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How to cite this paperAn. 4. Enc. Energ. Meio Rural 2002
Análise da variação dos parâmetros de desempenho de um motor de ignição por compressão utilizando misturas álcool-diesel
Ithamar Ribeiro RangelI; Roberto Guimarães PereiraII
IInstituto Militar de Engenharia - IME. Departamento de Engenharia Mecânica e Materiais - DE/4. Praça Gen. Tibúrcio, 80, Praia Vermelha - Urca - cep: 22290-160 - Rio de Janeiro, RJ, Brasil. ita@epq.ime.eb.br / ithamar@ajato.com.br
IIUniversidade Federal Fluminense - UFF.Departamento de Engenharia Mecânica. Rua Passos da Pátria, 156, São Domingos - cep: 24210-240 -Niterói, RJ, Brasil. temrobe@vm.uff.br
RESUMO
A baixa solubilidade do etanol anidro em óleo diesel, motivou o estudo de misturas ternárias onde o butanol normal é utilizado como co-solvente. Dentro deste enfoque várias misturas foram ensaiadas no motor MBB OM355/6A, obtendo-se em alguns casos, desempenho igual ou superior ao do óleo diesel. Os resultados obtidos nos testes de desempenho em banco dinamométrico, o levantamento dos parâmetros reológicos e as propriedades físico-químicas de misturas são apresentados.
Palavras chaves: Combustível, Reologia e propriedades de fluidos, Motores de Combustão Interna.
ABSTRACT
The low solubility of ethanol in the diesel oil has motivated the study of blends using butanol like co-solvent. In this work, rheological parameters and physical and chemical properties were investigated. The blends were tested in engines as: MBB OM355/6A. The results obtained in dynamometer bench, the rheological and physical and-chemical properties are shown.
INTRODUÇÃO
A matriz energética mundial mostra uma movimentação acelerada de substituir parte dos combustíveis fósseis por combustíveis derivados das biomassas. Tanto na Europa e nos Estados Unidos como na América Latina e Ásia, mostram tendências de intensificação de pesquisas e rápido aumento de produção e uso de biocombustíveis, gerados à base de diversas matérias primas agrícolas, como milho, beterraba, trigo, soja e girassol, além da cana.
A demanda de óleo diesel, mais do que qualquer outro derivado, vem determinando a muito uma evasão de divisas através das importações do óleo cru e do próprio óleo diesel, além disso, ressalta-se que os grandes produtores e as grandes quantidades das Reservas Mundiais encontram-se no Oriente Médio, região dotada de alta instabilidade política. Dentro deste panorama o óleo diesel torna-se um combustível crítico, pois qualquer impedimento às importações traria um reflexo imediato ao sistema de transporte do país, já que este sistema é baseado principalmente no transporte rodoviário. Esses aspectos associados que novas reservas mundiais de petróleo estão cada vez mais escassas, torna-se imperativo que pesquisas sejam realizadas com o objetivo de encontrar alternativas que venham minimizar ou até atingir um grau de completa independência, não só do óleo diesel, mas como de todos derivados do petróleo
No entanto, se as poucas modificações nos tradicionais motores de ignição por centelha ( motor a gasolina) viabilizaram a utilização do etanol. Primeiro como mistura e depois como substituto completo da gasolina, o mesmo não ocorre para com o óleo diesel.
Dentre as várias alternativas para substituição parcial do óleo diesel, a utilização de misturas diesel-etanol anidro destaca-se como a de aplicação mais simples , já que existe grande disponibilidade de etanol e não é necessário qualquer alteração no motor original.
O principal problema deste tipo de alternativa é a baixa solubilidade do etanol em óleo diesel, e estabilidade que essas misturas possuem com a variação de temperatura e umidade ambiente, impedindo a utilização de misturas com teores acima de aproximadamente 5% de etanol. . Uma das soluções para aumentar a solubilidade e melhorar a estabilidade é utilizar uma terceira substância que, agindo como co-solvente, possibilite teores de misturas com o melhor nível de estabilidade e as e maiores percentuais de substituições. Dentre as várias alternativas de utilização de co-solventes, optou-se inicialmente pelo butanol, uma vez que esta substancia pode ser produzida a partir da cana.
A principal vantagem em utilizar o butanol como co-solvente, seria que esta alternativa permitiria alargar as possibilidades da cana de açúcar, pois a partir dela três produtos principais seriam obtidos: etanol, butanol e açúcar.
O objetivo do trabalho é apresentar resultados comparativos, obtidos através de ensaios de desempenho em banco dinamométrico, do motor MBB OM355/6A óleo diesel e misturas ternárias, e investigar as variações dos parâmetros reológicos e físico-químicos dessas misturas em relação ao óleo diesel.
TESTE DE DESEMPENHO
Foram realizados testes de desempenho em banco dinamométrico, utilizando o motor MBB OM355/6A, com as seguintes misturas:
MD+A(B+C)BE - misturas com A% de substituição de óleo diesel, sendo A% igual a B% de Butanol normal mais C% de etanol anidro.
CARACTERÍSTICAS DO MOTOR
Motor: Mercedes-Benz
Modelo: OM355/6A
Número de série: E-253-MBB
Número de cilindros: 06
Curso: 150mm
Diâmetro do cilindro: 129,52mm(reparo III)
Cilindrada total: 11857 cm3
Taxa de compressão: 15:1
Aplicação: Veicular
Câmara de combustão: Injeção direta
Regulador de velocidade: RQ-250/1100 PA419R
Bomba injetora: Bosch, 44 80 300
INSTRUMENTAÇÃO UTILIZADA
Dinamômetro de indução marca Schenck, modelo D630, com capacidade de absorção de até 630 kw à 5500 rpm.
Manômetro analógico, marca Okan, campo, campo de medição de zero a 20 kgf/cm2, precisão de 0,25 kgf/cm2.
Manômetro analógico, marca Suko, campo de medição de zero a 60 kgf/cm2, precisão de 1 kgf/cm2.
Termômetro analógico, marca Henni, campo de medição de zero a 160 °C, precisão de 1 °C.
Bureta de vidro, calibrada para 100, 300 e 400 cm3.
Cronômetro digital automático, marca ALFA, precisão de 0,1 segundos.
Termômetro analógico, marca Hurger, campo de medição de zero a 55 °C, precisão de 1 °C.
Manômetro analógico, marca Hurger, precisão 1mm de Hg.
Psicômetro analógico, marca Hurger, precisão de 1%.
METODOLOGIA APLICADA
Os ensaios foram realizados segundo a orientação da norma ABNT 5484.
O início de cada bateria de ensaios sempre foi precedido da estabilização da temperatura do óleo lubrificante e da temperatura da água de arrefecimento.
Para a avaliação dos resultados tomou-se como padrão de referência o desempenho do motor com o seu combustível original, óleo diesel, para a solicitação de plena carga.
RESULTADOS OBTIDOS
Os percentuais de substituição de óleo diesel, efetuados através da adição de butanol normal e etanol anidro, foram corrigidos e avaliados de acordo com as seguintes expressões:
SC = 1 - (CEVDM/CEVD) X 100 (1)
SC - percentual de substituição corrigido de óleo diesel.
CEVDM - consumo específico volumétrico de óleo diesel na mistura.
CEVD - consumo específico volumétrico de óleo diesel.
CEVDM = (DMX CV) / Neo (2)
DM - percentual de diesel na mistura.
CV - consumo volumétrico da mistura álcool-diesel.
Neo - potência efetiva observada.
ES = (SC / SV) X 100 (3)
ES - eficiência de substituição de óleo diesel.
SC - percentual de substituição corrigido de óleo diesel.
SV - substituição volumétrica de óleo diesel
Todas as misturas aplicadas ao motor MBB OM355/6A, resultaram em queda média máxima de potência inferior a 5% e um aumento médio máximo no consumo específico de 6%, conforme a Tab. (2).
A variação de potência efetiva observada e o consumo específico entre o motor alimentado com o óleo diesel e com as diversas misturas, pode ser observada através da Fig. (1) e Fig. (3).
As misturas MD+10(3,0+7,0)BE, MD+11,5(3,5+8,0)BE, MD+12,5(4,5+8,0)BE, MD+12,5(5,0+7,5)BE, MD+15(5,0+10)BE obtiveram variações percentuais médias de potência efetiva observada e momento de força observado de 1,5; -2,4; -2,7; -3,9; -4,1 e -3,6; -1,6; -2,8; -2,3; -0,4 para o consumo específico conforme a Tab. (2) e Fig. (2) e Fig. (4).
Para a substituição volumétrica do óleo diesel, os valores encontrados de 12; 11,9; 14 e 14,8; com eficiência de substituição de 120; 103,5;112; 112 e 98,7 respectivamente, conforme a Tab. (2) e Fig. (6).
Em termos de rendimento térmico, os resultados encontrados são superiores aos mostrados com o óleo diesel, conforme Tab. (2) e Fig. (7), obtendo-se variações percentuais médias de 7,2; 4,9; 6,6; 5,9 e 4,6 respectivamente, conforme a Tab. (2) e Fig. (8).
CARACTERIZAÇÃO REOLÓGICA
O objetivo da caracterização reológica é o levantamento das possíveis variações dos parâmetros reológicos das misturas álcool-diesel em relação ao óleo diesel. Para isto submeteu-se as amostras ao teste de cisalhamento (steady shear), obtendo-se as curvas de viscosidade aparente em função da taxa de deformação.
INTRUMENTAÇÃO UTILIZADA
Todas as medidas foram realizadas em um reômetro rotativo RS50 conectado a um banho termostático K20-DC, ambos da marca HAAKE, utilizando o sensor de geometria tipo cilindros concêntricos DG41 cuja especificações geométricas encontram-se listadas abaixo:
Diâmetro interno 1: 35,500mm
Diâmetro interno 2: 36,000mm
Diâmetro externo 1: 42,800mm
Diâmetro externo 2: 43,400mm
Volume da amostra 6,3 cm3
METODOLOGIA APLICADA
Os produtos utilizados na obtenção das misturas álcool-diesel são de origem comercial, sendo as mesmas preparadas no Laboratório de Reologia da UFF.
Para cada medição sempre utilizou-se uma nova amostra, e antes de iniciar o teste aguardava-se que ela entrasse em equilíbrio térmico.
As amostras foram medidas e introduzidas no sensor através de seringas com campos de medição de 0 a 6mm e precisão de 0,1mm.
Foram realizadas, para cada mistura, testes nas temperaturas de 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 e 90 °C respectivamente.
TESTE DE CISALHAMENTO
Os teste de cisalhamento consiste em impor à amostra de fluido um determinado valor de tensão (método a tensão controlada - CS) ou de deformação (método de deformação controlada - CR) obtendo-se como resposta, respectivamente, um valor de deformação ou de tensão. Obtém-se, então, a curva de escoamento do material, relacionando a tensão com a taxa de deformação ou tensão. Uma relação linear caracteriza o fluido como Newtoniano, sendo a viscosidade do fluido independente da taxa de deformação. Para o caso de uma relação não linear entre a tensão e a taxa de deformação, tem-se um fluido não-Newtoniano cujo o valor da viscosidade depende da taxa de deformação aplicada. Para os fluidos até então investigados a viscosidade não variou com a taxa de deformação, conforme Fig. (9).
RESULTADOS OBTIDOS
A Figura (10) apresenta a variação da viscosidade aparente com a temperatura do óleo diesel e misturas álcool-diesel obtidas nos testes de cisalhamento.
Constata-se através da mesma a diferença entre os valores de viscosidade aparente do óleo diesel e misturas álcool-diesel, sendo que esta acentua-se na temperatura de 20 °C e decresce na medida que a temperatura aumenta.
Na Figura (11) encontram-se as diferenças percentuais dos resultados obtidos nos testes de cisalhamento, entre a mistura MD+15(5,0+10)BE e o óleo diesel, obtendo-se valores que variam entre 17,5 a 22,5% no intervalo de temperatura entre 20 a 90 °C. Para as demais misturas os valores posicionaram-se entre 12 a 21%, destacando-se a mistura MD+10(3,0+7,0)BE, para a qual obtiveram-se as menores variações percentuais, e estas posicionaram-se entre 12 a 17,5%.
CARACTERIZAÇÃO FÍSICO-QUÍMICA
O óleo diesel é uma complexa mistura de vários hidrocarbonetos, obtidos através da destilação do petróleo no intervalo de temperatura entre 150 a a 380 °C. A sua composição está diretamente relacionada a constituição do óleo que o deu origem e as necessidades impostas pelo mercado consumidor. A sua constituição determina as características necessárias para a sua utilização em motores de ignição por compressão, necessitando portanto que essas sejam determinadas em laboratórios e acompanhadas no campo, possibilitando assim que sua utilização não comprometa a durabilidade e desempenho da máquina da máquina térmica.
RESULTADOS OBTIDOS
A tabela (4) apresenta os resultados encontrados através da análise físico-químicas do óleo diesel e da mistura MD+15(5,0+10)BE, dentre as características apresentadas destacam-se as que afetam o desempenho e durabilidade do motor, citando-se a viscosidade cinemática, o índice de cetano, densidade, poder calorífico superior e teor de enxofre; obtendo-se as diferenças percentuais entre a mistura e o óleo diesel de -16,8; -13,1; -3,0; -4,8 e -15,4 respectivamente.
Para as propriedades cor ASTM, ponto de névoa, destilação 85% evaporado, resíduo de carbono e água e sedimentos; as diferenças percentuais encontradas foram de -20; 16,6; -15,4 e 0,0 respectivamente.
ANÁLISE DOS RESULTADOS
De um modo geral, os resultados de desempenho obtidos em banco dinamométrico, na solicitação de carga plena, utilizando o motor MBB OM 355/6A , podem ser considerados excelentes. Apesar das misturas apresentarem uma queda de potência, exceto a mistura MD+10(3,0+7,0)BE, conforme a Tab. (2) e Figs. (1) e (2), todas apresentaram redução no consumo específico e aumento no rendimento térmico, conforme a Tab. (2) e Figs. (3), (4), (7) e (8), resultando em percentuais de substituição corrigidos semelhantes ou maior que os percentuais volumétricos, obtendo-se assim, eficiência de substituição bastante elevada, conforme a Tab. (2) e Figs. (5) e (6). Esses resultados podem ser traduzidos, em uma primeira análise, que a perda de potência encontra-se diretamente relacionada a subtração do valor energético agregado e a diminuição da densidade das misturas.
Através da caracterização reológica, o óleo diesel e misturas álcool-diesel apresentaram-se como fluidos newtonianos em relação a viscosidade aparente, isto é, a viscosidade aparente não variou com a taxa de deformação, conforme Figs. (9), porém constatou-se um decréscimo dos valores obtidos com as misturas em relação ao óleo diesel, conforme Figs. (10) e (11). Estes resultados são preocupantes, pois o fluido combustível em um motor de ignição por compressão é também responsável pela lubrificação dos elementos de bomba e bicos injetores. Esta queda de viscosidade aparente das misturas pode ocasionar subtração do poder de lubrificação e acarretar a deterioração precoce do sistema de injeção, resultando em queda de desempenho e durabilidade do motor.
Os valores obtidos na determinação das propriedades físico-químicas da mistura MD+15(5,0+10)BE, utilizada como referência, apresentaram um decréscimo significativo no resíduo de carbono e teor de enxofre. Esses resultados norteiam para uma subtração nos depósitos de carbono na câmara de combustão, melhora nas emissões de particulados e nos componentes dos gases de escape. Em contrapartida o decréscimo da viscosidade cinemática, densidade e índice de cetano influenciam diretamente a combustão, mudando as características do jato de combustível e proporcionando um maior atraso a inflamação.
CONCLUSÕES
Os ensaios de desempenho em banco dinamométrico efetuados com o motor MBB OM355/6A, na solicitação de plena carga, utilizando misturas álcool-diesel, sua caracterização reológica e físico-química, mostraram uma possível viabilidade de aplicação em maior escala, principalmente para a mistura MD+10(3,0+7,0)BE, porém para isto é necessário que sejam realizados testes de desempenho utilizando outros tipos de motores, estudos de fenômenos inerentes a combustão, teste de durabilidade em banco dinamométrico e a aplicação em frotas, determinando o seu comportamento em campo.
AGRADECIMENTOS
Os autores do trabalho agradecem ao CNPq e a FAPERJ pelo apoio financeiro prestado.
REFERÊNCIAS
Macosko, C. W., 1994, "Rheology: principles, measurements and applications". Ed. VCH Plubishers, Inc., United States of America, pp. 190-191.
Owen, K. Coley, T., 1990, "Automotive Fuels Handbook", Ed. Society of Automotive Engineers, Inc., United States of America, pp. 417, 319-343.