8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA

Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

UTILIZAÇÃO DE MISTURAS BIODIESEL - ÓLEO DIESEL: IMPACTO SOBRE A

EFICIÊNCIA DE UM MOTOR DE IGNIÇÃO POR COMPRESSÃO

André Valente Bueno*, José Antonio Velásquezº, Luiz Fernando Milanez‡

* Universidade Federal do Ceará - UFC, Fortaleza – Brasil, º Pontifícia Universidade Católica do Paraná - PUCPR, Curitiba – Brasil. Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR, Curitiba – Brasil, ‡ Universidade Estadual de

Campinas - UNICAMP, Campinas – Brasil. *e-mail: jose.velasquez@pucpr.br

RESUMO

Dentre os componentes que formam os gases emitidos por um motor diesel, os hidrocarbonetos não-queimados e o material particulado destacam-se como substâncias poluentes por serem agentes carcinogênicos. Além do impacto nos índices de poluição do motor, a formação dessas substâncias e de outros produtos de combustão incompleta tem reflexos sobre a eficiência do motor, pois com eles perde-se parte da energia química do combustível. Como se sabe, a formação de produtos da combustão incompleta depende fortemente da disponibilidade de oxigênio na zona de combustão e, por este motivo, a adição de um combustível oxigenado ao óleo diesel é considerada uma alternativa tanto para inibir a emissão desses poluentes como para aumentar a eficiência do motor. No presente trabalho, este aumento de eficiência foi analisado em detalhe, estabelecendo-se relações causa-efeito entre os parâmetros de desempenho do motor e os processos internos ao cilindro do motor. Para este estudo utilizou-se como ferramenta a análise exergética, aliada a técnicas já tradicionais nas pesquisas experimentais com motores, como medição da evolução da pressão no cilindro e ensaios em bancada dinamométrica.

PALAVRAS CHAVE

INTRODUÇÃO

A substituição do óleo diesel por alternativas renováveis, o controle das emissões poluentes e o aumento da eficiência térmica são temas de importância para o desenvolvimento dos motores diesel. Os ésteres de óleos vegetais, comumente chamados de biodiesel, constituem uma alternativa promissora para a substituição do óleo diesel [1]. As propriedades físico-químicas dessas substâncias são muito semelhantes às do óleo diesel e propiciam uma dinâmica aceitável para o processo de combustão. Quanto à formação de poluentes, a adição de biodiesel ao óleo diesel reduz significativamente a emissão de monóxido de carbono e material particulado, ao custo de um pequeno aumento na emissão de óxidos de nitrogênio [2]. Deve-se ressaltar que a adição de biodiesel também pode levar a um aumento na eficiência térmica do motor. No presente trabalho, esta elevação da eficiência térmica é analisada estabelecendo-se relações de causa e efeito entre o desempenho do motor e as alterações impostas pelo biodiesel nos processos ocorrentes no cilindro. Esta análise baseou-se em resultados de testes dinamométricos conduzidos com um motor diesel MWM 6.07 T alimentado com misturas de óleo diesel e biodiesel (éster etílico do óleo de soja), que foi adicionado em proporções de até 20% em volume. As especificações do motor e das misturas combustíveis são apresentadas nas Tabelas 1 e 2, respectivamente.

Tabela 1: Especificações do motor empregado nos experimentos.

Configuração 4 tempos injeção direta Válvulas por cilindro (admissão/escape) 2/1 Controle do Turbo Válvula Wastegate Fechamento das válvulas de admissão (° após PMI) 32 Número de cilindros 6 Abertura da válvula de escape (° antes do PMI) 55 Cilindrada [dm3_{] 4,2 Bomba injetora Bosch VE}

Diâmetro do Cilindro [m] 0,093 Bicos Injetores 5 furos Curso [m] 0,103 Pressão de abertura dos bicos (1º/2º estágio) [bar] 220/300 Comprimento de biela [m] 0,170 Potência máxima [kW] 123 Relação de compressão 17,8:1 Rotação de potência máxima [rpm] 3400

Tabela 2: Propriedades do óleo diesel, do éster etílico do óleo de soja (biodiesel) e das misturas parciais de interesse.

Combustível %Biodiesel _{(Volume) Empírica} Fórmula _[mast

f /mar]st Densidade [kg/m3_] Viscosidade [m2_{/s @ 40°C]} Numero de Cetano [ASTM D-613] PCI [MJ/kg] Exergia [MJ/kg] Óleo Diesel 0% C10,80H18,70O0,00 14,60 850,0 2,60 10-2 45,00 43,30 44,98 B05 5% C11,03H19,16O0,05 14,51 851,3 2,66 10-2 45,33 43,00 44,65 B10 10% C11,27H19,64O0,11 14,41 852,6 2,72 10-2 45,60 42,69 44,33 B15 15% C11,53H20,15O0,16 14,33 853,9 2,79 10-2 45,80 42,38 44,00 B20 20% C11,80H20,69O0,22 14,22 855,2 2,86 10-2 46,30 42,06 43,35 Biodiesel 100% C19,75H36,59O2,00 12,77 876,0 4,57 10-2 48,20 37,20 38,48

PROPRIEDADES DO COMBUSTÍVEL E FORMAÇÃO DE MISTURA

Com o objetivo de se avaliar o impacto da adição de biodiesel no processo de formação de mistura, efetuou-se uma comparação entre os valores da relação de equivalência φf obtidos empregando-se o óleo diesel e a mistura B20 em

condições de plena carga. Com a adição do biodiesel, a relação mássica estequiométrica ar-combustível (ast) é reduzida

devido à presença de oxigênio na composição do biodiesel e à sua menor razão C/H, como pode ser observado na Tabela 2. Além disso, o aumento de viscosidade devido á adição de biodiesel também causa uma redução da massa de combustível injetado no motor, como se observa na Figura 1a para o caso da mistura B20. Esses dois fatores promovem a redução na relação de equivalência combustível-ar (empobrecimento da mistura) mostrado na Figura 1b. Para as proporções de adição de biodiesel analisadas, o aumento na densidade de combustível causado pela adição de biodiesel não se mostrou relevante, resultando em um incremento de apenas 0,6 % para a substituição do óleo diesel pela mistura B20.

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 Diesel B20 C ons um o d e C o m bus tí v e l [k g/ h] Velocidade de Operação [rpm] (a) 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 Diesel B20 Relaç ã o de Equivalência ( φf ) Velocidade de Operação [rpm] (b)

Figura 1. Consumo de combustível e relação de equivalência em condições de plena carga.

Figura 2. Sistema termodinâmico e convenção de sinais.

ANÁLISE EXERGÉTICA DOS PROCESSOS OCORRENTES NO CILNDRO

Os efeitos da adição de biodiesel sobre a eficiência térmica do motor podem ser investigados em termos dos processos ocorrentes nos cilindros. Para tanto, realizou-se uma análise exergética no sistema mostrado na Figura 2, no qual W representa o trabalho indicado, mf a massa de combustível injetado e Q o calor transferido. Para este

sistema, o balanço de exergia pode ser escrito na seguinte forma:

I

Ex

Ex

Ex

dEx

dEx

+

=

δ

−

δ

+

δ

−

δ

Os termos ao lado esquerdo da Equação (1) representam a taxa de variação da exergia do fluído de trabalho, constituída pelas contribuições da exergia termomecânica (Extm) e química (Exch). As transferências de exergia associadas à transferência de calor (ExQ), ao trabalho indicado (ExW) e ao influxo de combustível (Exf) foram

representadas no primeiro, segundo e terceiro termos do lado direito dessa equação. Deve-se ressaltar que o cálculo de δExQ foi efetuado considerando-se a temperatura da fronteira do sistema igual à do fluído de trabalho, tratando-se

as irreversibilidades associadas à transferência de calor entre o fluído de trabalho e as superfícies metálicas que o cercam como irreversibilidades externas. Portanto, a taxa de destruição de exergia δI presente na Equação 1 refere-se apenas às irreversibilidades associadas aos processos de preparação e queima do combustível.

A integração da equação de balanço de exergia ao longo da parcela fechada do ciclo permite que se identifique o destino dado no cilindro para a exergia fornecida com o combustível:

f W Q ch tm

Ex

I

Ex

Ex

Ex

Ex

+

Δ

+

Δ

+

Δ

+

Δ

=

Δ

Δ

O sinal do termo correspondente à transferência de calor foi alterado nessa equação, de modo que ΔExQ representa a

exergia rejeitada no cilindro sob a forma de calor.

Os estados termodinâmicos do fluído de trabalho foram avaliados empregando-se um modelo de uma zona de combustão, que emprega parâmetros operacionais do motor e diagramas experimentais de pressão no cilindro como dados de entrada. Neste modelo, a carga do cilindro é tratada como uma mistura homogênea de gases ideais formada pelos produtos de combustão e por combustível vaporizado. Além disso, considerou-se que o conteúdo do cilindro passa por uma seqüência de estados de equilíbrio e que a reação de combustão ocorre de maneira espacialmente uniforme, formando CO, CO2, H, H2, H2O, N e O como produtos. Também se considerou que o combustível é

injetado no estado líquido, vaporizando-se instantaneamente ao adentrar o cilindro. A transferência de calor pelas fronteiras do sistema foi determinada empregando-se a correlação proposta por Annand e Ma [3].

Adição de biodiesel e a distribuição da exergia do combustível no cilindro

A relação de equivalência (φf) e a composição do combustível influenciam marcantemente os resultados apresentados

na Figura 3 para a distribuição dada para exergia do combustível no cilindro. Os termos da Equação 2 mostrados nessa figura foram normalizados com relação à exergia do combustível (ΔExf), e correspondem à operação do motor

em condições de plena carga com o óleo diesel e com a mistura B20.

Devido ao empobrecimento da mistura e à redução do conteúdo energético do combustível, a adição de biodiesel reduziu o valor da temperatura dos gases de combustão, causando um pequeno aumento na irreversibilidade e uma redução de até 6% na quantidade de exergia rejeitada através de transferência de calor. Estes resultados estão em acordo com os comentários apresentados por Rakopoulos and Giakoumis para os efeitos de parâmetros operacionais sobre o balanço de exergia no cilindro [4]. Além disso, a alteração da relação de equivalência pode afetar a distribuição dada à exergia do combustível até mesmo em casos onde as temperaturas de combustão permaneçam inalteradas, através da modificação de outras propriedades termodinâmicas do fluído de trabalho. Na medida em que a razão entre os calores específicos de um gás que executa uma expansão em um cilindro é aumentada, a quantidade de exergia termomecânica transferida como trabalho indicado ao longo da expansão também é aumentada [5]. Nos motores de combustão interna esse efeito pode ser obtido com o empobrecimento da mistura, que provoca uma elevação na relação entre calores específicos dos gases de combustão. Para um empobrecimento de mistura correspondente ao reportado há pouco para a mistura B20, pode-se esperar um aumento de cerca de 0,5% na quantidade de exergia termomecânica transferida como trabalho indicado devido à elevação da relação entre clores específicos do fluído de trabalho [6].

A quantidade de exergia química contida no fluído de trabalho ao final da combustão também é importante para a avaliação da eficiência com que o motor opera. A exergia química da carga do cilindro não pode ser utilizada para a produção de trabalho indicado após o término do processo de combustão [4], o que significa que quanto maior for a fração da exergia do combustível retida sob a forma de exergia química de produtos de combustão, menor será a eficiência do motor. O empobrecimento da mistura e a redução na relação C/H promovidos pela adição de biodiesel causaram a formação de produtos com menores valores de exergia química, como O2 e H2O, em detrimento da participação daqueles com altas exergias químicas, como CO2, CO e H2. A redução na exergia química retida nos gases de combustão alcançada com a mistura B20 foi maior que o aumento verificado na irreversibilidade, e portanto uma quantidade maior de exergia termomecânica disponível para a realização de trabalho e para a transferência através de calor foi obtida com essa mistura. Como a adição de biodiesel também favoreceu a conversão da exergia termomecânica da carga em trabalho indicado e reduziu a sua transferência através de rejeição d calor, verificou-se que a introdução de biodiesel aumentou a fração da exergia do combustível que é convertida em trabalho indicado no interior do cilindro.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 % da Exergia do Combustível ΔI ΔEx_W ΔEx_Q ΔExch ΔExtm B20 _Diesel (1000 rpm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 % da Exergia do Combustível ΔI ΔEx_W ΔEx_Q ΔExch ΔExtm B20 _Diesel (1400 rpm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 % da Exergia do Combustível ΔI ΔEx_W ΔEx_Q ΔExch ΔExtm B20 _Diesel (2000 rpm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 % da Exergia do Combustível ΔI ΔEx_W ΔEx_Q ΔExch ΔExtm B20 _Diesel (2600 rpm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 % da Exergia do Combustível ΔI ΔEx_W ΔEx_Q ΔExch ΔExtm B20 _Diesel (3200 rpm) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 % da Exergia do Combustível ΔI ΔEx_W ΔEx_Q ΔExch ΔExtm B20 _Diesel (3800 rpm)

PARÂMETROS DE FRENAGEM

Os termos do balanço de exergia no cilindro podem ser considerados parâmetros indicados, pois eles são calculados em função de dados experimentais de pressão no cilindro. Portanto, é necessário garantir que os efeitos da adição de biodiesel apontados através da análise desses termos são reproduzidos no desempenho global do motor, ou seja, é necessário garantir que eles podem ser estendidos para o comportamento observado em bancada para a eficiência térmica do motor. Empregou-se a seguinte expressão para determinar a eficiência térmica com que o motor operava com cada combustível:

f f b

ex

m

P

=

η

onde Pb representa a potência de frenagem, mf a massa de combustível consumida pelo motor e exf a exergia de fluxo

desse combustível. Os mapas de eficiência de frenagem obtidos com o óleo diesel e com as misturas consideradas no presente trabalho são apresentados na Figura 4. Esses mapas demonstram que o ganho de eficiência identificado pela análise exergética dos processos no cilindro foi reproduzido nos parâmetros de frenagem do motor. Para a adição de biodiesel em concentrações até à correspondente à mistura B10 observa-se um ganho de eficiência mais intenso, e um modesto entre B10 e B20.

(DIESEL) (B05)

(B10) (B20)

CONCLUSÕES

Os efeitos da adição do éster etílico do óleo de soja, em concentrações de até 20% em volume, foram analisados utilizando-se dados provenientes de ensaios dinamométricos realizados com um motor diesel rápido de injeção direta turbo-alimentado. Os resultados obtidos fornecem as seguintes conclusões:

1. O biodiesel causou uma redução da relação C/H do combustível e introduziu oxigênio em sua composição; 2. A adição de biodiesel ao óleo diesel provocou um empobrecimento da mistura combustível;

3. Devido ao empobrecimento da mistura combustível, as frações da exergia do combustível rejeitadas sob a forma de calor e exergia química dos produtos de combustão foram reduzidas, enquanto a fração transferida sob a forma de trabalho indicado foi aumentada;

4. O aumento do trabalho indicado provocou uma elevação na eficiência térmica do motor;

5. Observaram-se modificações mais intensas nos mapas de eficiência térmica para a adição de biodiesel em concentrações inferiores aos 10% em volume, a partir dessa concentração a eficiência foi alterada muito lentamente com a adição de biodiesel.

REFERÊNCIAS

1. M. S. Grabosky, R. L. McCormick, Combustion of fat and vegetable oil derived fuels in diesel engines, Prog. Energy Combust. Sci., vol 24, pp 125-164, 1998.

2. United States Environmental Protection Agency (EPA), A comprehensive analysis of biodiesel impacts on exhaust emissions, Draft Technical Report EPA420-P-02-001, 2002.

3. W. J. D. Annand, T. H. Ma, Instantaneous heat transfer rates to the cylinder head surface of a small compression-ignition engine, Proc. Inst. Mech. Engnrs., vol 185, pp 976-987, 1971.

4. C. D. Rakopoulos, E. G. Giakoumis, Second law analysis applied to internal combustion engines operation, Progress in Energy and Combustion Science, vol 32, pp 2-47, 2006.

5. J. B. Heywood, Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill, New York, 1988.

6. A. V. Bueno, Análise da operação de motores diesel com misturas parciais de biodiesel, Tese de doutorado, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, Brasil, 2006.

NOMENCLATURA

ast relação mássica ar combustível correspondente à queima estequiométrica (adimensional)

Ex exergia (J) ex exergia de fluxo (J) I irreversibilidade (J) m massa (kg) P potência (W) Q calor (J) W trabalho (J)

φ relação de equivalência (adimensional) η eficiência térmica (adimensional) Subscritos b parâmetros de frenagem f combustível Q calor W trabalho Sobrescritos ch quimica tm termomecânica Abreviaturas

PCI poder calorífico inferior rpm rotações por minuto