DESEMPENHO COMPARATIVO DO MOTOR DE COMBUSTÃO ALIMENTADO COM DIESEL, B2, B5, B20 E B100. Ezequiel de Oliveira 1 Fabio Moreira da Silva 2 Alexon do Prado Conde 3 Ronald Leite Barbosa 4 Rodrigo Gomide de Souza 5 Paulo Henrique Gontijo de Lima 6 RESUMO O Brasil é o país de maior biodiversidade, o que explica sua riqueza em oleaginosas. Considerando os atuais custos do barril de petróleo, os combustíveis alternativos passam a ser competitivo do ponto de vista econômico, devendo-se considerar, sobretudo que no futuro próximo as reservas de petróleo tendem à escassez e o desenvolvimento mundial dependerá da tecnologia e infra-estrutura para utilização de formas energéticas alternativas. Sendo assim, o objetivo deste trabalho foi de avaliar o desempenho comparativo de um motor de trator alimentado 100% com, mistura de 20%, 5% e 2% ao diesel e 100% com diesel. Para a realização dos ensaios foi utilizado o motor de um trator VALMET, modelo MWM-4TVA, diesel, 4 cilindros, com potência nominal 58,2 kw a 2300 rpm, seguindo-se a metodologia estabelecida pela norma NBR 5484 da ABNT, que se refere ao ensaio dinamométrico de motores do ciclo Otto e Diesel. Foi possível concluir que a potência com o uso de foi pouco inferior a do diesel, sendo que em algumas rotações a mistura B5 e B20 apresentou potência superior ou igual ao diesel. A melhor eficiência térmica do motor correspondeu à rotação de 540 rpm da TDP equivalente a 1700 rpm do motor. Palavras-chave: ensaio de motor diesel, combustível alternativo, dinamômetro. 1 Mestrando, Engenharia Agrícola, Universidade Federal de Lavras, UFLA, E-mail: ezequielufla@yahoo.com.br 2 Prof. Dr., Depto. de Engenharia, UFLA, E-mail: famsilva@ufla.br 3 Mestrando, Engenharia Agrícola, UFLA, E-mail: alconde@cemig.com.br 4 Mestrando, Engenharia Agrícola, UFLA, E-mail: roleba@uai.com.br 5 Mestrando, Engenharia Agrícola, UFLA, E-mail: rgomide2004@yahoo.com.br 6 Graduando, Engenharia Agrícola, UFLA, E-mail: timotioph@yahoo.com.br 761
1 INTRODUÇÃO O Brasil é o país de maior biodiversidade, o que explica sua riqueza em oleaginosas. Entretanto, restringe suas culturas para fins alimentícios, desprezando algumas espécies com alto rendimento lipídico. Portanto, existe um grande potencial a ser explorado tanto em relação às culturas temporárias quanto as perenes. A primeira menção, de que se tem notícia, da possibilidade do uso de óleos vegetais em motores de Ciclo Diesel foi feita por Rudolph Diesel ao afirmar, segundo AGUIAR (1980), que o motor diesel pode ser alimentado com óleos vegetais e poderá ajudar consideravelmente o desenvolvimento da agricultura nos países onde ele funcionar. A crise do petróleo nos anos 70 despertou o mundo para a busca por formas alternativas de energia, sendo que no Brasil, determinou a criação do Pró-Álcool nos anos 80 e outros programas de incentivo ao uso de combustíveis alternativos como óleos vegetais, gasogênio, gás natural, biogás, etc. As possibilidades de aproveitamento da biomassa com finalidade de conversão energética deveriam ser consideradas com maior atenção a partir do Plano de Ações da Agenda 21 da Conferência das Nações Unidas para o Meio Ambiente e Desenvolvimento, realizada em 1992, que estabelece a substituição de 20% das fontes energéticas, por renováveis até o ano 2000 e 50% até o ano 2020. Assim, observa-se que os combustíveis alternativos e renováveis oriundos da biomassa vêm à tona, como uma das soluções para o desenvolvimento auto-sustentado, sendo que o Brasil se destaca por se tratar de um país com extensa área agricultável a ser explorada. Considerando os atuais custos do barril de petróleo, os combustíveis alternativos passam a ser competitivo do ponto de vista econômico, devendo-se considerar, sobretudo que no futuro próximo as reservas de petróleo tendem à escassez e o desenvolvimento mundial dependerá da tecnologia e infra-estrutura para utilização de formas energéticas alternativas. Uma das opções que se tem estudado para a substituição do diesel para os motores de combustão por compressão é o, que resulta da transesterificação de óleos vegetais, podendo ser obtido a partir do óleo de girassol, amendoim, algodão, soja, mamona, etc. Os primeiros estudos com começaram, segundo PETERSON et al. (1999), com o uso de óleo de colza, em 1979, como combustível alternativo. Desde então diversos outros trabalhos foram realizados, com diferentes tipos de óleos vegetais puros ou misturados com diesel. O estudo do uso de 12 combustíveis alternativos, produzidos pela mistura de óleos vegetais com óleo diesel tipo 2, em um motor diesel, realizado por ALI et al. (1996), em 762
bancada dinamométrica, mostrou que o desempenho do motor foi similar ao obtido com óleo diesel. No Brasil recentemente foi criado um programa de incentivo ao uso de, que em sua primeira etapa prevê a mistura de na proporção de até 2% (B2) ao diesel de petróleo, para uso em veículos automotores, em todo o território nacional. O também poderá ser empregado na geração de energia elétrica em comunidades isoladas. Apenas com o B2, a expectativa é gerar 153 mil empregos. Na etapa seguinte prevê a substituição de 5% (B5). Sabe-se que o puro (B100), diminui as emissões de monóxido de carbono (CO) em 48%; as de óxido de enxofre (SOx), causadores da chuva ácida, em 100%, e as de fumaça preta (material particulado que causa problemas respiratórios) em 47%. Outra vantagem importante é a substituição de importações, pois cerca de 15% do diesel utilizado ainda provêem de importações, ao custo anual de US$ 1,2 bilhão. Mediante ao exposto o objetivo deste trabalho foi de avaliar o desempenho comparativo de um motor de trator alimentado 100% com, mistura de 20%, 5% e 2% ao diesel e 100% com diesel. 2 MATERIAL E MÉTODOS Para a realização dos ensaios foi utilizado o motor de um trator VALMET, modelo MWM-4TVA, diesel, de 4 tempos, refrigerado a água, com 4 cilindros em linha, cilindrada total de 3778 cm 3 e taxa de compressão 18:1, com potência nominal segundo o fabricante de 78 cv (58,2 kw) a 2300 rpm. Trator este destinado a serviços gerais próprio para pequenas e médias propriedades agrícolas. Para este trabalho não se avaliou a situação dos componentes internos do motor, sendo os ensaios realizados nas seguintes condições de alimentação do motor: 100% com, 100% com diesel e com a mistura de 2, 5 e 20% de ao diesel. O diesel utilizado nos ensaios foi obtido na rede de abastecimento automotiva, com massa especifica de 0,8556kg/L e poder calorífico inferior de 42.300kJ/kg e o utilizado, é resultante da transesterificação de óleo de soja degomado, apresentando massa especifica de 0,8610kg/L e poder calorífico inferior de 37.500kJ/kg. Para a medida do consumo de diesel ou pelo motor do trator, foi utilizado o medidor volumétrico descrito por GAMERO et al (1986), que trata de uma proveta graduada, com válvulas solenóides que controlam o fluxo de entrada e saída do combustível, permitindo sua medida por diferença de nível em função do tempo. 763
O dinamômetro utilizado nos ensaios de torque e potência consta do modelo NEB 200, marca AW DYNAMOMETER, que transforma energia mecânica em calor por meio de um freio hidráulico, onde o calor gerado no freio é dissipado por água de arrefecimento. O torque e a potência do motor foram mensurados através da TDP do trator, em regime de plena carga para as rotações equivalentes no motor de 2205, 1890, 1700 e 1480 rpm, correspondendo a 700, 600, 540 e 470 rpm da TDP. O consumo de combustível foi levantado durante os ensaios dinamométricos, medindose o volume consumido em função do tempo de funcionamento do motor para dado regime. O consumo horário e energético foi calculado em função da massa especifica e poder calorífico inferior de cada combustível ou misturas dos mesmos. A massa específica dos combustíveis foi calculada em balança de precisão e a poder calorífico considerado conforme referência de Costa Neto et. al. (2000). Com relação ao ensaio do motor, seguiu-se a metodologia estabelecida pela norma NBR 5484 da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), em vigor desde fevereiro de 1985, que se refere ao ensaio dinamométrico de motores do ciclo Otto e Diesel, com as seguintes definições: potência observada (kw); torque (N.m); consumo horário (kg/h), além de parâmetros ambientais como: temperatura do bulbo úmido e seco: ( o C); umidade relativa: (%) e pressão ambiente: (kpa). Na realização dos ensaios foram feitas as seguintes determinações para a avaliação do desempenho do motor: Consumo horário de diesel: Qd (kg/h) Poder calorífico inferior: Hd (KJ/kg) Consumo energético horário: Qe (J/h)= (Qd.Hd).10-3 Eficiência do motor: η = (Po.3600/Qe).100 (%) Rotação do motor: n = (rpm) 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO O resultado do ensaio dinamométrico está apresentado na Tabela 1, para cada uma das condições de alimentação do motor. Bem como as curvas de potência, torque e consumo energético, incluindo a eficiência térmica do motor, considerando para isso o motor trabalhando a plena carga. Os valores indicados representam a média de cinco repetições para cada tomada de tempo. 764
Como se observa no Gráfico 1, com o uso de óleo diesel a curva potência foi ligeiramente superior, sendo 3,25% maior que o. Observou-se que com as mistura B5 e B20 a potência chegou a superar a potência com diesel em rotações específicas. Tabela 1. Ensaio dinamométrico do motor. UFLA, Lavras, MG, 2005. Rotação equivalente do motor (rpm) Rotação da TDP (rpm) Potência (kw) Torque (N.m) Consumo energético (J/h) Plena carga alimentado 100% a diesel 2205,00 700,00 36,80 501,50 446531,48 29,67 1890,00 600,00 35,40 567,00 409320,52 31,13 1700,00 540,00 33,70 599,50 376386,68 32,23 1480,00 470,00 30,59 621,00 355930,89 30,94 Plena carga alimentado 98% a diesel e 2% 2205,00 700,00 36,30 498,00 445580,56 29,33 1890,00 600,00 34,36 548,00 408448,84 30,28 1700,00 540,00 33,20 568,00 375585,14 31,82 1480,00 470,00 30,20 585,00 355172,91 30,61 Plena carga alimentado 95% a diesel e 5% 2205,00 700,00 36,40 492,00 444138,08 29,50 1890,00 600,00 34,60 535,00 383177,95 32,51 1700,00 540,00 33,39 578,00 370115,06 32,48 1480,00 470,00 31,10 630,00 334624,58 33,46 Plena carga alimentado 80% a diesel e 20% 2205,00 700,00 36,80 502,00 407324,67 32,52 1890,00 600,00 35,00 543,00 372591,56 33,82 1700,00 540,00 33,05 573,00 356031,93 33,42 1480,00 470,00 30,00 603,00 304204,50 35,50 Plena carga alimentado 100% a 2205,00 700,00 35,34 500,00 387783,74 32,81 1890,00 600,00 34,10 527,00 356256,61 34,46 1700,00 540,00 32,90 573,00 334743,23 35,38 1480,00 470,00 29,89 593,00 310997,61 34,60 Eficiência térmica (η t) Curva de potência a plena carga Potência (kw) 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 460 510 560 610 660 710 rpm (TDP) 100% diesel 98% diesel + 2% 95% diesel + 5% 80% diesel + 20% 100% Gráfico 1. Curvas de potência a plena carga 765
O Gráfico 2, demonstra o comportamento do torque destacando os maiores valores para o motor operando com diesel. Curva de torque a plena carga Torque (N.m) 620 570 520 470 460 510 560 610 660 710 rpm (TDP) 100% diesel 98% diesel + 2% 95% diesel + 5% 80% diesel + 20% 100% Gráfico 2. Curvas de torque a plena carga O consumo energético como se observa no Gráfico 3 cresce a medida que se aumenta a rotação do motor, pois exige-se maior potência do motor. O uso do combustível puro diesel e mistura B2 não apresentou diferença de consumo, pois a proporção da mistura é muito pequena, apenas 2% ao diesel. A medida que se adiciona ao diesel a quantidade de combustível consumida vai diminuindo, isto devido as características do que apresenta menor poder calorífico que o diesel puro. O puro apresentou menor consumo energético em comparação as demais misturas e o uso de diesel puro. Consumo energético a plena carga Consumo de combustível (J/h) 450000 435000 420000 405000 390000 375000 360000 345000 330000 315000 300000 450 500 550 600 650 700 rpm (TDP) 100% diesel 98% diesel + 2% biobiesel 95% diesel + 5% 80% diesel + 20% 100% Gráfico 3: Curvas de consumo energético a plena carga 766
Curva de eficiência térmica a plena carga Nt (%) 37 36 35 34 33 32 31 30 100% diesel 98% diesel + 2% 95% diesel + 5% 80% diesel + 20% 100% 29 450 500 550 600 650 700 rpm (TDP) Gráfico 4: Curvas de eficiência térmica A eficiência térmica do motor foi comparada utilizando a potência equivalente observada do motor e a energia consumida. De acordo com o Gráfico 4 a maior eficiência térmica observada foi usando puro, e a menor utilizando a mistura B2. Porém a melhor eficiência energética, na maioria das rotações empregadas, foi obtida na rotação do motor equivalente a 540 rpm da TDP. 4 CONCLUSÕES Pelo exposto podemos concluir que a potência do motor com o uso de em 100% ou em misturas com diesel foi pouco inferior que a potência apresentada com diesel, chegando a uma redução média de 3,25%, sendo que em alguns regimes de rotação, a mistura B5 e B20 apresentaram potência superior ou igual ao diesel. A eficiência térmica do motor variou dentro dos valores esperados seja com diesel ou, sendo que em média a maior eficiência se observou nas rotações em torno de 540 rpm da TDP equivalente a 1700 rpm do motor, sendo esta a rotação de trabalho indicada pelo fabricante do motor. 5 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AGUIAR, A. C. S. Óleos Vegetais; Um Novo Diesel? Energia, 2(9): 39-41, julho/agosto, 1980. ALI, Y. & HANNA, M. A. Durability testing of a diesel fuel, methyl tallowate, and ethanol blend in a Cummins N14-410 diesel engine. Transactions of the ASAE, Am. Soc. of Agric. Engin., v. 39, n.3, p. 793-797, 1996. 767
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