AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DO MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE PEQUENO PORTE COM MISTURAS ÓLEO DIESEL ÓLEO DE DÊNDE

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1 AVALIAÇÃO DO DESEMPENHO DO MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE PEQUENO PORTE COM MISTURAS ÓLEO DIESEL ÓLEO DE DÊNDE Resumo OMAR SEYE RUBEM CÉSAR RODRIGUES SOUZA Centro de Desenvolvimento Energético Amazônico CDEAM Universidade Federal do Amazonas UFAM O objetivo deste trabalho é a avaliação do desempenho do motor de combustão interna Cummins 4B de máxima potência 75 hp (56.6 kw) para geração de eletricidade de pequeno porte, utilizando uma mistura entre o tradicional óleo diesel e o alternativo óleo de dendê. Deve-se observar que o óleo de dendê utilizado está in natura, sendo misturado manualmente, o que fatalmente influenciará o desempenho do motor, por dificultar a combustão. O programa de testes irá incluir o biodiesel, posteriormente. As emissões foram avaliadas para várias proporções de mistura diesel/dendê cobrindo a faixa de 0 a 20% e os resultados foram comparado ao desempenho do motor operando com diesel apenas. O motor é acoplado a um dinamômetro 2, cujo funcionamento consiste na aceleração e desaceleração da água de forma a simular o efeito de uma carga sendo aplicada ao motor. O sistema formando pelo dinamômetro e motor é controlado pelo software LT commander que permite a partida e a parada do motor a partir da tela do computador com monitoramento de parâmetros como velocidade de rotação do motor (RPM), torque aplicado (N-m), Potência (hp), temperatura do óleo lubrificante, temperatura da água na entrada e saída do motor, e temperatura do meio ambiente ( C), pressões do óleo lubrificante e de abertura do injetor (mbar). Enquanto um medidor de vazão 3 acoplado à tubulação de alimentação do motor mede o consumo de combustível, o analisador de gases ECOLine 6000 monitora a concentração e temperatura de monóxido de carbono CO, óxido nítrico NO, dióxido de NO 2, dióxido de enxofre e Oxigênio O 2 (%) nos gases de exaustão. Este equipamento também determina o excesso de ar e a eficiência da combustão. Os resultados técnicos apresentam a variação da eficiência, da pressão do combustível, de monóxido de carbono, das emissões de NO X, conteúdo de Oxigênio no exausto, para as diferentes proporções de mistura. O estudo da viabilidade econômica mostrou custos de geração variando entre US$ 135,66 / MWh para o motor operando com óleo diesel, U$ 187,19 / MWh para o B 10 e US$ 191,71/MWh para o B 20. Abstract This work aims at the performance evaluation of the Cummins 4B -3.9, an internal combustion engine of maximum power 75 hp (56.6 kw) for small scale power generation, burning different mixtures of diesel fuel and palm oil. The palm oil in nature is mixed manually, what unfortunately will influence the engine performance as it hinders the combustion. The test protocol will include the bio-diesel, later on. The emissions were assessed for several proportions of mixture diesel/palm oil covering the strip from 0 to 20% and the results were compared to the engine performance when it operates with diesel only. The motor is coupled to a dynamometer, whose operation consists of the acceleration and deceleration of water in order to simulate the effect of a load being applied to the motor. The system is controlled by the software LT commander that 1 Ciclo diesel, seis cilindros, quatro tempos, relação de compressão 18,5:1 com rotação nominal de 850 rpm e rotação máxima de 2500 rpm, 3.9 cilindradas, normalmente aspirado. 2 Modelo 50X, carga máxima de 50hp e com rotação de 1600 a 6000 rpm. 3 Flowmate Oval MII, modelo LSF42

2 allows the start up and the shutdown of the engine from the screen of the computer that also monitors the following parameters as speed of rotation of the motor (RPM), applied torque (N-m), Potency (hp), temperature of the lubricating oil, temperature of the water in the entrance and exit of the motor, and temperature of the environment ( C), pressures of the lubricating oil and of opening of the injector (mbar). While a flow meter coupled to the piping measures the consumption of fuel, the gas analyzer ECHO Line 6000 it monitors the concentration and temperature of carbon monoxide (CO), nitric oxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ),, sulfur dioxide (SO 2 ) and Oxygen (O 2 ) (%) in the exhaust gases. This equipment also determines the combustion parameters as excess of air and the efficiency. The technical results present the efficiency variation, the pressure of the fuel, monoxide carbon, NOx emissions, Oxygen content in the exhaust gases, for the different mixture proportions. Furthermore, the results of economic viability show generation cost values of US$ 135,66/MWh for the motor operating with oil diesel, U$187,19 / MWh for B 10 and US$ 191,71/MWh for B 20. I Introdução A região amazônica é caracterizada pela grande extensão territorial, localidades esparsas e população reduzida e distante das redes de transmissões de energia elétrica existentes. Na região existe um grande número de sistemas elétricos isolados supridos com geração a óleo diesel. O suprimento de eletricidade para comunidades ou moradores isolados na Amazônia, devido a fatores como: complexidade da logística de transporte, baixa densidade demográfico, baixo poder aquisitivo da população, etc., é caracterizado pelo elevado custo de geração e baixa tarifa, o que implica necessariamente em subsídio para a geração do kwh. A região amazônica é rica em oleaginosas com potencial para geração de energia. A utilização deste potencial, particularmente do óleo de dendê, como aditivo ou suplemento ao óleo diesel pode contribuir para o fortalecimento da economia agrícola regional, oportunizar a criação de trabalho fixo no campo, contribuir para a redução da demanda por óleo diesel e assim, promover uma fonte de energia menos poluidora. Vários são os estudos já desenvolvidos ou em desenvolvimento para testar o uso de combustíveis alternativos em motor de ciclo diesel (Labeckas, 2005), (Raheman, 2004), (Kalam, 2002), (Almeida, 2002), (Ajav, 1999), entretanto muitos destas pesquisas não avaliaram o desempenho do motor em regime estacionário (velocidade constante). Desde que na geração térmica é utiliza gerador elétrico acoplado com motor estacionário, torna-se necessário avaliar o desempenho quando alimentado com combustível alternativo. II Metodologia experimental A metodologia experimental consistiu em alimentar o motor com as diversas frações diesel/óleo de dendê, operando o motor a velocidade rotacional máxima (2500) e níveis de carregamento de 50, 75 e 100% de carga, correspondendo a 38, 57 e 76 hp, após o procedimento de amaciamento do motor. A tabela 1 a seguir apresenta as proporções de misturas utilizadas nos experimentos, assim como a nomenclatura. A figura 1 mostra a configuração experimental. Figura 1 Configuração experimental

3 Medidas experimentais de diferentes propriedades físico-químicas do óleo diesel, óleo de dendê e da mistura foram realizadas. Os óleos foram misturados manualmente durante o período de teste. As normas utilizadas estão listadas juntamente com os resultados da caracterização. Tabela 1: Proporções volumétricas óleo diesel x óleo de dendê experimentadas. Óleo Diesel Óleo de Dendê Total (% volumétrica) (% volumétrica) (% volumétrica) Diesel Mistura Mistura Nomenclatura Diesel B 10 B 20 Óleo de dendê B 100 Também, antes da avaliação das misturas como combustíveis para o motor, foram coletadas amostras do mesmo para análise no Laboratório de Combustíveis e Energias Alternativas e determinação de seu poder calorífico no Centro de Capacitação de Recursos Humanos em Fontes Renováveis, ambos da Universidade Federal do Amazonas. A densidade ou massa especifica é uma característica comumente medida entre os combustíveis, já que tal propriedade exerce grande influência na circulação e injeção do combustível. A variação da massa específica da mistura de combustíveis (densidade) é calculada para 20 C. Uma outra característica importante na análise do combustível é o índice de cetano. Quanto maior o índice de cetano, melhor a combustão do mesmo no motor. Este parâmetro é importante a ponto de limitar a quantidade de óleo diesel e óleo de dendê na mistura a 20% (B20), pois para misturas com uma maior proporção de óleo de dendê maior que 20% o índice de cetano cairia abaixo do índice mínimo de 45,0, segundo a Norma ASTM D4737. Por fim, a combustibilidade do combustível é também limitada pelo poder calorífico do combustível, o poder calorífico superior do combustível foi calculado pelo método da bomba calorimétrica. III Resultados Os resultados da análise do combustível estão apresentados na tabela 2. Observe que somente misturas até 20% são analisadas, esta limitação é devido ao índice de cetano. A mistura tem um ligeiro aumento de densidade. A variação do poder calorífico também é pequena, menor que 5%. A título de ilustração o poder calorífico do óleo de dendê também foi calculado pelo mesmo método com valor de 28,21 MJ/kg e a densidade de 918,9 kg/m 3. Observe que para todas as condições de carga a eficiência da combustão diminuiu em relação àquela com óleo diesel. Isto é de se esperar devido à mudança de densidade e miscibilidade do combustível. Deve-se observar, entretanto que para todas as cargas o consumo específico de combustível se manteve praticamente constante e com valores muito próximos ao diesel, o que pode estar relacionado principalmente à compensação realizada pelo dinamômetro para manter a potência constante, ajustando o torque. Os valores de eficiência de combustão para as misturas B10 e B20 foram também próximos entre si, no caso de 100% de carga, apresentando queda substancial no caso de 50% de carga. A diferença mais substancial no desempenho do motor ocorre no torque que diminui de 40 a 50%. Este ônus está relacionado à perda de pressão do combustível devido à maior densidade do óleo e também a queda de poder calorífico.

4 Tabela 2 Resultados da caracterização do diesel, dos bio-combustíveis e do óleo de dendê. Parâmetro Método Especificação Diesel B 10 B 20 B100 Aspecto VISUAL LII * LII Cor ASTM D1500 Max. 3,0 3,0 4,0 5,0 - Massa específica a ASTM D C/4 C (kg/m³) Anotar 854,0 859,1 865,4 918,9 Índice de Cetano ASTM D4737 Calculado Mínimo 45,0 47,7 46,8 45,4 - Ponto de fulgor NBR7974 D56 Mínimo 38 C 73,0 72,0 73,0 - Enxofre total NBR14533 Máximo 0,35% 0,14% 0,12% 0,09% 0,006% Destilação 50% - NBR6919 D a 370 C 288,7 295,6 308,8 evaporação Destilação 85% - NBR6919 D86 Máximo 390 C 371,5 358,8 342,6 evaporação Poder Calorífico Superior Bomba (MJ/kg) Calorimétrica - 45,65 44,24 43,58 28,21 * LII = Límpido e isento de impurezas. Tabela 3 Resultados de desempenho do motor para diversas cargas, utilizando o diesel e as misturas, B10 e B20. Óleo Diesel Carga aplicada 50% 75% 100% Potência (hp) Torque (N-m) Rotação (rpm) Temperatura de escape ( C) 328,53 383,33 438,16? (excesso de ar) 2,77 2,77 2,42 Eficiência da combustão 69,8 69,9 63,5 Consumo específico (l/kwh) 0,329 0,267 0,244 B 10 Carga aplicada 50% 75% 100% Potência (Hp) Torque (N-m) 108, ,33 Rotação (rpm) Temperatura de escape ( C) 336,56 395,13 465,5? (excesso de ar) 4,26 3,37 2,54 Eficiência da combustão 56,4 55,4 59,3 Consumo específico (l/kwh) 0,334 0,279 0,25 B 20 Carga aplicada 50% 75% 100% Potência (Hp) Torque (N-m) 109,87 161,6 215,5 Rotação (rpm) Temperatura de escape ( C) 361,0 386,7 456,1? (excesso de ar) 3,96 3,11 2,56 Eficiência da combustão 52,9 58,5 59,8 Consumo específico (l/kwh) 0,322 0,271 0,248 Na operação do motor com misturas de óleo diesel e óleo de dendê constatou-se que os teores de CO e NOx nos gases de escapamento do motor são próximos aos do motor sendo operado com diesel. Na tabela 4 constam os resultados dos gases emitidos durante a combustão de óleo diesel

5 para diferentes condições de carregamento. Na Tabela 5 são apresentados os resultados para B10 e B20, respectivamente. Em condições ideais de combustão todo o ar atmosférico (O 2 ) admitido é utilizado no processo de combustão. A boa combustão apresenta valores percentuais de excesso de ar entre 1% e 4%. Os resultados têm mostrado que a boa combustão acontece em todos os carregamentos aplicados ao motor quando se usa como combustível o diesel. No caso da mistura 90% de óleo diesel e 10% de óleo de dendê, a boa combustão tem início a partir de 75% de carga aplicada (ver tabela 5). Para as mistura B20 a boa combustão é atingida a partir de 50% de carga aplicada (ver tabelas 6). Carga (%) Tabela 4: Gases exauridos pelo motor operando com óleo diesel. O 2 CO CO ¹ NO NO 2 SO 2 (%) Excesso de. Ar 0 15, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Base de calculo, fornecido pelo equipamento, combustão. Tabela 5: Gases exauridos pelo motor operando com diesel 90% x 10% dendê. Carga (%) O 2 (%) CO CO ¹ NO NO 2 SO 2 Excesso de Ar 0 17, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Base de calculo, fornecido pelo equipamento, combustão.

6 Tabela 6: Gases exauridos pelo motor operando com diesel 80% x 20% dendê. O Torque 2 CO CO ¹ NO NO 2 SO 2 Excesso (%) Ar (%) 0% 17, ,29 0% 17, ,29 0% 17, ,44 50% 15, ,96 50% 15, ,51 50% 15, ,81 75% 14, ,11 75% 14, ,17 100% 13, ,58 100% 13, , Base de calculo, fornecido pelo equipamento, combustão. Viabilidade técnica-econômica da utilização de combustível alternativo (óleo diesel misturado com óleo de dendê): um estudo de caso da Companhia Energética do Amazonas Para a análise de viabilidade são utilizados dados da Companhia Energética do Amazonas - CEAM. Os valores reportados são de junho de 2004 e mostram um consumo especifico médio de óleo diesel de 0,296 l/kwh e uma geração bruta mensal de MWh. Com o motor Cummins carregado a 75 % de sua potência foram encontrados valores experimentais de consumo especifico de 0,267 l/kwh para diesel, 0,279 l/kwh para o B10 e 0,271 l/kwh para o B20, valores considerados próximos do consumo especifico médio da CEAM. Ao substituir o diesel pelo combustível alternativo, a diferença entre os custos de geração elétrica é basicamente decorrente das diferenças de preços dos combustíveis e dos gastos com a manutenção. Levantamento realizado por Almeida et al. (2001) tem mostrado que para grupos geradores com potência nominal na faixa de 40 kw a 100 kw os custos típicos com manutenção incluindo trocas de óleos lubrificantes estão em torno de US$ 2,36/hora e US$ 0,34/hora para a operação com óleo de dendê e óleo diesel, respectivamente. Também foi observado que os gastos com manutenção são uma função apenas do tempo de funcionamento do grupo gerador. Os gastos em US$/MWh serão tanto menores quanto maior for a energia gerada pelo grupo gerador no período entre manutenções. Operando o motor com combustíveis alternativas (mistura de óleo diesel e óleo de dendê) o período entre manutenções será maior do que com motor operando com óleo de dendê in natura, portanto, a energia gerada será maior. Neste sentido, para um grupo gerador com potência média de 42,5 kw (como é o caso do motor Cummins utilizado nos testes), os gastos com manutenção são calculados em US$ 2,36 / 0,0425 MWh = US$ 55 / MWh para operação com combustível alternativo e US$ 0,34 / 0,0425 MWh = US$ 8 / MWh para operação com diesel. As despesas com o óleo de dendê foram calculadas levando-se em consideração a densidade do óleo de dendê de 0,92 k/l e o preço de R$ 1.900,00 por tonelada e uma taxa de conversão de 1 US$ = R$ 3,0 o que resultou num preço aproximado de US$ 633/ton. Considerou-se o preço do óleo diesel de R$1,30 (US$ 0,43). O custo total com a geração foi considerado como sendo a soma dos gastos com combustível mais os gastos com manutenção. Chegou-se a valores variando entre US$ 135,66/MWh para o motor operando com óleo diesel, U$ 187,19 / MWh para o B 10 e US$ 191,71/MWh para o B 20.

7 Tabela 7 Cálculo do custo de geração Teor de Consumo Quantidade Quantidade Gastos Gastos Gasto total Geração Gasto com Custo total Custo óleo de de diesel de óleo de de óleo com óleo com óleo com Bruta manutenção de geração unitário de dendê na CEAM dendê diesel no de dendê diesel combustível CEAM (US$) (US$) geração mistura Junho 2004 necessária combustível (US$) (US$) (US$) mês de (US$/MWh) (%) (litros) (litros) alternativo (litros) junho (MWh) , , , ,71

8 Pode-se concluir que a utilização do combustível alternativo como insumo energético para a geração de energia mostrou-se mais cara que a geração com o tradicional óleo diesel. O principal fator que influência o custo de geração é o custo com a manutenção do grupo gerador. Mesmo assim, a utilização do combustível alternativo não deixa de se configurar numa boa oportunidade, principalmente em grupos geradores de maior pot ência. Em comunidades isoladas, o óleo vegetal produzido localmente pode ser mais favorável por questões logísticas, além de representar uma fonte de renda e um instrumento para a fixação da população nestas localidades. Palavras-chaves Combustível alternativo; óleo de dendê; motor de combustão interna; emissões; geração de eletricidade. Agradecimentos Os autores gostariam de dedicar seus sinceros agradecimentos à Companhia Energética do Amazonas pelo suporte financeiro através de seu programa de P&D Referências Raheman H., Phadatare A. G.; Diesel engine emissions and performance from blends of karamja methyl ester and diesel; Biomass & Bioenergy; vol.27; pp ; Huzayyin A. S., Bawady A.H., Rady M.A., Dawood A.; Experimental evaluation of Diesel engine performance and emission using blends of jojoba and Diesel fuel; Energy Conversion & Management; vol 45; pp ; Labeckas G., Slavinskas S.; Performance and exhaust emission characteristics of direstinjection Diesel engine when operating on shale oil; Energy Conversion & Management; vol. 46; pp , Kalam M.A.; Biodiesel from palm oil an analysis of its properties and potential; Biomass & Bioenergy; vol. 23; pp ; Almeida S.C.A., Belchior C.R., Nascimento M.V.G., Vieira L.S.R., Fleury G.; Performance of a diesel generator fuelled with palm oil; Fuel; vol, 81; pp ; Ajav E.A., Singh B., Bhattacharya T.K.; Experimental study of some performance parameters of a constant speed stationary diesel engine using ethanol-diesel blends as fuel; Fuel; vol.17; pp ; 1999.

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