Me pede socorro quem sabe eu vou te salvar

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA – POSMEC NURY AUDREY NIETO GARZÓN ANÁLISE EXPERIMENTAL E EXERGÉTICA DA OPERAÇÃO DE UM MOTOR DIESEL COM ÓLEO VEGETAL Florianópolis 2012
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Não era só pra você se apaixonar, era só pra gente ficar... não vai ser tão facil assim você me ter nas mãos... não venha me perguntar qual é a melhor saída

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  • UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA

    MECNICA POSMEC

    NURY AUDREY NIETO GARZN

    ANLISE EXPERIMENTAL E EXERGTICA DA OPERAO DE UM MOTOR DIESEL COM LEO VEGETAL

    Florianpolis 2012

  • UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA

    MECNICA POSMEC

    NURY AUDREY NIETO GARZN

    ANLISE EXPERIMENTAL E EXERGTICA DA OPERAO DE UM MOTOR DIESEL COM LEO VEGETAL

    Dissertao submetida ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obteno do Grau de Mestre em Engenharia Mecnica na rea de Engenharia e Cincias Trmicas Orientador: Prof. Dr. Edson Bazzo

    Florianpolis 2012

  • NURY AUDREY NIETO GARZN

    ANLISE EXPERIMENTAL E EXERGTICA DA OPERAO

    DE UM MOTOR DIESEL COM LEO VEGETAL

    Esta Dissertao foi julgada adequada para obteno do Ttulo de

    Mestre em Engenharia Mecnica, e aprovada em sua forma final pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica.

    Florianpolis, 24 de maio de 2012.

    ________________________ Prof. Jlio Csar Passos, Dr.

    Coordenador do Curso

    ________________________ Prof. Edson Bazzo, Dr. Eng.

    Orientador Banca Examinadora:

    ________________________ Prof. Edson Bazzo, Dr. Eng.

    Presidente

    ________________________ Prof. Amir Antnio Martins de Oliveira Jnior, Ph.D.

    ________________________ Prof. Carlos Alberto Martin, Dr.Ing.

    ________________________ Prof. Jos Antonio Velsquez Alegre, Dr. Eng.

    UTFPR

  • Com amor e gratido s pessoas que com seu esforo, apoio e motivao fizeram possvel esta meta: meus admirveis pais, Clara e Ismael, meus irmos Wilson e William e meu namorado Juan Pablo.

  • AGRADECIMENTOS Santssima Trindade e a Nossa Senhora Auxiliadora pela

    beno e assistncia em cada momento de minha vida, especialmente na caminhada desta meta.

    A meus pais, Clara e Ismael, a meus irmos Wilson e William,

    pelo esforo, apoio e confiana. Obrigada, por sua presena de corao desde a distncia.

    A meu namorado Juan Pablo, pelo apoio, acompanhamento,

    motivao e amor. A toda minha famlia e pessoas prximas, pela ateno e

    acompanhamento de corao. Ao professor Edson Bazzo, pela oportunidade, orientao e

    ateno no meu trabalho. equipe de trabalho do laboratrio, a Ricardo Hartmann por sua

    colaborao e orientao, a Eduardo Hartmann pela colaborao tcnica, a Gabriela Vieira por toda a cooperao, a Joo Monteiro e Leandro Alves. Obrigada a todos pela aceitao, ajuda e amizade.

    Ao senhor Gilson Maia pelo apoio tcnico e cooperao. Ao

    senhor Edevaldo Reinaldo e demais funcionrios da universidade pela colaborao tcnica e administrativa.

    Ao professor Amir e ao professor Carlos Martin pela assessoria e

    ajuda no desenvolvimento do trabalho. Aos professores do mestrado e aos professores da banca pela

    valiosa contribuio. Aos colegas do Ncleo de Pesquisa em Materiais Cermicos e

    Vidros (CERMAT) pela disponibilidade para uso de equipamentos e oportuna colaborao.

    Eletrosul atravs do Programa P&D ANEEL pelos recursos

    financeiros disponibilizados para a adequao da bancada dinamomtrica e caracterizao dos combustveis.

  • famlia colombiana do laboratrio, Luis Evlio, Renzo, lvaro, Leonel e William, por tudo o acompanhamento, colaborao e amizade desde minha chegada.

    Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) e ao Programa

    de Ps-graduao em Engenharia Mecnica (POSMEC) pela oportunidade e apoio administrativo.

    Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior

    (CAPES) pela bolsa de estudo. A todos os colegas do laboratrio pela acolhida e colaborao.

    Aos colegas Marcos Oro, Eduardo Burin e Marcelo Corbellini por sua ajuda e cooperao em diferentes momentos do mestrado. A Sara pela colaborao atenta e amizade.

    A toda a famlia colombiana em Florianpolis pela acolhida e

    apoio. Aos demais estrangeiros e brasileiros com os que comparti e fiz amizade.

    A todas as pessoas que em diferentes circunstncias contriburam

    no desenvolvimento do trabalho.

  • "A cincia humana de maneira nenhuma nega a existncia de Deus. Quando considero quantas e quo maravilhosas coisas o homem compreende, pesquisa e consegue realizar, ento reconheo claramente que o esprito humano obra de Deus, e a mais notvel."

    (Galileu Galilei)

  • RESUMO

    A poluio ambiental e os impactos econmicos associados ao uso de combustveis fsseis tem fomentado o estudo de fontes renovveis de energia. Na gerao de energia eltrica em regies isoladas comum a utilizao de grupos geradores a diesel. Neste cenrio a utilizao do leo vegetal ou bio-leo se apresenta como importante alternativa energtica para operao de grupos geradores, tanto na gerao distribuda como na gerao de eletricidade em regies isoladas. Trs leos vegetais foram estudados em projeto de pesquisa recentemente concludo no Laboratrio de Combusto e Engenharia de Sistemas Trmicos (LabCET): leo de soja, leo de girassol e leo de tungue. Neste trabalho em particular apresentado o estudo experimental e exergtico do leo de soja e sua mistura de 50/50 (v/v) com leo diesel. O desempenho do motor operando com leo de soja e tambm com a mistura foi comparado com o desempenho do motor com leo diesel. Os testes foram realizados na bancada dinamomtrica existente no LabCET com a cooperao tcnica do Laboratrio de Hardware (LHW), ambos do Departamento de Engenharia Mecnica da UFSC. Os trabalhos experimentais consistiram na caracterizao das propriedades fsico-qumicas dos combustveis e nos ensaios na bancada dinamomtrica. Foram realizadas medies relativas ao consumo de combustvel, rotao, torque, potncia e emisses dos gases de exausto (CO, CO2 e NOx). O desempenho do motor com cada combustvel foi comparado na condio de 1800 rpm. Os resultados foram analisados de acordo com procedimentos estatsticos estabelecidos atravs de Anlise de Varincia (ANOVA) e teste Dunnett, este em particular para comparao com um combustvel padro. Os trabalhos tericos se concentraram na avaliao termodinmica dos combustveis testados no motor. Entre os resultados obtidos importante ressaltar o funcionamento satisfatrio do motor com leo de soja, apresentando inclusive um aumento da ordem de 1,3% na eficincia energtica como tambm na eficincia exergtica quando comparado com leo diesel. No caso da mistura, o comportamento da eficincia energtica e da eficincia exergtica foi similar ao leo diesel. Adicionalmente, os clculos termodinmicos comprovaram similar destruio de exergia na operao do motor com os trs combustveis testados. Os resultados comprovam a viabilidade tcnica do leo de soja no funcionamento de grupos geradores. Palavras-chave: Motor de combusto interna. Ciclo diesel. leo vegetal. Bio-leo. leo diesel.

  • ABSTRACT

    Environmental pollution and economic impacts associated with fossil fuels dependency have fostered the study of renewable energy sources. For electric power generation in remote areas is common to use diesel-generators. In this scenario the use of vegetable oil or bio-oil presents itself as an important energetic alternative to operate generators, both for distributed generation and for electricity generation in remote regions. Three vegetable oils were studied in a research project recently finished at the Combustion and Thermal Systems Engineering Laboratory (LabCET): soybean oil, sunflower oil and tung oil. In the present work an experimental and exergetic study of soybean oil and its blend 50/50 (v/v) with diesel oil is described. The performance of the engine operating with soybean oil, with the blend and with diesel oil was studied. The tests were conducted on a dynamometer bench at LabCET in cooperation with the Hardware Laboratory (LHW), of the Mechanical Engineering Department of Federal University of Santa Catarina. The experimental work consisted of the characterization of physical-chemical properties of fuels, as well as of tests on a dynamometer bench. Measurements included fuel consumption, speed, torque, power and exhaust gas emissions (CO, CO2 and NOx). The engine performance with each fuel was evaluated at 1800 rpm. The results were analyzed in accordance with statistic procedures established by Analysis of Variance (ANOVA) and by the Dunnetts test, which is used for comparison with a standard fuel. The theoretical work has focused on thermodynamic assessment of fuels used in the engine. Among the obtained results it is important to note the satisfactory operation of the engine with soybean oil, showing an increase of 1.3% in the energetic efficiency and exergetic efficiency similar when compared to diesel fuel. In the case of the blend, the behavior of the energetic and exergetic efficiencies was similar to that of diesel oil. Furthermore, the thermodynamic calculations showed that the exergy destruction in the engine operation was similar for the three tested fuels. The results demonstrated the technical feasibility of soybean oil in the operation of generators.

    Keywords: Internal combustion engine. Diesel cycle. Vegetable oil. Bio-oil. Diesel oil.

  • LISTA DE FIGURAS

    Figura 1 Diagrama presso-volume do ciclo diesel ideal. .................. 42 Figura 2 Etapas da combusto em um motor diesel. .......................... 43 Figura 3 Esquema de funcionamento de um dinammetro. ............... 46 Figura 4 Curva de torque e consumo especfico de combustvel em funo da rotao de ensaios com leo diesel e leo de girassol. ......... 56 Figura 5 Eficincia energtica do leo diesel e do leo de girassol nas rotaes de 1000 rpm, 2000 rpm e 3000 rpm. ....................................... 56 Figura 6 Viscosidade cinemtica de misturas de leo de jatrofa com leo diesel.............................................................................................. 58 Figura 7 Desenho da bancada experimental. ...................................... 71 Figura 8 Fotografia da bancada experimental. ................................... 71 Figura 9 Desenho do sistema de alimentao de combustvel. .......... 73 Figura 10 Desenho do governador e do sistema de injeo mecnica do motor. ............................................................................................... 75 Figura 11 Sistema de medio de emisses nos gases de exausto. ... 76 Figura 12 Interface do programa para controle dos testes em bancada dinamomtrica. ...................................................................................... 77 Figura 13 Planejamento experimental de um fator. ............................ 78 Figura 14 Representao da curva de distribuio F. ......................... 79 Figura 15 Deformao resultante em um fluido submetido tenso de cisalhamento na direo x. .................................................................... 84 Figura 16 Viscosmetro de cilindros concntricos (CERMAT). ........ 84 Figura 17 Rotor e copo do viscosmetro de cilindros concntricos. ... 85 Figura 18 (a) Aquecimento da amostra. (b) Medio da massa especfica. .............................................................................................. 86 Figura 19 Viscosidade dinmica em funo da temperatura do leo 100S, mistura 50S/50D e leo 100D. .................................................... 90 Figura 20 Viscosidade cinemtica do leo 100S, mistura 50S/50D e leo 100D. ............................................................................................. 91 Figura 21 Massa especfica em funo da temperatura do leo 100S, mistura 50S/50D e leo 100D. .............................................................. 92 Figura 22 Torque em funo da rotao do motor diesel de teste operando com leo 100S, mistura 50S/50D e leo 100D. .................... 98 Figura 23 Potncia em funo da rotao do motor diesel de teste operando com leo 100S, mistura 50S/50D e leo 100D. .................... 99 Figura 24 Diferena porcentual da potncia entregue pelo motor operando com leo 100S e mistura 50S/50D em comparao com leo 100D. ..................................................................................................... 99

  • Figura 25 Teste Dunnett correspondente mdia da potncia do motor operando com leo 100S e mistura 50S/50D relativamente ao leo 100D como combustvel padro. ...................................................................101 Figura 26 Consumo especfico em funo da rotao do motor (leo 100S, mistura 50S/50D e leo 100D). .................................................102 Figura 27 Consumo de combustvel por ciclo em funo da rotao do motor (leo 100S, mistura 50S/50D e leo 100D). ..............................102 Figura 28 Teste Dunnett correspondente mdia do consumo especfico do motor operando com leo 100S e mistura 50S/50D relativamente ao leo 100D como combustvel padro. ......................105 Figura 29 Diferena porcentual do consumo especfico em funo da rotao com leo 100S e mistura 50S/50D em comparao com leo 100D. ....................................................................................................105 Figura 30 Emisses de mgCO/kWh em funo da rotao para leos 100S, 50S/50D e 100D. .......................................................................106 Figura 31 Emisses de gCO/kgC combustvel em funo da rotao para leos 100S, 50S/50D e 100D. ......................................................107 Figura 32 Relao ar/combustvel para leos 100S, 50S/50D e 100D. .............................................................................................................108 Figura 33 Emisses de gCO2/kWh em funo da rotao para leos 100S, 50S/50D e 100D. .......................................................................109 Figura 34 Emisses de mgNOx/kWh em funo da rotao para leos 100S, 50S/50D e 100D. .......................................................................110 Figura 35 Temperatura dos gases de exausto em funo da rotao para leos 100S, 50S/50D e 100D. ......................................................111 Figura 36 Volume de controle definido para o motor de combusto interna. .................................................................................................112 Figura 37 Balano de energia no motor operando com leos 100S, 50S/50D e 100D (1800 rpm). ...............................................................117 Figura 38 Eficincia energtica no motor operando com leos 100S, 50S/50D e 100D (1800 rpm). ...............................................................118 Figura 39 Eficincia energtica em funo da rotao do motor operando com leos 100S, 50S/50D e 100D. ......................................119 Figura 40 Eficincia volumtrica em funo da rotao do motor operando com leos 100S, 50S/50D e 100D. ......................................120 Figura 41 Balano de exergia no motor operando com leos 100S, 50S/50D e 100D (1800 rpm). ...............................................................122 Figura 42 Eficincia exergtica no motor operando com leos 100S, 50S/50D e 100D (1800 rpm). ...............................................................122 Figura 43 Destruio de exergia na operao do motor com leos 100S, 50S/50D e 100D (1800 rpm). ....................................................123

  • Figura 44 Exergia associada aos gases de exausto na operao do motor com leos 100S, 50S/50D e 100D a 1800 rpm. ........................ 123 Figura 45 Eficincia exergtica e emisses de CO em funo da rotao (leos 100S, 50S/50D e 100D). .............................................. 125 Figura B.1 Viscosidade em funo da temperatura de todos os combustveis testados. ......................................................................... 146 Figura B.2 Potncia em funo da rotao para todos os combustveis testados. ............................................................................................... 154 Figura B.3 Consumo especfico de combustvel em funo da rotao para todos os combustveis testados. ................................................... 155 Figura B.4 Emisses de CO em funo da rotao para leos 100S, 50S/50D e 100D. ................................................................................. 159 Figura B.5 Emisses de CO2 em funo da rotao para leos 100S, 50S/50D e 100D. ................................................................................. 160 Figura B.6 Emisses de NOx em funo da rotao para leos 100S, 50S/50D e 100D. ................................................................................. 160 Figura B.7 Temperatura dos gases de exausto em funo da rotao para leos 100S, 50S/50D e 100D....................................................... 161 Figura C.1 Teste de varincias iguais para os dados de potncia a 1800 rpm. ..................................................................................................... 165 Figura C.2 Teste de normalidade para os dados de potncia do leo 100S (1800 rpm). ................................................................................ 166 Figura C.3 Teste de normalidade para os dados de potncia da mistura 50S/50D (1800 rpm)............................................................................ 166 Figura C.4 Teste de normalidade para os dados de potncia do leo 100D (1800 rpm). ................................................................................ 167 Figura C.5 Teste de varincias iguais para os dados de consumo especfico a 1800 rpm. ........................................................................ 167 Figura C.6 Teste de normalidade para consumo especfico do leo 100S (1800 rpm). ................................................................................ 168 Figura C.7 Teste de normalidade para consumo especfico da mistura 50S/50D (1800 rpm)............................................................................ 168 Figura C.8 Teste de normalidade para consumo especfico do leo 100D (1800 rpm). ................................................................................ 169 Figura C.9 Teste de varincias iguais para os dados de eficincia energtica a 1800 rpm. ........................................................................ 169 Figura C.10 Teste de normalidade para eficincia energtica do leo 100S (1800 rpm). ................................................................................ 170

  • Figura C.11 Teste de normalidade para eficincia energtica da mistura 50S/50D (1800 rpm). ..............................................................170 Figura C.12 Teste de normalidade para eficincia energtica do leo 100D (1800 rpm). .................................................................................171 Figura D.1 Teste Dunnett da eficincia energtica a 1800 rpm com leos 100S, 50S/50D e 100D. ..............................................................175 Figura E.1 Variao da viscosidade dinmica do leo lubrificante SAE 40 para diferentes horas de trabalho.....................................................182 Figura E.2 Massa especfica do leo lubrificante SAE 40 para diferentes horas de trabalho. ................................................................183 Figura E.3 Consumo especfico em funo da presso de injeo para .............................................................................................................185 Figura E.4 Consumo especfico em funo do ponto de injeo para .............................................................................................................185

  • LISTA DE TABELAS

    Tabela 1 Problemas na operao do motor diesel com leos vegetais. ............................................................................................................... 52 Tabela 2 Resultados de ensaios com leo de girassol e leo diesel. .. 55 Tabela 3 Propriedades fsico-qumicas de diferentes combustveis testados. ................................................................................................. 61 Tabela 4 Nomenclatura para os combustveis testados. ..................... 70 Tabela 5 Especificaes do motor diesel de teste............................... 74 Tabela 6 Modelo de uma tabela de resultados de teste ANOVA. ...... 79 Tabela 7 Poder calorfico inferior de leo 100S, mistura 50S/50D e leo 100D. ............................................................................................. 92 Tabela 8 Nmero de cetano do leo 100D e leo 100S segundo a literatura. ............................................................................................... 93 Tabela 9 Composio mssica de carbono, hidrognio, nitrognio, oxignio e enxofre para o leo 100S, mistura 50S/50D e leo 100D.... 94 Tabela 10 Ponto de fulgor de leo 100S e leo 100D. ....................... 94 Tabela 11 Microrresduo de carbono de leo100S e leo 100D. ....... 95 Tabela 12 Estabilidade oxidao do leo 100S. .............................. 95 Tabela 13 Resultados de potncia a 1800 rpm (leo 100S, mistura 50S/50D e leo 100D). ........................................................................ 100 Tabela 14 Resultados do teste ANOVA dos valores de potncia a 1800 rpm do motor operando com leo 100S, mistura 50S/50D e leo 100D. ............................................................................................................. 100 Tabela 15 Resultados do consumo especfico para a rotao de 1800 rpm (leo 100S, mistura 50S/50D e leo 100D). ................................ 104 Tabela 16 Resultados do teste ANOVA dos valores relativos ao consumo especfico para 1800 rpm (leo 100S, mistura 50S/50D e leo 100D)................................................................................................... 104 Tabela 17 Fraes molares de referncia. ........................................ 116 Tabela A.1 Incertezas expandidas das medies nos testes com leo 100S. ................................................................................................... 139 Tabela A.2 Incertezas expandidas das medies nos testes com mistura 50S/50D. ................................................................................. 139 Tabela A.3 Incertezas expandidas das medies nos testes com leo 100D. ................................................................................................... 140 Tabela A.4 Incertezas expandidas das medies nos testes com leo 100G. ................................................................................................... 140 Tabela A.5 Incertezas expandidas das medies nos testes com mistura 50G/50D. ................................................................................ 141

  • Tabela A.6 Incertezas expandidas das medies nos testes com leo 100T. ....................................................................................................141 Tabela A.7 Incertezas expandidas das medies nos testes com mistura 50T/50D. .................................................................................141 Tabela B.1 Resultados do ensaio de viscosidade dinmica do leo 100S. ....................................................................................................143 Tabela B.2 Resultados do ensaio de viscosidade dinmica da mistura 50S/50D. ..............................................................................................143 Tabela B.3 Resultados do ensaio de viscosidade dinmica do leo 100D. ....................................................................................................144 Tabela B.4 Viscosidade dinmica do leo de girassol e misturas com leo diesel. ...........................................................................................144 Tabela B.5 Viscosidade dinmica do leo de tungue e misturas com leo diesel. ...........................................................................................145 Tabela B.6 Viscosidade dinmica do leo de soja e misturas com leo diesel. ...................................................................................................145 Tabela B.7 Massa especfica do leo 100S a diferentes temperaturas. .............................................................................................................146 Tabela B.8 Massa especfica da mistura 50S/50D a diferentes temperaturas. ........................................................................................147 Tabela B.9 Massa especfica dos leos 100S, 50S/50D e 100D. ......147 Tabela B.10 Massa especfica do leo de girassol e misturas com leo diesel. ...................................................................................................148 Tabela B.11 Massa especfica do leo de tungue e misturas com leo diesel. ...................................................................................................148 Tabela B.12 Massa especfica do leo de soja e misturas com leo diesel. ...................................................................................................149 Tabela B.13 Resultados de poder calorfico superior e poder calorfico inferior para todos os leos testados. ...................................................149 Tabela B.14 Resultados experimentais do torque do motor, operando com leos 100S, 50S/50D e 100D. ......................................................150 Tabela B.15 Resultados experimentais da potncia do motor, operando com leos 100S, 50S/50D e 100D. ......................................................151 Tabela B.16 Resultados da vazo de combustvel do motor, operando com leos 100S, 50S/50D e 100D. ......................................................151 Tabela B.17 Resultados do consumo especfico do motor, operando com leos 100S, 50S/50D e 100D. ......................................................152 Tabela B.18 Massa de combustvel por ciclo do motor, operando com leos 100S, 50S/50D e 100D. ..............................................................152

  • Tabela B.19 Resultados de torque e potncia do motor operando com leo 100G e mistura 50G/50D............................................................. 153 Tabela B.20 Resultados de torque e potncia do motor operando com leo 100T e mistura 50T/50D. ............................................................ 153 Tabela B.21 Resultados de vazo e consumo especfico de combustvel do motor operando com leo 100G e mistura 50D/50D. 154 Tabela B.22 Resultados de vazo e consumo especfico de combustvel do motor operando com leo 100T e mistura 50T/50D. . 155 Tabela B.23 Emisses nos gases de exausto com leo 100S. ......... 156 Tabela B.24 Emisses nos gases de exausto com mistura 50S/50D. ............................................................................................................. 156 Tabela B.25 Emisses nos gases de exausto com leo 100D. ........ 157 Tabela B.26 Emisses nos gases de exausto com leo 100G. ........ 157 Tabela B.27 Emisses nos gases de exausto com mistura 50G/50D. ............................................................................................................. 158 Tabela B.28 Emisses nos gases de exausto com leo 100T. ........ 158 Tabela B.29 Emisses nos gases de exausto com mistura 50T/50D. ............................................................................................................. 158 Tabela B.30 Emisses calculadas dos gases de exausto na operao do motor com leo 100S. .................................................................... 161 Tabela B.31 Emisses calculadas dos gases de exausto na operao do motor com mistura 50S/50D. ......................................................... 162 Tabela B.32 Emisses calculadas dos gases de exausto na operao do motor com leo 100D. .................................................................... 162 Tabela B.33 Resultados da eficincia volumtrica, razo de equivalncia, presso dos gases de exausto e relao ar/combustvel para a operao do motor com leo 100S. .......................................... 163 Tabela B.34 Resultados da eficincia volumtrica, razo de equivalncia, presso dos gases de exausto e relao ar/combustvel para a operao do motor com mistura 50S/50D. ............................... 164 Tabela B.35 Resultados da eficincia volumtrica, razo de equivalncia, presso dos gases de exausto e relao ar/combustvel para a operao do motor com leo 100D. .......................................... 164 Tabela D.1 Resultados do balano de energia em funo da rotao para leo 100S. .................................................................................... 173 Tabela D.2 Resultados do balano de energia em funo da rotao para mistura 50S/50D. ......................................................................... 173 Tabela D.3 Resultados do balano de energia em funo da rotao para leo 100D. ................................................................................... 174

  • Tabela D.4 Resultados do balano de energia a 1800 rpm para leo 100S. ....................................................................................................174 Tabela D.5 Resultados do balano de energia a 1800 rpm para mistura 50S/50D. ..............................................................................................174 Tabela D.6 Resultados do balano de energia a 1800 rpm para leo 100D. ....................................................................................................175 Tabela D.7 Resultado do teste ANOVA da eficincia energtica a 1800 rpm. .............................................................................................175 Tabela D. 8 Resultado do teste ANOVA da energia dos gases de exausto a 1800 rpm. ...........................................................................176 Tabela D.9 Resultados do balano de exergia em funo da rotao com leo 100S......................................................................................176 Tabela D.10 Resultados do balano de exergia em funo da rotao com mistura 50S/50D. .........................................................................177 Tabela D.11 Resultados do balano de exergia em funo da rotao com leo 100D. ....................................................................................177 Tabela D.12 Resultados do balano de exergia a 1800 rpm para o leo 100S. ....................................................................................................178 Tabela D.13 Resultados do balano de exergia a 1800 rpm para mistura 50S/50D. .................................................................................178 Tabela D.14 Resultados do balano de exergia a 1800 rpm para leo 100D. ....................................................................................................178 Tabela D.15 Resultado do teste ANOVA da eficincia exergtica a 1800 rpm. .............................................................................................179 Tabela D.16 Resultado do teste ANOVA da exergia destruda a 1800 rpm. ......................................................................................................179 Tabela D. 17 Resultado do teste ANOVA da exergia associada aos gases de exausto a 1800 rpm. .............................................................179 Tabela E.1 Variao da viscosidade dinmica do leo lubrificante SAE 40 para diferentes horas de trabalho. ...........................................182

  • LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ANOVA Anlise de Varincia ANP Agncia Nacional do Petrleo, Gs natural e

    Biocombustveis APMS Antes do Ponto Morto Superior BEN Balano Energtico Nacional CA ngulo do virabrequim (Crankshaft Angle) CCD Projeto central composto (Central Composite Design) CERMAT Ncleo de Pesquisa em Materiais Cermicos e Vidros EES Software Engineering Equation Solver EHN 2-etil-hexil nitrato (2-ethylhexyl nitrate) FAME ster metlico de cido graxo (Fatty Acid Methyl Ester) INT Instituto Nacional de Tecnologia LabCET Laboratrio de Combusto e Engenharia de Sistemas

    Trmicos NTC Coeficiente negativo de temperatura (Negative

    Temperature Coefficient) PBDF leo diesel (Petroleum Based Diesel Fuel) PCSO leo de girassol pr-aquecido (Preheated Crude

    Sunflower Oil) PMI Ponto Morto Inferior PMS Ponto Morto Superior PNPB Programa Nacional de Produo e Uso de Biodiesel RME ster metlico de colza (Rapeseed Methyl Ester) SME ster metlico de soja (Soybean Methyl Ester) TECPAR Instituto de Tecnologia do Paran

  • LISTA DE SMBOLOS Alfabeto latino p Presso [Pa] V Volume [m3]

    cr Relao de compresso

    dV Volume de deslocamento do pisto [cm3]

    1V Volume mximo no cilindro [cm3]

    2V Volume mnimo no cilindro [cm3]

    iW Trabalho indicado [J]

    mip Presso mdia indicada [MPa]

    iW Potncia indicada [W]

    N Rotao do motor [rpm]

    pn Nmero de rotaes do eixo do motor por curso de potncia

    iT Torque indicado [Nm]

    sW Potncia efetiva ou potncia de sada [kW]

    sT Torque efetiva ou torque de sada [Nm]

    CEC Consumo especfico de combustvel [g/(kWh)]

    combm Vazo mssica de combustvel [kg/s]

    am Massa de ar [kg]

    PCI Poder calorfico inferior [kJ/kg] CO Monxido de carbono [ppm] CO2 Dixido de carbono [%] O2 Oxignio [%] HC Hidrocarbonetos no queimados [ppm] NOx xidos de nitrognio [ppm] NO Monxido de nitrognio [ppm]

    refT Temperatura de referncia [C]

    refp Presso de referncia [Pa]

    kQ

    Taxa de transferncia de calor na fronteira do volume de controle

    [W]

    kT Temperatura da fronteira do volume de controle

    [C]

    W Potncia no volume de controle [W]

  • em Taxa da massa de entrada ao volume de controle

    [kg/s]

    sm Taxa da massa de sada do volume de controle

    [kg/s]

    ee Exergia de escoamento de um fluxo de massa que entra ao volume de controle

    [kJ/kg]

    se Exergia de escoamento de um fluxo de massa que sai do volume de controle

    [kJ/kg]

    DE Exergia destruda [kW]

    E Exergia [kW]

    t Tempo [s] kne

    Exergia cintica especfica [kJ/kg]

    pte Exergia potencial especfica [kJ/kg]

    v Velocidade de um corpo [m/s] g Acelerao da gravidade [m/s2] z Posio relativa de um corpo [m]

    phe Exergia fsica especfica [kJ/kg]

    oh Entalpia especfica no estado de referncia

    [kJ/kg]

    h Entalpia especfica [kJ/kg]

    os Entropia especfica no estado de referncia

    [kJ/(kg.K)]

    s Entropia especfica [kJ/(kg.K)] che

    Exergia qumica especfica [kJ/kg]

    c Nmero de tomos de carbono do combustvel

    h Nmero de tomos de hidrognio do combustvel

    o Nmero de tomos de oxignio do combustvel

    gerS Entropia gerada [kW/K]

    R Produto de um processo, avaliado em termo de exergia

    [W]

    G Recurso consumido em um processo, avaliado em termo de exergia

    [W]

    ik Custo exergtico unitrio [W/W]

    100S 100% leo de soja

  • 50S/50D Mistura em volume de 50% leo soja e 50% leo diesel

    100D 100% leo diesel Ho Hiptese nula Ha Hiptese alternativa

    1 2, , ix x x

    Mdia dos dados de um grupo ou tratamento

    F Teste estatstico de distribuio F

    tratQM Quadrado mdio de um tratamento no teste F

    erroQM Quadrado mdio do erro no teste F

    p Probabilidade gl Graus de liberdade M Nmero de pontos experimentais l Nmero de tratamentos ou nveis de um

    fator de experimentao

    SQ Soma de quadrados para o teste ANOVA

    ( )2s x Varincia da mdia global x

    Mdia global

    jx Mdia das observaes de um dia

    J Nmero de ensaios

    ( )Au x Incerteza tipo A da varivel x

    ( )Bu x Incerteza tipo B da varivel x

    ( )Cu x Incerteza combinada da varivel x

    ( )iu x Fonte de incerteza da varivel x f Varivel de medio indireta definida em

    funo de outras variveis x

    pk Fator de abrangncia

    ( )U x Incerteza expandida da varivel x

    efl Graus de liberdade efetivos da incerteza combinada

    ,ef Al e

    ,ef Bl

    Graus de liberdade efetivos da incerteza tipo A e tipo B

    m Massa [kg]

  • PCS Poder calorfico superior [kJ/kg] C Carbono H Hidrognio S Enxofre O Oxignio N Nitrognio H2O gua AC Relao ar/combustvel [kg /kg]

    aQ

    Potncia dissipada em forma de calor [kW]

    combn Vazo molar do combustvel [kmol/s]

    gh Entalpia especfica dos gases de exausto [kJ/kmol]

    combh Entalpia especfica do combustvel [kJ/kmol]

    arh Entalpia especfica do ar [kJ/kmol]

    ,f combh

    Entalpia de formao do combustvel no estado de referncia

    [kJ/kmol]

    pC Calor especfico do combustvel [kJ/(kmol.K)]

    combT Temperatura do combustvel [C]

    c h oC H O Representao de 1 kmol de combustvel

    a, b, d, e Coeficientes estequiomtricos

    2 ,f COh

    Entalpia de formao de CO2 no estado de referncia

    [kJ/kmol]

    2,f H Oh

    Entalpia de formao de H2O no estado de referncia

    [kJ/kmol]

    2 ,f Nh

    Entalpia de formao de N2 no estado de referncia

    [kJ/kmol]

    2 ,f Oh

    Entalpia de formao de O2 no estado de referncia

    [kJ/kmol]

    mh Entalpia de uma mistura gasosa [kJ/kmol]

    ih Entalpia da espcie i de uma mistura [kJ/kmol]

    in Nmero de moles da espcie i / kmol de combustvel

    2Oy Frao molar de O2 no ar

    2Ny Frao molar de N2 no ar

    2H Oy Frao molar de H2O no ar

    combm Massa de combustvel [kg]

  • gQ Potncia dissipada nos gases de exausto [kW]

    combe Exergia de escoamento do combustvel [kJ/kmol]

    are Exergia de escoamento do ar [kJ/kmol]

    ge Exergia de escoamento dos gases de exausto

    [kJ/kmol]

    entW Potncia de entrada no volume de controle

    [kW]

    mT Temperatura mdia do motor [C]

    entradaT Temperatura da entrada da gua de resfriamento do motor

    [C]

    sadaT Temperatura da sada da gua de resfriamento do motor

    [C]

    hcombce

    Exergia qumica especfica do combustvel

    [kJ/kmol]

    hgte

    Exergia fsica especfica dos gases de exausto

    [kJ/kmol]

    ( )i Th Entalpia especfica da espcie i na temperatura T

    [kJ/kmol]

    ,o ih Entalpia especfica da espcie i no estado de referncia

    [kJ/kmol]

    ( ), ,refT p is Entropia especfica da espcie i na temperatura T e na pref

    [kJ/(kmol.K)]

    ,o is Entropia especfica da espcie i no estado de referncia

    [kJ/(kmol.K)]

    T Temperatura [C]

    ip Presso parcial da espcie i de uma mistura gasosa

    [Pa]

    R Constante universal dos gases [kJ/(kmol.K)]

    hgce Exergia qumica especfica dos gases de

    exausto

    iy Frao parcial molar de uma espcie i de uma mistura gasosa

    eiy

    Frao parcial molar de uma espcie i no ambiente de referncia

    entE Exergia de entrada no volume de controle [kW]

    pA rea do pisto [m]

    pS Velocidade do pisto [m/s]

  • gT Temperatura de gases de exausto [C]

    100G 100% leo de girassol 50G/50D Mistura em volume de 50% leo girassol

    e 50% leo diesel

    100T 100% leo de tungue 50T/50D Mistura em volume de 50% leo tungue e

    50% leo diesel

    2, CO sy Frao molar de CO2 nos gases de exausto, base seca

    2, CO uy Frao molar de CO2 nos gases de exausto, base mida

    2 ,H O gy Frao molar de H2O nos gases de exausto, base mida

    2, gNy Frao molar de N2 nos gases de exausto, base mida

    2, gOy Frao molar de O2 nos gases de exausto, base mida

    gp Presso dos gases de exausto [Pa]

    1p

    Presso do ar na admisso [Pa]

    gE

    Exergia associada aos gases de exausto [kW]

    aE

    Exergia associada ao calor trocado [kW]

    Alfabeto grego ngulo do virabrequim Velocidade angular [rad/s]

    m Eficincia mecnica

    v Eficincia volumtrica

    a Massa especfica do ar [kg/m3]

    Eficincia energtica Eficincia exergtica Nvel de significncia Derivada parcial Viscosidade dinmica [Pa.s] Tenso de cisalhamento [Pa]

  • Viscosidade cinemtica [mm2/s]

    Massa especfica [kg/m3]

    Razo de equivalncia

    mn Quantidade estequiomtrica de oxignio [kmol]

    m Massa especfica, mistura de lquidos [kg/m3]

    1 , 2 Massa especfica dos dois componentes de uma mistura binria

    [kg/m3]

    Relao volumtrica do componente 1 de uma mistura binria

    Razo de calores especficos

  • SUMRIO 1 INTRODUO ................................................................................ 37 1.1 OBJETIVOS ................................................................................................ 39

    1.1.1 Objetivo Geral ......................................................................................... 39

    1.1.2 Objetivos Especficos .............................................................................. 39

    2 REVISO BIBLIOGRFICA ........................................................ 41 2.1 MOTOR DIESEL ........................................................................................ 41

    2.2 EMISSES DO PROCESSO DE COMBUSTO ...................................... 47

    2.3 COMBUSTVEIS UTILIZADOS EM MOTORES DIESEL ...................... 48

    2.3.1 leo diesel ................................................................................................ 49

    2.3.2 Biocombustveis ....................................................................................... 50

    2.3.2.1 leos vegetais ........................................................................................ 50 2.3.2.2 Biodiesel ................................................................................................ 59 2.4 ANLISE TERMODINMICA ................................................................. 63

    2.5 CONSIDERAES FINAIS....................................................................... 67

    3 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ......................................... 69 3.1 DESCRIO DA BANCADA EXPERIMENTAL .................................... 70

    3.1.1 Sistema de alimentao de combustvel ................................................ 72

    3.1.2 Motor de combusto interna .................................................................. 74

    3.1.3 Medio de emisses ............................................................................... 75

    3.1.4 Sistema de controle e aquisio de dados .............................................. 76

    3.2 ANLISE ESTATSTICA DOS RESULTADOS ...................................... 77

    3.3 INCERTEZAS DAS MEDIES ............................................................... 80

    4 CARATERIZAO DOS COMBUSTVEIS ............................... 83 4.1 PROCEDIMENTOS DE MEDIO .......................................................... 83

    4.2 PROPRIEDADES FSICO-QUMICAS ..................................................... 90

    5 RESULTADOS EXPERIMENTAIS E DISCUSSES ................. 97 5.1 ENSAIOS DINAMOMTRICOS ............................................................... 97

    5.1.1 Torque mximo ....................................................................................... 97

    5.1.2 Potncia .................................................................................................... 98

    5.1.3 Consumo especfico ............................................................................... 101

  • 5.2 EMISSES ................................................................................................ 106

    5.3 ANLISE TERMODINMICA ............................................................... 111

    5.3.1 Balano da primeira lei da termodinmica ........................................ 116

    5.3.2 Balano da segunda lei da termodinmica ......................................... 121

    5.4 RESULTADOS COMPLEMENTARES ................................................... 126

    5.5 CONSIDERAES FINAIS .................................................................... 126

    6 CONCLUSES E PERSPECTIVAS ............................................ 129

    REFERNCIAS ................................................................................. 131

    APNDICE A - Incertezas das medies ......................................... 139

    APNDICE B - Resultados experimentais ...................................... 143 B.1 PROPRIEDADES FSICO-QUMICAS DOS COMBUSTVEIS ........... 143

    B.1.1 Viscosidade dinmica ........................................................................... 143

    B.1.2 Massa especfica ................................................................................... 146

    B.1.3 Poder calorfico .................................................................................... 149

    B.2 ENSAIOS DINAMOMTRICOS ............................................................ 150

    B.3 EMISSES ............................................................................................... 156

    B.4 EFICINCIA VOLUMTRICA .............................................................. 163

    APNDICE C - Testes estatsticos preliminares. ............................ 165

    APNDICE D - Resultados da anlise termodinmica .................. 173 D.1 BALANO DE ENERGIA ...................................................................... 173

    D.1.1 Anlise estatstica do balano energtico ........................................... 175

    D.2 BALANO DE EXERGIA ...................................................................... 176

    D.2.1 Anlise estatstica do balano exergtico ........................................... 179

    APNDICE E - Trabalhos complementares ................................... 181 E.1 TESTES COM LEO DE GIRASSOL E LEO DE TUNGUE .............. 181

    E.2 TESTE NO GRUPO GERADOR ............................................................. 181

    E.3 TESTE DE INJEO ELETRNICA ..................................................... 183

    ANEXO A leo diesel comercializado no Brasil .......................... 187

    ANEXO B - Especificaes dos equipamentos de medio ............ 189

  • 37

    1 INTRODUO

    O desenvolvimento no mundo est fortemente relacionado s fontes de energias. Desde o incio da era industrial, a principal fonte de energia tem sido os combustveis de origem fssil como carvo e derivados do petrleo. Em pocas de guerra ou de crise de petrleo (dcadas quarenta, setenta e oitenta), o impacto sobre o preo dos combustveis tem motivado a busca de alternativas energticas. Adicionalmente, a crescente preocupao pelo meio ambiente com maiores restries nas emisses contaminantes enfatizou a necessidade de novas fontes de energia.

    Nas ltimas dcadas tem-se observado uma ateno crescente no desenvolvimento de combustveis obtidos a partir de recursos renovveis denominados biocombustveis (etanol, bio-leos, biodiesel, etc), que representam alternativas energticas menos agressivas natureza. A maioria dos recursos energticos consumidos atualmente no so renovveis, favorecem a gerao de gases de efeito estufa e impactam negativamente no meio ambiente. O desenvolvimento dos biocombustveis a partir de leos de origem vegetal trouxe interesse dos pesquisadores em estudar a sua aplicabilidade direta ou indireta em motores de combusto interna. A aplicabilidade indireta corresponde transformao do leo vegetal em biodiesel atravs do processo de transesterificao.

    No Laboratrio de Combusto e Energia de Sistemas Trmicos (LabCET) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) foi desenvolvido o projeto P&D ANEEL intitulado Estudo da utilizao de bio-leos em motores diesel para gerao termeltrica distribuda. No estudo foram avaliados trs leos vegetais: soja, girassol e tungue. Esta dissertao concentra-se na anlise da operao do motor diesel com leo de soja, leo diesel e sua mistura de 50% em volume com leo diesel.

    O leo de soja um leo vegetal de uso alimentcio produzido a partir do gro da soja. O cultivo da soja desenvolvido em muitas regies do Brasil, apresentando a maior produo na regio sul. Este leo pode ser extrado por extruso ou prensado e em razo do uso alimentcio os processos de extrao so cada vez mais industrializados. O leo utilizado foi azeite vegetal in natura, ou seja, sem nenhum processo de refinao, adquirido de um produtor do estado de Santa Catarina.

    Os trabalhos experimentais consideraram a caracterizao das propriedades fsico-qumicas e teste na bancada dinamomtrica. De

  • 38

    forma complementar, foi realizada a avaliao termodinmica da operao do motor com leo diesel, leo de soja e sua mistura de 50% em volume com leo diesel.

    O Captulo 2 apresenta uma reviso bibliogrfica sobre o motor de combusto interna de ciclo diesel, sua operao com biocombustveis e a anlise termodinmica aplicada na avaliao de um motor diesel.

    O Captulo 3 descreve o procedimento experimental com nfase nos testes no motor realizados na bancada dinamomtrica do LabCET, na anlise estatstica dos resultados e na avaliao das incertezas de medio. A bancada dinamomtrica encontra-se instalada em sala climatizada e assistida por um sistema de monitoramento e aquisio de dados. Para garantir qualidade no levantamento dos dados foi realizado um trabalho completo do sistema de controle e aquisio de dados com a cooperao tcnica do Laboratrio de Hardware (LHW) da UFSC. O motor diesel em testes monocilndrico de injeo direta, marca Yanmar com 14,7 kW (20 CV) de potncia nominal.

    O teste direto no motor de um leo vegetal ou misturas com leo diesel requer a aproximao de suas propriedades fsico-qumicas s propriedades do leo diesel. O conhecimento destas propriedades importante como fase preliminar da experimentao no motor. No Captulo 4 apresentada a caracterizao das propriedades fsico-qumicas dos combustveis testados. Os resultados mostraram as temperaturas requeridas para garantir viscosidades equivalentes ao leo diesel, evidenciando a necessidade de aquecimento do leo vegetal e da mistura antes da sua entrada na bomba injetora do motor.

    No Captulo 5 so apresentados os resultados dos testes na bancada dinamomtrica e as discusses sobre o desempenho do motor com os trs combustveis testados. Este captulo est dividido em quatro sees: resultados da experimentao na bancada dinamomtrica, resultados de emisses, desenvolvimento da anlise termodinmica e testes complementares com grupo gerador e injeo eletrnica. A anlise termodinmica foi baseada na primeira e segunda lei da termodinmica. A primeira lei quantifica a energia do processo. A segunda lei qualifica o processo, identificando as irreversibilidades e oportunidades de melhoria do sistema. Resultados complementares so tambm apresentados para leo de girassol e tungue, demonstrando comportamento trmico relativamente similar aos resultados obtidos com leo de soja.

  • 39

    1.1 OBJETIVOS

    1.1.1 Objetivo Geral

    Analisar o desempenho de um motor diesel utilizando leo vegetal como alternativa energtica.

    1.1.2 Objetivos Especficos

    Caracterizar as propriedades fsico-qumicas do leo de soja. Testar o motor em bancada dinamomtrica utilizando leo

    diesel, leo de soja e sua mistura de 50/50 v/v com leo diesel.

    Determinar com cada combustvel testado, os parmetros de desempenho do motor (torque, potncia, consumo especfico de combustvel, eficincia energtica) e as emisses.

    Realizar uma anlise exergtica do sistema operando com cada combustvel testado.

    Comparar resultados para uma condio pr-estabelecida de rotao do motor.

  • 40

  • 41

    2 REVISO BIBLIOGRFICA

    Diversos estudos sobre combustveis alternativos em motores diesel tm sido desenvolvidos nas ltimas dcadas. O interesse de encontrar um combustvel de origem renovvel, ambientalmente amigvel e de bom potencial energtico tem motivado o estudo da aplicabilidade de leos vegetais ou de biodiesel, empregando-os 100% puros ou misturados com leo diesel. A reviso bibliogrfica aqui apresentada relaciona estudos de motores de combusto interna com leo diesel e combustveis alternativos. Nos estudos so abordadas questes sobre aplicabilidade, desempenho do motor, emisses e problemas relativos utilizao destes combustveis alternativos. A formulao aqui apresentada fundamenta os procedimentos de testes e anlise dos combustveis utilizados neste trabalho. A fundamentao da anlise termodinmica utilizada para avaliar os diferentes combustveis testados em um motor tambm apresentada.

    2.1 MOTOR DIESEL

    O primeiro motor diesel ou motor de ignio por compresso foi

    desenvolvido por Rudolph Diesel em torno do ano de 1892 (GIACOSA, 1970). O motor diesel uma mquina de combusto interna. A ignio do combustvel ocorre espontaneamente ao ser injetado no ar comprimido dentro da cmara de combusto. De forma geral os motores diesel podem ser classificados segundo a aplicao, sistema de injeo, disposio dos cilindros, relao de compresso e cilindrada. A relao de compresso simbolizada como cr a relao do volume mximo e

    volume mnimo do cilindro. A cilindrada simbolizada como dV definida como o volume de deslocamento do pisto em um curso durante o ciclo.

    De acordo com a aplicao, os motores diesel podem ser classificados em estacionrios (usados em geradores, bombas ou mquinas de rotao constante), veiculares (veculos de transporte), industriais (tratores, mquinas de construo civil e minerao) e martimos (barcos ou mquinas de uso naval).

    A injeo em motores diesel pode ser direta ou indireta. Na injeo direta o combustvel injetado no volume principal do cilindro. Na indireta, injetado em uma pr-cmara de combusto auxiliar, onde se mistura com ar antes de ingressar no volume principal do cilindro. O ciclo termodinmico ideal do motor diesel executado em quatro

  • 42

    processos: compresso isentrpica, adio isobrica de calor, expanso isentrpica, rejeio isovolumtrica de calor. A Figura 1 ilustra o diagrama de presso-volume de um ciclo diesel ideal. Figura 1 Diagrama presso-volume do ciclo diesel ideal.

    O motor diesel de maior aplicao em diferentes reas o motor de quatro tempos, em que o ciclo se desenvolve em quatro movimentos alternativos do pisto, o que equivale a duas rotaes do virabrequim. Outros motores diesel so conhecidos como motores de dois tempos, que realizam todo o ciclo em uma nica rotao do eixo, ou dois cursos do pisto. Um ciclo diesel real quatro tempos consiste nos seguintes cursos:

    Admisso. A vlvula de admisso abre e o ar introduzido no cilindro enquanto o pisto desce desde o ponto morto superior (PMS) at o ponto morto inferior (PMI), fazendo o volume variar de 2V at 1V .

    Compresso. Com a vlvula de admisso fechada o pisto regressa ao PMS, comprimindo o ar e aumentando sua presso e tambm sua temperatura para valores da ordem de 600C.

    Combusto e expanso. Ao ser injetado, o combustvel atomizado em pequenas gotas no interior do cilindro e ao contato com o ar aquecido inicia sua autoignio. A cmara de

    1

    2

    4

    3

    PMS

    :calor que sai

    :calor que entra

    :trabalho que entra

    :trabalho que sai

    PMI

    2 3: adio isobrica de calor

    3 4: expanso isentrpica

    1 2: compresso isentrpica

    4 1: rejeio isovolumtrica de calor

  • 43

    combusto projetada sobre a cabea do pisto. Esta fase de combusto ou de introduo de calor teoricamente realizada a presso constante, pois as gotculas de combustvel so injetadas no cilindro ao tempo em que o pisto inicia a etapa de expanso. O pisto desce at o PMI completando a etapa de potncia ou de expanso.

    Exausto. A vlvula de exausto abre e o pisto volta ao PMS expulsando os gases da combusto. Finalmente a vlvula de exausto se fecha para iniciar um novo ciclo.

    O processo de combusto do motor envolve quatro etapas,

    consistindo de retardo ou atraso de ignio, combusto pr-misturada, combusto no pr-misturada e combusto residual. Estas etapas so explicadas na curva de taxa de liberao de calor em funo do ngulo do virabrequim (), conforme ilustrado na Figura 2. Figura 2 Etapas da combusto em um motor diesel.

    FONTE: Heywood (1988).

    O retardo de ignio compreende o tempo entre o incio da injeo e o incio da ignio. No perodo de combusto pr-misturada, o combustvel misturado com o ar que atingiu seus limites de inflamabilidade durante o perodo de retardo de ignio, queima rapidamente. Apresenta-se uma taxa alta de liberao de calor (ponto mximo da figura). Na combusto no pr-misturada (combusto

    Tax

    a de

    libe

    ra

    o de

    cal

    or

    ngulo do virabrequim ()

    Atraso de

    ignio

    Perodo de combusto pr-misturada

    Perodo de combusto no pr-misturada

    Combusto residual

  • 44

    controlada pela mistura), a queima controlada pela taxa de formao de mistura inflamvel. Esta taxa est influenciada pela atomizao do combustvel, vaporizao, mistura do vapor de combustvel com ar e reaes qumicas da pr-chama. Novamente, a taxa de liberao de calor atinge um ponto mximo, mas inferior ao ponto mximo de taxa de liberao de calor do perodo de combusto pr-misturada. Deste ponto em diante a taxa diminui at a combusto residual. Na combusto residual, a taxa de liberao de calor cai at o incio do curso de expanso. Nos gases da combusto ainda h produtos que no queimaram completamente. A queda de temperatura durante o curso de expanso desacelera a cintica qumica das reaes.

    Na avaliao do desempenho de um motor diesel so estudados parmetros como trabalho, torque, potncia, consumo especfico de combustvel, eficincia energtica e eficincia volumtrica. Os conceitos bsicos esto amplamente apresentados na literatura clssica sobre motores de combusto interna como Obert (1966), Taylor (1968) e Heywood (1988).

    A presso dos gases exercida sobre a cabea do pisto produz o trabalho indicado. No incio da expanso a presso constante, mas cai devido variao do volume com o deslocamento do pisto at o PMI. O trabalho indicado do ciclo do motor, iW , calculado pela integrao da curva representada no diagrama pressovolume (Figura 1):

    ( ) i VW p dV= (2.1) A presso mdia indicada mip definida como a presso terica

    que aplicada sobre o pisto durante seu curso de expanso produzir o mesmo trabalho indicado iW correspondente ao ciclo completo. Partindo desta presso pode ser determinada a potncia indicada, a qual definida como a potncia total liberada no interior do cilindro. Assim:

    60mi d

    i

    p

    p V NW

    n= (2.2)

    onde iW representa a potncia indicada expressa em (W), N a velocidade

    de rotao do motor em (rpm), mip a presso mdia indicada em (MPa),

    dV a cilindrada do motor em (cm3) e pn o nmero de rotaes do eixo

    principal por cada curso de potncia, ou seja, 2 para motores de quatro tempos e 1 para motores de dois tempos.

  • 45

    O torque do motor est relacionado com a potncia de acordo com a seguinte expresso:

    i iW T= (2.3)

    onde iT representa o torque indicado em (Nm), a velocidade angular em (rad/s).

    No funcionamento do motor, parte da potncia indicada utilizada para acionar os componentes mecnicos e para vencer a resistncia gerada pelo atrito. A potncia real desenvolvida no eixo do motor ou potncia efetiva (tambm denominada de potncia de sada,

    potncia til ou potncia de freio) representada por sW . A razo da potncia efetiva e da potncia indicada denominada eficincia mecnica, representada por m .

    Para determinar o trabalho indicado por ciclo necessria a instalao de um sensor de presso no cilindro que permita registrar a presso instantnea em funo da posio do pisto. No entanto, o desempenho do motor avaliado pela medio direta do torque efetivo

    sT e a rotao N no eixo do motor.

    O torque efetivo sT avaliado mediante o teste do motor em bancada dinamomtrica. Esta bancada consiste do acoplamento do motor a um dinammetro geralmente de funcionamento hidrulico ou eletromagntico. O dinammetro oferece uma fora contrria ao movimento do motor e tal fora traduzida em sinal eltrico atravs de uma clula de carga. A fora lida na clula de carga juntamente com a distncia ao centro de rotao permite o clculo do torque efetivo ao freio, desenvolvido pelo motor. Na Figura 3 apresentado um esquema do funcionamento de um dinammetro.

    A rotao do motor medida atravs de um sensor de rotao que pode ser instalado no eixo do motor ou no eixo do dinammetro. Os valores de torque e rotao so empregados para calcular a potncia.

    Na avaliao de motores em bancada dinamomtrica so traadas curvas caractersticas de torque, potncia e consumo especfico de combustvel em funo da rotao ou da carga. Outros parmetros importantes so a eficincia volumtrica e a eficincia energtica do motor.

  • 46

    Figura 3 Esquema de funcionamento de um dinammetro.

    Fonte: Adaptado de Heywood (1988).

    O consumo de combustvel do motor corresponde vazo

    mssica de combustvel, combm . Uma relao de uso prtico o consumo de massa de combustvel na unidade de potncia desenvolvida pelo motor. Esta relao se denomina consumo especfico de combustvel, CEC. Assim,

    3600 comb

    s

    mCEC

    W=

    (2.4)

    onde combm est expressa em (g/s), sW em (kW) e CEC em (g/(kWh)). No sistema de admisso de ar do motor se encontram elementos

    como o filtro, o duto e a vlvula que podem restringir a entrada do ar. Um parmetro que indica quo eficiente o sistema de admisso para garantir a entrada de ar a eficincia volumtrica v . Esta eficincia a razo da massa de ar que entra no cilindro e a massa de ar que ocuparia todo o volume de deslocamento do cilindro, conforme apresentado na equao (2.5).

    ava d

    m

    V

    = (2.5)

    onde am representa a massa de ar que entra no cilindro em (kg), a a massa especfica do ar na condio de temperatura e presso da admisso ao motor em (kg/m3) e dV em (m

    3). A eficincia de converso de combustvel ou eficincia energtica

    do motor expressa a razo da energia til aproveitada relativamente energia total fornecida, com base nos conceitos fundamentais da

    Fora F

    b Clula de carga

    Estator

    Rotor

    N

  • 47

    primeira lei da termodinmica. Esta eficincia representada por

    equivale eficincia global ou efetiva do motor, tal que:

    s

    comb

    W

    m PCI =

    (2.6)

    onde PCI corresponde ao poder calorfico inferior do combustvel em (kJ/kg). 2.2 EMISSES DO PROCESSO DE COMBUSTO

    As emisses produzidas por diferentes fontes de combusto so

    responsveis pela produo dos principais poluentes atmosfricos. Dentro dos poluentes do ar se encontram os xidos de enxofre, xidos de carbono, hidrocarbonetos, xidos de nitrognio, compostos halgenos,1 metais (chumbo, nquel, cobre, mercrio e arsnico). Na maioria dos casos, estes poluentes so produzidos por combustveis fsseis como carvo, gasolina e diesel. O efeito estufa representa atualmente o efeito mais discutido entre os produzidos pelos gases poluentes, afetando diretamente o equilbrio do meio ambiente. Efeitos cancergenos tambm esto presentes e so importantes por afetar diretamente a sade dos seres humanos.

    Especificamente, quando operados com leo diesel, as emisses caractersticas dos motores diesel compreendem xidos de enxofre, xidos de nitrognio, hidrocarbonetos, aldedos2 e compostos aromticos3.

    Nos motores diesel o combustvel injetado pouco antes de iniciar o perodo de combusto, produzindo uma distribuio no uniforme de combustvel no ar. Segundo Heywood (1988), o processo de formao de poluentes est fortemente relacionado com a distribuio do combustvel no ar. A formao de xidos de nitrognio decorrente da combusto em altas temperaturas e com razes combustvel/ar prximas estequiomtrica. A formao de fuligem est relacionada com as regies ricas em combustvel. Os hidrocarbonetos e

    1 Compostos orgnicos com a participao dos elementos halognios (flor, cloro, bromo, iodo e stato), elementos formadores de sais. 2 Composto orgnico que possui o grupo funcional CHO ligado cadeia carbnica. 3 Hidrocarbonetos de cadeia cclica insaturada com propriedades relacionadas ao benzeno o qual apresenta seis grupos de carbono-hidrognio ligados na forma de um hexgono.

  • 48

    os aldedos so originados nas regies onde a chama bate nas paredes do cilindro ou onde a maior diluio do combustvel com ar impede o desenvolvimento completo da combusto. O combustvel que vaporiza no bico injetor ao final da etapa de combusto tambm promotor de hidrocarbonetos.

    Cada dia so mais exigentes as regulamentaes ambientais, quanto aos limites de emisses e porcentagem de enxofre no leo diesel. A pesquisa em torno da reduo destes poluentes durante o funcionamento do motor diesel tem motivado o estudo de combustveis alternativos de origem vegetal ou animal. Os biocombustveis no contm enxofre nem compostos aromticos, fazendo com que sua combusto tenha menos efeitos poluentes na atmosfera. Pesquisas com biocombustveis tm demonstrado reduo significativa de material particulado, hidrocarbonetos no queimados, monxido de carbono e xidos de enxofre nos gases de exausto (ALTIN; ETINKAYA; YCESU, 2001). O fato dos biocombustveis serem geralmente obtidos de vegetais os torna menos poluentes, porque a produo de dixido de carbono produto da sua combusto pertence ao ciclo natural do carbono. No entanto, os combustveis fsseis liberam na atmosfera todo seu carbono aps a combusto gerando o efeito estufa. 2.3 COMBUSTVEIS UTILIZADOS EM MOTORES DIESEL

    O combustvel convencional utilizado nos motores diesel leo diesel. Este combustvel derivado do petrleo, obtido dentro de seu processo de destilao, portanto um combustvel de origem fssil ou mineral. Os combustveis fsseis resultam do processo da decomposio da matria orgnica atravs de milhes de anos, durante o qual a matria submetida a altas presses, altas temperaturas, ausncia de ar e presena de certas bactrias. Os combustveis fsseis so fontes no renovveis de energia.

    Os biocombustveis so fonte de energia obtidos a partir da biomassa celulsica, leos vegetais ou graxa animal. Para aplicaes em motores de combusto interna so utilizados biocombustveis lquidos, geralmente alcois (bioetanol), bio-leos (leos vegetais) e steres (biodiesel). O bioetanol o lcool etlico obtido atravs do processo de fermentao da biomassa celulsica e dos cultivos ricos em amidos no qual os amidos se convertem em acares e os acares em lcool. Rudolf Diesel utilizou leo de amendoim para operar seu prottipo de motor, evidenciando que os motores diesel so capazes de operar a base de uma variedade de leos vegetais. O biodiesel um ster produto da

  • 49

    transformao qumica de um leo vegetal ou graxa animal com alcois, empregando um catalisador cido ou bsico. Esta transformao qumica recebe o nome de reao de transesterificao. Neste contexto, muitos pases, incluindo o Brasil, desenvolvem trabalhos de pesquisa e aplicao de biocombustveis.

    No funcionamento do motor diesel, o combustvel deve apresentar propriedades fsico-qumicas apropriadas para garantir a combusto completa e desempenho adequado do motor. Algumas propriedades fsico-qumicas de interesse para o combustvel so: viscosidade, nmero de cetano, massa especfica e poder calorfico.

    A viscosidade influencia no processo de injeo. Alta viscosidade dificulta a injeo (atomizao defeituosa) prejudicando a combusto, enquanto que baixa viscosidade facilita a injeo (atomizao adequada) e garante melhor combusto.

    O nmero de cetano um indicativo da facilidade de ignio do combustvel. De acordo com a literatura, o nmero de cetano adequado para os motores de alta rotao deve estar na faixa de 50 a 60. Nmeros inferiores a 40 ocasionam perda de potncia e aumento no consumo de combustvel (OBERT, 1966). O biodiesel possui um nmero de cetano de aproximadamente 50.

    A massa especfica e o poder calorfico do combustvel expressam a massa e energia do combustvel, propriedades importantes na avaliao econmica do funcionamento de um motor. 2.3.1 leo diesel

    O leo diesel se encontra entre os produtos medianamente pesados do processo de destilao do petrleo, apresentando de 10 a 22 carbonos em suas cadeias carbnicas. Est formado por alcanos4, compostos aromticos e naftnicos5. Segundo a Agncia Nacional do Petrleo, Gs Natural e Biocombustveis (ANP), o leo diesel o combustvel produzido por processos de refino de petrleo e processamento de gs natural destinado a motores do ciclo diesel. A resoluo mais recente da ANP de regulamentao do leo diesel a resoluo ANP N65 de 09/12/2011. Esta resoluo estabelece um leo diesel rodovirio tipo A sem adio de biodiesel e um leo diesel rodovirio tipo B com adio de biodiesel. No ANEXO A so

    4 Hidrocarbonetos de cadeia aberta e saturada, tambm conhecidos como parafinas. 5 Hidrocarbonetos de cadeia cclica e saturada.

  • 50

    apresentadas as propriedades fsico-qumicas do leo diesel produzido e comercializado no Brasil para uso rodovirio.

    No tratamento de problemas que envolvem a oxidao dos combustveis lquidos, conveniente substituir o combustvel, que uma mistura de hidrocarbonetos, por um hidrocarboneto equivalente. O leo diesel , por vezes, modelado como dodecano, C12H26, para simplicidade no clculo da combusto (MORAN; SHAPIRO, 2006).

    2.3.2 Biocombustveis

    A produo de energia a partir da biomassa uma boa alternativa para os pases com grandes reas de solos e condies climticas favorveis como o caso do Brasil. Economicamente, os biocombustveis podem representar fontes de emprego e reduo nos custos de infraestrutura no desenvolvimento de uma cidade (ALMEIDA et al. 2002).

    Considerando as diferentes propriedades fsicas e qumicas apresentadas pelos combustveis alternativos em comparao com o leo diesel, a expectativa desde o incio das pesquisas sobre combustveis alternativos conhecer o desempenho do motor, as caractersticas do spray de atomizao, o mecanismo da combusto e a formao de emisses.

    2.3.2.1 leos vegetais

    Os leos vegetais apresentam menor poder calorfico em comparao com o leo diesel. Os testes de leos vegetais puros por perodo curtos apresentaram resultados promissrios, mas apareceram problemas quando o motor foi operado por perodos longos (mais de 100 horas). Estes problemas incluram carvo no bico injetor, degolao de anis do pisto, assim como espessamento e gelificao do leo lubrificante do motor (RAKOPOULOS et al. 2006). Estes problemas so atribudos alta viscosidade, 10 20 vezes maior em comparao com a viscosidade do leo diesel, e baixa volatilidade. Os tamanhos moleculares grandes dos leos vegetais e as insaturaes de sua cadeia carbnica ocasionam a alta viscosidade e a menor volatilidade (AGARWAL; KUMAR; AGARWAL, 2008 e RAKOPOULOS et al. 2006). Os leos vegetais em sua maioria so triglicerdeos poli-insaturados, isto , apresentam ligaes duplas entre os tomos de carbono das cadeias carbnicas, reduzindo seu nmero de tomos de hidrognio e, portanto seu poder calorfico.

  • 51

    A alta viscosidade dos leos vegetais causa atomizao pobre, tamanho de gota grande e alta penetrao do jato. O jato tende a ser um jato slido em vez de uma pulverizao de pequenas gotas. Como resultado o combustvel no distribudo ou misturado para queimar bem na cmara de combusto. Isso produz uma combusto pobre com perda de potncia (AGARWAL; KUMAR; AGARWAL, 2008 e FRANCO; NGUYEN, 2011).

    Altin, etinkaya e Ycesu (2001) observaram que a alta viscosidade, a oxidao e o espessamento em condies frias dos leos vegetais, geravam problemas no escoamento e na atomizao, junto com emisses de partculas pesadas. Alm disso, a proporo e localizao de ligaes duplas afetam o nmero de cetano dos leos vegetais (AGARWAL, 1998). As propriedades fsicas e qumicas dos combustveis influenciam no tempo de atraso de ignio, sendo mais significativo o efeito das propriedades qumicas. Os perodos de maior atraso na ignio foram de 1,25CA a 2,5CA (crankshaft angle) ngulo do virabrequim para teste com leo vegetal 100% puro segundo Ozsezen, Turkcan e Canakci (2009) e 1CA para teste com misturas de leos vegetais segundo Rakopoulos et al. (2006).

    Na Tabela 1 so apresentados os principais problemas na operao de um motor diesel com leo vegetal segundo Ma e Hanna (1999) e Harwood (1984) apud Mondal, Basu e Balasubramanian (2008). Segundo a literatura, para solucionar o problema associado alta viscosidade dos leos vegetais puros e aproximar suas propriedades fsico-qumicas s propriedades do leo diesel, so comuns os seguintes procedimentos: aquecimento, mistura em propores pequenas com leo diesel, microemulses com metanol ou etanol e converso em biodiesel (AGARWAL; KUMAR; AGARWAL, 2008 e MONDAL; BASU; BALASUBRAMANIAN, 2008).

    De acordo produo oleaginosa prpria da regio, tem-se desenvolvidos principalmente desde a dcada de oitenta, estudos de desempenho do motor diesel operado com diferentes leos vegetais. Destacam-se o leo de soja e girassol nos Estados Unidos, leo de colza na Europa, leo de palma, jatrofa, algodo e coco na sia. No Brasil, os leos de maior interesse so leo de palma, leo de mamona e leo de dend.

  • 52

    Tabela 1 Problemas na operao do motor diesel com leos vegetais. Problema Possvel causa Possvel soluo Em curto prazo

    Dificuldade da partida a frio.

    Alta viscosidade. Baixo nmero de cetano. Alto ponto de fulgor.

    Preaquecimento do combustvel. Transformao qumica do leo vegetal.

    Gomas no filtro, tubulao e bico injetor.

    Gomas (fosfatdeos) no leo vegetal. Outras cinzas.

    Refinao parcial com remoo de gomas. Filtro de 4m.

    Detonao diesel.

    Baixo nmero de cetano. Inadequado tempo de injeo.

    Ajuste do tempo de injeo. Maior relao de compresso. Preaquecimento do combustvel. Transformao qumica do leo vegetal.

    Em longo prazo

    Carvo no bico injetor, pisto e cabeote do motor.

    Alta viscosidade. Combusto incompleta. Combusto pobre em cargas parciais.

    Preaquecimento do combustvel. Operao com leo diesel em cargas parciais. Transformao qumica do leo vegetal.

    Desgaste excessivo do motor.

    Alta viscosidade. Combusto incompleta. Combusto pobre em cargas parciais. cidos graxos livres do leo vegetal. Diluio do leo lubrificante pela contaminao com leo vegetal.

    Preaquecimento do combustvel. Operao com leo diesel em cargas parciais. Transformao qumica do leo vegetal. Incremento da frequncia de troca de leo lubrificante. Aditivos antioxidantes ao leo lubrificante.

    Falha na lubrificao devido polimerizao.

    Acmulo de leo vegetal poli-insaturado no crter do motor.

    Preaquecimento do combustvel. Operao com leo diesel em cargas parciais. Transformao qumica do leo vegetal. Aditivos antioxidantes ao leo lubrificante.

    FONTE: Mondal, Basu e Balasubramanian (2008). Em forma geral, os trabalhos desenvolvidos com os leos

    vegetais ou suas misturas, consistem de teste do motor diesel em bancada dinamomtrica, medio dos parmetros de desempenho do motor e de suas emisses. Os resultados obtidos so comparados com a operao do motor com leo diesel como combustvel padro. Nos testes o motor operado com leo diesel at atingir a condio estvel e

  • 53

    depois trocado o combustvel para o leo de teste. No final do teste trocado o combustvel para leo diesel e o motor funciona por aproximadamente 20 minutos para garantir a limpeza do sistema de alimentao de combustvel, evitando problemas de entupimentos. Segundo o encontrado na literatura, a bancada dinamomtrica consta do motor diesel acoplado a um dinammetro hidrulico ou eletromagntico. Conta com sensores para medir temperatura na admisso do combustvel, temperatura da gua de arrefecimento, presso e temperatura do ar de admisso, temperatura dos gases de exausto, temperatura e umidade ambiente e presso atmosfrica. Adicionalmente, so empregados equipamentos para medio da vazo de combustvel, vazo de ar e emisses nos gases de exausto.

    Alguns pesquisadores testaram o aquecimento do leo vegetal antes de sua injeo no motor. Outros misturaram com leo diesel para baixar a viscosidade, sem aquecer o combustvel. Neste caso pode ser citado o trabalho de Nwafor e Rice (1996). Eles testaram leo de colza e suas misturas de 25%, 50% e 75% em volume com- leo diesel em um motor diesel de injeo indireta, quatro tempos, monocilndrico. Destacam-se entre os resultados, a menor potncia com leo de colza 100% puro, aumentando com o incremento de diesel na mistura. O problema de detonao no motor para cargas parciais, operando com leo de colza e as misturas, foi ocasionado pelo maior atraso de ignio e pela baixa temperatura no cilindro. A eficincia energtica foi incrementada com a adio de leo de colza na mistura, sendo maior com 100% de leo de colza. Isto significa melhor converso da energia qumica do combustvel em energia mecnica. A avaliao da liberao de calor do leo de colza e do leo diesel mostrou a menor taxa de liberao de calor do leo de colza em comparao com leo diesel. O leo vegetal apresentou menor fase de combusto pr-misturada e fase de combusto no pr-misturada mais lenta. Este resultado mostrou que os leos vegetais vaporizam e queimam mais lentamente que o leo diesel. O consumo especfico de combustvel foi maior com 100% leo de colza e as misturas no apresentaram diferena significativa com leo diesel.

    Alguns testes foram realizados observando a influncia da temperatura de injeo do leo vegetal. Adicionalmente, um aspecto de interesse a estabilidade do leo lubrificante. Almeida et al. (2002) testaram e discutiram o desempenho, as emisses e a contaminao do leo lubrificante de um motor diesel estacionrio operado com leo de palma 100% puro para gerao de eletricidade em pequenos povos da regio da Amaznia brasileira. O trabalho foi desenvolvido em um

  • 54

    motor diesel MWM 229, quatro tempos, injeo direta, aspirao natural 70kW, acoplado ao gerador. No trabalho foram instalados sensores para medir presso e temperatura do leo lubrificante. As propriedades fsico-qumicas do leo de palma foram comparadas com as de leo diesel, confirmando a maior massa especfica, maior viscosidade, menor poder calorfico e menor nmero de cetano do leo vegetal. O trabalho foi realizado conforme as seguintes consideraes:

    Aquecimento do leo vegetal. Nas primeiras 50 horas de teste o leo foi aquecido a 50C, mas a esta temperatura foram observados depsitos de carvo na cmara de combusto e no bico injetor devido a combusto incompleta. Portanto, para melhorar a combusto, o leo foi aquecido a 100C nas seguintes 300 horas de teste.

    Utilizao de leo lubrificante de maior capacidade detergente devido contaminao e degradao de suas propriedades fsicas depois de 100 horas de trabalho.

    Fabricao do tanque do leo vegetal e as conexes ao motor em ao inoxidvel porque compostos do leo de palma reagem com peas de cobre quando a temperatura atinge mais de 50C.

    A combusto incompleta do leo de palma por causa da sua pobre atomizao e volatilidade produziu reduo na viscosidade do leo lubrificante. Portanto, o limite de tempo para troca de leo lubrificante se reduziu metade, 200 horas de trabalho para leo diesel e 100 horas de trabalho para leo de palma. A mistura ar-combustvel foi afetada pela pobre atomizao do leo vegetal, isto ocasionou zonas de mistura rica que durante a combusto produziram mais monxido de carbono (CO) pela falta de oxignio. As emisses de CO foram incrementadas com o incremento da carga. Os autores ressaltam que o menor nmero de cetano no leo de palma representa menor tendncia a formar misturas inflamveis aumentando a produo de CO e hidrocarbonetos no queimados (HC). No trabalho foi observado um incremento da produo de NOx com o aumento da carga, devido ao incremento na temperatura da combusto.

    A injeo sempre adiantada no caso de leos vegetais ou biodiesel. A bomba de injeo conserva a presso constante, no entanto este avano produzido pela maior quantidade de combustvel injetado em uma rotao fixa. Isto pode ser explicado pela massa especfica, maior viscosidade e menor compressibilidade do biocombustvel. Quando o biocombustvel injetado, a presso na sada da bomba

  • 55

    aumenta mais rpido como consequncia da menor compressibilidade (BIALKOWSKI et al. 2005, BENJUMEA; AGUDELO; AGUDELO, 2009 e PUHAN et al. 2010). A pobre atomizao e imperfeita mistura ar/combustvel produz o atraso fsico da ignio dos leos vegetais, (CHALLEN; BARANESCU, 1999 apud OZSEZEN; TURKCAN; CANAKCI, 2009). O adiantamento da injeo ajuda a compensar os efeitos do atraso da ignio segundo Nwafor e Rice (1996). Este fenmeno mostrado no trabalho de Ozsezen, Turkcan e Canakci (2009) com leo de girassol cru pr-aquecido a 75C. Os resultados da injeo e ignio do leo de girassol pr-aquecido, preheated crude sunflower oil (PCSO) e do leo diesel, petroleum based diesel fuel (PBDF) so apresentados na Tabela 2. Por causa da alta viscosidade e baixa volatilidade do leo de girassol houve uma pequena diminuio na presso mxima do cilindro em todas as velocidades testadas. O incio da injeo para o leo de girassol foi 1CA, 1,5CA e 0,75CA adiantada em comparao com leo diesel nas velocidades de 1000 rpm, 2000 rpm e 3000 rpm, respectivamente.

    Tabela 2 Resultados de ensaios com leo de girassol e leo diesel. Rotao motor (rpm)

    Combustvel

    Presso mxima (MPa)

    Incio da injeo

    (APMS)

    Incio da combusto (APMS)

    Atraso da ignio ()

    1000 PBDF PCSO

    8,68 8,61

    18,75 19,75

    13,50 13,25

    5,25 6,50

    2000 PBDF PCSO

    9,21 9,03

    20,00 21,50

    12,75 11,75

    7,25 9,75

    3000 PBDF PCSO

    10,04 9,94

    22,00 22,75

    12,00 10,25

    10,00 12,50

    FONTE: Adaptado de Ozsezen, Turkcan e Canakci (2009).

    No trabalho de Ozsezen, Turkcan e Canakci (2009) foram realizados testes em motor diesel de injeo indireta, quatro tempos, resfriado com gua, aspirao natural, quatro cilindros, relao de compresso 21,47:1, potncia mxima 38,8 kW a 4250 rpm e 130 bar de presso de abertura do bico injetor. O estudo foi realizado operando o motor a plena carga com velocidades de 1000 rpm, 2000 rpm e 3000 rpm. No estudo foram traadas curvas de torque, consumo especfico de combustvel, eficincia energtica e emisses de CO2, CO, hidrocarbonetos e opacidade, todas em funo da rotao. Adicionalmente, com as leituras de presso foram traadas as curvas da presso no cilindro e liberao de calor em funo do ngulo do

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    virabrequim. Em relao ao desempenho do motor com leo de girassol quando comparado com leo diesel encontraram os seguintes resultados: o torque foi 1,36% menor; o consumo especfico de combustvel aumentou em torno de 5%, proporcional diferena do poder calorfico; a eficincia energtica incrementou em 1,06%. Estes resultados so apresentados na Figura 4 e na Figura 5. Figura 4 Curva de torque e consumo especfico de combustvel em funo da rotao de ensaios com leo diesel e leo de girassol.

    FONTE: Ozsezen, Turkcan e Canakci (2009). Figura 5 Eficincia energtica do leo diesel e do leo de girassol nas rotaes de 1000 rpm, 2000 rpm e 3000 rpm.

    FONTE: Ozsezen, Turkcan e Canakci (2009).

    Rotao (rpm)

    Eficinc

    ia ene

    rgtica (%)

    Torqu

    e (N

    m)

    Con

    sumo es

    pecfico de

    co

    mbu

    stvel (g/kW

    h)

    Rotao (rpm)

    CEC, PBDF

    Torque, PCSO

    Torque, PBDF CEC, PCSO

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    Outra soluo testada para melhorar o spray de atomizao o aumento da presso de injeo. Venkanna, Wadawadagi e Venkataramana (2009) testaram leo de pongamia misturado com leo diesel em propores de 10%, 20%, 30%, 40% e 50% em volume. Os ensaios foram realizados em um motor diesel de injeo direta, monocilndrico. As misturas e o leo diesel foram testados com a mesma presso de injeo de 200 bar. Os melhores resultados de desempenho e emisses foram obtidos com a mistura de 20% de leo de pongamia, a qual apresentou um comportamento similar ou comparvel com o leo diesel. Novos testes foram realizados com a mistura de 30%, variando a presso de injeo de 200 bar at 275 bar em intervalos de 25 bar. Encontraram que o aumento da presso favoreceu a atomizao e, consequentemente a combusto. Os melhores resultados de desempenho e emisses foram encontrados com 225 bar. Igualmente, em relao ao aumento da presso de injeo, Sarada et al. (2010) testaram o desempenho de um motor diesel de injeo direta, monocilndrico, quatro tempos, operado com leo de algodo cru e variando a presso de injeo de 180 bar at 240 bar em intervalos de 15 bar. Com a avaliao da eficincia energtica, a eficincia mecnica, o consumo especfico de combustvel e as emisses, encontraram a presso de 210 bar como presso tima de injeo. Neste ponto a eficincia energtica foi maior e o desempenho do motor foi similar ao leo diesel. Um aumento excessivo da presso de injeo foi prejudicial. Em 240 bar a eficincia energtica caiu, provavelmente o aumento da presso afetou a combusto pela atomizao de gotas muito pequenas que apresentaram menor quantidade de movimento.

    No trabalho de Chalatlon et al. (2011), pode-se observar a influncia da viscosidade no desempenho do motor e das emisses. Eles testaram leo de jatrofa 100% puro e misturas de 5%, 10%, 20%, 50% e 80% em volume com leo diesel. O motor de ensaio foi um motor diesel, quatro tempos, injeo direta e trs cilindros. Na Figura 6 apresentada a variao da viscosidade com a adio do leo de jatrofa e o limite estabelecido de viscosidade mxima para o biodiesel segundo a norma ASTM D 6751. As misturas com a viscosidade abaixo deste limite apresentaram melhores resultados. Com a mistura de 5%, o motor apresentou um ligeiro incremento na eficincia energtica em comparao com leo diesel. Com as misturas de 10% e 20% o comportamento foi similar ao leo diesel. J com as misturas de mais de 50% de leo de jatrofa, a eficincia do motor caiu de 3% a 5% quando comparada com leo diesel, alm de aumentar o consumo especfico de combustvel e as emisses de CO. Os autores explicam que a alta

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    viscosidade e baixa volatilidade afetaram a atomizao, vaporizao e mistura do combustvel com ar. Nestas condies a combusto ineficiente e a eficincia energtica reduzida. Os autores propem para misturas de alta proporo de leo de jatrofa, aumentar a presso de injeo e melhorar a volatilidade com adio de querosene.

    Figura 6 Viscosidade cinemtica de misturas de leo de jatrofa com leo diesel.

    FONTE: Chalatlon et al. (2011).

    O contedo de cidos graxos insaturados dos leos vegetais

    influencia diretamente o processo de combusto. Balafoutis et al. (2011), avaliaram o desempenho e emisses de um trator agrcola operando com leo de girassol, colza e algodo, 100% puros e em misturas de 20%, 40% e 70% em volume com leo diesel. Os trs leos vegetais apresentam propriedades fsico-qumicas similares, mas o leo de colza com maior contedo de cidos graxos insaturados apresentou o melhor desempenho na combusto.

    Nwafor (2004) e Venkanna, Wadawadagi e Venkataramana (2009) observaram que o mtodo de pr-aquecimento efetivo para operar o motor diesel com leos vegetais por perodos curtos sem precisar modificaes no motor. De forma geral, para longo prazo de operao, recomendado incrementar a presso da injeo de combustvel, empregar lubrificantes especiais com aditivos adequados e adaptar um sistema de injeo para o uso em particular (ALMEIDA et al., 2002).

    Visco

    sida

    de (cS

    t)

    leo de jatrofa na mistura (%) Diesel

    leo de jatrofa

    Limite ASTM

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    No Brasil, os principais cultivos de oleaginosas so soja, girassol, palma, amendoim, algodo e mamona (BRASIL, 2011). Consequentemente, tm-se desenvolvidos estudos nestes leos vegetais (ALMEIDA et al. 2002; MACHADO, 2003; PIMENTEL, 2002; PIMENTEL; BELCHIOR; PEREIRA, 2004; COELHO, et al. 2004; MAZIERO et al. 2007).

    2.3.2.2 Biodiesel

    A transformao qumica do leo vegetal pela reao de transesterificao reduz drasticamente sua viscosidade. Segundo o lcool empregado na reao, pode ser metanol, etanol ou outro, o ster obtido forma um ster metlico, ster etlico, etc. do triglicerdeo original. Os steres metlicos mais utilizados so o ster metlico de colza na Europa, rapeseed methyl ester (RME) e o ster metlico de soja nos Estados Unidos, soybean methyl ester (SME). De forma geral, o biodiesel denominado como ster metlico de cido graxo, fatty acid methyl ester (FAME). Em pases com clima tropical, por exemplo, em Malsia, so mais usados os steres metlicos de leo de palma (GRABOSKI; McCORMICK, 1998