C.1 Conjunto de dados operacionais do equipamento PDI-300 MD
3.2 Combustíveis
Os combustíveis gasolina comercial padrão tipo C (E22), etanol hidratado combustível (E100) e n-heptano foram utilizados como fluidos de testes no presente trabalho. A gasolina e o etanol foram adquiridos da empresa Petrobrás Distribuidora S.A. enquanto que o n-heptano foi comprado da empresa Anidrol Produtos para Laboratórios Ltda. Na Tabela 3.3 estão listadas as propriedades dos três combustíveis utilizados e todas elas foram obtidas a partir da folha de especificação dos fabricantes dos combustíveis.
Tabela 3.3: Propriedades dos combustíveis.
Gasolina (Tipo C) Etanol Hidratado N-Heptano
Composição Hidrocarbonetos (75-87%) Etanol (92,6-93,8%) Mínimo 99,5%
Etanol Anidro (13-25%) Água (6,2-7,4%)
Densidade (kg/m3) 730 - 770 809,3 684
Faixa de Destilação 27 - 220∘C @ 101,325 kPa - 97 - 99∘C
Ponto de Ebulição - 220∘C @ 101,325 kPa 98,4∘C
Ponto de Fulgor < 0∘C 15∘C -4∘C
A motivação em estudar os fenômenos que ocorrem na formação do spray de injetores PFI utilizando como fluidos de testes a gasolina, o etanol e o n-heptano ocorreu devido aos seguintes fatores:
∘ No atual cenário automotivo brasileiro, a maioria dos veículos de passeio são equipados com MCIs ciclo Otto multi-combustível, denominados popularmente como motores flex- fuel. Esse tipo de MCI pode operar tanto com gasolina quanto com etanol ou ainda com a mistura de qualquer porcentagem de ambos os combustíveis. Por meio de uma análise preliminar da Tabela 3.3, pode-se observar que há uma variação nas propriedades des- ses combustíveis. Conforme Lefebvre (1989), variações nas propriedades dos fluidos de testes irão afetar as características microscópicas e macroscópicas do spray.
∘ Atualmente, o n-heptano é o fluido de teste padrão recomendado para injetores de com- bustível nas indústrias automobilísticas, conforme aponta Hung e outros (2008). Através dos dados presentes na Tabela 3.3, observa-se que o n-heptano tem propriedades dife- rentes comparado ao etanol e a gasolina. Assim sendo, houve novamente o interesse em analisar o comportamento das características do spray desse fluido de teste a fim de verifi- car suas propriedades de spray comparado aos combustíveis reais utilizados nos veículos brasileiros.
A análise das características macroscópicas e microscópicas do spray de injetores PFI requer o conhecimento das propriedades do fluido a ser injetado. Conforme explicado no Capí-
tulo 2, as propriedades físico-químicas que mais influenciam nas características do spray são a densidade, a viscosidade e a tensão superficial.
Um dos objetivos do presente trabalho é verificar a influência da temperatura do com- bustível nas características do spray. Nesse sentido, é de grande importância conhecer o com- portamento das propriedades físico-químicas dos fluidos de testes na faixa de temperatura de trabalho dos mesmos.
A fim de determinar a densidade dos três fluidos de testes, utilizou-se um densímetro mo- delo DMA4500 (ilustrado na Figura 3.3), do fabricante Anton Paar, capaz de medir densidades na faixa de 0 até 3000 kg/m3 com uma precisão de ±0,05 kg/m3, na faixa de temperatura de 0 à 90∘C com uma precisão de ±0,03∘C. Esse densímetro se encontra disponível no laboratório do CEPETRO-Unicamp.
Figura 3.3: Densímetro DMA4500 - Anton Paar. Fonte: PETROTECH Analytical Company (2016).
As densidades dos três fluidos de testes foram medidas para a faixa de temperatura estabe- lecida de 0 à 70∘C, variando a temperatura de medição a cada 10∘C. Os resultados encontram- se na Figura 3.4.
Analisando a Figura 3.4, pode-se verificar que o etanol é o fluido de teste que apresentou a maior densidade tanto para a menor temperatura (0∘C) quanto para a maior temperatura (70 ∘C), seguido da gasolina e do n-heptano. Para a faixa de temperatura estabelecida, o etanol proporcionou uma variação na densidade de 8% e ambos a gasolina e o n-heptano de 9%.
A viscosidade dinâmica em função da temperatura do etanol hidratado e da gasolina tipo C foi extraída da dissertação de mestrado de Fajgenbaum (2013). As medições da viscosidade em função da temperatura foram realizadas utilizando um reômetro rotativo do fabricante HA- AKE, modelo HAAKE MARS III (ilustrado na Figura 3.5). Esses testes de viscosidade foram conduzidos no laboratório do CEPETRO-Unicamp.
Figura 3.4: Variação da densidade em função da temperatura do etanol, gasolina e n-heptano.
Figura 3.5: Reômetro rotativo HAAKE MARS III. Fonte: Fajgenbaum (2013).
a temperatura de medição a cada 10 ∘C. As Figuras 3.6 e 3.7 apresentam os resultados da viscosidade em função da temperatura do etanol e da gasolina, respectivamente.
Os valores da viscosidade dinâmica em função da temperatura do n-heptano foram ex- traídos do trabalho de Matos e outros (2001) e estão apresentados na Figura 3.8. As medições da viscosidade foram realizadas utilizando um aparato experimental da Schott-Gerätte e vis- cosímetros Ubbelohde com capilares de diferentes diâmetros. O controle de temperatura do combustível foi feito através de um termostato CT1450/2 com precisão de ±0,01 K. Os valo-
Figura 3.6: Variação da viscosidade dinâmica do etanol em função da temperatura. Fonte: Faj- genbaum (2013).
Figura 3.7: Variação da viscosidade dinâmica da gasolina em função da temperatura. Fonte: Fajgenbaum (2013).
res de cada viscosidade foram obtidos através da média de 6-8 medições com incerteza média dos valores menor que 0,2% para a faixa de temperatura estabelecida de 10 à 40∘C (MATOS e outros, 2001).
Figura 3.8: Variação da viscosidade dinâmica do n-heptano em função da temperatura. Fonte: Matos e outros (2001).
Através da análise das Figuras 3.6, 3.7 e 3.8, verifica-se que o n-heptano é o fluido de teste que apresentou a menor viscosidade dinâmica tanto para a menor temperatura (10∘C) quanto para a temperatura de (40∘C), seguido da gasolina e do etanol. Para a faixa de temperatura de 10 à 60∘C, o etanol proporcionou uma variação na viscosidade de 240% e a gasolina de 155%, enquanto que o n-heptano teve uma variação de 137% para a faixa de temperatura de 10 à 40 ∘C.
A propriedade físico-química tensão superficial em função da temperatura para o etanol, gasolina e n-heptano também foi extraída da literatura, pois não se teve acesso a equipamento adequado para realizar os testes em laboratório.
A fim de obter os valores da tensão superficial do etanol, foi necessário determinar a proporção de etanol e de água que compõe o etanol hidratado utilizado no presente trabalho. Conforme apresentado na Tabela 3.3, o etanol hidratado contém uma variação de 92,6 a 93,8% de etanol. Assim, adotou-se o valor médio de 93,2% para representar a propriedade da tensão superficial.
Para se encontrar a tensão superficial do etanol hidratado, realizou-se uma interpolação linear dos dados obtidos por Vázquez e outros (1995) para misturas de água e etanol, obtendo-se o gráfico da Figura 3.9. Em seu trabalho, Vázquez e outros (1995) efetuaram os testes utilizando um tensiômetro da marca Prolabo e um termostato com precisão de ±0,1∘C para controlar a temperatura do fluido de teste. As medições foram realizadas em intervalos de 5∘C na faixa de temperatura de 20 a 50∘C. Os pesquisadores ainda explicam que as soluções foram preparadas por peso com desvios menores que 0,3% e os resultados obtidos são a média de 5-10 medições com desvios máximos menores que 0,4% (VÁZQUEZe outros, 1995).
Figura 3.9: Variação da tensão superficial do etanol em função da temperatura. Fonte: Vázquez e outros (1995).
Os valores da tensão superficial do n-heptano foram extraídos do trabalho de Mohsen-Nia e outros (2010) e podem ser visualizados no gráfico da Figura 3.10. As medições da tensão superficial foram realizadas utilizando o método de pressão máxima das bolhas (MOHSEN-NIA
e outros, 2010).
Os valores obtidos experimentalmente para a tensão superficial e apresentados no gráfico da Figura 3.10 foram repetidos cinco vezes com o propósito de verificar a reprodutibilidade. Os valores se mostraram reprodutíveis para ±0,04 mN.m−1 (MOHSEN-NIAe outros, 2010).
Através da análise dos gráficos apresentados nas Figuras 3.9 e 3.10, pode-se observar que o etanol teve uma variação da tensão superficial de 12% para a faixa de temperatura de 20 a 50 ∘C enquanto que o n-heptano proporcionou uma variação de 23% para a faixa de temperatura
Figura 3.10: Variação da tensão superficial do n-heptano em função da temperatura. Fonte: Mohsen-Nia e outros (2010).
de 10 a 50∘C.
Em relação a tensão superficial da gasolina, foi necessário realizar o mesmo procedimento adotado para determinar a proporção de etanol e água composta no combustível etanol hidra- tado. De acordo com as propriedades apresentadas na Tabela 3.3, a gasolina comercial tipo C contém uma proporção de hidrocarbonetos que podem variar de 75 a 87%. Com o intuito de encontrar uma proporção que possa representar a propriedade tensão superficial, a média arit- mética dessa variação foi tomada e obteve-se o valor de 81% de hidrocarbonetos e 19% de etanol anidro.
Para a mistura de gasolina com etanol, não foram encontrados na literatura valores da tensão superficial variando com a temperatura. Para a proporção de etanol e hidrocarbonetos estimados para a gasolina utilizada no presente estudo, o valor da tensão superficial para a tem- peratura de 20∘C foi obtida no trabalho de Wang e outros (2006), sendo de 21,59 mN.m−1. No estudo realizado por Wang e outros (2006), o método de dispersão de luz de laser de superfície foi empregado para a obtenção de dados da tensão superficial de misturas de combustíveis e aditivos oxigênicos com componentes variáveis à pressão ambiente. A incerteza das medições foram estimadas em cerca de ±2,0%.
As três próximas seções irão apresentar os aparatos experimentais, assim como o pro- cedimento experimental adotado em cada um, com o objetivo de determinar as características
macroscópicas e microscópicas do spray de injetores PFI automotivos.