5º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS

5º CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISA E

DESENVOLVIMENTO EM PETRÓLEO E GÁS

TÍTULO DO TRABALHO:

Avaliação do consumo de combustível e da potência de misturas diesel/ etanol/ tensoativo e biodiesel em motor diesel.

AUTORES:

Manoel Reginaldo Fernandes1, Afonso Avelino Dantas Neto1, Eduardo Lins de Barros Neto1, Tereza Neuma de Castro Dantas2, Igor Silva de Araujo1, Rodolfo Ticiano Marques Nogueira1.

reginaldo@eq.ufrn.br

INSTITUIÇÃO: 1

Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Departamento de Engenharia Química.

2

TÍTULO DO TRABALHO

Avaliação do consumo de combustível e da potência de misturas

diesel/ etanol/ tensoativo e biodiesel em motor diesel.

Abstract

Along the years, the threat of oil reserves exhaustion, the growing demand for diesel oil and

severe environmental laws have attracted interest in research to replace the petroleum fuels by

various types of clean fuels, such as: diesel oil with vegetable oils mixtures; diesel oil,

vegetable oils and alcohol mixtures; diesel oil with methyl or ethyl esters mixtures;

emulsions; and microemulsions. Modifications in fuel composition and improvements in

engines production technology are the proposals presented to improve the engine efficiency

and to reduce pollutants generation. The change in fuel composition is probably the most

effective way, because the effects are immediate. Based on this context, this paper seeks to

evaluate the performance of a compression ignition engine using diesel fuel/alcohol/surfactant

mixtures and biodiesel as fuels, without any modifying in the engine, comparing with pure

diesel (without additives) and with commercial diesel through characteristic curves. The

experiments were performed on a stationary dynamometric bench, composed by a diesel

engine (BRANCO model - 5 cv), a generator with 6 kW generation capacity, an electric

system for generator load application and a resistance bench. A tachometer was also used to

set the engine rotation, a burette and a chronometer were used to measure the time required by

the engine to consume 25 mL of fuel. The essay was conducted by varying the generator

potency with a control key that increases its potency. The generator potency was gradually

varied from zero to 2 kw. The rotation was controlled in 3500 rpm by the tachometer and the

engine acceleration system. The fuel solutions were prepared by adding to diesel fuel 1wt.%

surfactant, 20 wt.% biodiesel and a varied mass of ethyl alcohol (5, 10, 15, and 20 wt.%). The

diesel oil was free of any additive or contaminant and the ethyl alcohol was 99.5% purity.

The non-ionic surfactant used in all experiments was a commercial grade and the biodiesel

was obtained from transesterification reactions using soybean oil and ethyl alcohol. The

obtained results showed that for the same potency conditions the specific fuel consumption

was reduced using pure diesel and commercial diesel, showing that the addition of ethyl

alcohol to diesel increases fuel consumption.

Words Key:

· Surfactant · Diesel ·

Fuel consumption

Ethyl alcohol

Introdução

O impacto no desenvolvimento industrial, através da descoberta das máquinas térmicas tem levado nos dois últimos séculos a diversas pesquisas em motores e combustíveis, pois a reação química dos combustíveis com o ar gera energia e trabalho que movimentam as mais variadas máquinas. Ao longo dos anos, o homem tem procurado melhorar seu desempenho e adequação aos diversos tipos de combustível.

Segundo Taylor, C. F. 1988 os motores de combustão interna podem operar com vários combustíveis líquidos voláteis como: óleos pesados, diesel, querosene, gasolina, álcool, benzol, etc., ou gases (butano, propano, etc).

Estudos realizados por Lapuerta, M. et. al., 2007, mostram que quantidades de 10% de etanol no diesel causaram efeitos poucos significativos no rendimento do motor quando relacionado com o diesel comercial. Os autores também relataram a necessidade de aditivos para incrementar o índice de cetano, e cosloventes para assegurar a estabilidade da mistura, e o “re-design” no sistema de partida, provocaria melhores resultados no desempenho e nas emissões.

Santos, A. S. et. al. 2000 no trabalho a “experiência brasileira no desenvolvimento de um combustível binário álcool-diesel” relataram que foi observada uma redução nas emissões de fumaça e no consumo de combustível, no índice de cetano, bem como a ocorrência de problemas apenas com bombas injetoras rotativas, que são minoritárias na frota brasileira.

Ainda na década de 70 foi estudada uma possibilidade de substituição do óleo diesel por álcool em motores de ignição por compressão (Dias, 1985). No entanto, esta substituição resultou em alguns problemas de adequação ao sistema de combustão (Ecklund, 1994) como o uso de aditivos para aumentar o poder de auto-ignição do etanol que apresenta baixo índice de cetano e a busca do desenvolvimento de materiais mais resistentes à corrosão.

O número elevado do cetano do diesel é primordial para a partida do motor e para uma melhor combustão desse combustível reduzindo problemas mecânicos e de poluentes (Kim, H. e Choi, B. 2008; Murta Valle, M. L. 2007).

O biodiesel por ter solubilidade total no diesel e ter maior índice de cetano, aumenta a lubricidade das peças do motor, e também solubiliza melhor no etanol que o diesel, quando misturados ao diesel em proporções de até 20 % tem se mostrado estável.

Os biocombustíveis vêem ganhando força, nos últimos anos, no uso de motores de combustão interna por serem renováveis e biodegradáveis e se apresentarem como uma boa alternativa na redução de poluentes. Para isso, estamos propondo neste trabalho estudar os efeitos das misturas diesel/biodiesel/etanol/tensoativos no rendimento e no consumo específico de combustível de um motor ciclo diesel e compará-lo ao diesel comercial e ao diesel puro (sem aditivos) através de curvas características.

Estas misturas apresentam grande relevância devido ao uso de dois combustíveis renováveis diminuindo as quantidades de uso dos combustíveis fosseis.

Metodologia

I- Preparação das misturas

Os sistemas combustíveis foram preparados mantendo-se fixa as concentrações de tensoativo e biodiesel nas proporções de 1 % e 20 %, respectivamente. As concentrações de álcool etílico foram variadas em 5 %, 10 %, 15 % e 20 % e as de diesel em 74%, 69%, 64% e 59%. O óleo diesel usado era isento de qualquer aditivo, o álcool etílico apresentava pureza de 99,5 %, o tensoativo usado foi um tensoativo comercial não-iônico e o biodiesel foi obtido a partir do óleo de soja bruto e álcool etílico a partir reações de transesterificação.

As amostras foram preparadas pesando-se as massas de cada componente e depois misturando-os, por agitação mecânica até formar uma mistura homogênea.

II – Propriedades dos combustíveis

As propriedades tratadas neste trabalho foram a densidade, a viscosidade e o índice de cetano. A densidade foi medida por picnometria.

Os ensaios de viscosidade foram realizados no reômetro Mars que utiliza o sistema de cilindros coaxiais, onde um volume de 11 mL da amostra é cisalhada entre as paredes dos cilindros. Os resultados da viscosidade são lidos através de um software específico.

O índice de cetano é calculado de acordo com a norma ASTM D976. A equação para obter este índice leva em consideração D a densidade a 15 ºC (g/cm3) e B a temperatura (ºC) quando 50% do volume de destilado de uma amostra de 100 mL for obtido. A equação para o cálculo do índice de cetano é a seguinte:

IC D 976 = 454,74 – 1641,416*D + 774,74*D

2

– 0,554*B + 97,803 (logB)2 III - Ensaios de potência e consumo de combustível

Estes ensaios foram realizados em motor de ciclo diesel, num dinamômetro de bancada de seguindo normas ABNT – NBR ISO 1585.

O banco é composto de um motor diesel modelo BRANCO de 5 cv, um gerador, um banco de resistência, um quadro de controle para registrar a potência, tacômetro estroboscópico, reservatório de combustível, bureta e cronômetro.

Foram realizados ensaios no motor com diesel comercial (DPA), diesel puro (DP), mistura diesel puro/biodiesel (80%/20%, B20) e misturas de diesel puro/biodiesel/etanol/tensoativo nas proporções descritas no item I, preparação das misturas.

Os ensaios de consumo e de potência foram realizados da seguinte forma: inicialmente aplica-se potência no gerador por meio de uma chave localizada no quadro de controle. Depois ajusta-aplica-se a rotação para 3500 rpm com um tacômetro e o sistema de aceleração do motor. Se a potência mudar quando se faz o controle da rotação deve-se ajustar a potência para o valor desejado. Depois que a potência e a rotação estiverem ajustadas mede-se o tempo que o motor gasta para consumir 25 mL do combustível. Foram feitos oito pontos de potência iniciando-se da menor 0,0274 kW até a máxima 2,5977 kW. A potência do motor ensaiado é 75% da do gerador.

O consumo específico de combustível é calculado pela equação:

P

e

C

₌

Onde Ce é o consumo específico de combustível (g/kWh), Qo é o consumo horário observado

(g/h) e P é a Potência (kW)

O consumo horário de combustível é calculado por:

t v t m 60 * * ρ * 60 Q _o = =

Onde Qo é o Consumo horário observado (g/h), m é a massa de combustível (g) e t o tempo em

Figura 01 - Esquema do sistema com banco dinamométrico (gerador, quadro de comando e banco de resistência) e analisador de emissões.

Resultados e Discussão

Neste tópico apresentamos os resultados e discussões de consumo específico de diesel sem aditivos, diesel comercial, e misturas de diesel/biodiesel/etanol/tensoativo em um banco de ensaios de motores.

I – Propriedades dos combustíveis

A Tabela 1 mostra as a densidade, a viscosidade e o índice de cetano para os combustíveis e as misturas com etanol, biodiesel, tensoativo e diesel.

Tabela 1- Propriedades dos combustíveis e das misturas com diesel/biodiesel/etanol/tensoativo.

A densidade das misturas foi maior que as dos combustíveis dieseis, tanto o comercial como o puro, pois a quantidade de etanol tenderia a reduzir a densidade, mas as misturas também contem 20% de biodiesel elevando assim a densidade das mesmas. Estes valores se encontram dentro da faixa especificada pela ANP que é de: 820 a 865 kg/m3.

As viscosidades de todos os combustíveis testados estão dentro das especificações da ANP (viscosidade a 40 ºC, 2,0 a 5,0 cSt).

O índice de cetano do diesel comercial foi maior que todos os demais, pois este já está preparado para ser usado nos motores. No caso do diesel puro que é isento de qualquer aditivo apresentou índice de cetano menor que o diesel comercial. No caso das misturas contendo etanol o

Propriedades Combustíveis

Densidade (kg/m3) Viscosidade (cSt) Índice de Cetano

Diesel Comercial 817,6 3,2212 65,02 Diesel Puro 816,5 3,2119 58,94 B20 848,7 3,5500 56,24 Mistura EtOH 5 % 828,6 3,6206 55,97 Mistura EtOH 10 % 825,6 2,8568 56,73 Mistura EtOH 15 % 821,2 2,7060 54,62 Mistura EtOH 20 % 821,1 2,6417 40,58 A V W Var PF 0.000 0 5 10 Motor Gerador Quadro deComando Banco de Resistência

índice de cetano caiu com o aumento do etanol devido à baixa concentração de cetano no álcool (Kwanchareon, P. et. al., 2007).

I I– Estudo do consumo específico de combustível para o diesel e para as misturas.

Os gráficos da Figura 2 mostram o consumo específico do diesel comercial, do diesel puro (sem aditivos) e de misturas de diesel/biodiesel/etanol/tensoativo para cada potência desenvolvida pelo motor. (a) (b) (c) (d) (e) (f) 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 DPA DP B20 5% EtOH 10% EtOH 15% EtOH 20% EtOH C o n s . E s p . (g /K W h ) Pot. 0,0274 (kW) 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 DPA DP B20 5% EtOH 10% EtOH 15% EtOH 20% EtOH C o n s . E s p . (g /K W h ) Pot. 0,1461 (kW) 0 200 400 600 800 1000 1200 DPA DP B20 5% EtOH 10% EtOH 15% EtOH 20% EtOH C o n s . E s p . (g /K W h ) Pot. 0,4224 (kW) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 DPA DP B20 5% EtOH 10% EtOH 15% EtOH 20% EtOH C o n s . E s p . (g /K W h ) Pot. 0,7673 (kW) 0 100 200 300 400 500 600 DPA DP B20 5% EtOH 10% EtOH 15% EtOH 20% EtOH C o n s . E s p . (g /K W h ) Pot. 1,2976 (kW) 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 DPA DP B20 5% EtOH 10% EtOH 15% EtOH 20% EtOH C o n s . E s p . (g /K W h ) Pot. 1,7889 (kW)

(g) (h)

Figura 2. Curvas de consumo específico em função dos combustíveis para as várias potências do motor: a) 0,0274 (kW), b) 0,1461 (kW), c) 0,4224 (kW), d) 0,7673 (kW), e) 0,7673 (kW), f) 1,2976 (kW), f) 1,7989 (kW), g) 2,1981 (kW) e h) 2,5977 (kW).

As abreviações da Figufa 2 significam: Pot. É a potência do motor, Cons. Esp. é o consumo específico de combustível, DPA é o diesel comercial, DP é o diesel puro, B20 é a mistura diesel/biodiesel com 20% de biodiesel no diesel puro, 5% EtOH é a mistura contendo 74% de diesel, 20% de biodiesel, 5% de etanol e 1% de tensoativo, 10% EtOH é a mistura contendo 69% de diesel, 20% de biodiesel, 10% de etanol e 1% de tensoativo, 15% EtOH é a mistura contendo 64% de diesel, 20% de biodiesel, 15% de etanol e 1% de tensoativo e 20% EtOH é a mistura contendo 59% de diesel, 20% de biodiesel, 20% de etanol e 1% de tensoativo.

Como se pode perceber houve aumento no consumo específico de combustível tanto para o diesel puro (DP), a mistura B 20 quanto para as misturas contendo diesel puro/biodiesel/etanol/tensoativo quando comparados ao diesel comercial (DPA) para todas as faixas de potência do motor.

O menor consumo específico do diesel comercial (DPA) pode ser explicado pelo fato deste combustível conter em sua formulação aditivos para limpeza do sistema de alimentação, antioxidantes e melhoradores do número de cetano.

As misturas contendo etanol em sua composição apresentaram maior consumo a medida que foi aumentando a concentração do álcool na mistura. Isto se deve a baixa energia produzida pelo etanol comparada ao diesel. A Energia produzida pelo etanol é de 24,92 MJ/Kg e pelo diesel é de 42,12 MJ/Kg (Pérez, 2007). Isto explica o maior consumo de combustível das misturas contendo etanol, pois para compensar a menor energia do álcool e manter a mesma potência é necessário aumentar o volume de combustível injetado na câmara de combustão.

A alta concentração de etanol na mistura contendo 59% de diesel, 20% de biodiesel, 20% de etanol e 1% de tensoatvo não foi possível medir o consumo na potência de 2,5977 kW Figura 2 (h). Pois, a grande quantidade de etanol resultou em instabilidade na potência e na rotação do motor.

Outro fator a ser ressaltado é o ídice de cetano dos combustíveis, pois esta propriedade pode causar dificuldade na partida, no controle da rotação, combustão incompleta e mau funcionamento do motor. Isto pode explicar o aumento no consumo, na partida e também na instabilidade da potência principalmente para mistura contendo 20% de etanol que apresentou o menor índice de cetano.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 DPA DP B20 5% EtOH 10% EtOH 15% EtOH 20% EtOH C o n s . E s p . (g /K W h ) Pot. 2,1981 (kW) 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 DPA DP B20 5% EtOH 10% EtOH 15% EtOH 20% EtOH C o n s . E s p . (g /K W h ) Pot. 2,5977 (kW)

A Agencia Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis especifica como valor mínimo para o número de cetano 42.

Conclusão

As misturas diesel Puro/biodiesel/etanol/tensoativo não se mostrou uma boa alternativa como combustível em motores de cíclo diesel, pois causou dificuldade na partida do motor, reduziu o índice de cetano e apresentou maior consumo específico que o diesel puro (DP) e diesel comercial (DPA).

Para que estas misturas sejam usadas em motores diesel será necessário fazer modificações no motor o que não fez parte deste trabalho.

Agradecimentos

PRH 14 – UFRN/PPGEQ. Referências Bibliográficas

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