-se a efetividade d aditiv utilizad para melhrar a qualidade de igniçã na mistura;

42 CONCLUSÕES N mtr MWM Mdel 4.10TCA as emissões médias de óxids de nitrgêni (NOx) e hidrcarbnets reduziram-se 16,36% e 21,3%, respectivamente; Aditivand a mistura cm um prdut cm Bimix-D para melhrar a qualidade de cmbustã d cmbustível é pssível reduzir as emissões de hidrcarbnets nã queimads e mnóxid de carbn que, cnfrme mdel d mtr, pdem alcançar valres inferires as btids cm cmbustível diesel; A bmba injetra rtativa, após 1000 hras de trabalh d mtr cnsumind a mistura prpsta, praticamente mantém as mesmas características determinadas n iníci ds testes; Demnstru-se a efetividade d aditiv prpst para melhrar a lubricidade da mistura cmbustível;

43 CONCLUSÕES A perda de ptência d mtr MWM Mdel 4.10TCA, após limpeza e regulagem de cnjunt prta injetr usad ns testes de durabilidade, fi de aprximadamente 2,98% a 2500 rpm; Este resultad cnfirma que mtr, após 1000 h de teste cnsumind a mistura prpsta, está em ótimas cndições e que a perda de ptência d mtr está relacinada cm uma insuficiente nebulizaçã d cmbustível na câmara de cmbustã devid à depsiçã de lacas ns bics injetres; O cnsum específic de cmbustível d mtr MWM Mdel 4.10TCA, após 1000 h de teste de durabilidade, aumentu aprximadamente 10% em baixas rtações (1500 rpm), mas diminuiu para aprximadamente 2% nas rtações de 2000 e 2500 rpm;

44 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS Dã sustentaçã agra à fase de testes peracinais em veículs; Nessa fase recmenda-se cntrlar a qualidade d óle lubrificante. Iss pderia ajudar na seleçã de uma qualidade de óle lubrificante cm mair crrespndência cm a qualidade da mistura cmbustível prpsta; Sugere-se a necessidade de uma avaliaçã ecnômica aprfundada para definir a viabilidade d us da mistura cmbustível prpsta.

45 ALGUMAS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO. Anuári Estatístic. Ri de Janeir. Dispnível em: < Acess em: 17 Fevereir 2009; AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D High Frequency Reciprcating Rig (HFRR). West Cnshhcken, PA, USA; 2003; 8 Annual Bk f ASTM Standards: Petrleum prducts, Lubricants and Fssil Fuels. Sectin 5, vl 1, 2, 3 and 4, Eastn, USA, 2000; MARTINS H. Prcediments para Preparaçã e Us de Misturas Álcl-Diesel. Centr de tecnlgia canavieira (CTC). Relatóri nº 4, PP. 1-10, Julh de 2005; OLIVEIRA H. Metdlgia de avaliaçã da lubricidade d óle diesel. ENQUALAB-2005-Encntr para a qualidade de Labratóris Rede Metrlógica d Estad de Sã Paul-REMESP de Junh de 2005, Sã Paul, Brasil.