Análise do desempenho de um motor de combustão interna utilizando bio-óleo por pirólise, diesel e suas misturas como combustível. Este primeiro capítulo pretende tratar teoricamente dos conceitos de energia, motores de combustão e seu funcionamento, óleo diesel e bio-óleo de pirólise como combustíveis.
Formulação do Problema
Ainda segundo Tillmann (2013), o primeiro motor de combustão interna surgiu em 1860, criado por Jean Joseph Etienne, e sete anos depois Nicolaus Otto e Eugen Langen apresentaram um projeto mais eficiente. Qual o impacto do uso do bio-óleo de pirólise no desempenho do motor de combustão interna do ciclo diesel.
Justificativa
Para avaliar o rendimento e o desempenho do bio-óleo, é necessária uma análise de dados de um motor funcionando com ambos os combustíveis. A Figura 1 mostra que a frota de veículos dobrou entre 2003 e 2013 para um valor de 80 milhões de veículos em circulação, o que corresponde a cerca de um veículo para cada dois habitantes do Brasil.
Objetivos
Geral
Segundo o jornal O Progresso (2011), com o grande crescimento da frota de veículos no Brasil na última década, seria necessária uma área florestal onze vezes a área da Mata Atlântica para cobrir o CO2 emitido por esses veículos.
Específicos
Estrutura do Trabalho
Neste segundo capítulo, será apresentada uma abordagem histórica e teórica sobre energia, motores de combustão interna, meio ambiente e impactos causados pela queima de combustíveis, óleo diesel, processo de pirólise e seu produto, o bio-óleo, e sobre análise de eficiência .
Energia
Analisando a demanda de energia e projetando-a para o futuro, percebe-se o quanto ela se tornou fundamental para a sociedade moderna. A IEA também afirma que, além do grande crescimento das fontes renováveis de energia, os combustíveis derivados do petróleo ainda são a fonte de energia mais utilizada no mundo, conforme pode ser observado na Figura 4.
Motor de combustão interna
Durante o primeiro tempo, chamado de entrada, o pistão move-se do ponto morto superior para o ponto morto inferior conforme mostrado na Figura 7a, permitindo apenas a entrada de ar na câmara de combustão dentro do cilindro. Logo em seguida, inicia-se a etapa de compressão, onde as válvulas de admissão se fecham e o pistão se move para o ponto morto superior, comprimindo o ar novamente, conforme mostra a Figura 7b (TILLMANN, 2013). Quando o pistão atinge o ponto morto superior novamente, o injetor borrifa combustível na câmara de combustão, conforme mostrado na Figura 8a.
Nesse momento, o ar comprimido em alta pressão dentro do cilindro está a uma temperatura de cerca de 600ºC, e o Diesel pulverizado imediatamente inicia a combustão, levando o pistão ao ponto morto inferior e produzindo trabalho mecânico. Çengel e Boles (2012) destacam que, como o processo de injeção de combustível em um motor diesel começa quando o pistão se aproxima do ponto morto superior e continua durante parte do processo de expansão, o processo de combustão é mais demorado do que nos motores Otto.
Óleo Diesel
Costa (2007) observou que a fórmula molecular varia de acordo com o tipo de óleo diesel e que para a combustão de combustíveis líquidos é conveniente expressar a composição em termos de um único hidrocarboneto. Ferguson (2001) apud Costa (2007) também verificou que outras fórmulas também são utilizadas para escrever o óleo Diesel como C14,4H24,9. A pureza é uma medida da quantidade de água e sedimentos presentes no óleo diesel como resultado de transporte e manuseio inadequados.
A viscosidade é medida em função da resistência do óleo diesel para fluir através de um orifício padrão. O valor do ponto de fulgor depende da quantidade de hidrocarbonetos leves presentes no óleo (VARELLA E SANTOS, 2010).
Bio-óleo de pirólise
O processo de pirólise de biomassa por micro-ondas é uma proposta mais recente e altamente eficiente, com vantagens em relação aos processos mais convencionais. Borges (2014) defende que a pirólise por micro-ondas tem melhor controle sobre os parâmetros de aquecimento do processo, permitindo melhor controle da composição química dos produtos da pirólise, além de maximizar sua produção. A Tabela 2 compara o processo de pirólise por micro-ondas em relação à pirólise com aquecimento convencional.
Ainda segundo Borges (2014), a irradiação por micro-ondas proporciona melhor controle do processo devido ao aquecimento instantâneo, consequentemente proporcionando melhor controle do tempo de reação, temperatura e potência para a pirólise da biomassa. Ao analisar a Tabela 4, pode-se verificar que o poder calorífico do bio-óleo é aproximadamente a metade desses dois derivados de petróleo, e por outro lado, não contém enxofre, elemento que pode ser nocivo ao meio ambiente (PÉREZ e outros, 2007).
Análise de desempenho
Segundo Çengel e Boles (2012), a eficiência térmica máxima segundo a termodinâmica também pode ser obtida a partir da eficiência térmica do ciclo de Carnot (ηt Carnot), onde se baseia em processos reversíveis adiabáticos e térmicos, conforme visto na equação 7. Segundo Brunetti (2012), para calcular a energia interna específica (Δu) do sistema e a variação do calor específico (Δh), é necessário considerar a mistura ar-combustível como um gás perfeito. A equação de Clapeyron também pode ser usada, pois a mistura no motor é considerada um gás perfeito.
Usando essas considerações e levando em consideração o ciclo Diesel, a seguinte relação para a eficiência térmica do ciclo é obtida substituindo na Equação 6. Usando as Equações 17, 18 e 19 e substituindo-as na Equação 24 com as mudanças algébricas necessárias, chegamos at à equação de eficiência para o ciclo com entrada de calor a pressão constante.
Considerações finais
Por fim, outro fator importante a ser calculado para a análise de desempenho é a fração residual de gases (f), que segundo Brunetti (2012) é a razão entre a massa dos gases residuais e a massa da mistura no cilindro do motor. Este capítulo demonstra as características do desenvolvimento da pesquisa na análise de desempenho de um motor que utiliza uma mistura de óleo diesel e bio-óleo como combustível em um motor de combustão interna.
Tipo de Pesquisa
Já a pesquisa-ação é elaborada a partir de dados empíricos que buscam uma ação ou soluções para um problema. Por fim, segundo Gil (2002), a pesquisa experimental consiste em determinar um objeto de estudo, definir as formas de controle e observar os efeitos que as variáveis selecionadas para o caso produzem sobre o objeto. Este trabalho tem uma abordagem de pesquisa de forma quantitativa, pois faz uso de dados numéricos, cálculos e análises estatísticas.
Quanto ao objetivo do trabalho, trata-se de um estudo descritivo e experimental, pois será analisado e observado, tanto em cálculos quanto em testes, o funcionamento de um motor de combustão interna ciclo Diesel utilizando como combustível uma mistura de óleo diesel. e bio-óleo, para descrever seu funcionamento, consumo, torque e potência e emissão de poluentes. Este trabalho também contém um estudo bibliográfico baseado em trabalhos já realizados sobre o tema proposto.
Materiais e Métodos
Materiais e métodos para a análise experimental
Para a análise experimental foi selecionado um motogerador Nagano, modelo ND3200M, ilustrado na Figura 10. Com base nos dados do fabricante, foi determinado um modelo para a análise experimental conforme descrito no esquema ilustrado na Figura 11. Foi utilizado um sensor de fluxo para cálculo do consumo de combustível e um banco de resistências para distribuir a energia gerada pelo conjunto motor-gerador.
A Figura 12 mostra o sensor de vazão utilizado e a Figura 13 mostra o sistema de aquecimento de água que foi utilizado como banco de resistências para escoar a energia gerada pelo gerador. A ampola de vidro mostrada na Figura 15 para coleta e o aparelho Orsat para análise de amostra como mostrado na Figura 16 foram usados para analisar os gases de combustão.
Variáveis e Indicadores
Instrumento de Coleta de Dados
Para a pesquisa descritiva, a coleta de dados será feita por meio de pesquisa bibliográfica, por meio da busca de dados e informações em livros, teses, catálogos e manuais. Este motor será equipado com sensores para medir o consumo de combustível e sua rotação, e será programado por um Arduino UNO.
Tabulação dos Dados
Considerações Finais do Capítulo
Este capítulo tem como objetivo apresentar os resultados do desenvolvimento da análise de desempenho de um motor de combustão interna operando com bio-óleo de pirólise como aditivo de combustível. Também são detalhados os dados de entrada do problema, assim como todos os cálculos teóricos realizados no software Microsoft EXCEL e a montagem para testes práticos, apresentando por fim os resultados obtidos.
Análise Teórica
Cálculo Teórico da Combustão
Para iniciar a análise da eficiência da adição de bio-óleo ao funcionamento de um motor diesel, é importante fazer cálculos teóricos de combustão e temperatura de chama para verificar a energia liberada pelos combustíveis na reação. A equação mostra que com a adição de 10% de ar, a proporção de ar na reação aumenta para 23,79 partes de ar para cada parte de Diesel. Com a adição gradual de biocalor à combustão, é possível observar uma mudança significativa nas proporções de combustível e ar, bem como na composição dos gases produzidos.
A seguir são explicadas as reações de combustão para as três misturas contendo Bio-óleo e já considerando a adição de 10% de ar. A temperatura da chama tende a diminuir conforme o bio-óleo é adicionado à mistura, embora a diferença seja pequena entre os cálculos com 100% Diesel e com a adição de 15% de bio-óleo.
Comparativo dos Gases de Combustão
Análise Experimental
A Tabela 13 apresenta a composição do bio-óleo utilizado neste trabalho em relação aos componentes químicos presentes. Durante as primeiras misturas, verificou-se que o Bio-óleo não se dilui bem no Diesel, conforme pode ser observado na Figura 19. Para a análise experimental com a mistura do combustível com o bio-óleo a 5%, o mesmo procedimento foi realizada para a preparação dos testes.
A Figura 21 mostra os dados coletados durante os testes com o motor funcionando com uma mistura de 95% de diesel e 5% de bio-óleo. Este resultado de consumo reduzido pode ser caracterizado por uma combustão significativamente mais rápida do bio-óleo.
Considerações Finais
Também é possível notar que há redução no consumo de combustível em relação ao teste com diesel puro. A vazão média de combustível neste caso ficou próxima a 16,87 mililitros por minuto (1,01 l/h), o que apresenta resultado diferente do previsto em cálculos teóricos. As análises dos gases de combustão no Aparelho Orsat, devido aos problemas apresentados pelo motor, não foram concluídas, pois só foi possível coletar amostras dos gases da combustão de Diesel puro.
Conclusões
Os testes com gasóleo puro correram na perfeição e mostraram um consumo de gasóleo de 1.044 l/h, valores muito próximos dos calculados teoricamente. Já no momento dos testes com o bio-óleo, devido a sua alta viscosidade e baixa miscibilidade no Diesel, a mistura combustível bloqueou o injetor de combustível e com isso parou o motor completamente. Este teste durou trinta minutos e obteve uma vazão média de 1,011 l/h de combustível, o que caracteriza uma melhora no consumo de combustível com a adição do Bio-óleo.
Considerando a redução no consumo de combustível e o fato do Bio-Oil ser de origem vegetal e renovável, os resultados obtidos neste trabalho foram satisfatórios, principalmente para a pesquisa de combustíveis alternativos e fontes renováveis de energia com redução da poluição. Também é importante ressaltar que pelo que vimos durante a análise experimental, o bio-óleo parece ter uma alta reatividade com metais, pois o próprio tanque de combustível do motor estava completamente coberto com bio-óleo, efeito que não ocorreu se um recipiente de combustível de plástico foi usado.
Recomendações para Trabalhos Futuros
Análise energética e exergética de um motor de combustão interna operando com uma mistura de diesel e gás natural. Disponível em: http://www.epe.gov.br/pt/publicacoes-dados-bertos/publicacoes/Balanco-Energetico-Nacional-2017. Análise de desempenho de um motor de combustão interna operando com modo dual (diesel + gás natural).
Disponível em http://www.progresso.com.br/caderno-a/veiculos/frota-de-veiculos-cresce-119-em-dez-anos-no-brasil-aponta-denatran. Disponível em https://mundoestranho.abril.com.br/ambiente/quanto-tempo-vai-durar-o-petroleo-no-mundo/.
