DESEMPENHO DE UM MOTOR CICLO OTTO UTILIZANDO BIOGÁS COMO COMBUSTÍVEL

DESEMPENHO DE UM MOTOR CICLO OTTO UTILIZANDO BIOGÁS COMO COMBUSTÍVEL JULIANO DE SOUZA M.S. Eng. Agrícola/ UNIOESTE-CCET-Mestrado em Engenharia Agrícola - UNIOESTE-CCET-Campus de Cascavel, Rua Universitária, 2069 CEP 85814-110 Cascavel PR e-mail: jsouza@unioeste.br SAMUEL N. MELEGARI DE SOUZA Prof. Adjunto C UNIOESTE-CCET-Mestrado Eng. Agrícola Prof. Adjunto FAG Faculdade Assiz Gurgacz e-mail:ssouza@unioeste.br PAULO ROMEU M. MACHADO Prof. M.S. UFSM-DEM Santa Maria/RS Resumo Em virtude do aumento no preço do petróleo, as pesquisas em busca de combustíveis alternativos estão se intensificando cada vez mais. O Brasil possui grande disponibilidade de biogás oriundo da digestão anaeróbia de resíduos no meio rural, do lixo urbano nos aterros sanitários e sistemas de tratamento de esgotos nos centros urbanos. Neste trabalho foi avaliado em dinamômetro um motor de ciclo Otto, alimentado com biogás, levantando-se as curvas características do motor para torque e potência. Primeiramente foram feitos ensaios testemunhas, com três tipos de combustíveis: gasolina, biogás e gás natural, utilizando os sistemas comercialmente disponibilizados para estes combustíveis, para servir de comparação com os demais ensaios. Em seguidas foram feitos ensaios para as diversas combinações de ponto de ignição, mesclador de gases e taxa de compressão. Pela análise dos resultados pode-se concluir que o melhor resultado de potência para o biogás foi obtido quando utilizou-se a taxa de compressão 12,5:1, mesclador de gases longo e ponto de ignição adiantado em 45, pois nestas condições obteve-se a potência máxima, superior ao original biogás. Abstract The rising of the oil prices is increasing the search for alternative fuels. Brazil has a great availability of biogás from anaerobic digestion in the rural area, urban waste in the landfills and treatment of the municipal sewer. In this work were evaluated in dynamometer a cycle Otto engine using biogas, and were obtained the characteristics curves of torque and power. First was done the evidence test with gasoline, biogas and natural gas, using comercial systems for this fuels, using as comparation for other tests. After has been done tests for some combinations of ignition point, mixer of gas and compression tax. By the analysis of the results has been concluded that the better results for power and torque using biogas as fuel were with a tax compression of 12,5:1, gas mixer long and ignition point advanced in 45 o. Introdução O acesso à energia é base importante da existência humana, essencial à satisfação das necessidades básicas. Porém a dependência mundial de combustíveis fósseis para a geração de

2 energia e suprimento da demanda sempre crescente, tanto nos países industrializados como em desenvolvimento, ameaça a estabilidade ambiental da terra. A biomassa a principal fonte de energia limpa e renovável, reúne e transforma substâncias da natureza e as converte em energia, sempre sob a regência do sol. O processo de digestão anaeróbia, realizado em um biodigestor instalado numa propriedade rural, além de reduzir a carga orgânica e gerar o biofertilizante, produz também o biogás, que é uma mistura combustível constituída basicamente por metano e gás carbônico. O biogás pode ser utilizado como combustível alternativo em motores de combustão interna acoplados a geradores de energia elétrica instalados em áreas rurais. Os motores a gás funcionam segundo os mesmos princípios dos motores diesel e gasolina, bastando apenas algumas modificações no sistema de alimentação, ignição e também na taxa de compressão. No Brasil há empresas que produzem e comercializam grupos geradores para utilização do biogás, e sabe-se que algumas apesar de promoverem a alimentação do motor com gás, consideram o rendimento deste baseado nas curvas de torque e potência do motor com o combustível original, normalmente a gasolina. O objetivo geral deste trabalho foi analisar o desempenho de um motor ciclo Otto, utilizando biogás como combustível alternativo. Já os objetivos específicos foram analisar a influência das variáveis: ponto de ignição, taxa de compressão e o formato do mesclador ar/combustível, nas curvas de torque e potência. O resultado destes testes levaram a um maior conhecimento da influência destas variáveis sobre o desempenho do motor, trazendo sugestões de adaptações para os motores já existentes como forma de aumento de sua potência. Revisão bibliográfica Biogás De acordo com (ALMEIDA, 2002), o biogás contém em média 55 a 65% de gás metano, 25 a 30% de gás carbônico e traços de gases sulfídricos. Segundo (MIALHE, 1980) o gás metano, também conhecido como gás dos pântanos, é obtido por fermentação anaeróbia de esterco de curral, de palhas e de restos de vegetais e lixo. O gás assim obtido é constituído por cerca de 2/3 de gás metano e 1/3 de gás carbônico. O metano, principal componente do biogás, não tem cheiro, cor ou sabor, mas os outros gases presentes têm um cheiro semelhante ao do ovo podre. O biogás é composto por uma mistura de gases cujo tipo e percentagem, variam de acordo com as características do tipo de resíduo e às condições de funcionamento do processo de digestão (BARREIRA, 1993 & SANTOS, 2000). A Tabela 1 mostra a composição típica do biogás. Tabela 1. Composição típica do biogás GÁS SÍMBOLO % NO BIOGÁS Metano CH 4 50 a 80% Dióxido de Carbono CO 2 20 a 40% Hidrogênio H 2 1 a 3% Azoto N 2 0.5 a 3% Sulfídrico e Outros H 2 S, CO, NH 3, O 2 1 a 5% FONTE: (CCE, 2000).

3 Motores de ciclo Otto alimentados com gás Segundo (ZAREH, 1998), os motores a gás funcionam segundo os princípios dos motores diesel e gasolina. De fato, alguns motores a gás são motores diesel ou a gasolina, convertidos para funcionar com gás. A conversão consiste em algumas modificações nos sistemas de alimentação e de ignição e também na taxa de compressão. Os motores a gás, de ignição por centelha, possuem uma eficiência volumétrica menor que o equivalente motor com combustível de petróleo, pelo fato da adição de gás reduzir o volume de ar aspirado. Contudo, a menor eficiência volumétrica é, geralmente, compensada pelo fato de que os motores a gás conseguem funcionar com taxas de compressão elevadas, 12-13:1. Isto é possível porque o poder antidetonante do gás está ligado ao número de metano, ou seja, quanto maior a quantidade de metano maior será a resistência à detonação. Segundo (MUÑOS et al., 2000), em ensaios realizados com motor Honda 270 cm 3, alimentado com biogás bruto e mantidos o ponto de ignição e a taxa de compressão da gasolina, as curvas de torque e potência tiveram um decréscimo de 50% em relação ao combustível original. (HUANGA & CROOKES, 1998) simularam biogás injetando metano e gás carbônico em proporções diferentes em um motor de ciclo Otto. A quantidade de gás que era injetada no motor era definida respeitando as proporções formadas nos biodigestores. Definiram como sendo a melhor taxa de compressão 13:1 por atender a todas as misturas. Para uma taxa de 15:1 em algumas composições, houve detonação. Conforme (CAÑAVATE, 1988), a taxa de compressão não pode exceder a 12:1, pois a composição do biogás não é constante, e isto pode levar à detonação em alguns momentos. Já o ponto de ignição deve ser avançado, pois a velocidade de combustão do biogás é mais lenta. Materiais e Métodos O motor utilizado na pesquisa foi um Volkswagen de fabricação nacional modelo Ap 1.8 L, que equipa diversas linhas de automóveis deste fabricante. Foi adquirido em uma concessionária e mantém todas as configurações originais para avaliação com gasolina (ensaio testemunha). Embora o objetivo do trabalho fosse determinar o rendimento de um motor de ciclo Otto alimentado com biogás, utilizou-se também o gás natural como parâmetro de comparação, em função da existência de formas de purificação do biogás que fazem com que este combustível fique com as suas características muito próximas a do gás natural. O experimento foi realizado no laboratório de motores de combustão interna do Centro de Tecnologia da Universidade Federal de Santa Maria. O laboratório de motores de combustão interna é um dos mais antigos do Centro de Tecnologia e atende as disciplinas profissionalizantes do Curso de Engenharia Mecânica. O motor foi ensaiado em um dinamômetro de absorção hidráulica marca JM Motorpower, modelo 800V. Sua capacidade de absorção máxima é de 476,6 kw, (648 c.v.) para uma máxima rotação de 9999 rpm e um torque máximo de 50,99 dan.m (52 m.kgf). O freio hidráulico possui um indicador analógico de torque acoplado a uma célula de carga. A indicação do número de rotações é proporcionada por um de tacômetro digital (pick-up magnético) de 0-9999 rpm. O motor foi ligado diretamente ao eixo da turbina hidráulica (rotor) do dinamômetro através de um sistema composto por duas juntas universais do tipo cardan para prevenir quaisquer desalinhamentos durante o teste. O dinamômetro de absorção hidráulica permite que se imponham variações de carga passiva ao motor através da abertura ou do fechamento de um registro hidráulico tipo globo instalado no console do painel de comando do freio e da seleção do diâmetro do orifício de saída de água da carcaça do mesmo. Para determinação dos fatores de correção (redução) de potência, segundo o determinado pela Norma NBR 5484, foi utilizado um dispositivo para observação das temperaturas de bulbo seco (tbs) e de bulbo úmido (tbu) do ar atmosférico, tecnicamente denominado de psicrômetro de fluxo

4 contínuo. Este psicrômetro é um dispositivo laboratorial, especialmente construído segundo as recomendações da ASHRAE, e que vem sendo normalmente utilizado em experimentos que envolvam a determinação das condições atmosféricas. Para a determinação do consumo específico dos combustíveis (biogás e gás natural), foi utilizado um anemômetro de fluxo, montado em um tubo de pvc. Este anemômetro informava a velocidade do gás nas rotações definidas, para que posteriormente fossem calculadas as vazões. As variáveis foram definidas buscando-se aquilo que já existia no mercado e também pesquisando outras escolas e outros pesquisadores. Algumas visitas técnicas a empresas que trabalhavam com gás natural, entre elas a Petrobrás, também foram feitas. A tabela 2 mostra os parâmetros analisados no motor Tabela 2. Parâmetros analisados Gás natural veicular Biogás simulado C 1 Venturi curto B 1 - Venturi curto B 2 - Venturi longo T 1 - Taxa de Compressão 1 (Original 8.5:1) T 1 - Taxa de Compressão 1 (Original 8.5:1 ) T 2 - Taxa de Compressão 2 (12.5 :1) T 2 - Taxa de Compressão 2 (12.5 :1) P 1 Ponto de Ignição Adiantado em 40 Apms P 1 Ponto de Ignição Adiantado em 40 Apms P 2 Ponto de Ignição Adiantado em 45 Apms P 2 Ponto de Ignição Adiantado em 45 Apms P 3 Ponto de Ignição Adiantado em 50 Apms P 3 Ponto de Ignição Adiantado em 50 Apms Para cada tratamento foram feitas três repetições, com variações de 50 em 50 rpm, entre 3200 e 5000 rpm este intervalo foi definido tendo como critério a geração de curvas que englobassem as rotações de torque máximo e de potência máxima. Resultados e discussão As Figuras 1 e 2 apresentam as curvas de torque e potência do motor na condição original biogás, original gasolina e original gnv (gás natural veicular), frente aos melhores resultados do biogás e do gnv. Observou-se um ganho de torque e potência no motor utilizando taxa de compressão 12,5:1 (T2), mesclador de gases longo (B2) e ponto de ignição adiantado em 45 (P2). Como o gnv apresenta uma composição maior de metano frente ao biogás, os resultados foram melhores, com isso o uso de sistemas de obsorção de dióxido de carbono do biogás pode contribuir para a obtenção de um combustível alternativo semelhante ao gnv. Torque (dan.m) 15.0 14.0 13.0 12.0 11.0 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3200 3300 3400 3500 3600 3700 3800 3900 4000 4100 4200 4300 4400 4500 4600 4700 4800 4900 5000 Rotação (rpm) Melhor resultado Biogás Melhor resultado Gnv Original Gasolina Original Gnv Original Biogás Figura 1. Variação do torque do motor nas condições originais e após a conversão

5 65,0 60,0 55,0 Potência (kw) 50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 3200 3300 3400 3500 3600 3700 3800 3900 4000 4100 4200 4300 4400 4500 4600 4700 4800 4900 5000 Rotação (rpm) Melhor resultado Biogás Original Gnv Original Gasolina Melhor resultado Gnv Original Biogás Figura 2. Variação da potência do motor nas condições originais a após a conversão Observou-se que o motor convertido com biogás pode produzir ma potência máxima acima de 45 kw, podendo com isso ser acoplado a um gerador de 35 kva, tornando uma propriedade rural com disponibilidade de biogás, auto-suficiente em energia elétrica. O motor também pode ser acoplado diretamente a uma bomba para a irrigação da propriedade. Conclusões A maior potência do motor utilizado para o biogás foi obtida quando utilizou-se a taxa de compressão 12,5:1, mesclador de gases longo e ponto de ignição adiantado em 45, pois nestas condições obteve-se a potência máxima 100% superior ao original biogás. Os ganhos com a utilização do gnv em substituição ao biogás chegam a 15% na rotação de 3600 rpm onde o motor vai gerar energia elétrica. O ponto de ignição e taxa de compressão com os melhores resultados obtidos para o biogás também são os mesmos utilizados com o gnv. Palavras-chave Energia, Biomassa, Motor estacionário, Gerador Agradecimentos Agradeço ao CNPq (Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) pelo apoio financeiro para a realização desta pesquisa, segundo o processo: 478601/01-8.

6 Referências Bibliográficas ALMEIDA, F. A.; MELO, R. J. S.; VIDIGAL, R. C.; PEREIRA, E. M. D. Eficientização Energética da Fazenda experimental PUC Minas Biodigestor de Baixo custo. In: 4 ENCONTRO DE ENERGIA NO MEIO RURAL. Anais...CD ROM. São Paulo, 2002. BARREIRA, P. Biodigestores: energia, fertilidade e saneamento para a zona rural. São Paulo: Ícone, 1993. CANAVATE, O.J.;BAADER. W.; Biogás as fuel for internal combustion engines. Asae1988. CCE Centro para conservação de energia. Guia Técnico do Biogás. Ed. JE92 Projectos de Marketing Ltda, Algés, Junho, 2000. HUANG, J.; CROOKES,R.J.;Assessment of simuled biogás as a fuel for the spark ignition engine. Fuel Vol.77, nº 15, pp. 1793-1801. Editora Elsevier science Ltda. 1998 MIALHE, L. G. Máquinas motoras na Agricultura. São Paulo: Ed. da Universidade de São Paulo, 1980. p. 202-203. MUNÕZ, M; MORENO, F.; MOREA-ROY, J.; RUIZ, J.; ARAUZO, J.; Low heating value gas on spark ignition engines. Biomass e bioenergy. Vol 18, pp 431-439, 2000 SANTOS, P. Guia Técnico de Biogás. 1 ed. Portugal: Je92 Projectos de Marketing lda, 2000. ZAREH, A. Motores a Gás. Lubrificação, Rio de Janeiro, v. 81, n 04, p. 2-4, 1998.