AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO E EMISSÕES DE MOTORES DIESEL USANDO MISTURAS DE ÓLEO DE MAMONA E ÓLEO DIESEL

Transcrição

1 AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO E EMISSÕES DE MOTORES DIESEL USANDO MISTURAS DE ÓLEO DE MAMONA E ÓLEO DIESEL VALÉRIA SAID DE BARROS PIMENTEL Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal do Rio de Janeiro Pesquisadora CARLOS RODRIGUES PEREIRA BELCHIOR Departamento de Engenharia Oceânica Universidade Federal do Rio de Janeiro Professor PEDRO PAULO PEREIRA Departamento de Engenharia Mecânica Universidade Federal do Rio de Janeiro Pesquisador Resumo Este trabalho refere-se a avaliação experimental da COPPE/UFRJ em parceria com o CENBIO, de diesel geradores operando com misturas de óleo mamona in natura e óleo diesel. Foram realizados testes de desempenho e emissões em um motor diesel de injeção direta. Devido a alta viscosidade da mistura foi instalado um dispositivo (kit) para pré-aquecer a mistura afim de aproximar a sua viscosidade a do óleo diesel. Os resultados obtidos nos testes apontam para a possibilidade de utilização da mistura óleo de mamona e óleo diesel como combustível para dieselgeradores, com modificações introduzidas nos motores. Abstract This work refers to the experimental evaluation of diesel generators operating with blend of crude castor oil and diesel. Performance and emissions tests were accomplished in a diesel engine of direct injection. Because of the high viscosity of the blend a device was installed on the engine in order to lower the blend viscosity. A comprehensive analysis of the results obtained in these tests indicates the possibility of use of the blend of castor oil and diesel as fuel for diesel-generators, with modifications introduced in the engines. Introdução Brasil tem 15% de sua população (25 milhões de pessoas) sem acesso à fontes seguras de eletricidade [1]. A maioria desta população têm uma renda muito baixa e vivem nas áreas rurais onde os custos para instalar o acesso à eletrificação convencional são elevados. Para a geração de eletricidade em áreas remotas, a configuração de sistema básico inclui um motor diesel

2 acoplado a um gerador de CA. O sistema é conectado geralmente a uma mini-rede, que serve à parte central da vila. O uso de óleo vegetal como combustível já foi investigado por muitos pesquisadores na última década [2-6]. Este artigo discute o uso da mistura de óleo de mamona e óleo diesel em motores diesel estacionários para a fonte de energia de vilas pequenas na Amazônia. Objetivo O objetivo do teste de um motor diesel em uma bancada dinamométrica foi analisar o efeito da utilização da mistura de óleo de mamona in natura com óleo diesel em motores diesel sobre as variáveis de operação e, consequentemente, sobre as emissões e o desempenho do motor, comparativamente com o motor operando com óleo diesel. Com base em experiência anteriores [2,3,4,5,8,9,10], foram realizados testes com a mistura aquecida a 95 o C, já que acima de 100 o C de aquecimento da combustível o sistema de alimentação do motor começa apresentar problemas operacionais. Apparatus No desenvolvimento do trabalho, foi utilizado um motor diesel de injeção direta de 6 (seis) cilindros de 5.9 litros e 168 Hp - motor Cummins 6 BT AA 5.9. Para determinação da potência efetiva produzida pelo motor, foi empregado um dinamômetro hidráulico da marca Motor Power com capacidade para 600 kw. Figura 1 Motor Cummins instalado em bancada dinamométrica no LMT O controle de carga foi realizado por um sistema de Controle de Carga Land & Sea. Este dinamômetro é conectado a um microcomputador através de um módulo de aquisição de dados, permitindo o registro de dados Como a viscosidade da mistura óleo de mamona e óleo vegetal é maior que a do óleo diesel a temperatura ambiente, foram realizadas algumas alterações no sistema de alimentação de combustível do motor, para que se pudesse operar o motor com a mistura a aquecida a 95 o C.

3 Table - Propriedades Físico-Químicas Propriedades Óleo de Mamona Óleo Diesel Poder Calorífico Superior (kcal/kg) Poder Calorífico Inferior (kcal/kg) Densidade (a 20 o C) Indice de Acidez (mgkoh/g) 2.19 Ponto de Fulgor ( o C) Ponto de Fluidez ( o C) (-21) 23 Ponto de Névoa ( o C) (*) 45 Teor de Cinzas (%) Viscosidade (40 o C) (Cst) Viscosidade (60 o C) (Cst) Viscosidade (100 o C) (Cst) Análise realizada pelo INT (*) Não foi evidenciada a turvação característica do ponto de névoa A alimentação de combustível passou a ser feita através de dois tanques de combustível interligados, um para o diesel e outro para a mistura. Foi desenvolvido um dispositivo (kit) fabricado em de aço inoxidável equipado com uma resistência elétrica para aquecimento da mistura até 95 o C, já que a essa temperatura a mistura fica com a viscosidade próxima a do diesel. O kit possui uma bureta calibrada para permitir a medição volumétrica de consumo de combustível. Legenda: 1-Motor Diesel 3-Tambor de óleo vegetal 5-Válvula de 3 vias 7-Bomba de transferência 9-Tanque de aquecimento 11-Bomba manual 13-Bomba injetora 2- Gerador 4-Entrada de óleo Diesel 6-Aquecedores imersão 8-Filtro de óleo vegetal 10-Tanque de transição 12-Filtro de combustível Figura 2 Dispositivo (kit) de conversão Para possibilitar um controle de temperatura em vários pontos do motor foram instalados vários termopares tipo J para registras e controlar as temperaturas de: Ar de admissão Água de arrefecimento Combustível Gases de Descarga

4 A medição das emissões de gases poluentes foi realizada por um analisador de quatro gases (CO, CO 2, HC e NO x ). Este analisador determina as concentrações de HC, CO e CO 2 através do método de absorção de infravermelho. As análises das emissões de NO x são determinadas através de um detetor químico-luminescente. A medição de opacidade foi realizada através de opacímetro de fluxo total que não mede a massa das partículas emitidas, apenas uma estimativa dos níveis de emissão mássica. Procedimento de Teste O procedimento de teste adotado foi desenvolvido especificamente para diesel geradores operando com óleos vegetais in natura, possibilitando a comparação dos resultados com aqueles obtidos com o óleo Diesel. Após a análise das características físico-químicas do óleo de mamona in natura observamos que a amostra de óleo de mamona submetida à análise pelo Instituto nacional de Tecnologia INT e do óleo utilizado nos testes do LMT e da CUMMINS, poderiam não corresponder plenamente às características de um combustível a ser utilizado em motores diesel. Baseado nessas informações, o procedimento visa estabelecer uma metodologia de testes que possibilite a comparação de desempenho entre o óleo diesel e o da mistura sob as mesmas condições de teste, e a identificação da influência desses combustíveis no desempenho do motor e emissões de poluentes. Para atingir estes objetivos foram realizados testes que tinham como metodologia a seqüência abaixo: A partida do motor era dada com óleo diesel permanecendo nessa condição (aquecimento) durante 30 minutos, para que fossem atingidas as condições ideais de funcionamento. Esse critério foi usado para atenuar os problemas causados pela pior atomização e vaporização do combustível quando o motor está frio, levando à formação de depósito. Após o aquecimento, iniciava-se o primeiro ciclo de teste seguindo o seguinte procedimento: Através da atuação automática da válvula de controle do dinamômetro, era possível manter constante a RPM do motor, à semelhança de suas condições operacionais quando acionando o Grupo Gerador a 1800 RPM. Em seguida, atuava-se simultaneamente no débito da bomba injetora do motor Diesel, de maneira a se obter as potências de 20, 40, 60 e 80 kw. As potências escolhidas estão dentro da faixa de valores que seriam desenvolvidas pelo grupo gerador CUMMINS em operação normal. Em todas as potências acima, foram registrados os valores de: - Torque - RPM - Temperatura de Gases de Descarga - Consumo de Combustível - Análise dos Gases de Exaustão (CO, HC, NO x e Opacidade) Após o término dos testes diários, o motor permanecia funcionando durante 30 minutos com óleo diesel para promover uma limpeza no sistema de injeção. Esse cuidado era tomado para evitar a solidificação do combustível na tubulação, causando entupimento após o desligamento do motor. Os ensaios foram realizados primeiramente com o motor funcionando com óleo Diesel.

5 Após os testes com o óleo diesel o motor foi ensaiado com o óleo vegetal. Tendo em vista os resultados da análise do óleo de Mamona, que registravam valor de viscosidade de 234,40 cst a 40 o C e de 18,23 cst a 100 o C (3 vezes o valor apresentado pelo óleo Diesel à temperatura ambiente), vimos que uma atomização adequada não seria obtida no injetor do motor. Temperaturas acima desse valor afetam o funcionamento da bomba de combustível. Assim, optouse em utilizar no ensaio uma mistura (blend) [7] de 80% de óleo de Mamona e 20% de óleo Diesel cuja viscosidade a 100 o C apresenta um valor próximo à do Diesel na temperatura ambiente. Análise dos Resultados Analisando a figura 3 observa-se que os valores gráficos das emissões específicas de monóxido de carbono (CO) com o motor operando com óleo diesel são maiores do que quando operando com óleo de mamona com 20% de óleo diesel a 95 o C em cargas mais altas. Este fato não é esperado, entretanto, Pimentel [8,9,10] também encontrou resultados similares com o motor operando com óleo de dendê in natura. Uma possível explicação seria devido à presença de oxigênio na estrutura molecular do combustível. Podemos observar também que as emissões de CO decresceram com o aumento de potência. Entretanto, na potência de 20kW as emissões de CO com o motor operando com óleo diesel foram bem menores do que com o motor operando com a mistura, sendo justificada pelo consumo de diesel muito inferior ao da mistura nessa potência. Em cargas baixas o motor opera mais frio, fora das condições ideais de funcionamento, favorecendo a combustão incompleta. CO (g/kwh) CO (g/kwh) d CO (g/kwh) m+d Figura 3 Emissões específicas de Monóxido de Carbono em função da Potência O gráfico das emissões específicas de hidrocarbonetos (HC) (figura 4), mostra uma queda progressiva das emissões de HC com o aumento de carga. O motor em baixa carga trabalha mais frio ocorrendo combustão incompleta. As emissões de HC com o motor operando com a mistura apresentam valores inferiores do que as do diesel, o que contraria as expectativas. Entretanto, pode ser explicado pela alta temperatura de aquecimento da mistura (99 o C), facilitando a vaporização do combustível.

6 HC (g/kwh) HC (g/kwh) d HC (g/kwh) m+d Figura 4 Emissões específicas de Hidrocarbonetos em função da Potência O gráfico das emissões específicas de NO x (figura 5) mostra o aumento das emissões desse gás com o aumento da carga, como esperado, já que a formação de NO x é função da temperatura máxima de combustão. Observa-se também que com o motor operando com diesel os índices de emissões de NO x foram os mais altos. Esses índices podem ser explicados pelo menor atraso de ignição do diesel gerando temperaturas mais altas de combustão. No caso da mistura óleo de mamona mais 20% de diesel, sendo o atraso de ignição maior, ocorrem picos de pressão e temperatura de combustão, entretanto, a combustão irá se processar no período de expansão, diminuindo a emissão de NO x. 7 6 NOx (g/kwh) Potência (g/kwh) NOx (g/kwh) d NOx (g/kwh) m+d Figura 5 Emissões específicas de Óxidos de Nitrogênio em função da Potência

7 O gráfico da opacidade (figura 6) apresenta comportamento inverso das emissões de material particulado com o motor operando com óleo diesel e a mistura. O motor operando com óleo diesel apresenta menores emissões de material particulado em cargas mais baixas. Isso pode ser explicado pela menor quantidade de combustível consumida em cargas mais baixas. Nesta condição o motor operando com a mistura emite mais material do que em cargas mais altas, demonstrando a inadequação da utilização dessa mistura quando o motor opere em regime de baixa carga. O gráfico de consumo específico (figura 7) mostra menor consumo específico demonstrando um melhor desempenho do óleo diesel, fato já esperado, devido ao seu maior poder calorífico comparativamente ao do óleo de mamona com 20% de óleo diesel, gerando maior potência. 6 5 Opacidade (%) opac (%)d opac (%) m+d Figura 6 Opacidade em função da Potência Cons Esp (kg/kwh) Gfuel (kg/kwh) d Gfuel (kg/kwh) m+d Figura 7 Consumo específico em função da Potência

8 O gráfico da figura 8 mostra maiores temperaturas dos gases de exaustão, quando utilizado a mistura como combustível. Esse aumento de temperatura é conseqüência do maior atraso de ignição que o óleo de mamona com 20% de diesel provoca. Devido ao maior atraso de ignição, maior quantidade de combustível queima no início da combustão provocando um aumento de pressão (picos) e temperatura. Temperatura de Descarga (C) Temp. desc (C) d Temp. desc (C) m+d Figura 8 Temperatura dos Gases de Descarga em função da Potência Comparando-se a temperatura dos gases de exaustão do motor operando com óleo diesel e com a mistura, é possível observar que as menores temperaturas de exaustão ocorreram com o motor operando com óleo diesel. Este fato era esperado, pois um aumento na temperatura de exaustão é um indicativo de menor desempenho do motor devido às menores taxas de liberação de calor associadas à menor eficiência térmica. Conclusões Ao final do trabalho é possível concluir que a utilização da mistura, em particular a mistura de óleo mamona com óleo diesel que foi objeto da pesquisa, apresenta-se como uma das soluções viáveis em substituição aos combustíveis derivados de petróleo. O óleo vegetal mostra-se vantajoso principalmente pelo aspecto do menor impacto ambiental, apesar da questão operacional em que são necessárias adaptações de projeto no motor para um funcionamento regular e compatível com à do motor operando com óleo diesel. A viscosidade da mistura a temperatura ambiente é muito alta para que seja possível a sua utilização como combustível sem maiores danos ao motor. Para atingir um valor de viscosidade próximo ao do óleo diesel é necessário aquecer a mistura a uma temperatura próxima dos 95 o C, o que resulta em melhores condições de operação do motor. A utilização da mistura modificou alguns dos valores de emissões esperados, muitas vezes confirmando a vantagem em se utilizar o óleo vegetal em relação ao óleo diesel. As emissões de CO, NO x e HC foram menores com o motor operando com a mistura, já os níveis de opacidade foram maiores em potências menores. Palavras Chaves Óleo vegetal; combustível alternativo; óleo de mamona; diesel gerador.

9 Referências Bibliográficas [1] FORO PERMANENTE DE ENERGIAS RENOVA VEIS. DECLARAÇÃO DE BELO HORIZONTE; Encontro para Definição de Diretrizes para o Desenvolvimento de Energias Solar e Eólica no Brasil, Belo Horizonte, Brasil, Abril [2] KARAOSMANOGLU, F.; KURT, G.; ZAKTAS, T.; Long Term CI Engine Test Of Sunflower Oil. Renewable Energy;19: [3] SRIVASTAVA, A..; PRASAD, R.; Triglycerides-Based Diesel Fuels. Renewable Sustainable Energy Rev:4: [4] KARAOSMANOGLU, F.; TETIK, E.; GÜRBOY, B.; SANLI, I.; Characterization Of The Straw Stalk Of The Rapeseed Plant As A Biomass Energy Source. Energy Sources;21 (9): [5] ALTIN, R.; ÇETINKAYA, S.; YÜCESU, H. S.; The Potential Of Using Vegetable Oil Fuels As Fuel For Diesel Engines. Energy Conversion Mgmt;42: [6] GOETLLEN, H. Z.; ZIEJEWSKI, M.; KAUFMAN, K. R.; PRATT, G. L.; Fuel Injection Anomalies Observed During Long-Burn Engine Performance Test On Alternate Fuels. SAE Technical Paper Series no Society of Automotive Engineers, Iulsa, Oklahoma; [7] CLARK, G. H.; Industrial And Marine Fuels Reference Book; Butterworths 1988 [8] PIMENTEL, V. S. B.; BELCHIOR, C. R. P.; ALMEIDA, S. C. A.; Diesel Generator Adaptation For The Use Of Palm Oil Fuel, 8 o Brazilian Congress of Thermal Engineering and Sciences, 2000 [9] PIMENTEL, V. S. B.; Análise E Diagnose De Diesel Geradores Operando Com Óleo De Dendê In Natura. D.Sc. Thesis, UFRJ 2002 [10] PIMENTEL, V. S. B.; BELCHIOR, C. R. P.; ALMEIDA, S. C. A.; Utilização De Óleo De Dendê Em Grupos Geradores Para Eletrificação De Localidades Isoladas, Viii Congresso Brasileiro De Energia, 1999