ANÁLISE DOS PARÂMETROS DE DESEMPENHO E EMISSÕES DE UM MOTOR A DIESEL OPERANDO COM ETHABIODIESEL UTILIZANDO MÉTODO NUMÉRICO E RESULTADOS EXPERIMENTAIS

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1 ANÁLISE DOS PARÂMETROS DE DESEMPENHO E EMISSÕES DE UM MOTOR A DIESEL OPERANDO COM ETHABIODIESEL UTILIZANDO MÉTODO NUMÉRICO E RESULTADOS EXPERIMENTAIS Leonardo Mendonça Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica, COPPE, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Orientador: Carlos Rodrigues Pereira Belchior Yordanka Reyes Cruz Rio de Janeiro Junho de 2017

2 ANÁLISE DOS PARÂMETROS DE DESEMPENHO E EMISSÕES DE UM MOTOR A DIESEL OPERANDO COM ETHABIODIESEL UTILIZANDO MÉTODO NUMÉRICO E RESULTADOS EXPERIMENTAIS Leonardo Mendonça DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM ENGENHARIA MECÂNICA. Examinada por: Prof. Carlos Rodrigues Pereira Belchior, D.Sc. Profa. Yordanka Reyes Cruz, D.Sc. Prof. Manuel Ernani de Carvalho Cruz, Ph.D. Prof. Ednildo Andrade Torres, D.Sc. RIO DE JANEIRO, RJ BRASIL JUNHO DE 2017

3 Mendonça, Leonardo Análise dos parâmetros de desempenho e emissões de um motor a diesel operando com ethabiodiesel utilizando método numérico e resultados experimentais./ Leonardo Mendonça. Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE, XIV, 98 p.: il.; 29,7 cm. Orientadores: Carlos Rodrigues Pereira Belchior Yordanka Reyes Cruz. Dissertação (mestrado) UFRJ/ COPPE/ Programa de Engenharia Mecânica, Referências Bibliográficas: p Motor a diesel. 2. Diesel. 3. Ethabiodiesel. I. Belchior, Carlos Rodrigues Pereira et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de Engenharia Mecânica. III. Título. iii

4 A Deus por ter me sustentado. Aos meus pais Rita (in memorian) e Djalma por todo apoio. À minha esposa Renata e ao meu filho Lucas Mendonça, amo vocês. iv

5 AGRADECIMENTOS Agradeço ao meu orientador Carlos Rodrigues Pereira Belchior por todo suporte e valiosos conselhos. Muito obrigado, Professor! Agradeço a minha coorientadorayordanka por todo apoio e paciência. Agradeço a minha avó Gilda Mendonça (in memorian) por todo ensinamento e por todo apoio desde a minha tenra infância. Agradeço aos meus pais Rita (in memorian) e Djalma Mendonça por todo apoio durante toda minha caminhada. Agradeço a minha esposa Renata Mendonça e ao meu filho Lucas Mendonça por todo carinho e apoio que foram fundamentais para que este objetivo pudesse se tornar realidade. Agradeço ao meu irmão Leandro Mendonça e a minha cunhada Simone Mendonça pelo pelos momentos de descontração que foram fundamentais no decorrer de todo processo de desenvolvimento desta dissertação. Agradeço aos meus tios Jorge Mendonça, Dilma Bispo e Epitácio Bispo por todo apoio e conselhos. Agradeço ao Engenheiro Pedro Paulo Pereira por todo suporte na realização dos experimentos bem como a toda equipe do LMT. Agradeço ao CNPq pelo apoio financeiro que foi de grande importância para a realização deste trabalho. Um agradecimento especial ao meu amigo Bruno Bento, companheiro dessa caminhada acadêmica. Agradeço ao Dr.Hendrick Zarate por toda paciência e disposição que teve em me auxiliar na implementação do método de otimização. Obrigado de coração! Aos companheiros de mestrado Ana Cláudia, Daniel Rodrigues e João Coringa. Obrigado! v

6 Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências(M.Sc.) ANÁLISE DOS PARÂMETROS DE DESEMPENHO E EMISSÕES DE UM MOTOR A DIESEL OPERANDO COM ETHABIODIESEL UTILIZANDO MÉTODO NUMÉRICO E RESULTADOS EXPERIMENTAIS Leonardo Mendonça Junho/2017 Orientadores: Carlos Rodrigues Pereira Belchior Yordanka Reyes Cruz Programa: Engenharia Mecânica O presente trabalho investiga de maneira experimental e numérica os parâmetros de desempenho de um motor diesel monocilíndrico Agrale, modelo M95W, abastecido com diesel comercial S500 da BR distribuidora, com ethabiodiesel e com as misturas de 10% e 20% de ethabiodiesel no diesel, respectivamente. A partir dos resultados experimentais de potência efetiva e consumo especifico de combustível (CEC) foi possível determinar, utilizando o método numérico de otimização, os parâmetros desconhecidos da função de Vibe (parâmetro m, inicio de combustão e duração de combustão) de forma inversa. Para isso, eram informados os resultados esperados e através deste método o programa realizava iterações, atribuindo valores para esses parâmetros e comparando o resultado final ao resultado experimental informado. Nessa avaliação numérica foram utilizados os softwares AVL-Boost e AVL-Design Explorer. Os resultados experimentais mostraram aumento no CEC do motor trabalhando com o combustível ethabiodiesel, quando comparado ao diesel comercial. Analisando as emissões experimentais, notouse que houve um aumento significativo no NO x e hidrocarbonetos quando o motor estava abastecido com ethabiodiesel e suas misturas, entretanto, para CO 2 não houve diferença significativa. Os resultados numéricos para os parâmetros de desempenho mostraram-se coerentes com os resultados experimentais. vi

7 Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.) ANALYSIS OF PERFORMANCE PARAMETERS AND EMISSIONS OF A DIESEL ENGINE OPERATING WITH ETHABIODIESEL USING NUMERICAL METHOD AND EXPERIMENTAL RESULTS Leonardo Mendonça June/2017 Advisors: Carlos Rodrigues Pereira Belchior Yordanka Reyes Cruz Department: Mechanical Engineering The present work investigates experimentally and numerically the performance parameters of a Agrale single-cylinder diesel engine, M95W model, basted with commercial diesel - S500 from BR distributor, with ethabiodiesel and with blends of 10% and 20% of ethabiodiesel in diesel respectively. From the experimental results of effective power and specific fuel consumption (SFC) it was possible to determine the unknown parameters of the Vibe function (parameter m, start of combustion and duration of combustion) using the numerical optimization method. For this, the expected results were informed and through this method the program performed several iterations, assigning values to these parameters and comparing the final result to the informed experimental result. In this numerical evaluation, AVL-Boost and AVL-Design Explorer software were used. The experimental results presented an increase in the SFC of the engine working with the fuel ethabiodiesel, when compared to the commercial diesel. Analyzing the experimental emissions, it was noted that there was a significant increase in NOx and hydrocarbons when the engine was fueled with ethabiodiesel and its blends, however for CO, CO 2 there was no significant difference. The numerical results for the performance parameters were consistent with the experimental results vii

8 Sumário 1. INTRODUÇÃO Justificativa Objetivo Escopo da dissertação REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Misturas de combustíveis Modelagem de MCI Classificação dos modelos de combustão em MCI Trabalhos com simulação computacional de motor diesel MODELAGEM, PARÂMETROS DE DESEMPENHO E EMISSÕES Modelagem Equações de conservação Movimento do pistão Modelo de transferência de calor Modelo de combustão Modelagem dos combustíveis Combustível equivalente Parâmetros de desempenho do motor Torque Potência efetiva Pressão média efetiva Consumo de combustível Emissões de poluentes em motor diesel Óxidos de nitrogênio (NO x ) Monóxido de carbono (CO) viii

9 Hidrocarbonetos (HC) MATERIAIS E MÉTODOS Materiais e metodologia experimental Motor utilizado Combustível utilizado Óleo diesel S Ethabiodiesel Misturas entre diesel e ethabiodiesel Instrumentação experimental Massa de combustível Massa de ar admitida no motor Gases de descarga Dinamômetro Cálculo da incerteza de medição Metodologia da simulação Software e hardware utilizados ConfiguraçãoAVL-Boost Configuração do cilindro Configuração do modelo de combustão Configuração do modelo de transferência de calor Configuração do motor Configuração dos tubos Configuração dos plenums Configuração dos pontos de medição Dados de entrada e fluxograma da simulação AVL Design Explorer Dados de entrada no Design Explorer ix

10 Critério de parada AVL Design Explorer Validação da Otimização Fluxograma do Design Explorer RESULTADOS EXPERIMENTAIS Curva experimental a plena carga do motor Ensaios Ensaios com B Ensaios com E Ensaios com E Ensaios com E Comparação entre os consumos específicos de combustível Emissões de poluentes Emissões de CO Emissões de CO Emissões de NO x Emissões de hidrocarbonetos (HC) RESULTADOS NUMÉRICOS E COMPARAÇÕES Convergência da otimização Validação da otimização Comparação dos resultados experimentais com os numéricos otimizados Comparativo dos resultados usando B Comparativo dos resultados usando E Comparativo dos resultados usando E Comparativo dos resultados usando E CONCLUSÃO E SUGESTÕES Conclusões da dissertação Recomendações para trabalhos futuros x

11 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANEXO I ANEXO II ANEXO III ANEXO IV ANEXO V xi

12 LISTA DE FIGURAS Figura 1-1-Matérias-Primas para produção do biodiesel em fevereiro de (Fonte:ANP, 2016) Figura 1-2-Demanda de energia por setor Fonte: MME, Figura 1-3-Consumo de energia no setor de transportes Fonte: MME, Figura Balanço de energia no cilindro Figura Movimento do pistão no cilindro Figura Taxa de liberação de calor e as fases da combustão (Adaptado de ALMEIDA, 2012) Figura Combustão nos MCI. Fonte: Mendes, Figura Gases emitidos pela combustão incompleta e seus efeitos nocivos. Fonte: Mendes, Figura Comportamento das emissões de CO, NO x e HC em motores diesel. Fonte: ROSA (2014) Figura Esquema experimental utilizado Figura Balança de precisão utilizada no experimento Figura Configuração do reservatório de combustível sobre a balança para calculo da massa de combustível utilizada por ciclo Figura Analisador de gases Figura Gases medidos no analisador e faixa de medição. Fonte: Acervo Pessoal Figura Tubo de captação dos gases de descarga. Fonte: Acervo Pessoal Figura Tela de interface onde são apresentados os dados de emissões Figura Interface do software DinMon Figura Fluxograma da simulação computacional Figura Fluxograma da sequência lógica da otimização utilizando AVL Design explorer. Modificado de ROCHA (2016) Figura Curva a plena carga do motor Agrale M95W utilizando B Figura CEC x Torque experimental para 1500rpm Figura CEC x Torque experimental para 2000rpm Figura CEC x Torque experimental para 2500rpm Figura Emissões de monóxido de carbono (CO) xii

13 Figura Emissões de dióxido de carbono (CO 2 ) Figura Emissões de NO x Figura Parâmetro m da função de Vibe otimizado usando B Figura Duração de combustão otimizado usando B Figura Inicio da combustão otimizado usando B Figura Potência efetiva obtida pelo processo de otimização Figura CEC obtido pelo método de otimização Figura Comparativo Diesel (B3) 20Nm 1500rpm Figura Comparativo Diesel (B3) 20Nm 2000 rpm Figura Comparativo B3 20Nm 2500 rpm Figura Comparativo B rpm Figura Comparativo B rpm Figura Comparativo B rpm xiii

14 LISTA DE TABELAS Tabela Resumo das principais referências utilizadas na revisão bibliográfica Tabela Porcentagem de carbono, hidrogênio e oxigênio dos combustíveis Tabela Principais dados do motor utilizado Tabela Volumes utilizados para obter o combustível desejado Tabela Dados de entrada no AVL Boost Tabela Principais variáveis encontradas no ensaio com B Tabela 5.2 Incert. dos parâmetros de desempenho e temperatura encontrados com B Tabela 5.3 Essa tabela mostra dados de emissões obtidos para B Tabela Incertezas na medição das emissões Tabela Principais variáveis encontradas no ensaio com E Tabela 5.6 Incert. dos parâmetros de desempenho, temperaturas e consumo para E Tabela Dados de emissões obtidos para E Tabela Incertezas das emissões para E Tabela Principais variáveis encontradas no ensaio com E Tabela 5.10 Incert.dos parâmetros de desempenho, temperatura e consumo para E Tabela Dados de emissões obtidos para E Tabela Incertezas das emissões para E Tabela Principais variáveis encontradas no ensaio com E Tabela 5.14 Incert. dos parâmetros de desempenho, temperatura e consumo para E Tabela Dados de emissões obtidos para E Tabela Incertezas das emissões para E Tabela Comparativo dos parâmetros de desempenho para o combustível B Tabela Comparativo dos parâmetros de desempenho para o combustível B Tabela Comparativo para o combustível B Tabela Comparativo para o combustível E Tabela Comparativo para o combustível E Tabela Comparativo usando E xiv

15 1. INTRODUÇÃO O petróleo, sem dúvida, é a fonte de energia mais importante e mais utilizada mundialmente. Sua exploração comercial iniciou em 1859, entretanto, após a invenção do automóvel por Henry Ford, em 1896, e posterior apresentação do motor Diesel por Rudolph Diesel em colocou-se o consumo de petróleo em patamares crescentes e estratégicos mundialmente. No Brasil a busca por petróleo deu-se no século XX e o primeiro poço comercial remete-se a Salvador-BA em Outro combustível de grande relevância na matriz energética nacional é o álcool (etanol). Este, por ser um combustível renovável, tem uma grande relevância por ser uma opção aos combustíveis oriundos do petróleo. Em 1975, o governo brasileiro preocupado com a diversificação da matriz energética nacional, lançou o programa nacional do álcool Proálcool (decreto no , de 14/11/1975). A idéia inicial do governo era uma substituição paulatina da gasolina por álcool, como uma forma de diminuir a dependência brasileira do combustível fóssil em questão. O uso de etanol no Brasil tornou-se relevante na década de 80, pois este foi adicionado à gasolina, possibilitando a retirada do chumbo tetraetila, diminuindo a poluição do ar, solo e águas. Com o aumento do consumo de etanol, houve um aquecimento na indústria da cana-de-açúcar a qual, tinha um excedente que podia ser direcionado à produção de etanol, gerando empregos e fortalecendo a matriz energética brasileira. Outro passo dado no intuito de modificar a matriz energética foi a conferência de Estocolmo, realizada em 1973, que teve como escopo principal a sustentabilidade e a busca por fontes energéticas renováveis. À época, muitos países consideravam os recursos naturais como sendo fontes inesgotáveis, entretanto algumas situações, como chuva ácida, redução na camada de ozônio e principalmente o efeito estufa, despertaram a atenção acerca da necessidade de renovação na matriz energética. Cerca de 25 anos depois (1997), em outra reunião no Japão, em kioto, a comunidade internacional voltou a se reunir para novas discussões acerca da preservação ambiental, mais especificamente para tratar de reduções nas emissões de gases que provocam o efeito estufa tais gases são liberados, principalmente, após a 1

16 queima de combustíveis de origem fóssil. Nessa reunião foi estabelecido um protocolo, o qual os países industrializados deveriam seguir a fim de reduzir suas emissões em 5% em relação às medições feitas em Outro combustível de fonte renovável que tem se tornado de grande relevância é o biodiesel. Assim como o álcool foi introduzido para substituir a gasolina nos motores de ignição por centelha, o biodiesel pode substituir o diesel nos motores de ignição por compressão, com a vantagem de não requerer profundas adaptações mecânicas e apresentar alto rendimento energético (BARBOSA, 2006) O biodiesel pode ser produzido a partir de uma série de matérias-primas de origem vegetal e animal que acumulam energia na forma de lipídeos, tais como: girassol, dendê, pinhão-manso, soja, sebo bovino, algodão, etc. Sendo as três últimas as principais matérias-primas para biodiesel atualmente, conforme podemos observar na figura 1.1 abaixo. Figura 1-1-Matérias-Primas para produção do biodiesel em fevereiro de (Fonte:ANP, 2016). Além de sua contribuição direta para a renovação da matriz energética, os óleos vegetais também possuem uma grande relevância no desenvolvimento agrícola. Tal relevância foi, inclusive, descrito por Rudolph Diesel, no livro intitulado Termodinâmica: O motor diesel pode ser alimentado com óleos vegetais e poderá ajudar consideravelmente o desenvolvimento da agricultura nos países onde ele funcionar. Isso parece um sonho do futuro, mas eu posso predizer com inteira convicção que esse 2

17 modo de emprego do motor diesel pode, em dado tempo, adquirir uma grande importância (BARBOSA, 2006). Por fim, o etanol anidro pode ser misturado ao biodiesel e com um aditivo chamado ETHABIO, resultando em um novo produto chamado de ethabiodiesel. O ethabiodiesel surge como uma proposta de combustível para substituição do diesel, sendo, no mínimo, 92% oriundo de base renovável. Sua vantagem, de acordo com o fabricante, é de reduzir significativamente as emissões de poluentes além de não necessitar de nenhuma adaptação mecânica no motor. Os motores de combustão interna (MCI) têm sido cada vez mais presentes no desenvolvimento da humanidade. Nos dias atuais, é difícil imaginar uma atividade econômica sem a presença dos MCI. Seja no campo ou na cidade, há presença maciça dos MCI nas mais diversas atividades, seja ela agrícola ou tecnológica. Com o aumento crescente do uso dos MCI há também um aumento no consumo de energia, principalmente a oriunda de combustíveis de origem fóssil, os quais são as principais fontes de energia para alimentação dos MCI, atualmente. Sabese que a queima de combustíveis fósseis é uma das principais fontes emissoras de gases causadores do efeito estufa e seu uso indiscriminado pode vir a ocasionar danos irreversíveis ao planeta, podendo impactar significativamente nas futuras gerações. Outro ponto importante, do ponto de vista econômico, é o custo elevado para prospecção e processamento dos combustíveis fósseis. Nesse contexto, torna-se mandatório a pesquisa por meios que possam reduzir as emissões de poluentes e melhorar o desempenho dos MCI. Veículos equipados com motores a diesel fazem parte do principal grupo emissor de poluentes e consumidores de combustíveis de origem fóssil. Nesse contexto, a figura 1.2 mostra a distribuição da demanda energética nos diversos setores brasileiros e a figura 1.3 indica a distribuição do consumo de combustível em um dos principais setores, o setor de transportes. Para reduzir esse número, várias propostas têm sido feitas como: aumentar o uso de transportes públicos, locomoção via bicicleta ou mesmo a pé, rodízio de veículos nos grandes centros urbanos, dentre outras possibilidades. 3

18 Figura 1-2-Demanda de energia por setor Fonte: MME, Figura 1-3-Consumo de energia no setor de transportes Fonte: MME,

19 1.1. Justificativa A poluição ambiental é um sério problema que tem sido objeto de discussões em diversos momentos no mundo. Nesse contexto, a busca por fontes energéticas que tenham como produto menor emissão de poluentes torna-se de grande importância. Segundo JULIATO (2006), o setor de transporte, que utiliza majoritariamente como combustível o diesel, é responsável por cerca de 80% das emissões de poluentes, sobretudo NO x, e com isso torna-se de grande relevância a verificação de uma nova proposta de combustível, como alternativa ao diesel, que seja capaz de manter um bom desempenho nos motores a diesel e que consiga reduzir as emissões de gases nocivos ao meio ambiente. Outro grande problema com relação aos combustíveis fósseis é a questão da sustentabilidade. Por ser um produto esgotável, é de grande importância a busca por combustíveis que possam substituí-lo e que possuam uma matriz renovável, como é o caso do etanol e do biodiesel, que são extraídos principalmente da cana-de-açúcar e soja, respectivamente, e têm se mostrado ótimos candidatos para uma eventual substituição da matriz energética para motores de combustão por compressão. Nesse contexto, tem-se o ethabiodiesel que é um combustível de fonte 100% vegetal e surge como alternativa ao Diesel. Nesse contexto, este trabalho traz como justificativa a verificação da possibilidade de uma possível substituição total ou parcial dos combustíveis de origem fóssil, não renováveis, por combustíveis de origem renovável Objetivo Este trabalho tem como objetivo geral avaliar os parâmetros de desempenho e emissões de um motor do ciclo diesel com arranjo monocilíndrico, marca Agrale e modelo M95W, operando com diesel, ethabiodiesel e suas misturas através de testes experimentais e de simulação computacional. Os objetivos específicos deste trabalho são: Determinar experimentalmente os parâmetros de desempenho e as emissões do motor operando com diesel comercial, ethabiodiesel e suas misturas Simular numericamente os parâmetros de desempenho do motor operando com diesel comercial, ethabiodiesel e suas misturas; 5

20 Comparar os resultados numéricos aos resultados experimentais para o diesel, ethabiodiesel e suas misturas Escopo da dissertação Esta dissertação trás em seu primeiro capítulo uma introdução à problemática das emissões de poluente e sustentabilidade dos combustíveis provenientes do petróleo e uma possível solução advinda dos combustíveis de base vegetal (biodiesel e etanol). Ainda no capítulo 1 temos a justificativa e os objetivos desta dissertação. O capítulo 2 trás uma revisão bibliográfica acerca da temática tratada neste trabalho. Esta revisão bibliográfica passa por assuntos relacionados aos motores de combustão interna, uso de misturas de combustíveis em pesquisa, bem como a modelagem de motores de combustão interna para simulação computacional. O capítulo 3 trás todo o embasamento teórico para o cálculo das variáveis utilizadas nesta dissertação bem como a modelagem matemática que norteia o cálculo numérico para a simulação computacional, também desenvolvida neste trabalho. O capítulo 4 descreve e apresenta, na primeira parte, os materiais e a metodologia empregada no desenvolvimento dos testes experimentais desta dissertação e, posteriormente, em sua segunda parte, toda a metodologia e considerações empregadas para o desenvolvimento da avaliação numérica. O capítulo 5 apresenta e faz as considerações acerca dos resultados experimentais. O capítulo 6 apresenta os resultados numéricos, compara estes aos resultados experimentais e faz considerações. O capítulo 7 trás a conclusão desta pesquisa obtida a partir de todos os resultados encontrados, que foram apresentados nos capítulos 5 e 6, e faz sugestões para trabalhos futuros. 6

21 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 2.1 Misturas de combustíveis Uma das alternativas para reduzir o nível de emissões de poluentes e também o consumo de combustíveis fósseis é a mistura de combustíveis fósseis e biocombustíveis. Nesse contexto, alguns estudos já têm sido realizados como descrito abaixo. Em 2009, CRUZ trabalhou com misturas de etanol anidro e óleo diesel e fez testes desse combustível em um motor CUMMINS mod: BTAA 5.9. Inicialmente, verificou-se a influência do etanol nas propriedades físico-químicas do diesel, chegando à conclusão de que este permite uma concentração muita baixa de etanol, em uma única fase, visto que possui hidrocarbonetos muito apolares. Com isso, para adição de quantidades maiores de etanol ao diesel fez-se necessário a adição de um aditivo a fim de permitir que a quantidade de etanol homogênea na mistura chegasse até cerca de 8%. Em testes, identificou-se que a adição de etanol dimunui o número de cetano na mistura e conseqüentemente reduz a potência média do motor (cerca de 2,55%) e aumenta o consumo específico em torno de 1,8%. Nos testes, ainda se observou uma redução maior do que 15% nas emissões de NO x quando comparados ao diesel comercial sem etanol. Em 2011, ZHU et al. testaram diesel (euro v), biodiesel e misturas de biodiesel com etanol em um motor de 4 cilindros ciclo diesel com injeção direta, a fim de verificar seu desempenho e suas emissões. Após os ensaios experimentais, observouse que houve melhora na eficiência térmica em plena carga, quando consumida uma mistura de 5% etanol com 95% de biodiesel em relação ao mesmo motor abastecido com diesel. No que tange as emissões, esta mistura, para baixas e médias cargas, reduziu significativamente as emissões de CO, CO 2, NO x e material particulado, quando comparado ao diesel. Em 2013, MORETTI utilizou um motor ciclo diesel comercial a fim de realizar testes com misturas contendo 95% de diesel com 5% de biodiesel e outra mistura contendo 92,15% de diesel, 4,85% de biodiesel e 3% de etanol. Após realização dos testes em bancada, chegou-se à conclusão que a mistura entre diesel, biodiesel e etanol é aplicável em motores do ciclo diesel, entretanto há um decréscimo no ponto de 7

22 fulgor da mistura, quando comparado com a mistura entre diesel e biodiesel somente, sendo requerido assim cuidados no manuseio dessa mistura de combustível. 2.2 Modelagem de MCI Segundo CRUZ NETO (2013), a escolha de um modelo adequado para simulação numérica é de grande importância, pois influência diretamente nos resultados obtidos. Essa escolha deve fundamentar-se no número de experimentos disponíveis bem como nos parâmetros de interesse a serem analisados. Segundo BUENO (2016) a modelagem computacional de motores tornou-se uma ferramenta tão importante que alguns pacotes computacionais comerciais têm sido desenvolvidos para modelar de forma mais precisa o desempenho de motores. Na sequência, serão apresentados os modelos mais utilizados em trabalhos nacionais e internacionais Classificação dos modelos de combustão em MCI De acordo com SOUZA JUNIOR (2009), a modelagem vem se desenvolvendo no decorrer dos anos. Entretanto, ainda há muitos obstáculos a transpor e estes devem ser cuidadosamente avaliados para que seja desenvolvido um modelo adequado a cada situação a fim de obter melhores resultados. Segundo SOUZA JUNIOR (2009), existem algumas obras na literatura, dentre as quais podemos destacar as escritas por HEYWOOD (1980), BARROS (2003), STONE(1999), NIGRO (2006) E RAMOS (1989) que descrevem diversos modelos de combustão que podem ser usados. Segundo HEYWOOD (1980), os modelos de combustão podem ser divididos em três categorias, a saber: 1. Zero-dimensional ou termodinâmico: utiliza um modelo empírico para modelar o fenômeno de transferência de calor em motores. Sua única variável independente é o tempo; 2. Quasi-dimensional ou fenomenológico: Neste modelo, separa-se a mistura ar/combustível em duas zonas, a queimada e não queimada. Utiliza-se um sub- 8

23 modelo para estimar a turbulência dentro da câmara. O tempo ainda é a única variável. 3. Multi-dimensional: Também divide a mistura em duas zonas, assim como o modelo quasi-dimensional. Fazem uso de equações diferenciais para calcular a conservação da massa, quantidade de movimento, energia e espécies em uma ou mais dimensões, objetivando prever a propagação da chama. Neste modelo, temos como variável independente, além do tempo, uma ou mais dimensões espaciais. Segundo BUENO (2016) os modelos quasi-dimensionais permitem execução eficiente, rápida e econômica dos modelos de cálculos preliminares de liberação de calor e emissões dos gases de escape em função de parâmetros importantes do motor, tais como pressão de injeção, razão de turbulência e pressão de alimentação. Estes modelos são baseados em submodelos químicos e físicos, para processos como formação do spray, mistura ar-combustível, ignição e combustão e também a formação de emissões chamadas de modelos fenomenológicos. Logo, esses modelos são mais abrangentes que os modelos zero-dimensionais (termodinâmicos), entretanto exigem menor tempo computacional que os modelos multi-dimensionais. Os modelos fenomenológicos são mais práticos para descrever a combustão nos motores diesel. Neste trabalho o modelo que será adotado é o modelo quasi-dimensional Trabalhos com simulação computacional de motor diesel Em motores diesel com injeção direta o combustível liquido é injetado diretamente no interior do cilindro em forma de um ou mais jatos, poucos instantes antes da ignição. Em motores de pequeno e médio porte, que usam a ignição por compressão, o ar admitido forma um escoamento turbulento no interior do cilindro. Este fluxo turbulento contribui para uma melhor mistura entre o combustível e o ar, entretanto dificulta e torna a modelagem do processo de combustão em motores diesel mais difícil em relação aos motores de ignição por centelha (SOUZA JUNIOR, 2009). O processo de atomização do jato líquido de combustível, a movimentação das gotas e o arrastamento do ar ainda não foram totalmente entendidos e descritos, segundo SOUZA JUNIOR No entanto, modelagens em diversos tipos de detalhamento têm sido desenvolvidas e mostram-se bastante eficazes. 9

24 Segundo relatado por SOUZA JUNIOR 2009, LYN et al., em 1962, desenvolveu estudos no intuito de melhor compreender e descrever o modelo fenomenológico da combustão em um motor diesel e do calor liberado para diferentes cargas, rotações e tempos de injeção de combustível. Neste trabalho observaram que o período de queima total é bem superior ao período de injeção. Ainda, notaram que a taxa de queima varia proporcionalmente com o aumento da rotação do motor e o intervalo de queima permanece relativamente constante. Houve também a observação de que a magnitude do pico é dependente do atraso de ignição. Essa descrição conhecida por fenomenologia é compreendida por três fases: atraso de ignição, fase da combustão pré-misturada e a fase da combustão difusiva. O fato do modelo zero-dimensional descrever a evolução da pressão e temperatura pressão e temperatura média - no interior dos cilindros faz desse modelo um modelo bastante utilizado, ainda hoje. Entretanto, sua utilização requer também modelos empíricos para obtenção do coeficiente para trocas de calor entre o gás no interior do cilindro e a parede do cilindro. O modelo quasi-dimensional, que será utilizado neste trabalho, usa o mesmo princípio do modelo zero-dimensional, entretanto sua combustão é modelada fisicamente por equações, as quais dividem a combustão em duas fases distintas (prémisturada e difusiva) que nos retorna resultados ainda mais confiáveis em relação ao modelo zero-dimensional (MELO, 2012). Em 2002, ALLA realiza uma introdução acerca da simulação de motores quatro tempos e investiga em seu trabalho diversos fatores que podem afetar o desempenho do MCI, como: razão ar/combustível, razão de compressão, ponto de ignição, duração da combustão e taxa de liberação de calor na combustão. Nesse trabalho, o autor utilizou a equação de Vibe para modelar a taxa de queima do combustível versus ângulo do eixo de manivelas. Como resultado o autor encontra dados bastante razoáveis como o aumento da eficiência térmica com o aumento da razão de compressão. Em 2009, SOUZA JUNIOR usa como base metodológica o trabalho de MELO (2007) para simular um motor monocilíndrico de ignição por compressão trabalhando com diesel comercial e misturas com biodiesel. A modelagem da combustão é feita com a função dupla de Viber, a qual descreve a taxa de liberação de energia durante as fases da combustão pré-misturada e difusiva. Os resultados indicaram valores 10

25 razoáveis com um erro máximo inferior a 8% entre resultados simulados e experimentais para pressão máxima no cilindro. Em 2011, TENG et al., através do software AVL BOOST, após estabelecer alguns critérios, avaliou a pressão nos dutos de escape e admissão de um motor a diesel. Segundo sua avaliação, os resultados mostraram-se dentro dos padrões esperados e o programa AVL BOOST mostrou-se satisfatório. Em 2012, VOICU E CHIRIAC realizaram pesquisas no intuito de verificar a influência do tempo de injeção no desempenho e nas emissões de um motor diesel de trator, abastecido em modo dual. Neste trabalho, os autores utilizaram para simulação o software AVL Boost e o modelo de combustão controlada (MCC). Simularam o motor diesel operando com adição de hidrogênio e para tanto fez-se necessário o ajuste das curvas de pressão no interior do cilindro, curva de potência, torque,etc., com as curvas do motor operando somente com óleo diesel. Os autores concluíram que com a adição de hidrogênio ocorre diminuição nas emissões de CO e NOx em cerca de 30% e 18%, respectivamente. Em 2013, LESNIK et al. simularam as condições de funcionamento de um motor diesel, utilizando diesel e biodiesel, utilizando o software AVL Boost com a finalidade de verificar a influência do biodiesel nas condições de funcionamento do motor. Para a simulação computacional, eles utilizaram o modelo de combustão MCC, o qual divide a combustão em duas etapas (pré-misturada e difusiva) e permite simular, além dos parâmetros de desempenho, as emissões de NO x e CO. Os resultados encontrados numericamente, feitos a plena carga do motor, foram comparados com resultados experimentais e mostraram-se concordantes, com uma diferença máxima de 12% para o torque. Segundo os autores, os resultados numéricos geram resultados próximos dos experimentais, com menor custo, podendo-se assim usar as simulações como uma valiosa ferramenta em substituição aos experimentos, neste caso. Em 2014, KOZARAC et al. realizaram simulações computacionais utilizando o software AVL Boost a fim de analisar a influência da concentração dos produtos da combustão nas características de combustão - tempo de combustão e duração de combustão de um motor HCCI alimentado com biogás e gasolina. A simulação foi validada utilizando dados experimentais do motor. Nos resultados os autores observaram uma pequena diferença que ocorreu entre as curvas de pressão simulada e experimental no processo de combustão. Quando houve aumento das concentrações 11

26 dos produtos de combustão fez-se necessário aumentar a temperatura da admissão para que o tempo de combustão fosse mantido. Em 2014, PAUL et al. realizaram simulações computacionais com o objetivo de verificar parâmetros de desempenho e emissões de um motor diesel. Para simulação foi utilizado um software russo desenvolvido na década de 80 Diesel RK. O motor simulado foi de 4 tempos, monocilíndrico, diesel. Os combustíveis utilizados foram: diesel puro, diesel-etanol a 20%, diesel-biodiesel de jatropha a 20% e diesel - etanol - biodiesel de jatropha (60% - 20% - 20%, respectivamente). Como resultados, após simulações, o motor utilizando a mistura diesel - etanol a 20% emitiu menos gases tóxicos, em particular CO 2 e NO x, e sua eficiência térmica foi maior quando comparado aos demais combustíveis. Sob o ponto de vista de desempenho, o consumo específico de combustível para a mistura diesel - etanol a 20% esteve entre os menores só ficando acima do consumo específico para o diesel puro, refletindo provavelmente a diminuição do poder calorífico inferior da mistura em face do diesel puro, entretanto este resultado é contraditório pois o etanol possui um poder calorífico inferior e número de cetanos menor que o do biodiesel. Em 2015, AN et al. realizaram simulações computacionais utilizando o software KIVA4 desenvolvido pelo laboratório nacional de "Los Alamos". Neste trabalho a análise numérica foi utilizada com o objetivo de avaliar o atraso de ignição como função da quantidade de etanol presente na mistura biodiesel - etanol. Para validação dos resultados numéricos foram utilizados resultados experimentais. Como resultado da simulação, foi obtido que o atraso de ignição aumenta com o aumento de etanol presente na mistura, muito provavelmente pela diminuição do número de cetano da mistura, implicando diretamente na posição do pico de pressão e na eficiência térmica. Na análise de emissões verificou-se que houve um decréscimo de NO x, conforme aumento de etanol na mistura. Em 2016, BUENO realizou simulações utilizando AVL Boost com a finalidade de verificar a influência das características de injeção da mistura diesel - biodiesel e etanol frente à mistura diesel - biodiesel em relação às emissões de NO x em um motor monocilíndrico diesel. No método numérico, o autor utilizou inicialmente dois modelos de combustão: MCC e Vibe 2 Zonas, a fim de comparar os resultados. Os resultados numéricos foram comparados com resultados experimentais disponíveis na literatura. Segundo o autor, foram estudadas neste trabalho a influência da pressão de injeção de combustível, do número de furos no bico injetor, do diâmetro do bico 12

27 injetor, do momento de início de injeção de combustível e do número de injeções nas emissões de NO x. Como resultado o autor apresenta que as emissões de NO x diminuem e o consumo não se altera quando feitas duas injeções de combustíveis (piloto e principal) frente a estratégia de injeção original. Em 2016, ROCHA realizou um trabalho experimental e numérico em um grupo gerador diesel monocilíndrico tendo como objetivo verificar o efeito da adição do gás hidrogênio, admitido no motor pelo coletor de admissão, e sua influência nos parâmetros de desempenho e nas emissões. Na parte numérica o autor utilizou o modelo de otimização, onde a partir de dados experimentais (potência efetiva e consumo específico de combustível) conseguiu-se determinar os parâmetros da equação de Vibe (parâmetro m, inicio de combustão e duração de combustão). Para o desenvolvimento da parte numérica o autor utilizou os softwares Boost e Design Explorer, ambos desenvolvidos pela empresa austríaca AVL. Os resultados encontrados pelo autor mostraram-se coerentes e o modelo de otimização mostrou-se eficiente como forma de predizer os parâmetros da equação de Vibe. O trabalho de ROCHA (2016) teve uma relevante contribuição neste trabalho, sobretudo na implementação do modelo de otimização. Na tabela 2.1 é apresentado um resumo das principais referências utilizadas neste trabalho. Tabela Resumo das principais referências utilizadas na revisão bibliográfica. Autor Características Resultados Utilizou o software Obteve-se que o atraso de KIVA4 para simular um ignição aumenta com o motor diesel com o aumento da percentagem AN et al., 2015 propósito de avaliar o de etanol na mistura, atraso de ignição como sendo provável que isso função da quantidade de ocorra devido a etanol presente na mistura biodiesel - etanol. diminuição do número de cetano da mistura. 13

28 ALLA, Simulação numérica de motores 4 tempos para investigar diversos fatores (razão ar/comb., razão de compressão, ponto de ignição, duração da combustão, etc) que podem afetar o desempenho dos motores de combustão interna. Resultados da simulação mostraram-se coerentes, como o aumento da eficiência térmica com o aumento da razão de compressão. CRUZ, Análise Experimental de misturas entre Diesel e Etanol com aditivo para melhorar a estabilidade e as propriedades do combustível. Redução de 2,55% na potência; Aumento de 1,8% no consumo; Redução em cerca de 15% de NO x LESNIK et al Simulação da condição de funcionamento de um motor diesel a plena carga utilizando diesel e biodiesel. Utilizou o modelo de combustão (MCC) que divide a combustão em duas etapas (pré-misturada e difusiva). Resultados numéricos quando comparados com experimentais mostram uma diferença máxima de 12% para o torque. Os autores concluem que, neste caso, a simulação computacional pode substituir experimentos gerando bons resultados com um custo menor. MORETTI, 2013 Realizou experimentos com motor diesel no sentido de verificar a A mistura com 92,15% de diesel + 4,85% de biodiesel + 3% de etanol é 14

29 aplicabilidade nestes motores de misturas entre diesel, biodiesel e etanol. aplicável em motores diesel, entretanto há um decréscimo do ponto de fulgor da mistura citada, requerendo assim maiores cuidados no manuseio desse combustível. PAUL et al., Simulação numérica de um motor 4 tempos monocilíndrico diesel. Utilizou como combustível diesel, e este misturado com etanol e/ou biodiesel de jatropha. Menor emissões de CO2 e NOx quando utilizando Diesel + Etanol (20%); Maior eficiência térmica usando Diesel + Etanol (20%) quando comparado aos demais combustíveis; ROCHA, 2016 Realizou trabalho experimental e numérico utilizando o método de otimização com um grupo gerador utilizando diesel e este com adição de hidrogênio a fim de verificar parâmetros de desempenho e emissões. Encontrou uma melhora no desempenho do grupo gerador quando operando com diesel com adição de hidrogênio. As emissões de CO, CO2 e HC diminuíram entretanto houve aumento nas emissões de NOx. SOUZA JUNIOR, Trabalho numérico e experimental a fim de obter parâmetros de desempenho e emissões de um motor diesel monocilíndrico. Utilizou misturas de diesel com Resultados numéricos e experimentais mostraramse bem próximos. Houve um erro máximo de 8% na pressão. 15

30 biodiesel (10, 20, 50 e 100%). ZHU et al., Trabalho experimental com motor diesel de 4 cilindros com injeção direta. Usou Diesel (Euro v), biodiesel e misturas de biodiesel com etanol (5, 10 e 15%). A mistura de biodiesel com etanol (5%) apresentou: Maior eficiência térmica; Menores emissões de CO e HC; Ficou entre os 2 menores pra NOx e emissão de particulados (Baixas e médias cargas). 16

31 3 MODELAGEM, PARÂMETROS DE DESEMPENHO E EMISSÕES Neste capítulo pretende-se expor o embasamento teórico e o modelo utilizado que servirá como base para melhor compreensão da dissertação bem como dos resultados que serão apresentados posteriormente. 3.1 Modelagem Equações de conservação Motores de combustão interna (MCI) são máquinas térmicas que tem como objetivo transformar energia química proveniente da queima do combustível em energia mecânica útil. Nesse contexto, o combustível que é injetado diretamente na câmara de combustão, a uma alta pressão, entra num processo de autoignição devido à alta temperatura dos gases que estão comprimidos no cilindro. A figura 3.1 abaixo ilustra o balanço energético que ocorre em um cilindro durante seu funcionamento. Figura Balanço de energia no cilindro. 17

32 Onde, V Volume; Q w Calor perdido pela parede; h BB Entalpia dos gases no blow-by ; m i Massa de gás na entrada do cilindro; m e Massa de gás na saída do cilindro; m c Massa no interior do cilindro; T c Temperatura no interior do cilindro; P c Pressão no interior do cilindro; h i Entalpia da massa de gás na entrada do cilindro; h e Entalpia da massa de gás na saída do cilindro; dm BB Taxa de variação de massa do blow-by. À luz da figura 3.1, a 1ª lei da termodinâmica pode ser escrita de forma diferencial, como função do ângulo do eixo de manivelas, da seguinte forma (HEYWOOD, 1988, SOUZA JUNIOR, 2009, BUENO, 2016): Onde, θ Ângulo do eixo de manivelas; m ev Massa de combustível evaporado; f Fator de vaporização de combustível; Q f Calor liberado pelo combustível; u Energia interna específica; (3.1) Podemos relacionar o fluxo de massa no interior do cilindro com as massas que entram e saem do cilindro conforme apresentado na equação 3.2 (3.2) 18

33 A equação 3.3 representa matematicamente o modelo dos gases ideais que, juntamente com as equações 3.1 e 3.2, formam um sistema com 3 incógnitas (pressão, temperatura e massa) sendo possível a sua resolução pelo método de Runge-Kutta. Onde, m c massa dos gases no cilindro; R 0 Constante dos gases ideais; T c Temperatura da parede do cilindro Movimento do pistão Segundo HEYWOOD 1988 e BUENO 2016, o curso do pistão (S) como função do ângulo do eixo de manivelas (θ) obedece à relação apresentada na equação 3.4: Onde, Rν Raio do eixo virabrequim; L Comprimento da biela; θ Ângulo do eixo virabrequim. A figura 3.2 ilustra o movimento que o pistão realiza no cilindro como função do seu ângulo de manivela (θ). 19

34 Figura Movimento do pistão no cilindro Onde, PMI Ponto morto inferior; PMS Ponto morto superior; V c Volume da câmara de combustão; S Curso do pistão; D Diâmetro interno do cilindro Modelo de transferência de calor A modelagem de transferência de calor dos gases da câmara de combustão para suas paredes (pistão, cabeçote e parede do cilindro) que foi utilizada neste trabalho foi o modelo inicialmente proposto por Woschini e modificado pela AVL, denominado AVL A troca térmica utiliza a relação 3.5 abaixo descrita (HEYWOOD, 1988): Onde A i é a área total da câmara de combustão que está em contato com o gás, h é o coeficiente de transferência de calor, T c é a temperatura do gás no interior do cilindro e T wi é a temperatura da parede. No modelo de Woschini (1974), o coeficiente de transferência de calor (h) segue a relação 3.6a (HEYWOOD, 1988, BUENO, 2016): 20

35 (3.6a) Onde D é o diâmetro do cilindro, p é a pressão no cilindro e υ g é a velocidade do gás admitido na câmara que é dado pela relação apresentada na equação 3.6b abaixo. (3.6b) Onde S p é a velocidade média do pistão, p 0 é a pressão no interior da câmara de combustão sem a ocorrência de combustão, V d é a cilindrada (volume deslocado) e T 1, p 1 e V 1 são temperatura, pressão e volume no ângulo de fechamento da válvula de admissão, respectivamente. A transferência de calor durante as trocas gasosas influenciam diretamente a eficiência volumétrica do motor, com base nessa premissa e em experiências advindas do corpo técnico da AVL, foi proposto, pela AVL, um coeficiente de transferência de calor modificado a partir da relação 3.6a, como é apresentada na relação 3.7: (3.7) Onde d é o diâmetro do cilindro, p é a pressão no interior do cilindro, T é a temperatura no interior do cilindro, d in é o diâmetro da tubulação da entrada da válvula de admissão e V in é a velocidade do gás na entrada da válvula de admissão Modelo de combustão Segundo ALMEIDA (2012), os modelos de combustão para motores diesel podem ser divididos em grupos: termodinâmicos e multidimensional. Os modelos termodinâmicos por sua vez possuem dois subgrupos: zona simples e multizona. O modelo denominado zona simples utiliza a primeira lei da termodinâmica para calcular a energia da mistura gasosa levando-se em consideração a liberação de calor devido à combustão. A mistura do combustível com o ar presente no cilindro é considerando 21

36 como gás ideal. Nos modelos multizona o tempo, a distribuição espacial e a concentração das espécies são fatores importantes considerados. Há ainda a separação do combustível injetado em parcelas, considerando temperatura e composição uniforme. Neste trabalho foi utilizado um modelo termodinâmico Vibe duas zonas. Esse modelo divide a câmara de combustão em duas zonas: queimada e não queimada (durante a fase fechada do motor). A fase fechada é compreendida entre o momento de fechamento da válvula de admissão e de abertura da válvula de escape. Para a fase fechada, a primeira lei da termodinâmica é aplicada separadamente para a zona queimada e não queimada, conforme as equações 3.8 e 3.9 abaixo. Onde: d ( m. u ) d : Taxa da variação da energia interna no cilindro; p c dv d : Trabalho realizado pelo pistão; dq F d : Taxa de calor liberado pelo combustível; dq W d : Taxa de calor perdido pela parede; h BB dm d BB : Fluxo de entalpia devido ao blow-by; : Energia interna específica; : Pressão no interior do cilindro; : Volume do cilindro; : Calor liberado pelo combustível; Q W : Calor perdido pela parede; 22

37 : Ângulo do eixo virabrequim; : Entalpia dos gases de blow-by; dm BB d : Taxa de variação de massa do blow-by; : Calor de vaporização do combustível; : Fator de vaporização do combustível; Onde b é o índice referente a zona queimada e o u a zona não queimada. Nas equações apresentadas, o termo considera o fluxo de entalpia da zona não queimada para a zona queimada devido à conversão de uma carga fresca para produtos de combustão. As equações 3.10 e 3.11 relacionam os volumes das regiões queimadas e não queimadas. Onde, V - Volume da zona queimada; b V - Volume da zona não queimada u A fração de mistura queimada a cada passo da simulação é calculada pela função de Vibe zona simples, que está representada na equação Os demais termos das equações, como os referentes às trocas térmicas nas paredes, fluxos de entalpia, etc., são aplicados em cada zona como se fosse uma zona simples. Onde, x(θ) - massa de combustível queimado em percentual; 23

38 m - fator de forma da curva de liberação de calor; a - parâmetro de eficiência da combustão; θ - ângulo de manivela; θi - ângulo de inicio de combustão; θ - duração da combustão. Neste trabalho o parâmetro a foi utilizado constante como sendo 6,908 que corresponde a uma eficiência da combustão de 99,9%, conforme descrito por ROCHA (2016). O parâmetro m será objeto de discussão posterior. A taxa de liberação de calor é calculada utilizando a equação (3.13) Onde, - taxa de liberação de calor do combustível; m t - massa total de combustível; pci - poder calorífico inferior do combustível; - taxa de queima do combustível. A liberação de calor proveniente da combustão tem como fonte as três fases da combustão (Atraso de ignição, Combustão pré-misturada e Combustão difusiva) como podem serem observadas na figura

39 Figura Taxa de liberação de calor e as fases da combustão (Adaptado de ALMEIDA, 2012). Na figura 3.3, relaciona-se a liberação de calor proveniente das três fases da combustão com o ângulo do eixo virabrequim. As regiões indicadas na figura 3.3 são divididas em partes, como podemos ver na região ab, que corresponde ao ponto onde há o inicio de injeção de combustível (SOI) e vai até o inicio de liberação de calor. A região compreendida pelos pontos bc é onde ocorre a combustão prémisturada, que ocorre com poucos ângulos do eixo virabrequim, liberando uma grande quantidade de calor. A região cd é aquela denominada difusiva. Nesta região a queima é controlada pela taxa em que a mistura torna-se disponível para queima que depende de alguns fatores, tais como: atomização do combustível líquido, vaporização do combustível, mistura do combustível na forma de vapor com o ar e reações químicas antes da chama. Por fim a região de que representa a liberação lenta de calor que ocorre durante a fase de expansão Modelagem dos combustíveis Neste trabalho utilizou-se como combustível o diesel comercial Petrobras (S500) que contém 7% de biodiesel (B7) em sua composição, ethabiodiesel (E100) fornecido pelo fabricante (VINNA) e mistura entre os dois (diesel e ethabiodiesel ), na proporção de 10% de ethabiodiesel misturado ao diesel (E10) e 20% de 25

40 ethabiodiesel misturado ao diesel (E20). Todos os percentuais utilizaram como referência o volume. O programa computacional utilizado (AVL Boost ) não permite a utilização de mistura de combustíveis, com isso fez-se necessário utilizar um método que permitisse inserir um único combustível no programa que representasse a mistura. Faz-se importante destacar que esse método, que será posteriormente detalhado, possui como limitação a ausência do número de cetano e da massa específica nos dados de entrada. Para simplificação da equação de combustão, resolveu-se adotar o mesmo método utilizado nos trabalhos de MELLO (2007), SOUZA JUNIOR (2009) e BUENO (2016), que foi o cálculo do combustível equivalente, como descrito por HEYWOOD (1988). O combustível equivalente pode ser representado da seguinte forma: C x H y O z, onde C, H e O são átomos de carbono, hidrogênio de oxigênio respectivamente e x, y e z são as quantidades de cada átomo presentes na fórmula química. Conforme descrito por VENTURI (2007), SOUZA JUNIOR (2009) e MELLO (2012), para o diesel a formula molecular média utilizada foi de C 13 H 28, para o biodiesel a fórmula molecular utilizada foi C 20 H 37 O 2 e para o etanol foi C 2 H 6 O. O dados referentes ao poder calorífico inferior de cada combustível utilizado neste trabalho encontra-se no anexo I Combustível equivalente O cálculo do combustível equivalente foi realizado seguindo a relação de misturas percentuais como pode-se ver abaixo : Onde, %D - percentual de diesel na mistura; %B - percentual de biodiesel na mistura; %E - percentual de etanol na mistura. De 3.14 pode-se estabelecer as seguintes relações 3.15: 26

41 (3.15) A partir das relações 3.15 calculou-se o combustível equivalente para a mistura de diesel e ethabiodiesel. Os valores utilizados na simulação foram os que estão apresentados na tabela 3.1. Tabela Porcentagem de carbono, hidrogênio e oxigênio dos combustíveis. Combustíveis %C %H %O B7 83,87 14,97 1,16 E10 82,95 14,60 2,45 E20 82,08 14,26 3,67 E100 76,68 12,11 11, Parâmetros de desempenho do motor Este trabalho ira considerar os seguintes parâmetros de desempenho: trabalho indicado, pressão média indicada, potência indicada, potência efetiva, torque indicado, torque efetivo, consumo específico de combustível (CEC) e rendimento mecânico. Abaixo serão descritas algumas equações utilizadas para o cálculo dos parâmetros de desempenho quando se fizer necessário no decorrer do trabalho Torque Em motores de combustão interna, considera-se torque a sua capacidade de realizar trabalho. Para que se consiga medir o torque de um motor é necessário acoplar um dinamômetro ao seu eixo e este, oferecendo uma resistência à rotação do motor, consegue medir a força necessária para resistir ao motor. O torque é o produto dessa força com a distância ao ponto em que essa força foi aplicada. A equação 3.16 mostra a relação matemática utilizada no cálculo do torque (ALMEIDA, 2012). 27

42 (3.16) Onde, T Torque; F Força; d Distância do ponto de aplicação da força Potência efetiva A rapidez com que um trabalho pode ser realizado é chamada de potência. Também podemos calcular a potência a partir do torque, utilizando a equação 3.17 abaixo descrita (HEYWOOD, 1988): (3.17) Onde, Pot Potência disponível no eixo do motor; w Velocidade angular do motor (RPM); T Torque Pressão média efetiva A pressão média efetiva pode ser classificada de duas formas: pressão média efetiva indicada (IMEP) e pressão média efetiva no eixo (BMEP). A IMEP é dada pela integral da pressão no cilindro e pela variação do volume em função do eixo virabrequim. A equação 3.18 estabelece a relação matemática para o cálculo da IMEP (HEYWOOD, 1988, ALMEIDA, 2012). (3.18) Onde, p pressão no cilindro; dv θ Variação do volume com o eixo virabrequim; V T Cilindrada. 28

43 A BMEP pode ser calculada diretamente através da equação Onde, i Número de voltas completas do eixo virabrequim por ciclo Consumo de combustível O consumo de combustível é a medida do quanto, em massa ou volume, o motor necessita para realizar trabalho. Em pesquisa frequentemente usa-se o consumo específico de combustível (CEC) que é a razão entre o consumo de combustível pela potência gerada pelo motor. Na equação 3.20 tem-se a relação matemática utilizada para obter o CEC (HEYWOOD, 1988, ALMEIDA, 2012) Onde, Vazão mássica de combustível no motor; Pot Potência efetiva. 3.3 Emissões de poluentes em motor diesel Segundo MENDES (2012), esforços têm sido feitos com o objetivo de aperfeiçoar a combustão, com o objetivo de reduzir as emissões de gases poluentes advindos da 29

44 combustão incompleta no motor. A figura 3.4 abaixo ilustra a formação dos produtos de combustão nos MCI. Figura Combustão nos MCI. Fonte: Mendes, A equação que descreve o processo de combustão completa pode ser vista abaixo na equação Onde, Ø - razão ar/combustível adimensional. x Quantidade de Carbono na molécula; y Quantidade de Hidrogênio na molécula; z Quantidade de Oxigênio na molécula. O lado esquerdo da equação 3.21 refere-se ao combustível e ao ar, respectivamente, enquanto que os termos do lado direito referem-se aos produtos da combustão completa, ou estequiométrica, que ocorre quando há uma exata relação entre o ar disponível para queima e a quantidade de combustível admitida. No entanto, quando essa relação ar/combustível não está em sua forma estequiométrica, podendo estar com excesso de ar (mistura pobre) ou com excesso de combustível (mistura rica), ocorrem diferentes reações químicas durante o processo de combustão gerando outros produtos, além dos que já foram apresentados na equação A equação 3.22 indica 30

45 os produtos que podem ser gerados como fruto de uma combustão incompleta (não estequiométrica). Dos produtos da combustão incompleta, representados na equação 3.22, alguns gases são nocivos a saúde humana, como é o caso do monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NO x ), hidrocarbonetos e óxidos de enxofre (SO x ). A figura 3.5 resume os principais gases da combustão incompleta e indica os seus principais efeitos nocivo. Figura Gases emitidos pela combustão incompleta e seus efeitos nocivos. Fonte: Mendes, Óxidos de nitrogênio (NO x ) Dois dos gases tóxicos formados durante o processo de combustão são o monóxido de nitrogênio e o dióxido de nitrogênio (NO e NO 2, respectivamente). Os motores de ciclo diesel têm uma grande quantidade de oxigênio e nitrogênio provenientes do ar que na presença de temperaturas elevadas, durante o processo de combustão, reagem entre sí dando origem ao NO. No processo de expansão e escape 31

46 as moléculas de NO, previamente formada no processo de combustão, se oxidam dando origem as moléculas de NO 2 (MENDES, 2012). Os motores que operam segundo o ciclo diesel emitem uma maior quantidade de NO x quando comparados aos motores ciclo que operam segundo o ciclo OTTO, uma vez que trabalham com temperaturas mais elevadas devido a sua maior taxa de compressão, bem como possuem uma maior quantidade de oxigênio e nitrogênio disponível, uma vez que operam com razão ar/combustível pobre Monóxido de carbono (CO) Segundo Mendes (2012), a formação de monóxido de carbono é diretamente proporcional a relação combustível/ar, sendo maior em misturas ricas. Em motores diesel, sobretudo os que possuem maiores eficiências volumétricas, a emissão de CO é menor quando comparados a motores com menores eficiências volumétricas. A medida que a carga do motor aumenta a formação de CO tende a diminuir. A formação de monóxido de carbono além de ser termo-dependente, também está relacionada tanto ao excesso de ar quanto ao excesso de combustível. No primeiro caso, o excesso de ar contribui para a dissipação de calor, não havendo condições para a chama se autosustentar, extinguindo-se antes que da queima completa. No segundo caso, não há oxigênio suficiente para que ocorra a oxidação dos monóxidos de carbono em dióxidos de carbono, ocorrendo também liberação de hidrocarbonetos na descarga Hidrocarbonetos (HC) A ocorrência de combustão incompleta nos MCI tem como consequência, dentre vários fatores, a emissão de combustível não queimado, também chamados de hidrocarbonetos. Esses combustíveis estão relacionados, normalmente, a uma mistura rica em combustível ou a regiões frias na câmara de combustão, onde o combustível acaba não alcançando a temperatura mínima de ignição. Segundo ROSA (2014), uma mistura homogênea entre o combustível e o ar pode contribuir para uma redução nas emissões de HC pelo motor. Para uma melhor mistura, nos casos de motores diesel, é importante uma melhor atomização do combustível (menores gotículas) com a finalidade de aumentar a superfície de contato 32

47 entre o combustível e o ar. Caso a atomização não seja adequada parte do combustível não irá queimar e sairá como HC pelo escapamento. Há também um outro ponto crítico nas emissões de HC que são regiões próximas das paredes dos cilindros, onde a temperatura pode ser menor e não suficiente para que ocorra a combustão. Conforme pode-se observar na Figura 3.6, os mecanismos de formação de CO e HC atuam de forma diferente do mecanismo de formação de NO x, onde na condição de operação levemente pobre espera-se maiores emissões de NO x, enquanto que para CO e HC espera-se baixas emissões. Este fator ocorre pois, em regiões próximas a mistura estequiométricas, teremos temperaturas de chama mais próximas da temperatura adiabática de chama (temperatura mais alta) e com isso maiores formações de NO x, e por outro lado menores formações de CO e HC. Figura Comportamento das emissões de CO, NO x e HC em motores diesel. Fonte: ROSA (2014). 33

48 4. MATERIAIS E MÉTODOS Neste capítulo pretende-se expor os materiais utilizado nos experimentos e o modelo computacional utilizado que servirá como base para uma melhor compreensão da dissertação bem como dos resultados que serão apresentados posteriormente. 4.1 Materiais e metodologia experimental Motor utilizado Para obtenção dos dados experimentais, conforme já mencionado, foi utilizado um motor diesel monocilíndrico de injeção direta. A tabela 4.1 mostra alguns dados relevantes com relação ao motor utilizado. Tabela Principais dados do motor utilizado. Fonte: Manual motor AGRALE M95W Tipo de Motor 4 tempos - Diesel Marca/Modelo AGRALE/M95W Número de cilindros/tipo 1 Cilindro - vertical Tipo de Injeção direta Diâmetro do cilindro 95 mm Curso do pistão 105 mm Comprimento da biela 170 mm Diâmetro da válvula de admissão 42 mm Curso da válvula de admissão 10,5 mm Cilindrada 744 cm3 Relação biela/manivela 3,24 Razão de compressão 21:1 Ângulo de injeção -17 Ângulo de fechamento da válvula de -150 admissão Ângulo de fechamento da válvula de 160 descarga Potência máxima do motor 16,5cv (12,1 kw) a 3000 rpm 34

49 4.1.2 Combustível utilizado Nos testes experimentais utilizaram-se combustíveis oriundos de duas fontes distintas. O Diesel S500 (B7) distribuído pela BR distribuidora e o Ethabiodiesel (E100) fabricado e distribuído pela VINNA. Conforme já mencionado anteriormente, testaram-se também misturas entre os combustíveis citados nas seguintes proporções: Diesel comercial puro (B7) (sem adição de ethabiodiesel, contendo apenas 7% de biodiesel conforme legislação vigente), 10% de ethabiodiesel no diesel (E10), 20% de ethabiodiesel no diesel (E20) e ethabiodiesel puro (E100) Óleo diesel S500 Conforme descrito pela BR distribuidora, o óleo diesel é um combustível derivado do petróleo, constituído basicamente por hidrocarbonetos, formado principalmente por átomos de carbono, hidrogênio, e em baixas concentrações, por enxofre, nitrogênio e oxigênio. Para efeitos, neste trabalho, apenas será considerado como óleo diesel o percentual em massa de hidrogênio e carbono. O Diesel S-500 é assim chamado por conter 500 mg/kg ou ppm (partes por milhão) de teor máximo de enxofre, sendo conhecido nos postos como diesel comum. É um produto adequado aos veículos a diesel fabricados antes de 1 de janeiro de 2012 como é o caso do motor utilizado para este trabalho. Os experimentos tiveram inicio em agosto de 2016, o que indica, segundo a legislação vigente (Resolução ANP Nº30, de DOU ), que este diesel contém 7% em volume de biodiesel Ethabiodiesel Segundo seu fabricante, o ethabiodiesel é um biocombustível 100% renovável, oriundo da transesterificação de óleos vegetais com etanol anidro, aditivado posteriormente com ethabio (Aditivo utilizado pelo fabricante) para melhorar a estabilidade do etanol no biodiesel, além de melhorar a lubricidade e o número de cetano. 35

50 O processo de produção do ethabiodiesel pode ser realizado por duas vias: a de transesterificação via rota etílica (com álcool de cadeia curta) ou por mistura simples entre biodiesel e etanol anidro. A primeira via utiliza como matéria prima óleos e gorduras com adição de etanol anidro e catalisador básico, sendo caracterizado por ser um processo 100% renovável. A segunda via de produção caracteriza-se por mistura simples entre 80% de biodiesel, 19,7% de etanol anidro e 0,3% de aditivo. Este processo caracteriza-se por ser 92% renovável. O ethabiodiesel é formado basicamente por átomos de hidrogênio, carbono e oxigênio, sendo um combustível mais oxigenado que o diesel comercial. Para efeitos, neste trabalho, considerou-se como ethabiodiesel apenas o percentual de hidrogênio, carbono e oxigênio. Propriedades do ethabiodiesel estão disponíveis no anexo II Misturas entre diesel e ethabiodiesel Para obter-se as amostras de acordo com os percentuais propostos no trabalho, realizou-se misturas criteriosas, seguindo misturas volumétricas medidas em mililitros. A tabela 4.2 abaixo mostra as quantidades volumétricas de cada combustível que foi utilizado para obtenção das misturas. Tabela Volumes utilizados para obter o combustível desejado. Combustível Desejado (1000 ml) B7 (ml) E100 (ml) E E Instrumentação experimental Neste tópico serão apresentados todos os instrumentos de medição utilizados durante a fase experimental para o levantamento de dados. Números de série, modelos, fabricantes e faixa de medição com incerteza serão apresentados no anexo III. A figura 4.1 ilustra o esquema experimental utilizado para levantamento de medidas, tais como: temperatura, torque, emissões, etc. As medidas foram feitas no laboratório de maquinas térmicas (LMT), na COPPE/UFRJ. Os equipamentos utilizados são, basicamente, distribuídos em três grupos: O sistema que mede a temperatura em vários pontos do motor, juntamente com o torque, 36

51 potência e rotação do motor, o sistema que mede a composição dos gases de exaustão e o sistema que mede o consumo de combustível. Figura Esquema experimental utilizado Massa de combustível Para medição da massa de combustível utilizou-se uma balança de precisão (figura 4.2) onde, o reservatório de combustível é colocado sobre a balança que por sua vez é conectada à CPU que faz a leitura instantânea do consumo em massa de combustível. De posse desses dados consegue-se calcular a vazão mássica de combustível ( e o consumo de combustível, ambas em gramas por segundo (g/s). A figura 4.3 mostra a configuração utilizada do reservatório sobre a balança. 37

52 Figura Balança de precisão utilizada no experimento. Figura Configuração do reservatório de combustível sobre a balança para calculo da massa de combustível utilizada por ciclo. Com os valores de vazão de combustível calculados, utilizando a relação 4.1 calcula-se a massa de combustível utilizado por ciclo em kg. 38

53 Onde, Rot é a rotação do motor e m Comb é o consumo de combustível. Para a equação 4.1 considerou-se que cada ciclo é realizado a cada duas rotações do eixo de manivelas Massa de ar admitida no motor A massa de ar admitida no motor foi calculada conforme descrito no trabalho de SOUZA JUNIOR (2009). Para o cálculo da massa de ar admitida, utilizou-se a equação 4.2, abaixo descrita: Onde, P fc, T fc e V(θ= -150 o ) são pressão, temperatura e volume no ângulo de fechamento da válvula de admissão (θ=-150 o ), respectivamente. C ds é o coeficiente de descarga que leva em consideração a perda de carga ocorrida na admissão do ar e é obtida segundo a relação 4.3, abaixo descrita: Onde, S v e D v são o curso e diâmetro da válvula de admissão, respectivamente Gases de descarga Para medição dos gases de descarga utilizou-se um medidor de gases de descarga da marca NAPRO, modelo: PC Multigas Classe: 01(OIML) (figura 4.4). Os gases são medidos em base seca (sem água) e conforme figura 4.5, o medidor 39

54 utilizado é capaz de medir os seguintes gases: %O 2, %CO 2, %CO, NO x (ppm) e HC (ppm). Figura Analisador de gases. Figura Gases medidos no analisador e faixa de medição. Fonte: Acervo Pessoal. Os gases são captados através de um tubo (figura 4.6) colocado na descarga. Este por sua vez envia os gases ao sistema de aquisição de dados (MMV2000 Figura 4.7) que faz a leitura dos dados medidos e disponibiliza ao usuário na tela. 40

55 Figura Tubo de captação dos gases de descarga. Fonte: Acervo Pessoal.. Figura Tela de interface onde são apresentados os dados de emissões Dinamômetro Neste trabalho as medições experimentais utilizaram um dinamômetro do tipo corrente parasita da marca DINAMATIC. Os dados medidos por meio de sensores instalados no motor são disponibilizados ao usuário por meio de um software de aquisição de dados (DinMon) e sua interface disponibiliza ao usuário todos os parâmetros relevantes para o funcionamento do motor como: temperatura dos gases de admissão, temperatura do óleo, pressão de óleo, temperatura da água, etc. Além desses parâmetros, ele disponibiliza por meio de medições, o torque efetivo e a rotação do motor e calcula a potência efetiva. A interface do DinMon é apresentada no figura

56 Figura Interface do software DinMon Cálculo da incerteza de medição O cálculo das incertezas advindas da medição seguiu conforme definido no trabalho de SOUZA JUNIOR Para o calculo da incerteza, leva-se em conta os vários equipamentos que foram utilizados para realizar a medida. A incerteza total (I xt ) associada a variável x que será medida é dada por: (4.4) Onde, Incerteza associada ao erro de leitura Incerteza associada à resolução de leitura das medições - Desvio padrão das leituras feitas. O desvio padrão das leituras feitas neste trabalho foi calculado seguindo a relação (4.5), conforme apresentado abaixo: 42

57 4.2 Metodologia da simulação Este tópico tem como objetivo apresentar a metodologia utilizada para o desenvolvimento do modelo computacional bem como os detalhes dos parâmetros utilizados na simulação computacional do um motor diesel monocilíndrico. Todas as telas referentes as configurações do modelo encontram-se disponíveis no anexo iv Software e hardware utilizados Para o desenvolvimento da parte numérica deste trabalho utilizou-se o software comercial AVL Boost. Segundo ALMEIDA (2012), este software é uma poderosa ferramenta de simulação computacional com diversas ferramentas integradas com modelos avançados para prever com uma boa exatidão o desempenho do motor para uma condição previamente definida. Dentro do software em questão pode-se modelar a combustão, a formação de poluentes, geração de ruído pelo motor, etc. Para a realização das simulações foi utilizado um computador da marca Dell, modelo: Vostro, dotado da seguinte configuração: Sistema operacional Windows 7 professional Service pack 1 64bits; Memoria RAM 4,00GB; Processador Intel core i5 3.10GHz; O computador acima descrito foi cedido para utilização pelo Laboratório de Maquinas Térmicas LMT COPPE/UFRJ ConfiguraçãoAVL-Boost O software AVL Boost apresenta uma interface simples, onde, para o desenvolvimento do modelo, que represente o motor a ser simulado, conectam-se elementos que representam partes do motor real. Dutos de admissão e escape, cilindro, filtro de ar, catalisador e sensores são alguns dos elementos que devem estar dispostos no modelo de um MCI. 43

58 Configuração do cilindro Segundo CRUZ NETO (2013), um dos pontos mais importantes da modelagem do motor encontra-se na ferramenta Cylinder, disponível no AVL Boost, pois é onde são informados os valores referentes à geometria da câmara de combustão e do cilindro do MCI a ser simulado. Nessa ferramenta, também informa-se quais modelos de combustão e transferência de calor serão utilizados, bem como a condição inicial dos gases na câmara de combustão. Os dados de entrada, referente aos parâmetros de geometria do cilindro, utilizou-se dados conforme informados no catálogo do motor fornecido pelo fabricante e listados na tabela 4.1 deste trabalho Configuração do modelo de combustão O software AVL Boost dispõe em sua biblioteca de alguns modelos de liberação de energia na combustão, tais como: Vibe, Vibe 2 zonas, Fractal etc. Neste trabalho, conforme já mencionado, utilizou-se o modelo de Vibe 2 zonas por ser um modelo relativamente simples. A tela de ajustes deste modelo está ilustrada no anexo iv, onde é possível observar que foi utilizado como parâmetro de entrada o inicio da combustão, que é dependente das características do combustível utilizado, da duração da combustão e dos parâmetros adimensionais a e m que estão relacionados com o ajuste da curva de taxa de liberação de calor e de combustível queimado Configuração do modelo de transferência de calor O cálculo da transferência de calor no programa AVL Boost requer a entrada de determinados dados. Estes dados são referentes ao pistão, cabeçote e camisa. Os dados referentes às áreas de superfície do pistão, área de superfície do cabeçote e área de superfície da camisa com o pistão na posição de ponto morto superior (TDC) e no ponto morto inferior (BDC) foram calculadas utilizando os dados disponíveis, 44

59 referentes ao motor, obtidos no manual do fabricante. De forma semelhante ao estudo realizado por ALMEIDA(2012), o cálculo da área do cabeçote considerou-se como tendo uma superfície plana e a área do pistão foi considerada como sendo 40% maior que a área do cabeçote. As temperaturas requeridas pelo programa de simulação foram obtidas observando dados de trabalhos anteriores, como BUENO (2016) que realizou seu trabalho com o mesmo motor utilizado nesta pesquisa. O sistema de injeção considerado foi o de injeção direta (DI), que é aquele em que o combustível é injetado diretamente na câmara de combustão como é o caso do motor diesel simulado neste trabalho Configuração do motor Nesta parte definimos alguns parâmetros do motor como: rotação, modelo de perdas por atrito e ordem de combustão nos cilindros (para motores com mais de um cilindro). No presente trabalho, para realização dos testes, utilizamos as rotações: 1500, 2000 e 2500rpm e o ciclo de 4 tempos. Posteriormente, seleciona-se a ordem de queima dos cilindros e, como no nosso caso só há um cilindro, definimos que a combustão se inicia no ângulo de 360º do eixo virabrequim. Outro ponto a ser definido dentro das configurações do motor é o modelo de atrito a ser utilizado. No AVL Boost existem disponíveis três opções de modelo de atrito (AVL, 2011b): Table, PNH (Patton, Nitschke e Heywood) e SLM (Shayler, Leong e Murphy). O modelo PNH leva em consideração, para o cálculo das perdas por atrito, os rolamentos principais, os grupos de válvulas, o pistão e componentes auxiliares bem como as propriedades do óleo nas quais o motor está utilizando. Neste modelo, considera-se que o motor está em sua temperatura de trabalho. Neste trabalho adotou-se o modelo PNH para o cálculo da pressão média de atrito (PMA), visto que este dado é importante para o cálculo das perdas por atrito do motor. Para que o AVL Boost faça o cálculo do PMA são necessários alguns dados de entrada, a saber: arranjo do motor, tipo de trem de válvulas, temperatura do óleo e tipo de óleo utilizado. Os dados utilizados com relação à temperatura e tipo de óleo 45

60 foram retirados do experimento. Os demais dados foram retirados do manual do motor Configuração dos tubos Os tubos são peças utilizadas para ligar componentes. No software AVL Boost requer a entrada de alguns dados para os tubos, como: diâmetro, comprimento, raio de curvatura, coeficientes de atrito e de transferência de calor do material do tubo. Os dados referentes aos tubos foram adotados verificando as medidas do motor usado na parte experimental Configuração dos plenums Os plenums dentro desse trabalho têm a finalidade de simular os efeitos de grandes tubulações e concentradores de fluxo, como por exemplo o filtro de ar e o sistema de escapamento do motor. O dado de entrada para os plenums é somente o volume, que no caso do presente trabalho foram estimados à luz do motor utilizado experimentalmente Configuração dos pontos de medição Segundo ALMEIDA (2012), pontos de medição são ferramentas do software AVL Boost que permitem verificar informações de fluxo e condições dos fluidos que passam pelos tubos. A tela de configuração dos pontos de medição, onde é possível configurar a localização do ponto de medição e o tipo de medição como padrão ou estendido. No tipo de medição padrão apenas informações referentes a temperatura e pressão são coletadas, enquanto que no tipo estendido além das variáveis coletadas na condição padrão também coleta-se a composição dos gases. 46

61 4.2.3 Dados de entrada e fluxograma da simulação Para Simulação utilizou-se como combustível para as situações propostas (B7, E10, E20 e E100) os valores de carbono, hidrogênio e oxigênio conforme descrito na tabela 3.1. Na tabela 4.3 resumem-se os principais dados de entrada necessários para realizar a simulação. Na sequência, tem-se a figura 4.18 que trás o fluxograma da simulação computacional utilizada. Tabela Dados de entrada no AVL Boost Parâmetros Dados de Entrada Dados sobre o Motor Rotação do motor (RPM); Tipo de ciclo (4 tempos). Informações acerca do cilindro Diâmetro do cilindro; Curso do pistão; Razão de compressão; Comprimento da biela. Modelo Vibe duas zonas Inicio da combustão; Duração da combustão; Parâmetro de forma m ; Parâmetro a. Informações acerca do combustível Consumo de combustível por ciclo; Combustível equivalente; Poder calorífico inferior; Relação ar/combustível esteq. 47

62 Geometria do motor Dados do combustível Modelo de combustão: Vibe duas zonas Simulação - AVL Boost Curva de pressão no interior do cilindro próxima do valor experimental? Não Troca os parâmetros do modelo de Sim Outra condição de operação ou outro combustível? Sim Não Fim da simulação. Figura Fluxograma da simulação computacional. 48

63 4.2.4 AVL Design Explorer Segundo ROCHA (2016), a otimização é um processo que visa encontrar propriedades ideais de equações, definidas pela função objetivo. Nesse contexto, a AVL disponibiliza uma valiosa ferramenta Design Explorer - que permite utilizar diferentes algoritmos de otimização os quais vão mudando os parâmetros da equação a fim de encontrar o mínimo, o máximo ou o valor desejado da função objetivo. O software AVL Design Explorer pode ser implementado paralelamente ao AVL Boost. O Design Explorer utiliza três métodos distintos de otimização, sendo que dois utilizam métodos determinísticos (procuram valor ótimo local) e o terceiro utiliza um método estocástico (procura um valor ótimo global). Os métodos disponíveis no software são os de Nelder-Mead, Algoritmo genético e o NLPQL. O método Nelder-Mead é utilizado para encontrar máximo e mínimo local da função objetivo. Este método tem uma grande vantagem que é o reduzido tempo computacional, entretanto a necessidade da escolha de uma fronteira para delimitar os parâmetros antes da otimização pode configurar uma desvantagem, visto que pode-se cair num problema insolúvel (ROCHA, 2016). O método NLPQL utiliza o gradiente da função utilizando o método de diferenças finitas para o seu cálculo. De uma forma geral este método é muito eficiente para resolver problemas locais de otimização, onde a função objetivo tenha um comportamento suave sem perturbações ou mudanças bruscas de sentido. Uma grande desvantagem deste método é o fato de necessitar de um ponto de partida inicial próximo do objetivo (ROCHA, 2016). O método do algoritmo genético é multiobjetivo e explora de forma global a função objetivo, enquanto procura a melhor solução. Este método utiliza o método heurístico, onde inicialmente uma população é gerada de forma randômica e posteriormente são combinadas entre sí para criar uma nova geração de indivíduos. Em cada nova geração de população, novos pontos de otimização são gerados por modificação genética das soluções anteriores. O processo é encerrado até que um critério de parada, previamente definido, é atingido. Neste trabalho utilizou-se o método de otimização baseado no algoritmo genético, por ser o único disponível no Design Explorer sendo heurístico e multivariável. Esta ferramenta de otimização permitiu realizar uma análise inversa 49

64 encontrando a condição de menor erro absoluto entre as variáveis experimentais e as determinadas numericamente, apenas variando os parâmetros desconhecidos do modelo de combustão de Vibe duas zonas (m, θ o e Δθ ) até atingir o menor erro absoluto com relação ao consumo específico de combustível e potência efetiva, ambos obtidos experimentalmente Dados de entrada no Design Explorer O software de otimização necessita que sejam definidas as variáveis que serão otimizadas, os objetivos e o método que será utilizado para otimização. Nesse contexto, as variáveis a ser otimizadas, conforme já mencionado, foram: duração de combustão (Δθ), inicio de combustão (θ o ) e o parâmetro de forma m. Posteriormente, houve a necessidade de se definir os limites de variação dos parâmetros citados, onde a função pode atingir o objetivo global. Para se definir a faixa de variação dos parâmetros, adotou-se o mesmo procedimento descrito por ROCHA (2016), onde para o fator de forma m, tem-se como limite inferior o valor de 0.01 e superior de 2.6. Para a duração de combustão, utilizou-se como ROCHA (2016) os limites de 40 o e 130º como sendo inferior e superior, respectivamente. Para o início de combustão, sabe-se que o ângulo de injeção é de 17º APMS, como descrito por SOUZA JUNIOR (2009), com isso considerou-se que os limites inferior e superior são, respectivamente -15 e -4 tomando como base o atraso para inicio da combustão de 0.5ms a 1.5ms proposto pela literatura (ROCHA, 2016, HEYWOOD, 1988). Tomando como base os valores anteriormente mencionados e o fato do Design Explorer necessitar de um valor inicial para dar inicio ao processo de otimização, resolveu-se adotar o mesmo procedimento descrito por ROCHA (2016) onde o valor inicial para θ o e Δθ foram a média aritmética entre seus limites inferior e superior, obtendo-se os valores de -9.5 o para θ o e 85 o para Δθ. O valor inicial de m foi utilizado em 0.5 de acordo como sugerido por diversas referencias bibliográficas para motores diesel e também utilizado por ROCHA (2016). No anexo v pode-se visualizar as telas do software para entrada de dados. Conforme já descrito anteriormente, para o processo de otimização faz-se necessário definir os objetivos a serem atingidos e neste trabalho utilizou-se a potência 50

65 efetiva e o consumo específico de combustível. Para a escolha desses objetivos levouse em consideração o fato de serem dados obtidos diretamente dos ensaios experimentais, uma vez que neste trabalho não foram realizadas medidas de pressão e cálculo da liberação de calor no interior do cilindro. O método do algoritmo genético requer que alguns parâmetros sejam definidos previamente, que são eles: Distribuição de probabilidade de cruzamento, número de gerações, probabilidade de cruzamento, distribuição da probabilidade de mutação, tamanho da população e probabilidade de mutação. Os valores utilizados para essas variáveis foram os recomendados pelo manual do programa e também os utilizados por ROCHA (2016), com exceção do tamanho da população, que neste trabalho foi utilizado o valor de 10. Abaixo, tem-se os valores usados para cada parâmetro. Distribuição de probabilidade e cruzamento: 10 Número de gerações: 100 Probabilidade de cruzamento: 0.5 Distribuição da probabilidade de mutação: 10 Tamanho da população: 10 Probabilidade de mutação: Critério de parada AVL Design Explorer Conforme já descrito, os objetivos definidos inicialmente para o programa de otimização são potência efetiva e consumo específico de combustível. Nesse contexto, são calculados, a cada interação, erros para cada objetivo: potência efetiva e consumo específico de combustível, e posteriormente esses erros individuais são somados compondo o erro global, conforme equação 4.6. Contudo, observou-se que existe mais de uma possibilidade de atingir-se o mesmo erro e por esse motivo resolveu-se adotar o critério de parada, sendo a repetitividade dos resultados encontrada e o número de iterações. O b j A b s p o t p o t A b s C E C e x p sim e x p C E C sim (4.6) p o t e x p C E C e x p 51

66 Validação da Otimização Para a validação do processo de otimização utilizou-se as curvas de pressão publicadas no trabalho de SOUZA JUNIOR (2009). O trabalho em questão levantou experimentalmente as curvas de pressão no interior do cilindro utilizando diesel comercial (B3) (diesel + 3% de biodiesel) e misturas deste com biodiesel em diversas proporções até atingir 100% de biodiesel (B100). Para a validação do processo de otimização resolveu-se traçar as curvas de pressão, para o B3 e para o B100 ambos no torque de 20N.m nas 3 rotação já descritas anteriormente (1500, 2000 e 2500RPM). Os resultados encontrados pelo otimizador serão comparados com os resultados publicados no trabalho de SOUZA JUNIOR (2009), que além de comparar parâmetros de desempenho como: potência efetiva, IMEP, pressão máxima e consumo específico de combustível, também compara as curvas de pressão otimizada e experimental. 52

67 Fluxograma do Design Explorer Início Entrada dos objetivos Experimentais (P e e CEC). Parâmetros de entrada do AVL-Boost. n=n+1 Parâmetros de entrada do AVL-Design Explorer. Mutação Criação da população Inicial no AVL-Boost Cruzamento Cálculo da função objetivo (AVL-Boost) Avaliação e seleção dos melhores candidatos Condição satisfeita? Não n n máx Sim Fim Figura Fluxograma da sequência lógica da otimização utilizando AVL Design explorer. Modificado de ROCHA (2016). 53

68 5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS A seguir serão apresentados os resultados obtidos experimentalmente utilizando o motor Agrale M95W, instalado no laboratório de máquinas térmicas LMT. Os ensaios experimentais tiveram duração de cerca de 1 mês e foram repetidos 5 vezes para cada combustível. Na sequência, serão apresentados resultados referentes aos parâmetros de desempenho do motor, como: consumo específico de combustível, potência efetiva, IMEP, emissões de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO 2 ), oxigênio (O 2 ), Óxidos de nitrogênio (NO x ) e combustível não queimado (HC). Os resultados apresentados serão analisados mantendo-se o torque e rotação constante e, a partir desses pontos fixos, serão analisados e comparados os parâmetros já previamente mencionados. 5.1 Curva experimental a plena carga do motor Inicialmente, levantou-se a curva de plena carga para cada combustível testado (B7, E10, E20 e Ethabiodiesel) para então definir os pontos de trabalho. Na figura 5.1 tem-se a curva a plena carga, utilizando diesel S-500 (B7) como combustível, que gerou os resultados mais conservadores de torque. Os pontos destacados em preto referem-se aos pontos de operação que foram trabalhados. Figura Curva a plena carga do motor Agrale M95W utilizando B7. 54

69 A curva a plena carga consumindo diesel S-500 (B7) foi utilizada para definir os pontos de operação deste trabalho, por apresentar valores mais conservadores em relação às demais curvas. Vale ressaltar que os valores de torque máximo encontrados para os demais combustíveis não ultrapassam uma diferença de 6,6%. Os pontos de operação definidos foram: 10N.m, 20N.m e 30N.m e as rotações utilizadas foram: 1500, 2000 e 2500rpm, com isso, para cada combustível foram testados 9 pontos de operação, totalizando 36 pontos de operação considerando os quatro combustíveis testados. 5.2 Ensaios Neste tópico apresenta-se os resultados encontrados para os parâmetros de desempenho, as variáveis monitoradas durante os ensaios e as emissões levantadas durante os ensaios experimentais. Faz-se importante destacar que as variáveis monitoradas (temperatura de admissão, temperatura de descarga e temperatura da água) serão apenas informadas e não entrarão em análise posterior Ensaios com B7 Neste tópico serão apresentados os resultados obtidos a partir da utilização do combustível diesel S-500 (B7). As tabelas 5.1 e 5.2 apresentam as variáveis de desempenho medidas nos ensaios e suas incertezas, respectivamente. Rotação [RPM] Tabela Principais variáveis encontradas no ensaio com B7. Torque [N.m] Potência [kw] B7 Tadm [oc] Tdesc [ C] Tágua [oc] Consumo [g/s] , , , , , , , , , , , , , , , , , ,49 55

70 Tabela 5.2 Incert. dos parâmetros de desempenho e temperatura encontrados com B7. Ponto de Operação Incert. Rotação B7 Incert. Torque Incert. Tadm Incet. Tdesc Incert. Tágua Incert. Consumo 10N.m RPM 5 0,1 0,28 1,41 0,32 0,02 20N.m RPM 10 0,1 0,30 1,28 0,28 0,02 30N.m RPM 15 0,1 0,32 1,52 0,28 0,01 10N.m RPM 5 0,1 0,27 1,45 0,24 0,01 20N.m RPM 10 0,1 0,30 1,73 0,24 0,02 30N.m RPM 15 0,1 0,29 1,80 0,27 0,01 10N.m RPM 5 0,1 0,30 1,38 0,26 0,02 20N.m RPM 10 0,1 0,32 1,41 0,25 0,01 30N.m RPM 15 0,1 0,30 1,36 0,26 0,01 As tabelas 5.3 e 5.4 mostram as emissões medidas nos ensaios e suas incertezas, respectivamente. Tabela 5.3 Essa tabela mostra dados de emissões obtidos para B7. B7 Ponto de Operação CO2 (%) CO (%) O2 (%) NOx (%) HC (%) 10N.m RPM 1,6 0,01 18, N.m RPM 2,0 0,02 18, N.m RPM 2,0 0,16 17, N.m -2000RPM 0,8 0,00 19, N.m RPM 0,9 0,01 19, N.m RPM 1,2 0,05 19, N.m RPM 1,1 0,01 19, N.m RPM 2,5 0,01 18, N.m RPM 2,1 0,03 17,

71 Ponto de Operação Tabela Incertezas na medição das emissões. Incert. CO2 (%) B7 Emissões Incert. CO (%) Incert. O2 (%) Incert. NOx (ppm) Incert. HC (ppm) 10N.m RPM 0,05 0,005 0,10 6 0,20 20N.m RPM 0,08 0,005 0,20 7 0,84 30N.m RPM 0,08 0,011 0,20 7 0,62 10N.m RPM 0,05 0,011 0,40 6 0,20 20N.m RPM 0,05 0,005 0,20 6 0,51 30N.m RPM 0,05 0,005 0,30 5 0,20 10N.m RPM 0,08 0,005 0,20 5 0,20 20N.m RPM 0,05 0,005 0, ,61 30N.m RPM 0,20 0,011 0,2 7 1, Ensaios com E10 Neste tópico serão apresentados os resultados obtidos a partir da utilização do combustível diesel S-500 (B7) com adição de 10% em volume de ethabiodiesel (E10). As tabelas 5.5 e 5.6 apresentam as variáveis de desempenho medidas nos ensaios e suas incerteza, respectivamente. Tabela Principais variáveis encontradas no ensaio com E10. E10 Rotação [RPM] Torque [N.m] Potência [kw] Tadm [oc] Tdesc [oc] Tágua [oc] Consumo [g/s] , , , , , , , , , , , , , , , , , ,60 57

72 Tabela 5.6 Incert. dos parâmetros de desempenho, temperaturas e consumo para E10 Ponto de Operação Incert. Rotação Incert. Torque E10 Incert. Tadm Incet. Tdesc Incert. Tágua Incert. Consumo 10N.m RPM 5 0,1 0,32 1,28 0,33 0,01 20N.m RPM 10 0,1 0,28 1,22 0,38 0,01 30N.m RPM 15 0,1 0,42 1,32 0,39 0,01 10N.m -2000RPM 5 0,1 0,33 1,73 0,62 0,02 20N.m RPM 10 0,1 0,30 1,78 0,64 0,01 30N.m RPM 15 0,1 0,32 1,74 0,69 0,01 10N.m RPM 5 0,1 0,48 2,10 0,88 0,01 20N.m RPM 10 0,1 0,61 2,14 0,84 0,02 30N.m RPM 15 0,1 0,59 2,19 0,92 0,02 As tabelas 5.7 e 5.8 mostram as emissões medidas nos ensaios e suas incertezas, respectivamente. Tabela Dados de emissões obtidos para E10 E10 Ponto de Operação CO2 (%) CO (%) O2 (%) NOx (%) HC (%) 10N.m RPM 1,7 0,01 18, N.m RPM 2,0 0,03 18, N.m RPM 1,9 0,18 18, N.m -2000RPM 0,8 0,01 19, N.m RPM 0,9 0,01 19, N.m RPM 1,3 0,07 19, N.m RPM 1,1 0,01 19, N.m RPM 1,5 0,01 18, N.m RPM 2,1 0,03 17,

73 Ponto de Operação Tabela Incertezas das emissões para E10 Incert. CO2 (%) E10 Emissões Incert. Incert. CO (%) O2 (%) Incert. NOx (ppm) Incert. HC (ppm) 10N.m RPM 0,05 0,005 0,10 7 0,62 20N.m RPM 0,05 0,011 0,30 7 0,62 30N.m RPM 0,08 0,011 0,30 7 0,20 10N.m -2000RPM 0,05 0,005 0,20 5 0,61 20N.m RPM 0,05 0,005 0,40 6 0,20 30N.m RPM 0,05 0,011 0,50 9 0,61 10N.m RPM 0,08 0,005 0,30 6 0,20 20N.m RPM 0,05 0,005 0,50 6 0,20 30N.m RPM 0,08 0,005 0,70 7 0, Ensaios com E20 Neste tópico serão apresentados os resultados obtidos a partir da utilização do combustível diesel S-500 (B7) com adição de 20% em volume de ethabiodiesel (E20). As tabelas 5.9 e 5.10 apresentam as variáveis de desempenho medidas nos ensaios e suas incertezas, respectivamente. Rotação [RPM] Tabela Principais variáveis encontradas no ensaio com E20. Torque [N.m] Potência [kw] Tadm [ C] Tdesc [ C] Tágua [ C] Consumo [g/s] , , , , , , , , , , , , , , , , , ,57 59

74 Tabela 5.10 Incert. dos parâmetros de desempenho, temperatura e consumo para E20. Ponto de Operação Incert. Rotação Incert. Torque E20 Incert. Tadm Incet. Tdesc Incert. Tágua Incert. Consumo 10N.m RPM 5 0,1 0,38 1,61 0,51 0,01 20N.m RPM 10 0,1 0,42 1,65 0,53 0,01 30N.m RPM 15 0,1 0,42 1,63 0,53 0,01 10N.m -2000RPM 5 0,1 0,49 1,68 0,63 0,01 20N.m RPM 10 0,1 0,46 1,72 0,65 0,03 30N.m RPM 15 0,1 0,47 1,77 0,71 0,02 10N.m RPM 5 0,1 0,58 1,99 0,72 0,01 20N.m RPM 10 0,1 0,60 2,08 0,84 0,01 30N.m RPM 15 0,1 0,61 2,16 0,88 0,02 As tabelas 5.11 e 5.12 mostram as emissões medidas nos ensaios e suas incertezas, respectivamente. Tabela Dados de emissões obtidos para E20. E20 Ponto de Operação CO2 (%) CO (%) O2 (%) NOx (%) HC (%) 10N.m RPM 1,7 0,01 18, N.m RPM 2,1 0,06 18, N.m RPM 2,0 0,19 18, N.m -2000RPM 0,8 0,01 19, N.m RPM 0,9 0,01 19, N.m RPM 1,3 0,06 19, N.m RPM 1,1 0,01 19, N.m RPM 1,6 0,01 18, N.m RPM 2,2 0,04 17,

75 Tabela Incertezas das emissões para E20. E20 Emissões Ponto de Operação Incert. CO2 (%) Incert. CO (%) Incert. O2 (%) Incert. NOx (ppm) Incert. HC (ppm) 10N.m RPM 0,05 0,005 0,10 7 0,20 20N.m RPM 0,05 0,011 0,20 7 0,62 30N.m RPM 0,05 0,011 0,40 7 0,62 10N.m -2000RPM 0,05 0,005 0,30 5 0,61 20N.m RPM 0,05 0,005 0,40 5 0,20 30N.m RPM 0,05 0,011 0,60 6 0,20 10N.m RPM 0,08 0,005 0,50 5 0,20 20N.m RPM 0,05 0,005 0,50 6 0,20 30N.m RPM 0,08 0,011 0,60 6 0, Ensaios com E100 Neste tópico serão apresentados os resultados obtidos a partir da utilização do combustível E100. As tabelas 5.13 e 5.14 apresentam as variáveis de desempenho medidas nos ensaios e suas incertezas, respectivamente. Rotação [RPM] Tabela Principais variáveis encontradas no ensaio com E100. Torque [N.m] Potência [kw] E100 Tadm [ C] Tdesc [ C] Tágua [ C] Consumo [g/s] , , , , , , , , , , , , , , , , , ,63 61

76 Tabela 5.14 Incert. dos parâmetros de desempenho, temperatura e consumo para E100. Ponto de Operação Incert. Rotação Incert. Torque E100 Incert. Tadm Incet. Tdesc Incert. Tágua Incert. Consumo 10N.m RPM 5 0,1 0,38 1,29 0,32 0,01 20N.m RPM 10 0,1 0,42 1,31 0,34 0,01 30N.m RPM 15 0,1 0,45 1,32 0,33 0,02 10N.m -2000RPM 5 0,1 0,35 1,75 0,65 0,01 20N.m RPM 10 0,1 0,32 1,77 0,67 0,01 30N.m RPM 15 0,1 0,33 1,75 0,72 0,03 10N.m RPM 5 0,1 0,52 2,03 0,86 0,01 20N.m RPM 10 0,1 0,62 2,15 0,89 0,02 30N.m RPM 15 0,1 0,68 2,26 0,99 0,02 As tabelas 5.15 e 5.16 mostram as emissões medidas nos ensaios e suas incertezas, respectivamente. Tabela Dados de emissões obtidos para E100. E100 Ponto de Operação CO2 (%) CO (%) O2 (%) NOx (%) HC (%) 10N.m RPM 1,6 0,01 18, N.m RPM 2,0 0,03 18, N.m RPM 2,0 0,16 18, N.m RPM 0,9 0,00 19, N.m RPM 0,9 0,01 19, N.m RPM 1,3 0,04 19, N.m RPM 1,3 0,00 19, N.m RPM 1,5 0,00 18, N.m RPM 2,3 0,04 17,

77 Tabela Incertezas das emissões para E100. E100 - Emissões Ponto de Operação Incert. CO2 (%) Incert. CO (%) Incert. O2 (%) Incert. NOx (ppm) Incert. HC (ppm) 10N.m RPM 0,05 0,005 0,10 6 0,21 20N.m RPM 0,08 0,005 0,20 7 0,62 30N.m RPM 0,05 0,005 0,50 6 0,62 10N.m RPM 0,08 0,011 0,30 6 0,20 20N.m RPM 0,05 0,005 0,50 5 0,61 30N.m RPM 0,05 0,005 0,60 8 0,20 10N.m RPM 0,08 0,011 0,40 5 0,20 20N.m RPM 0,08 0,005 0,50 6 0,20 30N.m RPM 0,08 0,005 0,70 6 0, Comparação entre os consumos específicos de combustível. Neste tópico será apresentado um comparativo dos resultados experimentais de consumo específico de combustível dentro da mesma rotação (1500, 2000 e 2500rpm). Do ponto de vista de consumo específico de combustível (CEC), espera-se que o ethabiodiesel seja o combustível a ter o maior CEC visto que é o combustível com menor poder calorífico. De fato, observa-se esse comportamento com o ethabiodiesel, entretanto com os combustíveis E10 e E20 em alguns pontos de operação se comporta de forma oposta ao esperado. Resultado semelhante também foi observado por SOUZA JUNIOR em A figura 5.2 mostra os resultados comparativos encontrados para 1500rpm nos torque de 10N.m, 20N.m e 30N.m. Para esta rotação, em todos os torques, o combustível E100 foi o que apresentou o maior CEC. Nota-se também que quanto maior a quantidade de E100 na mistura maior foi o CEC, com exceção da região de 10N.m a 18N.m onde o combustível E10 apresentou um maior consumo. Observa-se o menor consumo para o diesel comercial- S-500 (B7). 63

78 Figura CEC x Torque experimental para 1500rpm. A figura 5.3 apresenta os valores de CEC para 2000rpm. Analisando o gráfico em questão observa-se um maior consumo para todos os pontos de operação com combustível E100, resultado esperado visto que possui um menor poder calorífico. O combustível E10, até cerca de 19N.m, apresenta um consumo maior que o combustível E20 e que o B7 e acima de cerca de 26N.m também possui o mesmo comportamento apesar de ser mais tímido. O combustível que apresentou um menor CEC, na maior parte da região de comparação, foi o diesel comercial S-500 (B7). 64

79 Figura CEC x Torque experimental para 2000rpm. A figura 5.4 apresenta os resultados encontrados para 2500 rpm. A partir do gráfico em questão observa-se que o maior consumo foi medido para o combustível E100. Na sequência, observa-se que o segundo maior consumo foi registrado para o combustível E20, em sua maior parte. O menor consumo foi registrado para o combustível E10 para até cerca de 23N.m, onde na sequência o combustível B7 assume o menor consumo. 65

80 Figura CEC x Torque experimental para 2500rpm. 5.4 Emissões de poluentes Neste tópico apresentam-se os resultados para os gases poluentes encontrados experimentalmente com os diferentes combustíveis testados Emissões de CO O monóxido de carbono formado durante o processo de combustão se dá pela oxidação parcial do carbono existente nos combustíveis. A formação de CO, conforme já descrito na Figura 3.6, pode estar relacionado à mistura rica ou pobre. No caso da primeira, pode não haver oxigênio suficiente para oxidar o CO formado, que por sua 66

81 vez se transformaria em CO 2. No segundo caso, o excesso de ar na câmara poderia reduzir as temperaturas ocasionando combustão incompleta e emissão de CO no escapamento (ROCHA, 2016). Analisando a Figura 5.5 nota-se que dentro de cada rotação há um aumento nas emissões de CO com o aumento do torque. Esse comportamento deve-se a que conforme aumenta o torque há maior entrada de combustível na câmara de combustão e maior formação de CO. Comparando as emissões de CO para cada combustível, dentro da mesma rotação e mesmo torque, nota-se que para rotação de 1500rpm (20N.m e 30N.m) e 2000rpm (30N.m) houve decréscimo nas emissões de CO quando o motor operou com ethabiodiesel (E100) em relação ao combustível E20. Provavelmente este ocorrido deu-se pelo fato do E100 possuir uma quantidade de etanol expressivamente superior a quantidade do combustível E20. Figura Emissões de monóxido de carbono (CO). 67

82 5.4.2 Emissões de CO 2 Analisando o comportamento das emissões de CO 2 a partir da figura 3.6, espera-se um comportamento semelhante ao comportamento das emissões de CO, o que de fato foi observado. Analisando a Figura 5.6 nota-se que as emissões de CO 2 aumentam, dentro de uma mesma rotação, à medida que aumenta o torque. Do ponto de vista de emissões de CO 2 para combustíveis diferentes, dentro de um mesmo torque e rotação, não houveram diferenças significativas quando levadas em considerações as incertezas. Figura Emissões de dióxido de carbono (CO 2 ). 68

83 5.4.3 Emissões de NO x Neste tópico apresentam-se os resultados obtidos experimentalmente para o óxidos de nitrogênio (NO x ). Conforme ROCHA (2016), as emissões de NO x estão diretamente relacionadas à duração da reação, temperatura do gás e a disponibilidade de oxigênio e de nitrogênio. A Figura 5.7 mostra os dados encontrados para as emissões de NO x nos quatro combustíveis testados. Observa-se que nas rotações de 2000rpm e 2500rpm houveram maiores níveis de emissões para os combustíveis E10, E20 e E100 frente ao combustível B7, chegando a acréscimo de cerca de 132% nas emissões de E100 em relação ao B7 para o ponto de operação 2500rpm e 10Nm de torque. Figura Emissões de NO x. 69

84 5.4.4 Emissões de hidrocarbonetos (HC) Segundo ROCHA (2016), as emissões de hidrocarbonetos estão relacionadas com a combustão incompleta de combustível. Nesse contexto, pode-se observar na Figura 5.8 que na rotação de 1500rpm o motor emitiu maior quantidade de hidrocarbonetos para os quatro combustíveis testados, entretanto sendo mais acentuadas as emissões para os combustíveis que continham E100 puro ou em misturas ao B7. Tal fato reflete uma possível dificuldade de queima do E100 nessa faixa de rotação, gerando assim maior quantidade de emissões de combustível não queimado. Figura Emissões de HC. 70

85 6 RESULTADOS NUMÉRICOS E COMPARAÇÕES Neste capítulo apresenta-se os resultados obtidos através da utilização do software AVL Boost bem como os dados obtidos pelo software Design Explorer e compara-se esses resultados aos resultados experimentais obtidos. 6.1 Convergência da otimização Conforme já descrito, o método de otimização tem como objetivo realizar uma análise inversa com o intuito de encontrar os valores desconhecidos da função de Vibe (θ 0, Δθ e m) a partir dos resultados obtidos experimentalmente de potencia efetiva e consumo específico de combustível. Para mostrar a convergência no método de otimização apresentam-se os resultados que foram obtidos para o combustível diesel (B7) com o torque de 20Nm e rotação de 2000rpm. A figura 6.1 mostra o valor do parâmetro m obtido para cada iteração e este valor possui um erro global associado que é ilustrado pelo tamanho da esfera. Nota-se claramente uma região com maior concentração de esferas menores, que possuem um menor erro associado. O valor adotado para o parâmetro m foi obtido a partir das últimas 250 iterações, conforme destacado. 71

86 Figura Parâmetro m da função de Vibe otimizado usando B7. A figura 6.2 trás os dados referentes à duração de combustão que obteve-se pelo método de otimização. Por este método determinou-se a duração de combustão sendo 82,15. Figura Duração de combustão otimizado usando B7. 72

87 A figura 6.3 trás o gráfico dos resultados encontrados pelo método de otimização para o inicio de combustão. Como já foi mencionado, o raio da esfera é está diretamente ligado ao erro da função global naquele ponto em questão. Para determinação do inicio de combustão pegamos os últimos 250 pontos, onde tem-se uma maior concentração de menores esferas. Figura Inicio da combustão otimizado usando B7. Na sequência, apresenta-se o gráfico obtido pelo processo de otimização que trás dados referentes à potência efetiva. Como pode-se verificar, a potência efetiva determinada pelo método de otimização (4,06kW) frente aos dados experimentais (4,10kW) apresenta um erro de -0,97%. 73

88 Figura Potência efetiva obtida pelo processo de otimização. A figura 6.5 mostra os dados obtidos pelo processo de otimização para o consumo específico de combustível. Quando compara-se os resultados otimizados (274,88g/kWh) com os resultados experimentais (272,71g/kWh) obtêm-se um erro de 0,79%. Figura CEC obtido pelo método de otimização. 74

89 6.2 Validação da otimização Para a validação do método, utilizamos os dados que constam na dissertação de SOUZA JUNIOR (2009) e a partir dos dados experimentais divulgados em seu trabalho, realizamos todo o processo de otimização e por fim comparamos os resultados obtidos com os divulgados em seu trabalho. Faz-se importante destacar que os dados experimentais divulgados por SOUZA JUNIOR (2009) foram levantados no mesmo motor que os levantados para este trabalho. Nesse contexto, para fins de validação, selecionou-se o torque de operação de 20Nm nas rotações de 1500, 2000 e 2500 rpm operando com diesel (B3) e biodiesel (B100). Os combustíveis foram calculados pelo método do combustível equivalente, conforme já mencionado, e posteriormente inseridos no software. Abaixo, tem-se os comparativos entre as curvas de pressão disponibilizadas no trabalho de SOUZA JUNIOR (2009) e as curvas obtidas pelo método de otimização anteriormente descrito. Na figura 6.6 tem-se o comparativo da curva de pressão obtida experimentalmente por SOUZA JUNIOR (2009) e a curva de pressão obtida pelo método de otimização já descrito para o combustível B3 com o motor operando com 10Nm de torque e 1500rpm. 75

90 Figura Comparativo Diesel (B3) 20Nm 1500rpm. Na figura 6.7 e 6.8 apresenta-se a comparação entre as curvas experimental e simulada para o torque de 20Nm e rotações de 2000 e 2500rpm, respectivamente. Em ambas as situações o motor está abastecido com o combustível B3. Figura Comparativo Diesel (B3) 20Nm 2000 rpm. 76

91 Figura Comparativo B3 20Nm 2500 rpm. Nas figuras 6.9, 6.10 e 6.11 tem-se a comparação entre as curvas experimental e simulada com o motor abastecido com B100 no torque de 20Nm e rotações de 1500, 2000 e 2500rpm, respectivamente. Figura Comparativo B rpm. 77

92 Figura Comparativo B rpm. Figura Comparativo B rpm. Na sequência, apresentam-se as tabelas 6.1 e 6.2 que comparam os valores divulgados por SOUZA JUNIOR (2009) e os resultados obtidos no AVL Boost, utilizando os parâmetros obtidos através do método de otimização. Vale frisar que os dados abaixo apresentados referem-se às curvas anteriormente apresentadas. 78

93 Tabela Comparativo dos parâmetros de desempenho para o combustível B3. Parâmetros de desempenho Ponto de Operação IMEP [Bar] Potência Efetiva [kw] CEC [g/kwh] Pressão Máxima [Bar] Torque [Nm]/Rotação Real Sim. Erro [%] Real Sim. Erro [%] Real Sim. Erro [%] Real Sim. Erro [%] 20/1500 5,22 5,1-2,30 3,16 3,21 1, ,03 74,08 74,95 1,17 20/2000 5,18 5,16-0,39 4,21 4,09-2, ,75 73,97 74,82 1,15 20/2500 5,07 5,25 3,55 5,29 5,08-3, ,15 70,87 73,77 4,09 Tabela Comparativo dos parâmetros de desempenho para o combustível B100. Parâmetros de desempenho Ponto de Operação IMEP [Bar] Potência Efetiva [kw] CEC [g/kwh] Pressão Máxima [Bar] Torque [Nm]/Rotação Real Sim. Erro [%] Real Sim. Erro [%] Real Sim. Erro [%] Real Sim. Erro [%] 20/1500 5,57 5,51-1,08 3,13 3,04-2, ,76 76,94 77,25 0,40 20/2000 5,57 5,44-2,33 4,23 4,24 0, ,63 75,54 72,68-3,79 20/2500 5,48 5,37-2,01 5,26 5,27 0, ,29 76,78 74,85-2,51 Observando os dados apresentados nas tabelas 6.1 e 6.2 tem-se um erro máximo de 4,09% na pressão máxima para o combustível B3 e um erro máximo de - 3,79% na pressão máxima para o combustível B100. Com base nos valores apresentados, é possível dizer que o método de otimização consegue predizer valores de m, inicio de combustão e duração de combustão que, uma vez utilizados em modelo numérico, retornem valores de IMEP, potência efetiva e CEC bem próximos dos valores reais (experimentais). 6.3 Comparação dos resultados experimentais com os numéricos otimizados. Neste tópico serão apresentando os resultados que foram obtidos pelo método numérico e comparados aos resultados experimentais realizados no motor Agrale M95W Comparativo dos resultados usando B7 Na tabela 6.3 observa-se o comparativo dos resultados dos ensaios e simulação com motor abastecido com B7. 79

94 Com base nos dados apresentados na tabela 6.3 pode-se verificar um erro máximo 4,60% no IMEP, ficando os demais erros inferiores a este valor. Nesse contexto, os resultados encontrados utilizando o método de otimização ficaram próximos dos resultados experimentais. Tabela Comparativo para o combustível B7. Parâmetros de desempenho Ponto de Operação IMEP [Bar] Potência Efetiva [kw] CEC [g/kwh] Torque [Nm]/Rotação Real Sim. Erro [%] Real Sim. Erro [%] Real Sim. Erro [%] 10/1500 3,31 3,33 0,60 1,5 1,49-0, ,28 10/2000 3,44 3,38-1,74 2,1 2,09-0, ,29 10/2500 3,48 3,64 4,60 2,6 2,55-1, ,06 20/1500 5,08 5,05-0,59 3,1 3,11 0, ,36 20/2000 5,13 4,99-2,73 4,1 4,03-1, ,84 20/2500 5,25 5,04-4,00 5,2 5,21 0, , Comparativo dos resultados usando E10 Na tabela 6.4 apresentam-se os resultados obtidos com o motor abastecido com o combustível E10. O erro máximo encontrado quando comparados os resultados experimentais com os numéricos foi de -3,90% para o IMEP, sendo os demais erros inferiores. Com base nos dados apresentados na tabela 6.4 pode-se observar que os resultados numéricos ficaram próximos dos resultados experimentais. Tabela Comparativo para o combustível E10. Parâmetros de desempenho Ponto de Operação IMEP [Bar] Potência Efetiva [kw] CEC [g/kwh] Torque [Nm]/Rotação Real Sim. Erro [%] Real Sim. Erro [%] Real Sim. Erro [%] 10/1500 3,37 3,44 2,08 1,5 1,52 1, ,93 10/2000 3,57 3,65 2,24 2,1 2,12 0, ,80 10/2500 3,58 3,67 2,51 2,6 2,56-1, ,60 20/1500 5,13 4,93-3,90 3,1 3,02-2, ,37 20/2000 5,23 5,2-0,57 4,1 4,05-1, ,03 20/2500 5,32 5,17-2,82 5,2 5,22 0, ,40 80

95 6.3.3 Comparativo dos resultados usando E20 Na tabela 6.5 apresenta-se o comparativo entre os resultados experimentais e numéricos com o motor abastecido com o combustível E20. O erro máximo encontrado foi de -4.95% para o IMEP. Com base na tabela apresentada (tabela 6.5) pode-se verificar que os resultados numéricos ficaram próximos dos resultados experimentais. Tabela Comparativo para o combustível E20. Parâmetros de desempenho Ponto de Operação IMEP [Bar] Potência Efetiva [kw] CEC [g/kwh] Torque [Nm]/Rotação Real Sim. Erro [%] Real Sim. Erro [%] Real Sim. Erro [%] 10/1500 3,39 3,31-2,36 1,5 1,51 0, ,04 10/2000 3,59 3,49-2,79 2,1 2,11 0, ,29 10/2500 3,63 3,77 3,86 2,6 2,59-0, ,47 20/1500 5,18 5,13-0,97 3,1 3,09-0, ,64 20/2000 5,25 4,99-4,95 4,1 4,11 0, ,34 20/2500 5,38 5,25-2,42 5,2 5,21 0, , Comparativo dos resultados usando E100 Na tabela 6.6 apresenta-se o comparativo entre os resultados experimentais e numéricos com o motor abastecido com o combustível E100. O erro máximo encontrado foi de -6,32% para o IMEP. Pode-se observar que os resultados experimentais e simulados mostraram-se concordantes. Tabela Comparativo usando E100. Parâmetros de desempenho Ponto de Operação IMEP [Bar] Potência Efetiva [kw] CEC [g/kwh] Torque [Nm]/Rotação Real Sim. Erro [%] Real Sim. Erro [%] Real Sim. Erro [%] 10/1500 3,47 3,60 3,75 1,5 1,51 0, ,36 10/2000 3,70 3,58-3,24 2,1 2,12 0, ,53 10/2500 3,74 3,63-2,94 2,6 2,61 0, ,22 20/1500 5,30 5,21-1,70 3,1 3,09-0, ,59 20/2000 5,38 5,04-6,32 4,1 4,09-0, ,31 20/2500 5,47 5,32-2,74 5,2 5,17-0, ,64 81

96 7 CONCLUSÃO E SUGESTÕES Neste capítulo apresentam-se as conclusões dos estudos experimentais e numéricos apresentados. As conclusões experimentais levarão em consideração os parâmetros de desempenho (CEC e IMEP) e a composição das emissões de poluentes. Já os resultados numéricos levarão em consideração os parâmetros de desempenho para os pontos simulados. 7.1 Conclusões da dissertação Neste trabalho investigou-se experimental e numericamente a influência do uso do combustível ethabiodiesel e misturas deste em motores de combustão interna. O ethabiodiesel é um combustível de base renovável e possui o benefício de contar com os créditos de carbono. Para realização de tal investigação tomou-se como objeto parâmetros de desempenho e emissões, esta última obtida exclusivamente por experimentos. Na fase experimental foram realizados testes com diesel comercial S-500 (B7), ethabiodiesel (E100) e misturas de 10% e 20% em volume de ethabiodiesel no diesel. Os testes experimentais foram realizados no motor monocilíndrico que opera segundo o ciclo diesel, marca AGRALE modelo M95W. Nove pontos de operação foram definidos com base na curva de torque vs rotação do motor. A seguir, mostra-se algumas conclusões obtidas a partir dos resultados experimentais: Do ponto de vista de consumo específico de combustível (CEC), a adição de E100 ao B7 contribuiu para aumentar o CEC, atingindo aumentos no consumo de ate 52%. Tal efeito era esperado visto que esta adição de E100 diminui o poder calorífico inferior (PCI) da mistura. Analisando os gases de exaustão observa-se que não houve diferenças significativas nas emissões de CO 2. As emissões de CO mostraram-se próximas com exceção dos pontos de operação em 1500 rpm (20N.m e 30N.m) e 2000 rpm (30N.m) que provavelmente foi reflexo da maior quantidade de etanol presente no combustível E100. Um aumento de cerca de 132% nas emissões de NO x foi observado nos gases quando o motor operava com E100 em relação a quando abastecido com B7, bem como nas emissões referentes as misturas E10 e E20. Houve um aumento nas emissões de combustível não queimado (HC) em até 75% quando o motor operava com E100 frente a B7. 82

97 Como conclusão experimental pode-se dizer que apesar do ethabiodiesel possuir o maior consumo especifico de combustível e ter maiores índices de emissões, pode ser uma alternativa ao combustível atualmente utilizado (diesel). O ethabiodiesel não mostrou ser a melhor opção quando utilizado puro, mas misturas deste ao diesel reduzem o consumo tornando-o uma opção economicamente interessante uma vez que os gases de escape podem ser tratados com catalizadores nos escapamentos. Para execução do método numérico utilizaram-se os softwares AVL - Boost e AVL Design Explorer, onde no primeiro utilizou-se o modelo de combustão Vibe de duas zonas e no segundo o algoritmo genético multivariável como método de otimização. Na parte numérica foi proposto um método de otimização onde, a partir de resultados experimentais de potência efetiva e CEC, pretendia-se predizer os parâmetros de ajuste da função de Vibe (parâmetro m, inicio de combustão e duração de combustão). Os resultados apresentados nesta dissertação indicam que o método de otimização pode ser usado para determinar os parâmetros de combustão, uma vez definidas as funções objetivo corretamente. Os resultados obtidos pela simulação apresentaram concordância com os resultados experimentais. Como conclusão numérica pode-se afirmar que o método de otimização mostrou-se satisfatório para prever o comportamento do motor a partir de resultados experimentais de potência efetiva e CEC. 7.2 Recomendações para trabalhos futuros Observando os resultados encontrados nesta dissertação é possível identificar propostas para trabalhos futuros que dariam continuidade às pesquisas em motores diesel, tais como: Realizar análise experimental e numérico com ethabiodiesel, diesel e suas misturas em motores com quatro cilindros variando rotação e carga afim de investigar os parâmetros de desempenho e emissões. Realizar estudo experimental e numérico com o ethabiodiesel produzido por vias distintas (mistura simples e transesterificação) e verificar possíveis diferenças nos parâmetros de desempenho e emissões de poluentes; Realizar estudo experimental e numérico em motor diesel usando diferentes aditivos a fim de aumentar a quantidade de etanol presente nas misturas. 83

98 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AN, H., YANG, W.M., LI, J., Effects of ethanol addition on biodiesel combustion: A modeling study., Applied Energy, v143, pp , ANP, 2016, Boletim Mensal do Biodiesel Março de 2016, Agência Nacional do Petróleo, Gás e Biocombustíveis, Brasília, DF, Brasil. ALLA, G. H. A., Computer simulation of a four stroke spark ignition engine, EnergyConversion and Management, v.43, n. 8 (May), pp , ALMEIDA, V. T. P., Simulação computacional de emissões e desempenho de um motor diesel operando com óleo diesel e hidrogênio, Dissertação de mestrado, PUC-MG, Belo Horizonte, MG, Brasil, AVL LIST GMBH, BOOST Theory, Graz, Austria, 2011a AVL LIST GMBH, BOOST Users Guide, Graz, Austria, 2011b. BARROS, J.E.M., Estudo de motores de combustão interna aplicando análise orientada a objetos, Tese de D.Sc., UFMG, Belo Horizonte, MG, Brasil, BARBOSA, R. L., Desempenho comparativo de um motor de ciclo diesel utilizando diesel e misturas de biodiesel, Dissertação de Mestrado, UFLA, Lavras, MG, Brasil, BECERRA, E. C. V., Modelo de Simulação para um Motor Gás-Diesel, Dissertação de Mestrado, Pontífica Universidade Católica do Rio de Janeiro Rio de Janeiro,RJ Brasil,

99 BUENO, J. P. V. M., Estudo numérico da influência das características de injeção de misturas óleo diesel-biodiesel-etanol nas emissões de NOx, Tese de doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, Brasil, COLAÇO, M. J.; TEIXEIRA, C. V.; DUTRA, L. M. "Thermodynamic simulation and optimization of diesel engines operating with diesel and biodiesel blends using experimental data".inverseproblems in Science andengineering, v. 18, n. 6, p , CRUZ, Y. R., Combustíveis alternativos: mistura de etanol anidro ao óleo diesel para motores de ciclo diesel com sistema de injeção de bomba rotativa, Tese de doutorado, UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, CRUZ NETO, R. M. A., Simulação computacional e análise exergéticade um motor de motocicleta de baixa cilindrada com misturas de gasolina e etanol, Dissertação de Mestrado, UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, HEYWOOD, J. B., Engine combustion modeling - an overview, In: CombustionModeling in Reciprocating Engines, Plenum Publishing Corporation, pp ,USA, HEYWOOD, J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw-Hill, New York, USA, KOZARAC, D., et al., Analysis of benefits of using internal exhaust gas recicurlation in biogás-fueled HCCI engines, Energy Conversion and Management 87, , JULIATO, A., Análise da influência de diferentes misturas de biodiesel no desempenho e emissões de poluentes de um motor diesel agrícola, Dissertação de Mestrado, USP, Piracicaba, SP, Brasil,

100 LESNIK, L., VAJDA, B., ZUNIC, Z., SKEGET, L., KEGL, B., The influence of biodiesel fuel on injection characteristics, diesel engine performance, and emission formation, Applied Energy, v111, pp , LYN, W., 1962, Study of Buning Rate and Nature of Combustion in Diesel Engines, Nineth International Symposium on Combustion, pp , The Combustion Institute. MELO, T. C. C., Modelagem termodinâmica de um motor do ciclo Otto tipo flexfuel, funcionando com gasolina, álcool e gás natural, Dissertação de Mestrado, UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, MELO, T. C. C., Análise experimental e simulação computacional de um motor flex operando com diferentes misturas de etanol hidratado na gasolina, Tese de doutorado, UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, MENDES, L. A. N., Desempenho e emissões de um motor diesel operando com óleo diesel e hidrogênio produzido por hidrólise, PUC minas, Belo Horizonte, MG, Brasil, MORETTI, R. R., Mistura diesel, biodiesel e etanol anidro: uma possibilidade para reduzir o custo da cadeia de produção da cana-de-açúcar, UNICAMP, Campinas, SP, Brasil, NIGRO, N. M., Un Ejemplo de la Enseñanza Asistida por Computadoras Un Simulador de Motor de Combustion Interna. XV Congresso sobre Métodos Numéricos y sus Aplications, ENIEF 2006, Santa Fe, Argentina, PAUL, G.; DATTA, A.; MANDAL, B. K., Numerical Investigation of the Performance and Emission Characteristics of a CI engine using Diesel and its blends with Ethanol and Jatropha Biodiesel. Int. J. Curr. Eng. Technol., v. 3, p. 5-9,

101 RAMOS, J. A., Internal Combustion Engine Modeling, 1st ed., New York, Hemisphere Publishing Corporation, ROCHA, H. M. Z., Determinação dos efeitos da utilização de hidrogênio em grupos geradores a diesel operando com diferentes misturas diesel óleo vegetal, Tese de doutorado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, ROSA, J. S., Estudo de um motor ciclo diesel bi-combustível, Dissertação de mestrado, UNISINOS, Rio Grande do Sul, RS, Brasil, SOUZA JUNIOR, G. C., Simulação Termodinâmica de Motores Diesel utilizando óleodiesel e Biodiesel para Verificação dos parâmetros de desempenho e emiissões,dissertação de mestrado, COPPE/UFRJ, Rio de Janeiro, RJ, Brasil, STONE, R., Introduction to Internal Combustion Engines, 3rd ed., Warrendale, PA, USA, Society of Automobile Engineers, TENG, H., A Thermodynamics Model for a single cylinder Engine with its intake/exhaust systems simulating a turbo-charged V8 diesel Engine, SAE International Journal, , v. 4, n.1, pp , VENTURI, V., MENEZES, E. W., Relação Ar/Combustível e Consumo Específico para Formulações de Diesel/Biodiesel, Sociedade Brasileira de Química, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Brasil, VOICU A., CHIRIAC, R., 2012, A numerical simulation of the influence of injection characteristics on performance and emissions of a tractor diesel engine, U.P.B. Sci. Bull., Series D, Vol. 74, Iss. 3, 2012, ISSN WOSCHNI, G., ANISITS, F., 1974, Experimental Investigation and Mathematical Presentation of Rate of Heat Release in Diesel Engines Dependent Upon Engine Operating Conditions, SAE Paper, nr

102 ZAGLINSKIS, J., LUKACS, K., BERECZKY, A., Comparison of properties of a compression ignition engine operating on diesel biodiesel blend with methanol additive, Fuel, V 170, , ZHU, L., CHEUNG, C.S., ZHANG, W.G., HUANG, Z., Combustion, performance and emission characteristics of a DI diesel engine fueled with ethanol-biodiesel blends, Fuel, V 90, ,

103 ANEXO I Combustível PCI [kj/kg] Diesel Biodiesel Etanol E E E

104 ANEXO II Propriedades 20 C. Propriedade Valor Massa específica [kg/m3] 870,76 Viscosidade [mm2/s] 3,3915 Acidez [mgkoh/g] 0,46 CFPP [ C] 1 Água [ppm] 832,50 Estabilidade [h] 5,09 Fonte: Laboratório de Tecnologias Verdes - GreenTec/EQ/UFRJ 90

105 ANEXO III Sensores Variável Unidade Marca/Modelo Tipo Faixa de Medição IyL(%) IyR(u.m.) Temperatura do ar na C Omega Termopar K ,0 0,8 admissão (Cr-Al) Torque N.m Dinamatic Dinamômetro (corrente ,5 0,5 Parasita) Massa de combustível g Adventuri Balança de precisão ,1 0,1 Tempo s Ohaus Cronômetro ,0 1,0 Temperatura da água C Omega K (Cr-Al) ,0 0,8 Rotação do motor Potência efetiva Temperatura dos gases de descarga RPM Dinamatic Pick-up ,0 5 Dinamômetro kw Dinamatic (Corrente 0-83,7 1,5 0,5 parasita) C Omega Termopar K ,0 0,8 (Cr-Al) %O2 na descarga % em volume Napro MMV ,0 0,2 %CO2 na descarga % em volume Napro MMV ,0 0,05 91

106 %CO na descarga % em volume Napro MMV ,0 0,005 %HC na descarga ppm Napro MMV ,0 2 %NOx na descarga ppm Napro MMV ,0 5 92

107 ANEXO IV Modelo do motor Agrade M95W utilizado. Tela de entrada da geometria do motor. 93

108 Tela de ajustes das curvas no modelo Vibe 2 zonas. Tela para os dados de entrada da transferência de calor. 94

109 Tela de ajuste da rotação e tipo de ciclo a ser utilizado. Tela para entrada do ângulo do ponto morto superior. 95

110 Tela de seleção do modelo de atrito a ser utilizado. Tela de configuração do ponto de medição. 96

111 ANEXO V Variáveis do Design Explorer Definição do método de otimização 97

112 Tela de apresentação dos resultados do design Explorer 98