ESTUDO DO ETANOL NA MÁQUINA DE COMPRESSÃO RÁPIDA, CICLO DIESEL

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1 ESTUDO DO ETANOL NA MÁQUINA DE COMPRESSÃO RÁPIDA, CICLO DIESEL Aluno: Adahyl de Paula Garcez Rodrigues Orientador: Sergio Leal Braga Introdução Petróleo, gás natural e seus subprodutos representam cerca de 55% do consumo mundial de energia [1]. Fontes alternativas de combustíveis nos meios de transporte são interessantes por diversos motivos como redução da dependência de combustíveis fósseis como diminuição de gases poluentes. Bioetanol é a melhor alternativa para motores a combustão e biodiesel para motores a compressão [2]. A utilização do etanol em motores a diesel, apesar de problemática, é ultra limpa e não dependente de combustíveis fósseis. 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 [3], Figura 1. Combustíveis alternativos não são utilizados atualmente no transporte público devido a baixa eficiência. Figura 1. Consumo de combustível no Brasil. A substituição do diesel pelo etanol é uma boa opção, entretanto modificações são necessárias. O maior problema na utilização do etanol em motores a Diesel é a ignição [4], esse problema é atribuido a maior entalpia de vaporização do etanol em relação ao diesel. Otimização da ignição do etanol é necessária e é realizada através da adição de aditivos. Nitratos apesar de promissores, apresentaram diversos problemas, como aumento na corrosão, ser

2 explosivo, tóxico, devido a baixa viscosidade não lubrifica o suficiente e é suspeito de aumentar as emissões de NOx. O aditivo BERAID 3523, fabricado pela Akzo Nobel Surface Chemistry aumenta a qualdiade de ignição e não apresenta os colaterais dos nitratos. O combustível ED95 utilizado em motores a diesel consiste de 95% etanol e 5% aditivo [5]. Tentativas da utilização do etanol em motores a diesel em geral envolvem pequenas modificações no motor, incluindo aumento na admissão de combustível, aditivos para lubrificação, correções no tempo de injeção, assistência na ignição [6]. Objetivos Analisar o combustível etanol ED95 em conjunto com o aditivo BERAID 3525, em proporção 19:1, na máquina de compressão (MCR) rápida em ciclo Diesel no intuito de desenvolver a tecnologia para orientar a concepção de novos motores otimizando o processo de combustão, aumentando a eficiência térmica, reduzindo assim as emissões de gases de escape. Metodologia Utilizando a MCR (máquina de compressão rápida), nos é possível estudar o comportamento dos combustíveis no processo de combustão, seja ela por compressão ou por centelha. A máquina se encontra isntalada no Laboratório de Engenharia Veicular (LEV) na universidade PUC-Rio. É capaz de operar em ambos os ciclos, Otto e Diesel. Figuras 3 e 4 mostram a foto da MCR e seu esquema de operação. Figura 2. MC instalada no LEV ( PUC-Rio) A MCR trabalha com um único processo de compressão e uma expansão parcial, possibilitando assim a obtenção de dados em relação a injeção, vaporização, ignição,

3 crescimento de cahamas e combustão dos combustíveis. A tabela 1 resume as principais especificações da MCR. Tabela 1. 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 Figura 3. Adaptação e instalação da MCR pra testes a diesel A máquina de compressão rápida 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 de injeção do ED95 foram reajustados para fornecer a mesma quantidade de energia química injetado num processo de combustão diesel. O valor do poder calorífico do diesel S50 é de aproximadamente 44,5 MJ/kg [7], e para o ED95 é de 24,7 MJ/kg [8]. Para cada processo de combustão, cerca de 80% a mais de massa de ED95 foi injetada em relação à quantidade de combustível injetado quando se opera com o diesel S50. Resistências elétricas foram adaptados tanto na parte superior da câmara de combustão 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.

4 O fabricante da MCR forneceu a caracterização do bico injetor do diesel, essa caracterização foi utilizada como referência. Tal caracterização foi usada como referência para determinar o tempo e a pressão de injeção. Tabela 2. Características do motor diesel Diâmetro interno 85mm Curso 88mm Comprimento do biela 145mm Tolerância 0,4mm Cilindrada 1997cm 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 toruqe máximo 2000 tr/mn Velocidade máxima 3750 tr/mn Valor do torque na máxima potência 301 Nm Regime máximo de potência 5000 tr/mn Tabela 3. Condições de operações de entrada para o teste de Diesel na MCR. Taxa de compressão (-) 16 Velocidade do motor (rpm) 1500 Deslocamento máximo do pistao (mm) 217 Pressão de acionamento do pistão (bar) 20.8 Parede do cilindro/temperatura da cabeça 90 do pistão( C) Pressão do ar na admissão (mbar) 1100 PCI (MJ/kg) Ponto de injeção ( ) 15 antes do PMS Injeção de combustível 1070 bar/ 1.75ms 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 90 do pistão ( C) Pressão do ar na admissão (mbar) 1100 PCI (MJ/kg) 24.7 Ponto de injeção ( ) 13, 17 e 20 Injeção de combustível 1615 bar / 2.7ms

5 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 90 do pistão ( C) Pressão do ar na admissão (mbar) 1100 PCI (MJ/kg) 24.7 Ponto de injeção ( ) 13, 17, 20, 22, 23, 24, 25 e 27 Injeção de combustível 1450 bar / 2.7ms 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 90 do pistão ( C) Pressão do ar na admissão (mbar) 1100 PCI (MJ/kg) 24.7 Ponto de injeção ( ) 13, 17, 20, 22, 23, 24 e 25 Injeção de combustível 1590 bar / 2.7ms Atraso na ignição, é o tempo entre a injeção do combustível na câmara de combustão e o início da combustão propriamente dita, os métodos para determinar o atraso na ignição podem ser divididos em duas categorias, método direto e indireto. Como o pistão da máquina de compressão possui uma parte de quartzo permitindo assim a visualização através de um espelho no início do curso da MCR o que nos possibilita utilizar o método de medição direta, todos os testes realizados foram filmados utilizando uma câmera de alta velocidade, de até 465mil frames por segundo, sendo assim o processamento das imagens nos permitiu determinar com boa precisão, gravando a 30 mil frames por segundo, em qual quadro a combustão se iniciou e sabendo quando a combustão se inicia, o número de quadros por segundo e o momento no qual o combustível foi inserido, é possível calcular o atraso na ignição. Também foi utilizado o método indireto que é baseado na variação de pressão em relação ao tempo durante o ciclo. Foi instalado um sensor na cabeça do cilindro possibilitando assim a captação da variação da pressão em relação ao tempo de forma precisa. A reta comerá a se desviar do seu caminho no início do processo de combustão. A primeira e segunda derivadas em relação a curva de pressão com respeito ao tempo (dp e d p) também nos permite um cálculo de atraso de ignição com boa precisão.[9] Resultados Os testes foram feitos com os combustíveis, etanol ED95, Diesel S50 e Diesel S10. Foi utilizado como referência o teste com Diesel S50 e o S10 onde se manteve constante o tempo de injeção, ponto da injeção e pressão no common-rail. Com o etanol fora utilizadas diferentes taxas de comperssão assim como diferentes pontos de injeçãoo. A combustão foi realizada com taxas de compressão de 16, 20 e 25 com pontos de injeção variando de 13 a 17 antes do PMS.

6 Tabela 7. Resultados dos testes na MCR Ponto de injeção Situação Diesel TC = 16 ED95 TC = 16 ED95 TC = 20 ED95 TC = 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) Figura 3. Pressão no cilindro com diesel S50. Avanço = 15 antes do PMS, duração de injeção = 1,75ms, pressão de injeção = 1070 bar. A curva na Figura 3 representa o comportamento no teste utilizando diesel S50. O pico ocorre aproximadamente 6,12 depois do PMS. As figuras seguintes apresentam as melhores curvas de perssão nos processos de combustão com o ED95 ao utilizar razões de compressão de 20:1 e 25:1.

7 Os resultados dos testes com ED95 em razão de 16:1 não é apresentado pelo fato de não ter ocorrido combustão. Comparação das curvas de pressão para diferentes pontos de injeção. Com a Figura 4, é possível observar 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 o aumento é de 13%. O pico de pressão com a taxa de comperssão de 20 está situado em 10,61 depois do PMS. Na figura 5, é 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 de pressão máxima foi cerca de 15%. O valor da pressão máxima observada em relação com a taxa de compressão de 25 ocorreu com o ponto de injeção de 24 e está situado 6,27 depois do PMS. Figura 4. A pressão no cilindro com ED95, TC = 20, Avanço = 20, 23 e 25, a duração de injeção = 2,7ms e a pressão de injeção = 1450 bar.

8 Figura 5. A pressão no cilindro com ED95, TC = 25, Avanço = 20, 22 e 24, o tempo de injeção = 2,7ms e pressão de injeção = 1590 bar. Comparação das curvas de pressão para diferentes tipos TC. Figura 6. Pressão no cilindro com ED95, avanço = 23 antes do PMS. Na Figura 6, é visto que o aumento da taxa de compressão de 20 a 25 provoca aumento de 20,6% do valor máximo de pressão.

9 Figura 7. Pressão no cilindro com ED95, avanço = 24 antes do PMS. Na Figura 7, é visto que o aumento da taxa de compressão de 20 a 25 provoca aumento de 24,58% do valor máximo de pressão. Na figura 8, é 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 com ED95, avanço = 25 antes do PMS.

10 Testes em relação ao atraso de ignição utilizando Diesel S10 1. Razão de compressão 16:1 Como esperado não fora realizado testes com ED95. Observa-se na tabela 8 que utilizando o método indireto (dp) a determinação do atraso de ignição foi melhor. O percentual de diferença em relação ao método direto foi de 4,3% e de 31,9% do primeiro para o segundo método indireto respectivamente. Combustível Tabela 8. Resultados para 16:1 Ponto de Atraso de ignição (ms) injeção ( ) Método Direto Método Indireto dp d p Diesel S ED Razão de compressão 20:1 Figura 9. Atraso de ignição utilizando o método direto na MCR em 20:1 Com o método direto, foi observado que o Diesel S10 obteve combustão com 1,85ms antes do etanol. O atraso médio com ED95 foi de 2,68ms, essa grande diferença no atraso de ignição é devido ao alto valor do calor específico de vaporização do etanol. Tabela 9. Resultados para 20:1 Combustível Ponto de injeção ( ) Atraso de ignição (ms) dp d p Diesel S ,61 0,69 ED ,58 2, ,37 1, ,74 1, ,54 2,3 25 2,58 2,

11 Da tabela 9 é visto que a diferença máxima do atraso de ignição entre o método direto e indireto é de 0,29ms e 0,94 ms utilizando MI (dp) e (d p) respectivamente. 3. Razão de compressão 25:1 Pode ser inferido pela tabela 10 e Figura 10 que a diferença máxima calculada entre o método direto e indireto é de 0,17ms e 0,52ms quando utilizado (dp) e (d p) respectivamente. Figura 10. Atraso de ignição utilizando o método direto na MCR em 25:1. Tabela 10. Resultados para 25:1 Combustível Ponto de injeção ( ) Atraso de ignição (ms) dp d p ED ,67 1, ,37 1, ,57 1, ,87 1, ,00 1, ,14 1, ,12 1, ,04 1,85 Conclusões Como esperado, foi observado nos testes que não é possível trabalhar com o etanol no ciclo Diesel nas mesmas condições que se trabalha com o diesel devido à baixa reatividade do etanol em combinação com seu alto calor de evaporação por unidade de energia de combustível. Para tornar possível a substituição do diesel pelo ED95 nos motores diesel a primeira modificação mecânica necessária é o aumento da razão de compressão, também pode ser feito o pré-aquecimento do ar na válvula de admissão. Observou-se também que o atraso de ignição diminui com o aumento da razão de compressão. A alteração de compressão do diesel de 16:1 para 20:1 diminui em 40% o atraso. Em testes com o ED95 a mesma razão de compressão o atraso de ignição varia conforme a variação do início da injeção. Em suma, concluímos que para realizar a substituição do diesel por etanol nos motores diesel é necessário aumentar a razão de compressão e adicionar aditivos ao combustível. O aditivo deve aprimorar a qualidade de ignição do combustível assim como a lubricidade e reduzir a corrosão. O aumento na razão de compressão deve levar em conta os picos de pressão que ocorrem quando acontece a combustão do etanol e também a eficiência da combustão.

12 Observamos nos testes que em uma razão de 20:1 atingimos picos máximos de 121 bar e em uma razão de 25:1 picos de 140 bar [10], sendo assim deve ser escolhido o melhor custobenefício. O ponto de injeção estabelecido pela unidade de comando eletrônico do motor de referência operado com óleo diesel a 1500 rpm é de cerca de 15 graus. Usando esse valor como referênciado ponto de injeção e uma taxa de compressão de 16 com ED95 não houve combustão. Com esse ponto de injeção como referência a única taxa de compressão que apresentou combustão, entre as testadas, foi de 25:1. Para obter uma combustão com uma taxa de compressão intermediária foi necessário variar o ponto de injeção do combustível. Com um maior avanço, os testes apresentaram combustão com ED95. Os pontos de injeção em testes com ED95 foram maiores do que os observados com Diesel. Portanto, conclui-se que a fim de se obter combustão com etanol-aditivado em ciclo diesel, é necessário mudar o tempo de injeção, além da taxa de compressão. Referências 1 - BNDE e CGEE, Bioetanol de Canã de Azúcar: Energia para el desarrollo sostenible, Rio de Janeiro Brasil, 2008, 320p. 2 Centro de Gestão e Estudos Estratégicos, Bioetanol Combustível: Uma oportunidade para o Brasil, Brasília DF Brasil, Ministério de Minas e Energia, Balanço Energético Nacional 2012, Empresa de Pesquisa Energética, Brasília DF Brasil, Simonsen, H. e Chomiak, J., Testing and Evalution of Ignition Improver for Ethanol in a DI Diesel Engine SAE Technical Paper , 1995, doi: / CENBIO Centro Nacional de referencia em Biomassa, Projeto Best Bioetanol Para um Transporte Sustentável, São Paulo Brasil, Yilmaz, N., Donaldson, Al, e Johns, A., Some Perspectives on Alchol Utilization in a Compression Ignition Engine SAE Technical Paper , 2005, doi: / 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, Sánchez, F., Braga, C., Braga, L., Braga, S. et al., Ethanol-Powered Combustion Experimental Study in a Rapid Compression Machine SAE Technical Paper , 2013, doi: / Reedy, P., Krishna, D., Mallan, K. e Ganesan, V., Evaluation of Combustion Parameteres in Direct Injection Diesel Engines An Easy and Reliable Method, SAE Technical Paper , (1993), doi: /