ANÁLISE DE DESEMPENHO E EMISSÕES DE UM MOTOR GERADOR OPERANDO COM BIOGÁS. Victor Vasconcelos Barreto

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1 ANÁLISE DE DESEMPENHO E EMISSÕES DE UM MOTOR GERADOR OPERANDO COM BIOGÁS Victor Vasconcelos Barreto Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica, Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Mecânico. Orientador: Prof. Sílvio Carlos Aníbal de Almeida, D.Sc. Rio de Janeiro Março de

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ ANÁLISE DE DESEMPENHO E EMISSÕES DE UM MOTOR GERADOR OPERANDO COM BIOGÁS Victor Vasconcelos Barreto PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO. Aprovado por: Prof. Sílvio Carlos Aníbal de Almeida, D.Sc Prof. Carlos Rodrigues Pereira Belchior, D.Sc Prof. Gustavo Cesar Rachid Bodstein, D. Sc RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL MARÇO DE

3 Barreto, Victor Vasconcelos Análise de Desempenho e Emissões de um Motor Gerador Operando com Biogás/ Victor Vasconcelos Barreto. Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, VI, 58 p.: il.; 29,7 cm. Orientadores: Silvio Carlos Aníbal de Almeida. Projeto de Graduação UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de Engenharia Mecânica, Referências Bibliográficas: p Uso de biogás em motor ciclo Otto. 2. Biocombustíveis. 3. Biogás. 4. Análise de Desempenho. 5. Análise de Emissões. I. De Almeida, Sílvio Carlos Anibal. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia Mecânica. III. Análise de Desempenho e Emissões de um Motor Gerador Operando com Biogás. 3

4 AGRADECIMENTOS Aos meus familiares, em especial os meus pais e minhas duas irmãs, pelo carinho, compreensão e apoio incondicional. Ao meu orientador Silvio Carlos pelo permanente apoio, e sobretudo, pela inteligência e sabedoria com que encaminhou a execução deste trabalho. Aos meus amigos que sempre estiveram presentes nessa recente jornada. 4

5 Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. Análise de Desempenho e Emissões de um Motor Gerador Operando com Biogás Victor Vasconcelos Barreto Março/2016 Orientadores: Sílvio Carlos Anibal de Almeida Curso: Engenharia Mecânica O presente trabalho tem como objetivo otimizar o desempenho de um motor de combustão interna alimentado com biogás gerado numa Estação de Tratamento de Esgotos. Foram feitos ensaios em um grupo motor-gerador ciclo Otto modelo B4T 5000 Bio 4 kw, operando inicialmente com três combustíveis distintos: gasolina, GNV e biogás. As medições de emissões e consumo foram feitas para o grupo motor-gerador operando em quatro cargas distintas, que correspondem a 25%, 50%, 75% e 100% da potência nominal do motor. As emissões de CO2, CO, HC e NOx do motor foram feitas utilizando-se um analisador de gases NAPRO. Para diminuir a concentração de H2S presente no biogás gerado na ETE foi utilizado um utilizado um filtro de limalha de ferro. Numa segunda fase, ensaios mais detalhados, operando apenas com biogás. Uma vez que o biogás apresenta características específicas, foram alterados alguns parâmetros de forma a determinar a sua influência no desempenho e emissões. Os parâmetros estudados, além da carga, foram a relação ar-combustível e o avanço de ignição do motor. Palavras-chave: Motor Otto, Biocombustível, Biogás, Análise de Desempenho 5

6 Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Mechanical Engineer. Performance and Emission Analysis of Motor Generator Operating with Biogas Victor Vasconcelos Barreto March/2016 Advisor: Sílvio Carlos Anibal de Almeida Course: Mechanical Engineering This work aims to optimize the performance of an internal combustion engine fueled with biogas generated in Sewage Treatment Plant. Tests were performed on an engine-generator set Otto cycle model B4T 5000 Bio 4 kw, operating initially with three different fuels: gasoline, CNG and biogas. Measurements of emissions and consumption were made to the engine-generator set operating on four separate charges, which correspond to 25%, 50%, 75% and 100% of the nominal motor power. A NaPro gas analyzer took the emissions of CO2, CO, HC and NOx from the engine. To reduce the concentration of H2S present in the biogas generated in the sewage it was used an iron powder filter. In a second stage, more detailed tests were performed, operating only with biogas. Once the biogas has specific characteristics, some parameters were changed in order to determine their influence on performance and emissions. The parameters studied in addition to the load, were the air-fuel ratio and the engine ignition advance. Key-words: Otto Engine, Biofuel, Biogas, Performance Analysis 6

7 ÍNDICE LISTA DE FIGURAS... 8 NOMENCLATURA INTRODUÇÃO O BIOGÁS OBJETIVOS REVISÃO DE LITERATURA TRABALHOS EMISSÕES RESUMO BIBLIOGRÁFICO APARATO EXPERIMENTAL E METODOLOGIA DOS TESTES ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO ALEGRIA APARATO EXPERIMENTAL COMBUSTÍVEIS UTILIZADOS CÁLCULO DA MASSA ESPECÍFICA CÁLCULO DA RAZÃO A/C CÁLCULO DO CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO ENERGÉTICA ENSAIOS E MODIFICAÇÕES ENSAIOS VARIAÇÃO DO AVANÇO DE IGNIÇÃO RESULTADOS E DISCUSSÕES ENSAIOS COM GASOLINA, GNV E BIOGÁS EMISSÕES DE CO EMISSÕES DE CO EMISSÕES DE HC EMISSÕES DE NOₓ CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA GLOBAL ENSAIOS COM BIOGÁS INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DA RELAÇÃO AR- COMBUSTÍVEL EMISSÕES DE CO EMISSÕES DE CO EMISSÕES DE HC EMISSÕES DE NOₓ

8 CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA GLOBAL ENSAIOS COM BIOGÁS INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DO AVANÇO DE IGNIÇÃO EMISSÕES DE CO EMISSÕES DE CO EMISSÕES DE HC EMISSÕES DE NOₓ CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA GLOBAL CONCLUSÕES REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS APÊNDICE A TABELA gasolina APÊNDICE B TABELA gnv APÊNDICE C TABELA biogás APÊNDICE D TABELA variação da razão a/c APÊNDICE E TABELA avanço de ignição LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Potência gerada em função da eficiência para todos os ensaios [5] Figura 2 - Potência em função da razão de equivalência e diferentes concentrações de CO2 [6] Figura 3 - Emissões em função da razão de equivalência [4] Figura 4 - Potência e Eficiência térmica em função da fração de CO2 adicionada [11] Figura 5 - Potência em função da razão de equivalência e diferentes concentrações de H2 [7] Figura 6 - Emissões de HC em função da razão de equivalência e diferentes concentrações de H2 [7] Figura 7 - Eficiência em função da razão de equivalência e diferentes taxas de compressão [10] Figura 8 - Temperatura dos gases de exaustão em função da razão de equivalência [10] Figura 9 - Fluxograma do tratamento primário realizado na ETE Alegria (Fonte: CEDAE) Figura 10 - Fluxograma do tratamento secundário (Fonte: CEDAE) Figura 11 - Fluxograma Projeto Biogás ETE Alegria Figura 12 - Aparato experimental

9 Figura 13 - Grupo motor-gerador Figura 14 - Banco de resistência para simulação de carga Figura 15 - Consumo de gasolina Figura 16 Medidor de vazão de gás natural e biogás Figura 17 - Analisador de gases NAPRO Figura 18 - Pressão do cilindro versus avanço de ignição [1] Figura 19 - Modificação do ponto de ignição - detalhe da chaveta Figura 20 - Emissões de CO2 para os combustíveis utilizados Figura 21 - Emissões de CO para os combustíveis utilizados Figura 22 - Emissões de HC para os combustíveis utilizados Figura 23 - Influência da relação ar-combustível na geração de gases poluentes [16] Figura 24 - Emissões de NOₓ para os combustíveis utilizados Figura 25 - Consumo específico para os combustíveis utilizados Figura 26 - Eficiência global para os combustíveis utilizados Figura 27 - Emissões de CO2 em função da relação ar-combustível (λ) Figura 28 - Emissões de CO em função da relação ar-combustível (λ) Figura 29 - Emissões de HC em função da relação ar-combustível (λ) Figura 30 - Emissões de NOx em função da relação ar-combustível (λ) Figura 31 - Consumo específico em função da relação ar-combustível (λ) Figura 32 - Eficiência global em função da relação ar-combustível (λ) Figura 33 - Emissões de CO2 em função do avanço de ignição Figura 34 - Emissões de CO em função do avanço de ignição Figura 35 - Emissões de HC em função do avanço de ignição Figura 36 - Emissões de NOx em função do avanço de ignição Figura 37 - Consumo específico em função do avanço de ignição Figura 38 - Eficiência global em função do avanço de ignição

10 NOMENCLATURA GNV CEC PCI P i m comb. m v ( A C ) est. Gás Natural Veicular Consumo Específico de Combustível. [g / kwh] Poder Calorífico Inferior. [MJ/kg] Potência indicada do motor. [kw] Vazão mássica de combustível. [g/h] Vazão volumétrica de combustível. [cm 3 /h] Razão ar-combustível estequiométrica. ( A C ) real Razão ar-combustível real. apms Graus antes do ponto morto superior. λ η g ρ n CO2 n CO n O2 n HC n NOx n N2 n H2 O Razão de equivalência. Eficiência global do motor. Massa específica. [Kg/m³] Número de moles de CO2. [kmol] Número de moles de CO. [kmol] Número de moles de O2. [kmol] Número de moles de HC. [kmol] Número de moles de NOx. [kmol] Número de moles de N2. [kmol] Número de moles de H2O. [kmol] n BIOGÁS Número de moles de biogás. [kmol] n AR Número de moles de ar. [kmol] 10

11 1. INTRODUÇÃO A busca de novas fontes energéticas, bem como a diminuição da poluição ambiental e a sustentabilidade nos sistemas de produção, fornece uma nova visão sobre a produção de energia elétrica a partir do biogás. A vantagem do biogás em relação ao gás natural é o fato de ser renovável e poder ser produzido em diferentes locais onde haja biomassa. A desvantagem seria seu menor poder calorífico e a presenças de sulfeto de hidrogênio e umidade [17] O BIOGÁS O biogás é um dos biocombustíveis que pode ser utilizado em motores de ignição por centelha. Composto basicamente por metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2). Entretanto, o biogás pode ser utilizado como uma forma de gerar energia e contribuir para redução da quantidade de biogás sem uso direcionado aos queimadores. A presença de substâncias não combustíveis no biogás, como água e o dióxido de carbono, prejudicam o processo de queima, tornando-o menos eficiente. A presença de CO2 em grandes concentrações resulta em um baixo poder calorífico do biogás. Além destas impurezas, destaca-se o sulfeto de hidrogênio (H2S), gás altamente corrosivo e que confere um odor característico ao biogás. Para que o seu uso seja viável é necessário reduzir a concentração de H2S, através da utilização de um filtro de limalha de ferro. Por ser proveniente de uma matriz energética renovável cuja produção está atrelada a processos contínuos, como no caso de tratamento de esgoto, o biogás é uma alternativa aos combustíveis fósseis. Entretanto é necessário modificar o motor para que o mesmo possa operar de forma eficiente e apresente níveis de emissões e consumo específico adequados OBJETIVOS O presente trabalho teve como objetivo analisar a viabilidade de se utilizar o biogás em um motor gerador. Esta análise foi realizada através de um ensaio, no qual foi comparado o desempenho e emissões de um motor gerador ignição por centelha operando com três combustíveis distintos: gasolina, GNV e biogás, e outros dois ensaios onde o mesmo motor, operando apenas com biogás, para analisar a influência de parâmetros operacionais (razão ar-combustível e avanço de ignição) na combustão do biogás. O trabalho foi organizado em mais cinco capítulos, nos quais serão apresentados outros trabalhos relacionados, o aparato experimental detalhado, metodologia dos testes, os experimentos que foram conduzidos e por fim as conclusões. 11

12 2. REVISÃO DE LITERATURA O presente capítulo apresentará alguns trabalhos que serviram de referência para a realização dos ensaios, análise dos resultados, e também como fonte de consulta para reste projeto de graduação TRABALHOS Diversos autores tem estudado o emprego de biogás em motores de combustão interna. Porpatham et. al. [6] e [7] utilizaram um motor de ignição por centelha operando à biogás simulado, ou seja, reduzindo a concentração de gás carbônico (CO2) ou adicionando hidrogênio (H2) ao combustível. Porpatham et. al. [10] utilizou um motor diesel adaptado para operar como ciclo otto usando biogás variando a taxa de compressão. Huang and Crookes [11] e Crookes [4] utilizaram também um motor de ignição por centelha e uma mistura simulada de biogás, formada pela mistura de gás natural com CO2. Coelho et. al. [9] analisaram as impurezas presentes no biogás, o sistema de purificação necessário e Souza et. al. [5] utilizaram um motor gerador original a gasolina, realizando modificações no carburador e avanço de ignição para operar com biogás. Em todos os trabalhos foi observado uma diminuição do rendimento devido ao baixo PCI do biogás e alteração das emissões devido a presença de CO2 na composição do biogás e alteração da temperatura da câmara EMISSÕES O monóxido de carbono (CO) é um gás inodoro e incolor que pode ser proveniente de fontes naturais ou da combustão incompleta de combustíveis que possuem carbono em sua formulação, seguindo a reação apresentada pela equação 1. É um gás extremamente tóxico e no organismo humano reage com a hemoglobina presente no sangue causando redução dos níveis de O2 transportado para as células. A formação deste tipo de poluente é influenciada pela turbulência na câmara de combustão, a temperatura e o excesso de oxigênio existente na mistura [18]. O CO é o resultado de um baixo tempo de residência do combustível em altas temperaturas, deste modo, a sua oxidação para dióxido de carbono é impedida. 2C O2 2CO (Eq.1) O dióxido de carbono (CO2) é um gás inodoro e pouco mais denso que o ar. Emissões deste gás contaminam o ar, contribuindo para o aumento do efeito estufa e do aquecimento global. 12

13 C O 2 CO 2 (Eq. 2) Os hidrocarbonetos (HC) são constituídos de carbono e hidrogênio. Em motores de combustão interna, grande parte dos hidrocarbonetos emitidos na exaustão dos veículos é resultado da queima parcial e da não queima dos combustíveis fósseis que foram admitidos na câmara de combustão [1]. Diferentes cadeias de hidrocarbonetos podem ser formadas. Óxidos de nitrogênio (NOx) encontram-se em porcentagem relativamente pequena e são produzidos na câmara de combustão devido à reação química entre o nitrogênio presente no combustível e no ar atmosférico, apresentada na equação 3. É uma reação que ocorre com absorção do calor, (são endotérmicas) por isso, o fator principal que influi sobre a intensidade dessas reações é a temperatura interna da câmara de combustão [1]. O N 2 NO N (Eq.3) 2.3. RESUMO BIBLIOGRÁFICO Coelho et al. [9] utilizaram um grupo motor-gerador operando a biogás para geração de energia elétrica. O biogás foi produzido através do processo de digestão anaeróbia do esgoto proveniente do conjunto residencial da USP, bem como do principal restaurante universitário do campus. O gás produzido no biodigestor era encaminhado a um sistema de purificação, cujo principal objetivo era remover o ácido sulfídrico (H₂S) presente no combustível, além de diminuir o teor de água no mesmo. O sistema de purificação possibilitou a diminuição da concentração de H₂S. O grupo gerador consistiu num motor de ignição por centelha de 18 kw que alimentou um painel de teste de potência requerida de 2,4 kw. Constatou-se um nível elevado de hidrocarbonetos não queimados na análise dos gases de descarga, o que pode ser explicado pela baixa carga a que o motor estava submetido (15% de sua potência nominal). Souza et. al. [5] realizaram ensaios num conjunto motor gerador operando originalmente à gasolina e, posteriormente a biogás com carburador dimensionado, adaptado e com avanço de ignição. Os resultados mostraram aumento de potência média gerada, porém houve diminuição da eficiência do conjunto quando comparado ao uso da gasolina. 13

14 Figura 1 - Potência gerada em função da eficiência para todos os ensaios [5] Porpatham et. al. [6] utilizaram um motor de ignição por centelha acoplado a um dinamômetro para analisar a influência da concentração de CO2 no desempenho e nas emissões do motor operando com biogás. O CO2 é retirado do biogás utilizando-se uma solução de Hidróxido de cálcio (Ca(OH)2). Assim, o CO2 presente no gás reage com hidróxido de cálcio formando carbonato de cálcio (CaCO3) e diminuindo deste modo sua concentração no combustível. Potência [kw] Relação Ar/Combustível (λ) Figura 2 - Potência em função da razão de equivalência e diferentes concentrações de CO2 [6] 14

15 Foi constatado um aumento do PCI do biogás e da potência gerada pelo motor com a diminuição dos níveis de CO₂, bem como o aumento da faixa de operação para misturas ricas de arcombustível (excesso de ar). Houve também aumento da eficiência térmica com o decréscimo da concentração de CO₂, porém fez-se necessário retardar a ignição na câmara de combustão para se evitar a detonação. No que diz respeito às emissões, houve diminuição dos níveis de HC, atingindo o valor mínimo na razão ar-combustível de 0.95 e concentração de CO₂ de 20%. Para misturas muito pobres, como era de se esperar, houve acréscimo nas emissões de HC, já que o efeito da combustão incompleta é predominante. Os níveis de NOₓ aumentaram para níveis menores de CO₂, o que pode ser explicado pela maior admissão de CH e O₂, o que leva a combustão a atingir maiores temperaturas. Crookes [4] realizou testes em motores de ignição por centelha e por compressão (ambos com velocidade e carga variáveis, tendo ainda o primeiro taxa de compressão variável) utilizando biogás simulado (houve variação na concentração de CO₂ no mesmo) e óleos vegetais, monitorando o desempenho do motor (potência e consumo específico) e as emissões. 4 Emissões [ppm] Emissões [%] Relação Ar/Combustível (λ) Figura 3 - Emissões em função da razão de equivalência [4] Os resultados obtidos com o motor de ignição por centelha indicaram diminuição das emissões específicas (massa do componente emitida por unidade de potência) de NOₓ para maiores frações de CO₂ no biogás, enquanto houve aumento das emissões específicas de HC. Para o monóxido de carbono, as emissões se mostraram governadas principalmente pela variação da relação A/C, havendo pouca influência da concentração de dióxido de carbono no combustível. Os resultados mostraram diminuição das emissões de CO com o afastamento do ponto de operação da zona de mistura pobre (escassez de ar na mistura), o que se deve à combustão incompleta que ocorre nessa região. Aumentos na taxa de compressão elevaram as emissões de NOₓ e HC, já que maiores temperaturas de combustão são alcançadas nessa condição. 15

16 Huang and Crookes [11] utilizaram um motor de ignição por centelha operando com biogás simulado (uma mistura de gás natural doméstico e dióxido de carbono) para analisar a influência da concentração de CO₂ neste combustível no que diz respeito às emissões de CO, HC, NOₓ, bem como em dados de performance como eficiência térmica e potência medida no eixo (brake power). Primeiramente os testes foram conduzidos para dois tipos de misturas ar-combustível: pobres, com razão A/C relativa (λ) de 0.98, e ricas, com razão λ de 1.05, enquanto a taxa de compressão foi fixada em 13:1. Foi constatada, para ambas as misturas, a diminuição da potência obtida com o aumento da concentração de CO₂ adicionado ao gás natural, fato explicado pela diminuição da entalpia de combustão do biogás, e ainda a diminuição da eficiência térmica, justificado pela diminuição da velocidade de chama na câmara de combustão e consequentemente, maior tempo de combustão e menores pressões atingidas no cilindro do motor. Eficiência Térmica Potência [kw] Fração de CO2 [%] Figura 4 - Potência e Eficiência térmica em função da fração de CO2 adicionada [11] No que diz respeito às emissões de NOₓ, houve diminuição com o acréscimo de CO₂, já que as temperaturas de combustão atingidas são inversamente proporcionais a concentração de dióxido de carbono. Quanto ao CO e HC, ocorre aumento de emissão para misturas pobres, já que uma maior concentração de CO₂ ocasiona menor velocidade de chama, que somado a baixa disponibilidade de oxigênio neste tipo de mistura leva a uma combustão incompleta. Porpatham et al. [7] investigaram o efeito da adição de H₂ ao biogás utilizado para alimentar um motor de ignição por centelha com diferentes razões λ. O biogás apresenta algumas propriedades desfavoráveis à utilização em motores de combustão interna, como seu baixo PCI e baixa velocidade de chama. Sendo assim, foram utilizadas 4 misturas, a primeira contendo somente biogás e as três restantes com diferentes concentrações em volume de H₂ como combustível. 16

17 Emissões de HC [ppm] Potência [kw] Relação Ar/Combustível (λ) Figura 5 - Potência em função da razão de equivalência e diferentes concentrações de H2 [7] Os resultados apontaram o aumento da faixa de operação do motor devido as melhores propriedades do H₂ enquanto combustível, permitindo a combustão numa faixa de λ abaixo do lean limit (mistura com a quantidade mínima de ar necessária para que ocorra combustão), o que se refletiu ainda no aumento progressivo da potência no eixo acompanhando o aumento da concentração de hidrogênio no biogás. Relação Ar/Combustível (λ) Figura 6 - Emissões de HC em função da razão de equivalência e diferentes concentrações de H2 [7] 17

18 Para as emissões de HC observou-se a diminuição dos níveis para todas as razões λ, o que pode ser explicado tanto pela menor admissão de hidrocarbonetos na mistura, mas, principalmente pela melhora da combustão nas regiões de mistura com escassez de ar. Porpatham et al. [10] adaptaram um motor original a diesel para operar como motor de ciclo Otto utilizando biogás. O estudo foi realizado para analisar a influência da taxa de compressão no desempenho do motor. Usualmente, o biogás apresenta altas temperaturas de auto-ignição, o que aumenta o seu poder anti-detonante e, por consequência, permite a sua utilização em maiores taxas de compressão. Os resultados apresentaram aumento da potência indicada para maiores taxas de compressão, o que pode ser explicado pela melhor eficiência térmica alcançada. Eficiência [%] Relação Ar/Combustível (λ) Figura 7 - Eficiência em função da razão de equivalência e diferentes taxas de compressão [10] Para a carga correspondente a 25% da carga máxima do motor, foi constatada uma sensível diminuição na potência para misturas muito pobres (próximas ao lean limit), o que pode ser explicado pela diminuição da quantidade de combustível queimado (aumento nas emissões de HC) como também pela diminuição da eficiência térmica da combustão. Para esta situação, o efeito do aumento da taxa de compressão não se mostrou significativo. 18

19 Temperatura dos gases de exaustão [ºC] Relação Ar/Combustível (λ) Figura 8 - Temperatura dos gases de exaustão em função da razão de equivalência [10] Pode se observar a diminuição da temperatura dos gases de exaustão com o aumento das taxas de compressão, além do aumento da massa de hidrocarbonetos não queimados. Este comportamento foi potencializado para o motor operando com 100% da carga máxima, já que baixas temperaturas de combustão e cargas altas levam a um declínio da qualidade do processo. Este fato se refletiu no aumento nos níveis de emissão de HC. 19

20 3. APARATO EXPERIMENTAL E METODOLOGIA DOS TESTES Neste capítulo será feita a descrição de todo aparato experimental utilizado para realização dos ensaios, bem como os cálculos necessários para processar os dados adquiridos pelo analisador de gases e obter os resultados de desempenho e emissões ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO ALEGRIA A Estação de Tratamento de Esgoto Alegria (ETE Alegria) é um dos projetos mais importantes do Programa de Despoluição da Baia de Guanabara. Projetada para receber e tratar até litros de esgoto por segundo. A ETE Alegria possui unidades de tratamento preliminar, primário e secundário. Um processo completo de tratamento de esgoto. O tratamento preliminar é composto por grades mecanizadas de sólidos grosseiros, elevatória de esgotos brutos, grades de sólidos finos e desarenadores. Figura 9 - Fluxograma do tratamento primário realizado na ETE Alegria (Fonte: CEDAE) 20

21 No total são cinco biodigestores, cada um com capacidade volumétrica de m³. Nestes equipamentos acontece a digestão anaeróbica do lodo, gerando biogás, água e lodo estabilizado (sem compostos orgânicos voláteis). O lodo usado nos biodigestores tem origem no fundo dos tanques de decantação, onde acontece o tratamento primário. Esse lodo, que repousa no fundo do tanque, é bombeado para um adensador, onde ocorre o aumento da concentração de sólidos da mistura antes da admissão ao biodigestor. Figura 10 - Fluxograma do tratamento secundário (Fonte: CEDAE) Inicialmente, todo o biogás gerado era destinado aos queimadores de gás, sem uso. Atualmente 29% do biogás gerado ainda é mandado para os queimadores e o restante passou a ser aproveitado pela usina de biogás desenvolvida na ETE Alegria. A usina de biogás possui um sistema composto pelo processo de filtragem de biogás, conforme figura 11. Figura 11 - Fluxograma Projeto Biogás ETE Alegria 21

22 3.2. APARATO EXPERIMENTAL O grupo motor gerador foi instalado em uma sala apropriada ao lado da planta produtora de biogás na ETE Alegria, para que o motor fosse abastecido direto pela fonte, sem a necessidade de armazenar e transportar o biogás para outro local. Na figura abaixo será apresentado o conjunto motor-gerador e todo o aparato utilizado. Figura 12 - Aparato experimental O aparato experimental consiste em: Medidor de vazão; Um motor gerador; Analisador de gases; Banco de resistência. Antes de ser admitido pelo motor, o biogás utilizado nos testes era direcionado para um sistema de filtragem de H2S, composto por um filtro de limalha de ferro, e ainda um desumidificador, a fim de diminuir a umidade do combustível. Foi utilizado um redutor de pressão para que a admissão do combustível fosse feita à pressão atmosférica e um medidor de vazão 22

23 volumétrica, que foi convertida em vazão mássica multiplicando-se pela densidade dos combustíveis, cujos valores serão calculados mais adiante. Figura 13 - Grupo motor-gerador Utilizou-se o grupo motor-gerador ciclo Otto modelo B4T 5000 Bio, fabricado pela empresa Branco. A Tabela 1 abaixo contém as suas principais características: Tabela 1 - Características do motor [12] Potência Máxima (kw) 4 Cilindrada (cc) 389 Potência Nominal (kw) 3,6 Comprimento (mm) 695 Voltagem (V) 110/220 Largura (mm) 555 Frequência (Hz) 60 Altura (mm) 580 Voltagem de carga (V) 12 Peso líquido (kg) 80 Corrente de carga (A) 8,3 Tipo Monofásico As medições de emissões e consumo foram feitas para o grupo motor gerador operando em quatro cargas distintas, que correspondem a 25%, 50%, 75% e 100% da potência nominal do motor. A fim de medirem-se as cargas elétricas do conjunto em operação, foi utilizado um banco de resistor simples composto de um chuveiro eletrônico com resistência variável (LORENZETTI, 5500 W). 23

24 Figura 14 - Banco de resistência para simulação de carga Como a rotação do grupo permanece constante ao longo de sua operação, varia-se somente a carga elétrica e o torque do motor. O controlador de potência utiliza um TRIAC como componente principal, o que torna sua operação trivial. Quando operado com gasolina, o abastecimento do motor é realizado por um tanque colocado sobre uma balança digital, a fim de medir-se o consumo de combustível em diferentes cargas. A vazão em massa foi obtida pela diferença na medição da balança, descontando-se o peso do recipiente. Figura 15 - Consumo de gasolina 24

25 Para o gás natural e o biogás foi utilizado um medidor de gás diafragma, do fabricante LAO, para monitorar o consumo, conforme figura 16. Figura 16 Medidor de vazão de gás natural e biogás Os gases de descarga do motor estão ligados a um analisador de gases NAPRO PC- MULTIGÁS, a fim de medir as emissões de CO2, CO, HC (hidrocarbonetos totais não queimados) e NOₓ. Todos os dados foram obtidos de [19]. Figura 17 - Analisador de gases NAPRO 25

26 3.3. COMBUSTÍVEIS UTILIZADOS Foram utilizados ao todo três combustíveis: Gasolina, GNV e biogás. Na tabela 2 é apresentado a composição do biogás produzido na ETE Alegria em três pontos de amostragem: Tabela 2 - Laudo Biogás produzido na ETE Alegria [19] Biogás: Entrada Gerador Laudo Biogás Saída do 2 Leito Limalha deferro Tubulação GNV CH4 [%] 67,5 72,1 88 CO2 [%] 24,1 26 7,8 N2 [%] 6,7 1,6 4,2 O2 [%] 1,68 0,35 0 Massa Específica (Calculada) [kg/m 3 ] 1,0633 1,0507 0,6481 PCImássico [MJ/Kg] 24,59 22,69 37,69 Sendo utilizado para os cálculos a composição da entrada do gerador. A tabela 2 aponta somente os componentes com maior participação na composição do gás, porém há ainda alguns componentes minoritários, como o H2S, extremamente nocivo ao motor, que é filtrado antes da entrada do biogás no misturador CÁLCULO DA MASSA ESPECÍFICA A massa específica ( ) do biogás foi calculada a partir dos valores encontrados para cada componente do biogás [8]: Massa específica massa volume Calculando com base molar: CH MM % CO MM % N MM % O MM % 4 CH4 2 co2 2 N2 2 o 2 [22,4m³ / kmol CNTP ] (Eq. 4) Foi utilizado a composição do biogás na entrada do gerador, tabela 2, e os valores das massas molares são apresentados na tabela 3: 26

27 Tabela 3 - Massa Molar dos principais componentes do biogás Massa Molar [g/mol] CH4 16 CO2 44 N2 28 O2 32 Desta forma temos, 1,0633 kg/m³ A massa específica calculada e poder calorífico da Gasolina, GNV e biogás são apresentados na tabela 4: Tabela 4 - Propriedades da Gasolina, Biogás e GNV [19] Combustível Massa específica [kg/m³] PCI [mj/kg] Gasolina 0, ,00 GNV 0, ,69 Biogás 1, , CÁLCULO DA RAZÃO A/C A razão A/C é um parâmetro importante para estudar o desempenho e as emissões de motores de combustão interna, turbinas a gás. Este indica a quantidade de ar utilizada por unidade de massa ou por unidade molar de combustível. Outro parâmetro utilizado é a razão de equivalência λ, que é a razão entre a relação A/C real e a estequiométrica: A razão de equivalência é definida por: Temos que: A C A C real esteq. (Eq. 5) =1: Temos uma mistura estequiométrica; >1: Temos uma mistura pobre, ou seja, com alta concentração de O2; <1: Temos uma mistura rica, ou seja, com baixa concentração de O2; 27

28 Korakianatis et al. [13] descreveu a seguinte fórmula de combustão estequiométrica de hidrocarbonetos: C a H b b b a ( O2 3,773 N 2 ) aco2 bh 2O 3,773 a N (Eq. 6) Esta equação permite o balanceamento da combustão de um hidrocarboneto qualquer, considerando a composição do ar de 21% de O2 e 79% de N2. Chegamos à razão A/C estequiométrica pela seguinte equação [13]: A C 34,559(4 y) 12,011 1,008 est. y (Eq. 7) Sendo y b. Consideraram-se as seguintes massas molares para a equação acima: a - C: 12,011 g/mol - H2: 2,016 g/mol - O2: 31,998 g/mol - N2: 28,157 g/mol De maneira análoga podemos chegar à razão A/Cest. para o combustível especificado [14] através da seguinte equação de balanceamento: ( 67,5CH 24,1 CO2 6,7N 2 1,68O2 ) nar( O2 3,76N2) nco CO2 nh OH2O nn 2 4 N (Eq.8) n Onde é o número de moles. Pelo cálculo da massa do biogás e da massa molar do ar chegamos à seguinte fórmula para a razão A/C: A C est. 137,9n 2386,0 ar (Eq. 9) Balanceando a equação (8) chegamos ao valor de 133,32 kmol de ar para a combustão estequiométrica do combustível utilizado nos ensaios. Esse valor nos dá a seguinte razão A/C: 28

29 A C est. 7,7 kg de ar kg de biogás Para o biogás com 60% CH4, Bedoya et. al [15] calcularam em seu estudo a razão A/C de 6,1, enquanto Porpatham et. al [6] calcularam a razão de 5,7 para o biogás contendo 57% de metano. O valor encontrado nesse estudo se mostrou coerente, já que uma maior quantidade de metano necessita de maior quantidade de ar para que ocorra a combustão completa [11]. Para o cálculo da razão A/C real seguimos o caminho inverso. Partimos da concentração dos gases de descarga medida pelo analisador de gases NAPRO, e balanceamos a seguinte equação: n biogás ( 67,5CH 4 24,1 CO2 6,7N 2 1,68O2 ) nar( O2 3,76N 2 ) nco CO n N2 n O2 n CO n H 2 N O CO H O 2O nno NOx nhc HC x (Eq.10) A combustão de hidrocarbonetos a baixas temperaturas tem como principais gases de descarga N2, H2O, CO2 e O2, ou ainda CO e H2 [1]. O biogás, por ser um gás de baixo PCI, apresenta menores temperaturas e pressões na câmara de combustão, o que pode ser comprovado pela composição dos gases de exaustão apresentada pelo analisador de gases NAPRO. Os valores de n e [ver Eq. 10] correspondem a menos de 100ppm (0,01%) e 900ppm (0,09%) HC n NOx respectivamente. Sendo assim, para efeitos de balanceamento da equação de combustão real, e consequentemente para o cálculo da razão A/C, os mesmos foram desprezados. Temos abaixo as equações para o balanceamento da quantidade de combustível, de ar e para a razão A/Creal, respectivamente: n BIOGÁS n n CO 2 CO 91,6 (Eq.11) n AR 1,45nCO 0,95n 2 CO no 2 (Eq. 12) A C real 1,45n 5,3 CO2 n 0,95n CO2 n CO CO n O2 (Eq.13) 29

30 Sendo assim, podemos chegar à razão A/Creal inserindo-se as concentrações dos gases de descarga medidos pelo analisador NAPRO, na equação CÁLCULO DO CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO ENERGÉTICA O consumo específico de combustível (CEC), é a medida da eficiência de um motor [1]. Pode ser definido como o consumo de combustível por unidade de potência, conforme a seguinte equação: comb m.[ kg/ h] CEC [ kg/ kwh] (Eq.14) P [ kw] n Como a medição da vazão de biogás foi realizada em base volumétrica, fez-se necessário o uso da seguinte equação para a conversão em vazão mássica: m [ kg/ h] m [m³/h]* [ kg/ comb. v m ³](Eq.15) Durante a operação do motor, é desejável que se obtenha baixos valores de CEC, tendo em vista que estes resultarão em ganho de eficiência. A eficiência de conversão energética, ou eficiência global, é definida como a razão entre a quantidade de energia produzida por ciclo do motor e a quantidade de energia fornecida, medida pelo PCI do combustível [1]. A eficiência global, de agora em diante g, é definida pela seguinte equação: g 3600 (Eq.16) CEC [ kg/ kwh]* PCI [ mj / kg] 30

31 4. ENSAIOS E MODIFICAÇÕES Neste presente capítulo será explicado cada um dos três ensaios, bem como a modificação necessária para realizar o avanço de ignição ENSAIOS Como mencionado anteriormente, os testes foram realizados em 3 etapas, sendo elas: 1. Testes de desempenho e emissões para o motor operando com Gasolina, GNV e Biogás; 2. Testes de desempenho e emissões para o motor operando somente com biogás, variando-se a razão A/Creal; 3. Testes de desempenho e emissões para o motor operando somente com biogás, variando-se o avanço de ignição. Em cada etapa realizada, o motor era submetido a quatro cargas diferentes, impostas pelo banco de resistência mostrado anteriormente. As cargas correspondem a 25, 50, 75 e 100% da potência nominal do motor de 3,6 kw. Para cada uma das cargas foram realizadas cinco medições. Na segunda etapa de testes, o motor operou apenas com biogás e além da variação de carga, variou-se também a razão λ, tendo percorrido valores de 0,95 (mistura rica) até 1,07 (mistura pobre). Na terceira etapa houve ainda a mudança no ponto de ignição. Os testes foram conduzidos para quatro avanços diferentes de ignição, sendo eles 21º apms (atraso da ignição), 31º apms (avanço original), 42º apms e 53º apms. Vale ainda ressaltar que para um avanço de 21 apms, a operação do motor quando submetido a 100% da carga máxima se mostrou extremamente instável, o que tornou impossível a tomada de qualquer dado de emissões e consumo. 31

32 4.2. VARIAÇÃO DO AVANÇO DE IGNIÇÃO A qualidade da combustão depende também do avanço de ignição. Este consiste em adiantar o ponto de ignição do motor, para que o pico de pressão seja atingido na posição do pistão desejada. A modificação do ponto de ignição pode ser utilizada também como ferramenta para evitar a detonação nos cilindros dos motores, como pode ser visto no estudo de Porpatham et al. [10], onde o aumento da taxa de compressão para a combustão com misturas ricas foi associado a um maior atraso na ignição do motor, para que o mesmo pudesse operar sem problemas relacionados a detonação. A figura 18 a seguir demonstra a variação do avanço da ignição com as máximas pressões resultantes no cilindro, para um motor típico. Figura 18 - Pressão do cilindro versus avanço de ignição [1] A figura 19 mostra a adaptação realizada no motor para que o mesmo pudesse operar com diferentes avanços de ignição: 32

33 Figura 19 - Modificação do ponto de ignição - detalhe da chaveta Pode-se observar que foi realizada uma intervenção mecânica no motor. Foram fabricadas chavetas adicionais, que acopladas ao virabrequim, posicionavam os pistões em diferentes ângulos no momento em que era disparada a centelha. O avanço original deste motor é de 31º apms. 33

34 CO₂ [%] 5. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os dados medidos pelo analisador de gases NAPRO foram convertidos em um arquivo para leitura no software EXCEL, onde também foram inseridas as equações obtidas no capítulo 3. Os gráficos apresentados neste capítulo foram gerados no mesmo software. As tabelas com os dados de emissões e consumo são apresentadas nos apêndices A, B e C ENSAIOS COM GASOLINA, GNV E BIOGÁS Foram medidas as emissões e o consumo do motor operando com três combustíveis diferentes: gasolina, GNV e biogás. Foram realizados ensaios de desempenho e emissões do grupo motor gerador operando com estes três combustíveis EMISSÕES DE CO2 As emissões de CO2 obtidas pelo analisador de gases NAPRO são apresentadas na tabela 5: Tabela 5 - Comparação das emissões de CO2 Emissões CO₂ [%] Carga [%] Biogás Gasolina GNV 25 13,96 8,9 9, ,44 10, ,86 9,56 10, ,92 9,12 10,14 Emissões CO₂ [%] Biogás 8 6 Gasolina GNV Carga [%] Figura 20 - Emissões de CO2 para os combustíveis utilizados 34

35 CO [%] Quando operando com biogás, o motor apresentou emissões de CO2 superiores, resultado já esperado. Sua explicação está principalmente no fato de que o biogás já possui em sua composição valores de aproximadamente 25% deste gás, o que irá refletir também nas emissões EMISSÕES DE CO Segundo Korakianitis et al. [13], motores operando com gás natural geralmente apresentam redução de 50 a 90% das emissões de CO quando operam com gasolina. Este fato se deve principalmente a menor razão de equivalência com que o primeiro motor funciona. Na tabela 6 é apresentado os valores obtidos para os diferentes combustíveis utilizados neste experimento: Tabela 6 - Comparação das emissões de CO Emissões CO [%] Carga [%] Biogás Gasolina GNV 25 2,056 8,502 2, ,408 9,152 1, ,724 9,118 1, ,674 9,81 2,136 Emissões CO [%] Biogás 6 4 Gasolina GNV Carga [%] Figura 21 - Emissões de CO para os combustíveis utilizados 35

36 HC [ppm] Os resultados indicam que com o motor funcionando tanto com GNV quanto com biogás, as emissões de CO foram inferiores às do motor com gasolina. Isso pode ser explicado pelo fato do GNV e o biogás apresentarem uma mistura mais homogênea com o ar que a gasolina, propiciando uma queima mais eficiente EMISSÕES DE HC Assim como o CO, uma combustão mais completa leva a menores níveis de emissão de hidrocarbonetos. Porpatham et al. [6] mostraram em seu estudo a relação das emissões de HC com a razão A/C. A tabela 7 apresenta os valores obtidos pelo analisador de gases NAPRO para as emissões de HC para os diferentes combustíveis utilizados neste ensaio. Os mesmos resultados são apresentados na figura 22. Tabela 7 - Comparação das emissões de HC Emissões HC [ppm] Carga [%] Biogás Gasolina GNV ,6 92, ,4 62, ,4 166,6 59, ,8 176,6 55,8 Emissões HC [ppm] Carga [%] Biogás Gasolina GNV Figura 22 - Emissões de HC para os combustíveis utilizados 36

37 Note-se que, quando o motor está operando com gasolina, as emissões de HC são mais elevadas. Isso pode ser explicado pelo fato da gasolina apresentar uma mistura menos homogênea com o ar, causando o afastamento da razão A/C estequiométrica para este combustível EMISSÕES DE NOₓ As emissões de óxidos de nitrogênio estão relacionadas à concentração de oxigênio no combustível, bem como a altas temperaturas e pressões atingidas durante o processo de combustão, conforme figura 23. A figura 23 mostra a influência da relação A/C na geração de gases poluentes em um motor. Figura 23 - Influência da relação ar-combustível na geração de gases poluentes [16] A tabela 8 apresenta as taxas de emissões de NOx obtidas nesse ensaio: Tabela 8 - Comparação das emissões de NOₓ Emissões NOₓ [ppm] Carga [%] Biogás Gasolina GNV ,6 119, ,8 175,4 500, ,2 218,2 801, ,2 221,

38 NOₓ [ppm] Emissões NOₓ [ppm] Biogás Gasolina GNV Carga [%] Figura 24 - Emissões de NOₓ para os combustíveis utilizados Temperaturas elevadas na câmara de combustão aumentam a formação de NOx. No caso, motores operando com GNV possuem maior temperatura de câmara de combustão, o que explica a formação de maiores concentrações de NOx. Para o biogás, o fato de apresentar alta concentração de CO2 e, portanto, baixo poder calorífico, a temperatura de combustão na câmara é menor, o que explica os menores níveis de emissões de NOx [4] CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA GLOBAL O consumo específico obtido para os combustíveis utilizados através das equações (14) e (15), são apresentados na tabela 9. Tabela 9 - Comparação de consumo específico para os combustíveis utilizados Consumo Específico [m³/kwh] Carga [%] Biogás Gasolina GNV 25 2,45 2,08 1, ,61 1,31 0, ,24 0,98 0, ,15 0,88 0,71 38

39 Eficiência [%] Consumo Específico [m³/kwh] Consumo Específico [m³/kwh] 3 2,5 2 1,5 1 Biogás Gasolina GNV 0, Carga [%] Figura 25 - Consumo específico para os combustíveis utilizados A eficiência global é calculada pela Eq. 16 e é apresentada na figura 26. Eficiência Global 25,00 20,00 15,00 Biogás Gasolina 10,00 GNV 5,00 0, Carga [%] Figura 26 - Eficiência global para os combustíveis utilizados As figuras 25 e 26 mostram que, operando com GNV, o motor apresenta valores inferiores de consumo específico, e superiores de eficiência, em relação ao motor utilizando gasolina. Já operando com biogás o motor apresentou maior consumo. Isto é devido ao baixo poder calorífico 39

40 %CO2 deste combustível em relação aos demais. Os resultados se mostraram semelhantes aos obtidos em Crookes [4], o que pode ser explicado pela melhor relação consumo/potência obtida pelo gás natural ENSAIOS COM BIOGÁS INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DA RELAÇÃO AR- COMBUSTÍVEL As figuras a seguir mostram as variações das emissões e do consumo específico de combustível apresentadas pelo motor operando com biogás em função da razão de equivalência (λ). Os dados ilustrados nos ensaios apresentados neste capítulo mostram os resultados em função da carga do motor e com a razão de equivalência variando numa faixa de 0,95 a 1, EMISSÕES DE CO2 A figura 27 mostra um aumento das emissões de CO2 com o aumento da razão de equivalência (λ) até valores próximos a 1. A partir desse valor (para misturas levemente pobres), a tendência observada foi de decréscimo nas emissões de CO2, devido à alta concentração de oxigênio, o que coincide com os resultados encontrados na literatura [1]. 15,4 15,2 15,0 Emissões de CO2 14,8 14,6 14,4 14,2 14,0 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 λ Carga 100% Carga 75% Carga 50% Carga 25% Figura 27 - Emissões de CO2 em função da relação ar-combustível (λ) Pode-se afirmar também que as emissões de CO2 aumentaram com o aumento da carga. 40

41 %CO EMISSÕES DE CO A figura 28 mostra que há uma redução das emissões de CO nos gases de descarga com o aumento da razão ar-combustível e, consequentemente, da razão de equivalência (λ). 3,00 2,50 Emissões de CO 2,00 1,50 1,00 0,50 Carga 100% Carga 75% Carga 50% Carga 25% 0,00 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 λ Figura 28 - Emissões de CO em função da relação ar-combustível (λ) A diminuição das emissões de CO em função do empobrecimento da mistura era esperada e está de acordo com os dados reportados na literatura [1]. Em misturas ricas (λ<1) não há ar suficiente para queima completa da mistura, o que explica a elevada concentração de CO. Ao contrário, o excesso de ar (mistura pobre), facilita a combustão de uma maior massa de combustível e a consequente diminuição da concentração de CO. 41

42 HC [ppm] EMISSÕES DE HC O mesmo comportamento das emissões de CO acontece com a de HC, como será apresentado na figura 29. Embora os dados estejam sobrepostos, pode-se dizer que as emissões de hidrocarbonetos aumentam com o aumento da carga Emissões de HC ,90 0,95 1,00 1,05 1,10 λ Carga 100% Carga 75% Carga 50% Carga 25% Figura 29 - Emissões de HC em função da relação ar-combustível (λ) A figura 29 apresenta o decréscimo nas emissões de HC com o aumento da razão de equivalência (λ). Comportamento idêntico pode ser observado no estudo desenvolvido por Crookes [4]. 42

43 NOx [ppm] EMISSÕES DE NOₓ A figura 30 apresenta as emissões de NOx em função de λ para diferentes cargas de operação. Emissões de NOx ,90 0,95 1,00 1,05 1,10 λ Carga 100% Carga 75% Carga 50% Carga 25% Figura 30 - Emissões de NOx em função da relação ar-combustível (λ) A figura 30 mostra o aumento nas emissões de NOx com o aumento da razão de equivalência. Isso se deve a maior quantidade de oxigênio livre (O2) que irá se combinar com o nitrogênio (N2) presente no ar devido ao excesso de ar (consequência da diminuição da vazão de combustível). De acordo com os dados da figura 30, pode-se afirmar que as emissões de NOx aumentam com o aumento da carga. 43

44 Eficiência [%] m³/kwh CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA GLOBAL O consumo específico obtido para o biogás através das equações (14) e (15), é apresentado na figura 31. 3,00 2,50 Consumo Específico 2,00 1,50 1,00 0,50 Carga 100% Carga 75% Carga 50% Carga 25% 0,00 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 λ Figura 31 - Consumo específico em função da relação ar-combustível (λ) A eficiência global é calculada pela Eq. 16 e é apresentada na figura 32. Eficiência Global 16,000 14,000 12,000 10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 0,000 0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 λ Carga 100% Carga 75% Carga 50% Carga 25% Figura 32 - Eficiência global em função da relação ar-combustível (λ) As figuras 31 e 32 mostram, respectivamente, a diminuição do consumo específico, e consequentemente, o aumento da eficiência do motor, com o aumento da razão de equivalência (λ). 44

45 CO₂ [%] Embora o consumo de combustível aumente com o aumento da carga, o consumo específico de combustível (m³/kwh) diminui com o aumento da carga. Isso se deve ao fato de que o aumento da potência é maior do que o aumento do consumo de combustível [6]. A tendência mostrada na figura 31 é de diminuir o consumo de combustível à medida que empobrecemos a mistura. Como a vazão de ar é fixa, o empobrecimento da mistura ocorre através da diminuição da vazão de combustível ENSAIOS COM BIOGÁS INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DO AVANÇO DE IGNIÇÃO O presente capítulo tem como objetivo analisar a influência do avanço de ignição nas emissões de CO2, CO, HC e NOx e desempenho do motor quando operando com biogás, em diferentes cargas e λ constante EMISSÕES DE CO2 A figura 33 apresenta as emissões de CO2 em função do avanço de ignição, e para diferentes cargas de operação. Emissões CO2 [%] 15,7 15,6 15,5 15,4 15,3 15,2 15,1 15,0 14,9 14,8 14,7 14, Avanço de Ignição 25% 50% 75% 100% Figura 33 - Emissões de CO2 em função do avanço de ignição Podemos perceber que para o motor operando em 25, 50 e 75% da carga máxima, as maiores emissões de CO2 se encontram no avanço de ignição de 31 apms, indicando a melhor combustão do biogás para esse ponto. 45

46 CO [%] EMISSÕES DE CO Como já mencionado anteriormente, as emissões de CO2 e CO seguem tendências inversas, sendo que ambas indicam o quão completa está sendo a queima do combustível. Percebemos na figura 34 que para todas as cargas, com exceção da carga máxima (100%), os menores níveis de emissões de CO são encontrados para o avanço de 31 apms. Emissões CO [%] 2,00 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, Avanço de Ignição 25% 50% 75% 100% Figura 34 - Emissões de CO em função do avanço de ignição 46

47 HC [%] EMISSÕES DE HC A figura 35 apresenta a evolução das emissões de HC conforme aumentamos o avanço de ignição. Podemos observar que os maiores níveis de HC são encontrados para o ponto de ignição de 53. Emissões HC [%] 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 25% 50% 75% 100% 20,00 0, Avanço de Ignição Figura 35 - Emissões de HC em função do avanço de ignição 47

48 NOx [ppm] EMISSÕES DE NOₓ Podemos observar na figura 36 o aumento das emissões de NOx para maiores avanços de ignição. Por ser um gás com baixa velocidade de propagação de chama [10], o biogás usualmente apresenta maiores temperaturas de combustão para pontos de ignição adiantados, o que causará o aumento nos níveis de NOx. Emissões NOx [%] 2000, , , , , ,00 800,00 600,00 400,00 200,00 0, Avanço de Ignição 25% 50% 75% 100% Figura 36 - Emissões de NOx em função do avanço de ignição CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA GLOBAL O biogás apresenta baixa velocidade de propagação de chama, logo, maiores avanços tendem a minimizar os efeitos dessa propriedade, levando a ganhos no desempenho do motor. 48