UM ESTUDO EXPERIMENTAL DE MISTURAS TERNÁRIAS ARAP...

UM ESTUDO EXPERIMENTAL DE MISTURAS TERNÁRIAS PARA

MOTORES ALTERNATIVOS DO CICLO DIESEL

Rodrigo Rodrigues Machado

Projeto de Graduação apresentado ao Curso

de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

título de Engenheiro.

Orientadores: Marcelo José Colaço

Nauberto Rodrigues Pinto

Rio de Janeiro

Março de 2019

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ




PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DODEPARTAMENTO

DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE

DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE

ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovada por:

Prof. Marcelo José Colaço, D.Sc.

Prof. Nauberto Rodrigues Pinto, Engenheiro

Prof. Albino José Kalab Leiróz, Ph.D.

Prof. Hélcio Rangel Barreto Orlande, Ph.D.

RIO DE JANEIRO, RJ � BRASIL

MARÇO DE 2019

Rodrigues Machado, Rodrigo

Um estudo experimental de misturas ternárias para

motores alternativos do ciclo Diesel/ Rodrigo Rodrigues

Machado. � Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica,

2019.

XXI, 137 p.: il.; 29, 7cm.



Projeto de Graduação � UFRJ/ Escola Politécnica/

Curso de Engenharia Mecânica, 2019.

Referências Bibliográ�cas: p. 133-134

1. Misturas Ternárias. 2. Motor ASTM/CFR

Cetano. 3. Poluentes. I. José Colaço, Marcelo et al..

II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Curso

de Engenharia Mecânica. III. Um estudo experimental

de misturas ternárias para motores alternativos do ciclo

Diesel.

iii

Sempre que em um estado

sombrio nós nos encontramos,

um pouco mais de conhecimento

iluminar nosso caminho pode.

(Mestre Yoda).

iv

Agradecimentos

À minha família pelo apoio e dedicação prestados no decorrer da graduação.

À minha namorada Mariana Francisquini por todo o apoio durante a graduação.

Aos amigos e companheiros da graduação: Brenda Gonçalves, Lucas Braga, Mar-

ceu Arthur Flora, Maurício Moraes, Matheus Campos, Vinicios Guilherme, Vitor

Barsotti.

À toda a equipe do Laboratório de Máquinas Térmica da Universidade Federal do

Rio de Janeiro.

Aos professores e funcionários do Departamento de Engenharia Mecânica da Uni-

versidade Federal do Rio de Janeiro.

Ao professor Albino Leiroz por ter getilmente cedido o equipamento para a realização

da medida das emissões gasosas.

Ao professor Albino José Kalab Leiróz por ter aceitado gentilmente o convite para

participar da banca.

Ao professor Hélcio Rangel Barreto Orlande por ter aceitado gentilmente o convite

para participar da banca.

Ao meu orientador Engenheiro Nauberto Pinto, por todos os ensinamentos, pela

sabedoria e ajuda durante a realização deste projeto.

Ao meu orientador Marcelo José Colaço pela sabedoria na orientação, dedicação e

ajuda durante a realização deste projeto.

v

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como

parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico




Março/2019



Programa: Engenharia Mecânica

Este trabalho tem por objetivo apresentar um estudo sobre a utilização de mis-

turas ternárias em motores alternativos do tipo diesel. As misturas ternárias são

constituídas de 3 componentes, a saber: óleo diesel, biodiesel e etanol. Assim, as

misturas foram avaliadas utilizando-se diferentes combinações acerca das propor-

ções, em volume, de diesel, biodiesel e etanol. Para o biodiesel foi feita a escolha das

seguintes percentagens, em volume: 8%, 20% e 60%. Já para o etanol as percen-

tagens, em volume, foram de 0%, 5% e 8%, com a programação de serem testadas

9 misturas. Após a escolha e preparação das misturas foi realizada a determinação

do Número de Cetano, seguindo a norma ASTM D613. Após essa etapa, foram

�xadas duas condições de operação para que as misturas pudessem ser avaliadas.

Uma análise termodinâmica foi feita acerca de algumas grandezas físicas de inte-

resse como trabalho líquido, pressão máxima, pressão média efetiva, taxa de calor

liberado e a quantidade de calor liberado, com o auxílio do software e do sensor da

empresa austríaca AVL bem como através de uma integração numérica das curvas

obtidas. Foram determinados, também, através de um calorímetro de bomba, da

empresa IKA, os poderes calorí�cos das misturas. Por �m, foi feita uma análise

acerca das emissões gasosas de alguns produtos de combustão para as misturas nas

duas condições experimentais mencionadas e uma análise comparativa foi feita.

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial ful�llment

of the requirements for the degree of Mechanical Engineer

AN EXPERIMENTAL STUDY OF TERNARY MIXTURES FOR

ALTERNATIVE DIESEL CYCLE ENGINES


March/2019

Advisors: Marcelo José Colaço


Department: Mechanical Engineering

This work aims to present a study on the use of ternary mixtures in diesel

engines. The ternary mixtures are made out of 3 components, namely diesel oil,

biodiesel and ethanol. Thus, the blends were evaluated using di�erent proportions

of volume of diesel, biodiesel and ethanol. For biodiesel, the following percentages

of volume were selected: 8 %, 20 % and 60 % and for ethanol the percentages of

volume were 0 %, 5 and 8 %, summing up to 9 mixtures. After the selection and

preparation of the mixtures, the determination of the Cetane Number was carried

out following the ASTM D613 standard. After this step, two operating conditions

were �xed for which the mixtures could be evaluated. A thermodynamic analysis was

done on some physical quantities of interest such as liquid work, maximum pressure,

e�ective mean pressure, released heat rate and released heat quantity with the aid

of the software and the sensor of the Austrian company AVL through a numerical

integration of the curves obtained. The heating value of the mixtures were also

determined by means of a pump calorimeter from IKA. Finally, an analysis was

made of the gaseous emissions of some combustion products for the mixtures in the

two mentioned experimental conditions and a comparative analysis was made.

vii

Sumário

Agradecimentos v

Lista de Figuras xiii

Lista de Tabelas xx

1 Introdução 1

2 Revisão Teórica do Ciclo Diesel 4

2.1 Ciclo diesel e a ignição por compressão . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2.1.2 Parâmetros geométricos e cinemáticos . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1.2.1 Razão de compressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1.2.2 Rotação do motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.2.3 Velocidade média do pistão . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.2.4 Motor 4 tempos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.1.3 Injeção direta e injeção indireta . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.1.4 Diagramas PxV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.4.1 Ciclo Diesel Ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.1.4.2 Ciclo Diesel Real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.1.4.3 Pressão Média Efetiva Indicada (IMEP) . . . . . . . 12

2.1.4.4 Potência líquida por ciclo (Pliq) . . . . . . . . . . . . 13

2.1.5 Avanço de injeção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.1.6 Atraso de ignição (Delay) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1.7 Combustão nos motores Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1.8 Número de cetano (NC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

viii

3 Motor CFR Cetano com atualizações 19

3.1 Motor CFR Waukesha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.1.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3.2 Método CFR ASTM D613 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.3 Controle dos Parâmetros Operacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3.1 Rotação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.3.2 Vazão de combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.3.3 Atraso de ignição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.3.4 Avanço de injeção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3.5 Razão de compressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.3.6 Temperatura de admissão do ar . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.3.7 Temperatura da água de arrefecimento do bico injetor . . . . . 30

3.3.8 Temperatura da água de arrefecimento do motor . . . . . . . . 31

3.3.9 Pressão do óleo lubri�cante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.3.10 Temperatura do óleo lubri�cante . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.4 Quadro comparativo Motor CFR Versão Original e Versão Modi�cada 32

4 Combustíveis 34

4.1 Diesel, Biodiesel e Etanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.1.0.1 Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4.1.0.2 Biodiesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4.1.0.3 Etanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.2 Misturas Ternárias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.2.1 Procedimento para preparação das amostras . . . . . . . . . . 39

4.2.1.1 1o Etapa - Determinação Experimental da massa es-

pecí�ca dos componentes. . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.2.1.2 2o Etapa - Conversão da base volumétrica para a

base mássica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.2.1.3 3o Etapa - Separação dos materiais . . . . . . . . . . 42

4.2.1.4 4o Etapa - Inserção dos componentes da mistura . . 42

4.2.1.5 5o Etapa - Homogeneização das misturas . . . . . . . 43

4.2.1.6 6o Etapa - Identi�cação das misturas . . . . . . . . . 44

4.2.1.7 Mistura DS10B8E8 descartada dos testes . . . . . . 44

ix

4.2.1.8 Diagrama esquemático das etapas de preparação das

misturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

5 Resultados experimentais e análise 46

5.1 Poderes Calorí�cos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5.2 Número de Cetano utilizando a norma ASTM D613 com o sensor

original de pressão do motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.3 Análise com sensor AVL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.3.1 Misturas testadas na condição de determinação do NC para

cada mistura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.3.2 Misturas testadas nas condições operacionais �xas do número

de cetano do combustível DS10B8E0 - Condição padrão B8. . 53

5.3.2.1 Mistura DS10B8E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.3.2.2 Mistura DS10B8E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.3.2.3 Mistura DS10B20E8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.3.2.4 Mistura DS10B20E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.3.2.5 Mistura DS10B20E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.3.2.6 Mistura DS10B20E8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.3.2.7 Mistura DS10B60E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.3.2.8 Mistura DS10B60E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5.3.2.9 Mistura DS10B60E8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

5.3.2.10 Análise em Conjunto misturas padrão B8 . . . . . . 57

5.3.3 Misturas testadas nas condições operacionais do número de

cetano do combustível DS10B8E0 com 15% de aumento na

razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5.3.3.1 Mistura DS10B8E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

5.3.3.2 Mistura DS10B8E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.3.3.3 Mistura DS10B20E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

5.3.3.4 Mistura DS10B20E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

5.3.3.5 Mistura DS10B20E8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.3.3.6 Mistura DS10B60E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

5.3.3.7 Mistura DS10B60E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

5.3.3.8 Mistura DS10B60E8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

x

5.3.3.9 Análise em Conjunto misturas padrão B8 com 15%

no aumento da razão de compressão. . . . . . . . . . 65

5.3.3.10 Comparação entre os trabalhos líquidos para a con-

dição padrão B8 e para a condição padrão B8 com

15% de aumento da razão de compressão . . . . . . . 66

5.3.4 Atraso de ignição, pressão máxima e pressão média efetiva . . 67

5.3.4.1 Condição Padrão B8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

5.3.4.2 Condição padrão B8 com 15 % de aumento da razão

de compressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

5.3.5 Análise da Combustão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.3.5.1 Condição Padrão B8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.3.5.2 Condição Padrão B8 com 15% de aumento na razão

de compressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

6 Emissões de Gases Poluentes 82

6.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

6.2 Teoria de Poluentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

6.2.1 Óxidos de nitrogênio (NOx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

6.2.2 Monóxido de carbono (CO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

6.2.3 Dióxido de enxofre (SO2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

6.2.4 Dióxido de carbono (CO2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

6.2.5 Hidrocarbonetos (HC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

6.3 Análise Experimental Emissões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

6.3.1 Analisador dos gases de exaustão - TESTO 350XL . . . . . . 86

6.3.2 Condições Operacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

6.4 Emissões - Condição 1: PADRÃO B8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.4.1 Análise Global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.4.1.1 Emissão de NOx - Condição 1: PADRÃO B8 . . . . 88

6.4.1.2 Emissão de CO - Condição 1: PADRÃO B8 . . . . . 90

6.4.1.3 Emissão de CO2 - Condição 1: PADRÃO B8 . . . . . 90

6.4.2 Análise por Família de combustível . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.4.2.1 Família B8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.4.2.2 Família B20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

xi

6.4.2.3 Família B60 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

6.4.2.4 Família E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

6.4.2.5 Família E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

6.4.2.6 Família E8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

6.5 Emissões - Condição 2: Padrão B8 com aumento de 15% de taxa . . . 109

6.5.1 Análise Global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6.5.1.1 Emissão de NOx - Condição 2: Padrão B8 com 15%

de aumento na razão de compressão. . . . . . . . . . 109

6.5.1.2 Emissão de CO - Condição 2: Padrão B8 com 15%

de aumento de taxa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6.5.1.3 Emissão de CO2 - Condição 2: Padrão B8 com 15%

de aumento na razão de compressão . . . . . . . . . 110

6.5.2 Análise por família de combustível . . . . . . . . . . . . . . . 111

6.5.2.1 Família B8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

6.5.2.2 Família B20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

6.5.2.3 Família B60 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

6.5.2.4 Família E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

6.5.2.5 Família E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

6.5.2.6 Família E8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

7 Conclusão 130

Referências Bibliográ�cas 134

A Conversão da Base Volumétrica para Base Mássica Misturas Ter-

nárias 135

B Análise de Incertezas 137

xii

Lista de Figuras

2.1 Representação esquemática de um motor alternativo de combustão

interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2 Tempos motor de combustão. Adaptado de [7]. . . . . . . . . . . . . 9

2.3 Injeção direta e injeção indireta. Adaptado de [8] . . . . . . . . . . . 10

2.4 Ciclo Diesel ideal. Fonte: [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.5 Ciclo Diesel real para um ensaio realizado no LMT . . . . . . . . . . 11

2.6 Etapas de cálculo trabalho líquido ciclo real. Fonte: [5] . . . . . . . . 12

2.7 Representação do aumento no avanço de injeção . . . . . . . . . . . . 14

2.8 Combustão para um motor Diesel.Adaptado de [5] . . . . . . . . . . . 15

2.9 Calibração curva cetano. Fonte: Laboratório de Máquinas Térmicas

da UFRJ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.1 Motor CFR Cetano ASTM D613. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3.2 Tela do Painel de Controle do motor CFR Versão Modi�cada . . . . . 20

3.3 Mecanismo roda dentada e pick-up magnético. . . . . . . . . . . . . . 22

3.4 Controle de vazão de combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.5 Funcionamento do mecanismo de controle do débito de combustível

no motor CFR. Fonte [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.6 Mecanismo de escala Vernier responsável pelo ajuste do avanço de

injeção e da vazão de combustível. Fonte [13] . . . . . . . . . . . . . . 24

3.7 Leitura direta atraso de ignição e do avanço da injeção feita no motor

CFR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.8 Sistema AVL para a medição da pressão na câmara de combustão. . . 26

3.9 Análise em tempo real dos dados obtidos do sistema AVL, exibidos

no sistema de aquisição desenvolvido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

xiii

3.10 Vista em corte do volante do motor CFR responsável pela variação

da razão de compressão. Fonte [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.11 Conjunto volante - pistão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.12 Relação entre a razão de compressão e a leitura da posição do volante 28

3.13 Parâmetros do motor programa AVL . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.14 Medição da temperatura de admissão do ar do Motor original . . . . 29

3.15 Controlador da temperatura de admissão do ar do Motor original . . 30

3.16 Controle e medição de temperatura de admissão do ar do Motor Mo-

di�cado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.17 Medição de temperatura do bico injetor . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.18 Medição pressão óleo lubri�cante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.19 Medição pressão óleo lubri�cante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

4.1 Processo de produção do biodiesel. Fonte: [16] . . . . . . . . . . . . . 36

4.2 Diesel S10 Comercial, Biodiesel e Etanol Anidro. . . . . . . . . . . . . 39

4.3 Balança de precisão e proveta de precisão. . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.4 Mistura preparada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.5 Misturador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.6 Conjunto de Misturas Ternárias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

4.7 Mistura DS10B8E8 (Descartada dos testes). . . . . . . . . . . . . . . 44

4.8 Quadro esquemático das etapas de preparação das misturas . . . . . . 45

5.1 Calorímetro de bomba C200 da empresa IKA. . . . . . . . . . . . . . 46

5.2 Misturas ternárias dispostas em ordem crescente de número de cetano. 48

5.3 Repetibilidade para Motor CFR Cetano. Fonte: [13] . . . . . . . . . . 48

5.4 Número de Cetano das misturas ternárias separadas por família de

biodiesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.5 Diagrama P -V separado por tempo motor. . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.6 Diagrama P -V da mistura DS10B8E0 na condição ASTM D 613. . . 52

5.7 Trabalho Líquido para as misturas operando na condição ASTM D

613. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.8 Diagrama P -V DS10B8E0 na condição Padrão B8. . . . . . . . . . . 54


xiv


5.11 Trabalho Líquido na condição Padrão B8. . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.12 Módulo da variação percentual do trabalho líquido para a família E5. 59

5.13 Módulo da variação percentual do trabalho líquido para a família E8. 59

5.14 Diagrama P -V DS10B8E0 na condição Padrão B8 com 15% de au-

mento na razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60





5.17 Trabalho Líquido na condição Padrão B8 com 15% de aumento de taxa. 65

5.18 Comparação para o Trabalho Líquido nas condições Padrão B8 e Pa-

drão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. . . . . . . . . 66

5.19 Aumento percentual do Trabalho Líquido comparando as condições

Padrão e Padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. . 67

5.20 Atraso de ignição para as misturas na condição padrão B8. . . . . . . 68

5.21 Pressão máxima para as misturas na condição padrão B8. . . . . . . . 68

5.22 Comparação IMEP na condição padrão B8. . . . . . . . . . . . . . . 69

5.23 Atraso de ignição para as misturas na condição padrão B8 com 15%

de aumento na razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

5.24 Comparação para Atraso de Ignição nas condições Padrão B8 e Pa-

drão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. . . . . . . . . 70

5.25 Redução para Atraso de Ignição nas condições Padrão B8 e Padrão

B8 com 15% de aumento na razão de compressão. . . . . . . . . . . . 71

5.26 Pressão máxima para as misturas na condição padrão B8. . . . . . . . 71

5.27 Comparação IMEP na condição padrão B8 com 15% de aumento na

razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

5.28 Duração da combustão para as misturas ternárias na condição padrão

B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

5.29 Taxa de liberação de calor máxima por unidade de volume na condição

padrão B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

xv

5.30 Quantidade de calor liberada para as misturas ternárias na condição

padrão B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

5.31 E�ciência de combustão na condição padrão B8. . . . . . . . . . . . . 76

5.32 E�ciência global para o ciclo real na condição padrão B8. . . . . . . . 76

5.33 E�ciência global para o ciclo diesel ideal. . . . . . . . . . . . . . . . . 77

5.34 Duração da combustão na condição padrão B8 com 15% de aumento

na razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5.35 Taxa de liberação de calor máxima na condição padrão B8 com 15%

de aumento na razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

5.36 Quantidade de calor liberada para as misturas ternárias na condição

padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. . . . . . . . 79

5.37 E�ciência de combustão na condição padrão B8 com 15% de aumento


5.38 E�ciência de global na condição padrão B8 com 15% de aumento na

razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

5.39 E�ciência global para ciclos diesel ideal comparativa as misturas na

condição padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. . . 81

6.1 Produtos de combustão para combustão completa e incompleta.

Fonte:[21]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

6.2 Analisador de Gases TESTO 350XL. Fonte: [17] . . . . . . . . . . . . 86

6.3 Relação ppm NOx e Pressão Máxima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

6.4 Relação ppm NOx e Número de Cetano. . . . . . . . . . . . . . . . . 89

6.5 Relação ppm CO e Número de Cetano . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

6.6 Relação concentração de CO2 em função do Número de Cetano. . . . 91

6.7 Concentração de NOx Família B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

6.8 Pressão Máxima Família B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

6.9 Concentração de CO Família B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

6.10 Concentração de CO2 Família B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

6.11 Concentração de NOx Família B20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

6.12 Pressão Máxima Família B20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

6.13 Relação ppm NOx e Pressão Máxima na Família B20. . . . . . . . . . 95

6.14 ppm CO Família B20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

xvi

6.15 Concentração de CO2 Família B20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

6.16 Concentração de NOx Família B60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

6.17 Pressão Máxima Família B60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

6.18 Relação entre ppm NOx e Pressão Máxima Família B60. . . . . . . . 98

6.19 Concentração CO Família B60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

6.20 Concentração CO2 Família B60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

6.21 Concentraçao de NOx Família E0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

6.22 Pressão Máxima Família E0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

6.23 Concentração de CO Família E0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

6.24 Concentração de CO2 Família E0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

6.25 Concentração de NOx Família E5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104


6.27 Concentração de CO Família E5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

6.28 Concentração de CO2 Família E5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

6.29 Concentração NOx Família E8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107


6.31 Concentração CO Família E8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

6.32 Concentração CO2 Família E8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

6.33 Relação ppm NOx e Pressão Máxima com 15 % de aumento na razão

de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

6.34 Relação ppm CO e Número de Cetano com 15 % de aumento na razão

de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

6.35 Relação concentração CO2 e Número de Cetano com 15 % de aumento


6.36 Concentração de NOx Família B8 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

6.37 Pressão Máxima Família B8 com 15 % de aumento na razão de com-

pressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

6.38 Concentração de CO Família B8 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

6.39 Concentração de CO2 Família B8 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

xvii

6.40 Concentração de NOx Família B20 com 15 % de aumento na razão

de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

6.41 Pressão Máxima Família B20 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

6.42 Concentração de CO Família B20 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

6.43 Concentração de CO2 Família B20 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

6.44 Concentração de NOx Família B60 com 15 % de aumento na razão

de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6.45 Pressão Máxima Família B60 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

6.46 Concentração CO Família B60 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

6.47 Concentração CO2 Família B60 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

6.48 Concentraçao de NOx com 15% de aumento na razão de compressão. 123

6.49 Pressão Máxima Família E0 com 15 % de aumento na razão de com-

pressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

6.50 Concentraçao de CO Família E0 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6.51 Concentraçao de CO2 Família E0 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6.52 Concentração de NOx Família E5 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125


pressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

6.54 Concentração de CO Família E5 com 15% de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

6.55 Concentração de CO2 Família E5 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

xviii

6.56 Concentração NOx Família E8 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128


pressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

6.58 Concentração CO Família E8 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

6.59 Concentração CO2 Família E8 com 15 % de aumento na razão de

compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

B.1 Incertezas instrumentos LMT UFRJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

xix

Lista de Tabelas

2.1 Número de Cetano para diferentes combinações dos combustíveis T22

e U15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.1 Parâmetros geométricos básicos do motor. . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2 Tabela de atualizações motor CFR Cetano. . . . . . . . . . . . . . . . 33

4.1 Propriedades diesel no território brasileiro. Fonte:[15] . . . . . . . . . 35

4.2 Combinação de misturas ternárias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.3 Massa especí�ca do diesel comercial, biodiesel e etanol. . . . . . . . . 40

4.4 Misturas ternárias quantidades experimentais. . . . . . . . . . . . . . 42

5.1 Poder calorí�co superior misturas ternárias. . . . . . . . . . . . . . . 47

5.2 Variação percentual por família de biodiesel para o trabalho líquido

na condição Padrão B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

5.3 Variação percentual por família de biodiesel para o trabalho líquido

na condição Padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. 66

6.1 Misturas Ternárias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

6.2 Condições operacionais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

6.3 Família B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.4 Família B20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

6.5 Família B60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

6.6 Família E0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

6.7 Família E5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

6.8 Família E8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

6.9 Família B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

6.10 Família B20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

xx

6.11 Família B60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

6.12 Família E0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

6.13 Família E5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

6.14 Família E8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

xxi

Capítulo 1

Introdução

A degradação ambiental tem sido muito debatida ao longo das últimas décadas

devido ao incessante uso do petróleo como matéria prima , responsável pela produ-

ção de produtos como óleo diesel, gasolina, querosene e gás liquefeito de petróleo

(GLP). O uso dessas fontes de energias não-renováveis, como o caso do petróleo, tem

chamado a atenção do mundo pelos danos causados ao meio ambiente e, também,

pela sua dependência mundial. Assim, a possibilidade de redução e/ou esgotamento

das quantidades disponíveis de petróleo tem levado o mundo a pensar em fontes

alternativas que sejam renováveis e apresentem impactos menos danosos ao meio

ambiente quando comparados às fontes de energia de origem fóssil. Essas fontes de

energia renováveis, logicamente, devem ser estudas para que sejam economicamente

viáveis e com desempenho próximos aos dos combustíveis fósseis [1], entretanto com

o benefício de provocarem um impacto menor ao meio ambiente.

Na década de 70, durante a crise do petróleo, o Brasil desenvolveu um programa

chamado de PROÁLCOOL [2] que visava a utilização de etanol em veículos automo-

tivos com o objetivo de reduzir o consumo de combustíveis fósseis como a gasolina.

O etanol é um biocombustível utilizado como uma alternativa aos motores do ciclo

Otto (ignição por centelha). A sua utilização nesses motores mostrou uma redu-

ção signi�cativa no lançamento de poluentes na atmosfera. Além disso, a gasolina

comercializada em postos de gasolina (chamada de gasolina C) contêm, atualmente

27, 5%, em volume, de etanol anidro em sua composição, onde essa inserção de etanol

também propicia um aumento na octanagem do combustível.

Já os motores Diesel (ignição por compressão), que representam o motor efeti-

1

vamente tratado neste trabalho, utilizam óleo diesel para o seu funcionamento. O

óleo diesel é utilizado em uma gama muito ampla de aplicações em todo o territó-

rio nacional como veículos rodoviários pesados, ferróviários e, também, marítimos.

Um combustível alternativo, que pode ser utilizado em motores de ignição por com-

pressão, é o biodiesel, que é um biocombustível que pode ser obtido através de um

processo de transesteri�cação. Esse processo consiste em uma reação química de

um álcool com gordura animal ou óleo vegetal, formando um composto denominado

éster. Diversas matérias primas podem ser utilizadas na produção de biodiesel como

por exemplo: soja, girassol, canola e gordura animal. Assim, desde 2004 foi lançado

o Programa Nacional de Biodiesel para a inserção de certas quantidades de biodiesel

no diesel rodoviário comercializado. Para o ano de 2018, essa quantidade foi �xada

em 10 % em volume [3].

Diversas pesquisas tem apresentado uma possibilidade da inserção de etanol em

motores diesel com o objetivo de reduzir a quantidade de combustível fóssil e contri-

buir para a redução das emissões gasosas danosas ao meio ambiente. Dessa forma, o

presente trabalho tem como objetivo fornecer uma contribuição no estudo da utiliza-

ção de misturas ternárias, compostas por óleo diesel, biodiesel e etanol, em motores

de ignição por compressão (diesel). Assim, serão analisadas um conjunto de mis-

turas ternárias com diferentes concentrações de óleo diesel, biodiesel e etanol em

um motor em um motor padrão ASTM/CFR Cetano. O motor ASTM/CFR, usado

neste trabalho, foi instrumentado com sensores de medição de pressão em tempo real

na câmara de combustão para que fosse possível fazer uma análise termodinâmica

mais extensa. Além disso, este motor ASTM/CFR sofreu uma automatização para

o controle dos parâmetros operacionais.

A estrutura do trabalho apresenta mais 5 capítulos de desenvolvimento do tra-

balho e um capítulo �nal de conclusão. O Capítulo 2 faz uma breve revisão sobre

ciclo diesel e analisa alguns parâmetros de interesse que serão utilizados nos capí-

tulos posteriores. O Capítulo 3 faz uma análise sobre as atualizações realizadas

no motor ASTM/CFR Cetano fazendo uma comparação entre a versão original e a

versão mo�cada (instrumentada). O Capítulo 4 faz uma análise sobre as misturas

ternárias e descreve o procedimento para a produção de um conjunto de 9 misturas

utilizadas nos testes. O Capítulo 5 faz uma análise sobre a obtenção do Número

2

de Cetano (NC) das misturas e, em seguida, realiza uma análise termodinâmica,

com a introdução do sensor da empresa austríaca AVL, das misturas colocadas em

duas condições operacionais, a saber: condição padrão B8 e condição padrão B8

com 15% de aumento na razão de compressão. Por �m, o Capítulo 6 analisa as

emissões gasosas dos produtos de combustão para as duas condições de operação

mencionadas.

3

Capítulo 2

Revisão Teórica do Ciclo Diesel

2.1 Ciclo diesel e a ignição por compressão

2.1.1 Introdução

Motores de combustão interna (MCI) possuem uma gama muito ampla de aplica-

ções, podendo ser utilizados em aplicações tais como geração de energia elétrica

(grupo geradores), veículos de transporte em geral (trens, carros de passeio, cami-

nhões e ônibus) e em maquinário de uso naval (motores auxiliares e de propulsão).

Existem diversas classi�cações para caracterizar e dividir os motores bem como a

sua faixa de aplicação. Serão classi�cados aqui os motores quanto à sua ignição (está

associado a maneira pela qual inicia-se o processo de combustão de um determinado

combustível), embora outras classi�cações também existam, tais como: classi�cação

devido ao tipo de movimento do pistão, quanto ao ciclo de trabalho, número de

cilindros, quanto a disposição dos cilindros e quanto a sua utilização.

O princípio de funcionamento de um MCI consiste em utilizar a energia química

armazenada em determinado combustível (gasolina e diesel são exemplos) para pro-

duzir trabalho mecânico. Para isso, ocorre a combustão do mesmo que corresponde a

um processo em que há liberação de uma grande quantidade de energia através da re-

ação química do combustível com o oxigênio. Nesse processo de queima são liberadas

substâncias (moléculas) diferentes das originais. Um estudo dos gases provenientes

da combustão é fundamental neste tipo de análise. Microscopicamente, moléculas

(diferentes das originais) que são formadas através da queima possuem grande ener-

4

gia cinética. Por isso, macroscopicamente observamos uma elevação acentuada na

temperatura dos gases que sofreram uma reação química de combustão. Uma gran-

deza importante na análise é o poder calorí�co do combustível, que está associado a

energia liberada pelo combustível durante o processo de queima. Valores do poder

calorí�co inferior (PCI) típico de algumas substâncias [4] são mostrados a seguir :

• Óleo Diesel - PCI = 10.100 kcal/kg = 42.259 kJ/kg

• Gasolina C - PCI = 9.400 kcal/kg = 39.330 kJ/kg

• Biodiesel - PCI = 9.000 kcal/kg = 37.657 kJ/kg

• Etanol anidro - PCI = 6.750 kcal/kg = 28.243 kJ/kg

Como já mencionado, será usada a classi�cação dos motores quanto a ignição

dos mesmos. Assim, será empregada a seguinte classi�cação: motores de ignição por

centelha (também chamados de motores Otto) e motores de ignição por compressão

(também chamados de motores Diesel). Essa classi�cação se justi�ca pois o processo

de início da combustão nos motores Otto e Diesel é completamente distinto. Nos

motores Otto o inicio da combustão ocorre através de uma centelha, enquanto que

nos motores Diesel o processo de combustão se inicia quando o combustível injetado

entra em contato com o ar atmosférico a elevada pressão e temperatura e se in�ama.

Outras informações relevantes podem ser obtidas em [5] e [6]. Este trabalho se

concentrará exclusivamente em motores de combustão por compressão (Diesel).

2.1.2 Parâmetros geométricos e cinemáticos

Para �ns de representação geométrica, será considerada a con�guração mostrada na

Figura 2.1.

5

Figura 2.1: Representação esquemática de um motor alternativo de combustão in-

terna

Essa �gura representa um motor constituído por um pistão de diâmetro D, em

movimento alternativo entre o PMS (ponto morto superior) e o PMI (ponto morto

inferior), o qual transmite potência através de uma biela conectada a um eixo de

manivela. As grandezas Vd e Vc representam o volume deslocado e o volume da

câmara de combustão respectivamente, as quais somadas dão origem ao volume

total Vt. Nesta �gura, o curso do pistão (L) é de�nido como a distância linear entre

o PMS e o PMI.

2.1.2.1 Razão de compressão

De�ne-se a razão de compressão de um motor como a relação entre o volume máximo

e mínimo do cilindro:

r =Vd + VcVc

. (2.1)

De acordo com [5], valores típicos para a razão de compressão de motores Diesel

variam de r = 12 até r = 24. No próximo capítulo, serão realizados comentários

6

sobre a razão de compressão do motor ASTM/CFR Cetano, que foi utilizado neste

trabalho.

2.1.2.2 Rotação do motor

A rotação do motor está relacionada com a frequência de giro do eixo de manivelas.

Essa rotação é geralmente expressa em RPM (rotações por minuto).

Segundo [6] os MCI podem ser classi�cados em:

• Rápidos: N> 1500 RPM

• Médios: 600 < N < 1500 RPM

• Lentos: N<600 RPM

O motor ASTM/CFR cetano usado neste trabalho, e descrito no próximo capí-

tulo, apresenta uma rotação �xa de 900 RPM.

2.1.2.3 Velocidade média do pistão

Conhecendo a rotação do motor (N) e o curso (L) do pistão pode-se determinar a

velocidade média do pistão (Vp) a partir da seguinte relação

Vp = 2LN (2.2)

Para o motor ASTM/CFR, utilizado neste trabalho, tem-se N = 900 rpm e

L = 114, 3 mm. Fazendo uma conversão de unidades simples pode-se determinar a

velocidade média do pistão nas unidades do sistema internacional como

Vp = 3, 42m/s (2.3)

Valores típicos para a velocidade média de um pistão variam de 8 m/s até 15

m/s [5]. No entanto, o motor ASTM/CFR Cetano, de aplicação cientí�ca, opera

com um valor abaixo da faixa de valores dos motores comerciais.

2.1.2.4 Motor 4 tempos

Os motores podem ainda ser caracterizados pelos chamados tempos motores que

estão associados ao número de cursos do pistão até completar 1 ciclo. Assim, existem

7

motores de 2 tempos e motores de 4 tempos. Este projeto analisará um motor de 4

tempos de ignição por compressão (Diesel) - Figura 2.2. A maneira como os 4 tempos

ocorrem é diferente para motores Otto e Diesel. Dessa forma, a seguir será descrito

apenas o funcionamento de um motor quatro tempos de ignição por compressão:

• Primeiro tempo. Admissão: Nesse tempo admite-se somente ar pela válvula

de admissão, levando o pistão do ponto morto superior (PMS) até o ponto

morto inferior (PMI).

• Segundo tempo. Compressão: com as válvulas de admissão e de descarga

fechadas o ar é comprimido para que a sua temperatura e pressão se elevem.

• Terceiro tempo. Expansão (potência): o combustível é injetado na câmara

de combustão (cilindro) e, ao entrar em contato com o ar a elevada pressão

e temperatura, incia-se o processo de combustão. Através da expansão dos

gases o pistão é levado do PMS ao PMI.

• Quarto tempo. Exaustão: após o pistão chegar no ponto morto inferior,

a válvula de exaustão se abre e os gases formados durante a combustão são

expelidos com o pistão movendo-se do PMI ao PMS.

8

Figura 2.2: Tempos motor de combustão. Adaptado de [7].

2.1.3 Injeção direta e injeção indireta

Motores podem, ainda, ser divididos em relação a maneira como o combustível é

injetado. Existem motores de injeção direta e motores de injeção indireta.

Nos motores de injeção direta o combustível é injetado diretamente na câmara

de combustão. Já nos motores de injeção indireta, o combustível é injetado em

uma pré-câmara que está conectada à câmara de combustão principal. O motor

ASTM/CFR Cetano utilizado neste trabalho possui um sistema de injeção indireta.

9

Figura 2.3: Injeção direta e injeção indireta. Adaptado de [8]

.

Como destacado por [9] os motores de injeção indireta possuem algumas vanta-

gens em relação aos motores de injeção direta, tal como a necessidade de uma menor

pressão de injeção de combustível. Contudo, existem também algumas desvantagens

em motores de injeção indireta em relação a motores de injeção direta, como por

exemplo uma maior dissipação da energia durante a combustão. A Figura 2.3 ilustra

uma representação da injeção direta e indireta.

2.1.4 Diagramas PxV

2.1.4.1 Ciclo Diesel Ideal

Para a análise de motores a combustão interna, alguns grá�cos são necessários para

avaliar o seu desempenho. Um destes grá�cos é o diagrama pressão vs. volume

(P -V ) para o ciclo Diesel ideal (ciclo teórico), o qual é mostrado na Figura 2.4.

Figura 2.4: Ciclo Diesel ideal. Fonte: [10]

10

Neste grá�co, a área delimitada pela curva é um parâmetro importante a ser

avaliado, pois essa quantidade informa o trabalho líquido realizado durante o ciclo,

ou seja,

Wliq =

∮pdV = Área dentro da curva (2.4)

Cabe ressaltar que outros diagramas são importantes como o grá�co pressão vs.

ângulo do virabrequim (P -θ) ou ainda o diagrama temperatura vs. entropia (T -S)

que também podem ser utilizados nessa análise. Pode-se ainda determinar uma

expressão para a e�ciência do ciclo diesel que é dada pela seguinte expressão

η = 1 −(

1

γrγ−1

)βγ − 1

β − 1, (2.5)

onde β =(

γ−1γ P1V1

)Qhrγ−1 + 1, Qh representa a quantidade de calor fornecida durante

um ciclo, P1 representa a pressão no início da compressão, V1 representa o volume

no início da compressão e o valor de γ normalmente utilizado é 1,37.

2.1.4.2 Ciclo Diesel Real

Para um ciclo real, o diagrama anterior sofre algumas distorções e apresenta-se

diferente do ciclo diesel teórico comentado anteriormente. Pode-se ver o grá�co de

um ciclo real na Figura 2.5, o qual foi obtido experimentalmente em um ensaio feito

no Laboratório de Máquinas Térmicas (LMT) da UFRJ.

Figura 2.5: Ciclo Diesel real para um ensaio realizado no LMT

11

Para avaliar o trabalho líquido em um diagrama real é preciso levar em conta que

tanto a admissão quanto a exaustão não ocorrem necessariamente na mesma pressão

e, por isso, esse fato deve ser levado em conta no cálculo do trabalho líquido. Dessa

forma, se fosse feita uma ampliação da Figura 2.5 teríamos uma situação semelhante

àquela mostrada na Figura 2.6. Assim, para que se possa calcular o trabalho líquido

por ciclo, conforme mostrado na Eq. 2.6 deve-se levar em conta as áreas A, B e C

do diagrama da Figura 2.6.

Figura 2.6: Etapas de cálculo trabalho líquido ciclo real. Fonte: [5]

Wliq = A+ C − (B + C) = A−B, (2.6)

onde o termo A + C é chamado de trabalho bruto por ciclo (WB) e o termo B+C é

chamado de trabalho de bombeamento (Wp1). Assim,

Wliq = WB −Wp (2.7)

2.1.4.3 Pressão Média Efetiva Indicada (IMEP)

A pressão média efetiva indicada2 (IMEP) corresponde a uma pressão constante

que multiplicada pelo volume deslocado (Vd) do motor produz o mesmo valor para

o trabalho líquido (Wliq) realizado. Logo,

IMEP = Wliq/Vd (2.8)1Considera-se Wp positivo para efeitos de cálculo2Em inglês o termo referido é Indicated Mean E�ective Pressure. O termo indicated (indicada)

faz referência a uma grandeza medida dentro da câmara de combustão.

12

2.1.4.4 Potência líquida por ciclo (Pliq)

A potência líquida, por ciclo, apresenta uma relação com o trabalho líquido realizado,

sendo dada pela seguinte expressão

Pliq =WliqN

nR, (2.9)

onde N representa a rotação do motor, Wliq o trabalho líquido e nR um fator que

varia dependendo se o motor é 2 tempos ou 4 tempos. Para um motor 2 tempos

nR = 1 e para um motor 4 tempos nR = 2.

2.1.5 Avanço de injeção

Como já mencionado, no motor diesel, durante o processo de admissão, somente ar é

aspirado no primeiro tempo motor. No segundo tempo, essa mistura é comprimida

para que seja produzida uma elevação na temperatura e pressão do ar admitido.

Assim, idealmente, pode-se pensar que ao se injetar o combustível no PMS o mesmo

iniciará a combustão instantaneamente ao entrar em contato com o ar. Entretanto,

existe um intervalo de tempo entre o início da injeção do combustível e o início da

queima.

Por esta razão, nos ciclos reais, a injeção de combustível é avançada , ou seja,

o combustível é injetado alguns instantes antes do pistão chegar no PMS (medidos

através de graus do eixo de manivelas). A Figura 2.7 ilustra esse fato. Em geral,

o avanço de injeção é medido pelo ângulo α e, assim, um aumento no avanço de

injeção signi�ca um aumento do ângulo α.

13

Figura 2.7: Representação do aumento no avanço de injeção

2.1.6 Atraso de ignição (Delay)

Como já mencionado, existe um intervalo de tempo entre o início da injeção de

combustível e o início da sua queima. O intervalo de tempo entre o início da injeção

e o início da combustão é chamado de atraso de ignição (delay). Em geral, esse

intervalo é medido em graus do eixo de manivelas, ou seja, para uma velocidade an-

gular constante, ω, pode-se converter esse intervalo de tempo em termos da variação

angular como mostrado na relação abaixo

∆α = ω∆t. (2.10)

2.1.7 Combustão nos motores Diesel

A combustão em motores diesel pode ser dividida em três fases. A primeira está

associada ao atraso de ignição, pois o combustível é injetado alguns graus antes

do PMS e, após um intervalo de tempo, o mesmo se in�ama. A segunda e terceira

parte da combustão são chamadas de combustão pré-misturada e combustão difusiva.

A Figura 2.8 ilustra esses etapas descritos anteriormente traçando um grá�co que

mostra a taxa de liberação de calor (dQdθ) em função do ângulo do eixo de manivelas

14

(θ). O início da injeção inicia-se no ponto a, chamado de SOI (início de injeção3).

O ponto b do grá�co marca o início da combustão e a região comprendida entre a e

b corresponde ao valor do atraso de ignição (convertido para graus).

A região que está compreendida entre os pontos b e c representa a chamada com-

bustão pré-misturada, que se inicia a partir da queima da massa de combustível,

que ao ser injetada, entra em contanto com o ar quente evaporando e misturando-se

com ar iniciando, então, o processo de combustão após o atraso. A elevação do

pico da taxa de liberação de calor (ponto b′) aumenta quando ocorre um aumento

do atraso de ignição, pois um atraso de ignição elevado indica um grande massa

de combustível evaporado e, por consequência, uma elevada quantidade de energia

liberada provocando um aumento brusco na temperatura e pressão da câmara de

combustão. Esse pico muito elevado da taxa de liberação de calor é um fator inde-

sejável em motores diesel, pois o motor �ca submetido a variações de pressão muito

elevadas. A região compreendida entre os pontos c e d é chamada de combustão

difusiva. Nessa região o ar e o combustível se misturam a medida que a combustão

progride. Por �m, o termo EOI indica o �m da injeção4.

Figura 2.8: Combustão para um motor Diesel.Adaptado de [5]

2.1.8 Número de cetano (NC)

A qualidade de combustão dos combustíveis usados em motores Diesel é determinada

por um parâmetro de�nido em norma chamado de Número de Cetano (NC). No

3Em inglês o termo é start of injection4Em inglês o termo é end of injection

15

Brasil, existem valores mínimos para o NC determinados pela ANP5. Para o óleo

diesel S10 (contém 10 ppm de enxofre) o valor mínimo do NC é de 48 e para o diesel

S500 (contém 500 ppm de enxofre) o valor mínimo do NC é de 42 [4]. Em geral, um

maior Número de Cetano indica que o combustível apresenta um menor atraso de

ignição. Na Figura 2.8 isso corresponderia a uma diminuição do tamanho da região

a e b do grá�co.

A determinação do Número de Cetano é descrita pela norma ASTM D-613.

Para esse teste, são utilizados como referência dois combustíveis, a saber: o Cetano

(n-hexadecano), o qual apresenta uma ótima qualidade de queima, e que possui

NC = 100 por de�nição; e o heptametilnonano (HMN) que possui baixa qualidade

de queima e que possui NC= 15 por de�nição. Além disso, o motor em que o

combustível deve ser testado para a determinação do número de cetano também é

descrito em norma. O motor padronizado pela ASTM é o CFR (Cooperative Fuel

Research) Cetano. Uma descrição desse motor será apresentada no Capítulo 3.

Os combustíveis padrão mencionados anteriormente (n-hexadecano e heptame-

tilnonano) apresentam um custo elevado. Por isso, uma alternativa apresentada pela

ASTM consiste em utilizar os combustíveis padrão T22 e U15, os quais são menos

caros e possuem número de cetano pré-de�nidos. Os valores para o NC do T22 e

do U15 valem 74,8 e 18,7 respectivamente. A Tabela 2.1 informa a relação entre a

quantidade percentual de T22 contida no U15 e o valor do número de cetano para

cada composição fornecida pelo fabricante Chevron Phillips Chemical. Por exemplo,

para o valor 35 da tabela existe 35% em volume de T22 e 65% em volume de U15,

com um Número de Cetano igual a 38,3.

5Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis

16

Tabela 2.1: Número de Cetano para diferentes combinações dos combustíveis T22 e

U15.

No LMT, foram preparadas um conjunto de 11 (onze) amostras, destacadas em

azul na Tabela 2.1, com percentagens diferentes de T22 e U15. A partir dessas

11 amostras foi feita a calibração de uma curva que informa o Número de Cetano

(NC) em função da posição de um volante que desloca um êmbolo da pré-camara de

combustão, o qual é responsável por alterar a razão de compressão do motor. Tal

curva é apresentada na Figura 2.9.

17

Figura 2.9: Calibração curva cetano. Fonte: Laboratório de Máquinas Térmicas da

UFRJ.

Atualmente os padrões comercializados para a determinação do NC são T30 e

U30 [11].

18

Capítulo 3

Motor CFR Cetano com atualizações

3.1 Motor CFR Waukesha

3.1.1 Introdução

O motor CFR (Cooperative Fuel Research) Cetano ASTM D613, instalado no La-

boratório de Máquinas Térmicas (LMT) da Universidade Federal do Rio de Janeiro

(UFRJ) fabricado em 1973, tem sido utilizado para diversas pesquisas relacionadas

ao uso de combustíveis em motores alternativos do ciclo diesel. Desta forma, diver-

sos trabalhos e artigos foram produzidos por professores, engenheiros e estudantes

(graduação e pós-graduação) utilizando o CFR . Com isso, visando ampliar a gama

de possíveis aplicações, foram realizadas algumas atualizações no CFR Cetano para

que fosse possível manter um controle mais rigoroso nos parâmetros operacionais.

Assim, o motor CFR Cetano especi�cado na norma ASTM D613 teve vários ítens

modi�cados e/ou incluídos. Estas modi�cações dotaram o motor de diversos dispo-

sitivos que permitem, por exemplo, determinar a pressão na câmara de combustão

em tempo real durante o funcionamento do motor.

A seguir será detalhado o método de�nido na norma ASTM D613 para a de-

terminação do NC e serão descritas as atualizações realizadas no motor original,

estabelecendo uma comparação entre o processo de medição antes e depois das in-

tervenções realizadas. A versão sem modi�cações será chamada de versão original e

a versão que sofreu um processo de atualização de versão modi�cada. A Figura 3.1

(a) mostra o Motor CFR Cetano versão original e a Figura 3.1 (b) correspondente

19

a versão modi�cada.

(a) Motor CFR Cetano Versão Ori-

ginal

(b) Motor CFR Cetano Versão Mo-

di�cada

Figura 3.1: Motor CFR Cetano ASTM D613.

A Figura 3.2 mostra em detalhes a tela da versão modi�cada com os parâmetros

analisados . A versão modi�cada contou com dispositivos adquiridos junto a empresa

austríaca AVL e a empresa brasileira LOGS que foi responsável pela automatização

dos controles operacionais do motor.

Figura 3.2: Tela do Painel de Controle do motor CFR Versão Modi�cada

20

3.2 Método CFR ASTM D613

O motor CFR Cetano consiste de um motor monocilíndro com injeção indireta. A

injeção de combustível é feita através de uma bomba injetora de alta pressão da

marca BOSCH. Além disso, o método exige que a rotação do motor seja mantida

constante, o que é conseguido através de um motor elétrico síncrono acoplado ao

motor CFR. Tal motor também é responsável pela partida do conjunto. As condições

operacionais em que o motor deve ser mantido para que a realização do teste são:

• Rotação do motor: 900 ± 9 rpm;

• Avanço de injeção: 13 graus antes do PMS;

• Atraso de ignição: 13 graus após o início de injeção de combustível;

• Vazão de combustível: 13, 0 ± 0, 2 ml/ min na cuba (13, 0 ml em 60 ± 1seg);

• Temperatura de admissão do ar: 150 ± 1 oF;

• Temperatura da água de arrefecimento do injetor: 100 ± 5oF ;

• Pressão da abertura do injetor: 1500 ± 50 psi;

• Pressão do óleo: 25 a 30 psi em condições de operação;

• Temperatura do óleo: 135 ± 15 oF;

• Temperatura da água de arrefecimento do motor: 212 ± 3 oF.

Além dos parâmetros de operação para a determinação do Número de Cetano,

a Tabela 3.1 fornece alguns parâmetros geométricos básicos do motor. Um parâ-

metro geométrico fundamental do motor, ilustrado na tabela anterior, é a razão

de compressão que é responsável pelo ajuste dos 13 o para o atraso de ignição na

determinação do Número de Cetano.

21

Tabela 3.1: Parâmetros geométricos básicos do motor.

3.3 Controle dos Parâmetros Operacionais

3.3.1 Rotação

A medição da rotação no motor CFR original era inicialmente feita esporadicamente

através de um conta-giros manual. Na versão modi�cada, esse dispositivo manual

foi substituído por uma leitura digital a partir da instalação de uma roda dentada

e de um �pick-up� magnético que mede o tempo de uma rotação completa do motor

(Figura 3.3). Essa leitura contínua, dentre outras, é indicada diretamente no painel

mostrado na Figura 3.2.

Figura 3.3: Mecanismo roda dentada e pick-up magnético.

22

3.3.2 Vazão de combustível

A medição da vazão volumétrica de combustível no motor CFR original era feita

enchendo-se uma bureta graduada até que o volume de combustível atingisse 13

ml e, em seguida, utilizava-se um cronômetro para ajustar a taxa de consumo de

combustível para o valor padrão de 13 ml/min.

Na versão modi�cada esse controle da vazão de combustível passou a ser feito

de maneira digital com o auxílio de um braço acoplado a um extensômetro e um

cronômetro que medem o consumo de combustível. Para isso, é necessário o conhe-

cimento da massa especí�ca de cada combustível a ser testado para que o programa

desenvolvido faça a conversão da vazão em base mássica para a base volumétrica.

A Figura 3.4 ilustra o painel de leitura deste processo.

Figura 3.4: Controle de vazão de combustível

O ajuste (aumento ou diminuição) da vazão de combustível não sofreu alteração,

sendo ainda controlado manualmente por uma cremalheira que varia a quantidade de

combustível injetada por unidade de tempo. Um desenho esquemático do mecanismo

Bosch de controle do avanço de combustível pode ser visto na Figura 3.5.

23

Figura 3.5: Funcionamento do mecanismo de controle do débito de combustível no

motor CFR. Fonte [12]

Pode-se ainda ver na Figura 3.6 um desenho esquemático do mecanismo respon-

sável pelo avanço de injeção e outro pelo deslocamento da cremalheira.

Figura 3.6: Mecanismo de escala Vernier responsável pelo ajuste do avanço de injeção

e da vazão de combustível. Fonte [13]

3.3.3 Atraso de ignição

Na versão original do motor, um sensor de pressão detectava o início da combustão.

Essa leitura, então, era feita através de um visor no painel do motor denominado

�ignition delay�, conforme mostrado na Figura 3.7.

Um comentário sobre a leitura é importante nesta etapa. O método ASTM

D613 requer que o combustível seja injetado 13o antes do PMS. No visor �injection

advance� - Figura 3.7 - pode-se ver que este é exatamente o valor em que o com-

bustível é injetado. O sensor de pressão original registra o início da combustão e o

valor mostrado no visor �ignition delay� - Figura 3.7- informa o tempo (convertido

24

em graus do eixo de manivelas) entre o início da injeção e o início da combustão.

Por isso, a partir da Figura 3.7, deduz-se que a combustão está ocorrendo no PMS

do motor, pois a injeção de combustível ocorreu 13o antes do PMS e o atraso (delay)

foi também de 13o.

Figura 3.7: Leitura direta atraso de ignição e do avanço da injeção feita no motor

CFR.

Na versão modi�cada, o sensor de pressão original foi substituído por um con-

junto de equipamentos integrados da empresa austríaca AVL e a medição de pressão

passou a se dar em tempo real, conforme mostrado na Figura 3.8.

25

Figura 3.8: Sistema AVL para a medição da pressão na câmara de combustão.

Para isso, o sistema AVL é conectado a um sensor de pressão e interligado ao

sistema de aquisição de dados desenvolvido. Dessa forma, o software da AVL fornece

em tempo real as curvas de pressão vs. volume e pressão vs. ângulo virabrequim,

além de grandezas derivadas. Uma ilustração do software da AVL pode ser vista na

Figura 3.9

Figura 3.9: Análise em tempo real dos dados obtidos do sistema AVL, exibidos no

sistema de aquisição desenvolvido.

26

3.3.4 Avanço de injeção

Na versão original, o avanço de injeção era obtido através da leitura direta no motor

CFR, conforme mostrado na Figura 3.7.

Na versão modi�cada, o sistema AVL também faz a leitura do início da injeção de

combustível e, esse valor pode também ser lido diretamente na tela do software. Para

tal, foi instalado um ampli�cador de sinal junto ao sensor que detecta o levantamento

da agulha do injetor de combustível. O sinal ampli�cado deste sensor foi acoplado ao

sistema da AVL que identi�ca o pulso eletromagnético e faz o registro do momento

da injeção de combustível. A partir daí, rotinas foram implementadas de modo a se

calcular o atraso de ignição.

3.3.5 Razão de compressão

A razão de compressão (r) é um parâmetro que pode ser variado no motor CFR

podendo ser ajustado entre os valores de 8:1 até 36:1. A sua mudança é possível

graças a um volante que altera a posição de um pequeno pistão que está inserido

na pré-camara de combustão do motor. Pode-se ver uma vista em corte do volante

mencionado anteriormente na Figura 3.10

Figura 3.10: Vista em corte do volante do motor CFR responsável pela variação da

razão de compressão. Fonte [13]

O volante e o êmbolo (responsáveis por alterar a razão de compressão), separados

do motor, podem ser vistos na Figura 3.11.

27

Figura 3.11: Conjunto volante - pistão

O fabricante do motor fornece uma equação matemática que permite obter uma

relação entre a razão de compressão e escala da posição volante. A equação é dada

pela seguinte relação:

razão compressão =18 + posição do volante (mm)posição do volante (mm)

(3.1)

Essa mesma relação pode ser expressa em forma de uma tabela, a qual também

é fornecida pelo fabricante como ilustrado na Figura 3.12

Figura 3.12: Relação entre a razão de compressão e a leitura da posição do volante

Apesar do controle da razão de compressão ser original do motor CFR, é neces-

sário informar ao programa da AVL acerca de alguma mudança realizada. Caso a

28

razão de compressão correta não seja inserida, o programa irá plotar as curvas de

pressão com valores incorretos. Esse ajuste deve ser feito na aba "engine parame-

ters", conforme mostrado na Figura 3.13.

Figura 3.13: Parâmetros do motor programa AVL

3.3.6 Temperatura de admissão do ar

No motor original, a medição da temperatura do ar de admissão era realizada através

de um termômetro localizado no duto de admissão como mostra a Figura 3.14.

Figura 3.14: Medição da temperatura de admissão do ar do Motor original

A escala do termômetro era graduada em graus Fahrenheit, variando de 60 oF a

160 oF. O controle dessa temperatura era feito através de uma resistência elétrica e

um pequeno termistor instalados no duto de admissão e controlados através de um

sistema mostrado na Figura 3.15.

29

Figura 3.15: Controlador da temperatura de admissão do ar do Motor original

Na versão modi�cada , foi realizada a instalação de termopares no duto de ad-

missão do ar. A leitura da temperatura passou a ser feita diretamente no painel

mostrado na Figura 3.2 e o controle através do dispositivo mostrado na Figura 3.16.

Figura 3.16: Controle e medição de temperatura de admissão do ar do Motor Mo-

di�cado

3.3.7 Temperatura da água de arrefecimento do bico injetor

No motor CFR original a leitura da temperatura da água de arrefecimento do motor

era feita através da leitura de um termômetro e o controle da vazão de água era

realizado manualmente.

Na versão modi�cada, a leitura passou a ser feita diretamente na tela ilustrada

na Figura 3.17 por meio de um termopar instalado na câmara de arrefecimento do

bico injetor. O controle da vazão de água continuou sendo manual. Entretanto, foi

30

instalado um termopar no alojamento do bico injetor que dispara um alarme caso a

operação esteja fora da faixa de temperatura adequada (100 ± 5 oF).

Figura 3.17: Medição de temperatura do bico injetor

3.3.8 Temperatura da água de arrefecimento do motor

O sistema original de arrefecimento do motor foi mantido. Entretanto, um controle

extra foi instalado para o caso existir uma elevação da temperatura do circuito

interno da torre termo-sifão. Esse controle atua cortando a injeção do motor, através

da alimentação elétrica do solenóide de recuo da cremalheira da bomba injetora,

caso exista alguma elevação de temperatura que possa comprometer a integridade

do motor CFR.

3.3.9 Pressão do óleo lubri�cante

A medição da pressão de óleo lubri�cante no motor CFR original era feita através

de um manômetro, ilustrado na Figura 3.18.

Figura 3.18: Medição pressão óleo lubri�cante

Na versão modi�cada do motor, foi utilizado um transdutor para medir esta

pressão. A leitura passou a ser feita diretamente no painel da Figura 3.2, como

mostrado em detalhes na Figura 3.19.

31

Figura 3.19: Medição pressão óleo lubri�cante

Como forma de proteção do motor, sua partida é permitida somente após a

pressão do óleo lubri�cante atingir 25 psi. Um controle extra foi adicionado através

de um alarme que indica uma possível queda de pressão do óleo lubri�cante. Dessa

forma, ocorre um corte imediato da injeção do motor, através da alimentação elétrica

da solenóide de recuo da cremalheira da bomba injetora, caso algum parâmetro varie

bruscamente, colocando em risco a integridade do motor CFR.

3.3.10 Temperatura do óleo lubri�cante

Não foi realizada nenhuma modi�cação na medição da temperatura do óleo lubri�-

cante.

3.4 Quadro comparativo Motor CFR Versão Ori-

ginal e Versão Modi�cada

Uma demonstração de todas as mudanças realizadas no motor pode ser vista na

Tabela 3.2.

32

Tabela 3.2: Tabela de atualizações motor CFR Cetano.

33

Capítulo 4

Combustíveis

4.1 Diesel, Biodiesel e Etanol

4.1.0.1 Diesel

O óleo diesel, ou simplesmente diesel, é um combustível líquido derivado de petróleo.

Apresenta, em sua composição química, hidrocarbonetos com cadeias que variam de

8 até 16 carbonos. O óleo diesel ainda possui, em menor concentração, outros

elementos como nitrogênio, enxofre e oxigênio.

No Brasil, varios tipos de óleo diesel podem ser encontrados, tais como o óleo

diesel S10 (contendo 10 ppm de enxofre) e o S500 (contendo 500 ppm de enxofre),

utilizados no setor rodoviário, e o óleo diesel S1800 (contendo 1800 ppm de enxofre)

de uso não rodoviário. O óleo diesel rodoviário ainda pode ser classi�cado como do

tipo A (sem adição de biodiesel) e do tipo B (com adição de biodiesel).

O diesel rodoviário do tipo B comercializado atualmente em grandes centros é

o diesel S10. Quanto ao biodiesel, em 2008 passou a vigorar a adição de 2%, em

volume, ao óleo diesel puro. Posteriormente, seguindo a Lei no 13.623/2016 [14], o

início da adição de biodiesel seguiu os seguintes requisitos:

• A partir de março de 2017 - 8% de biodiesel;

• A partir de março de 2018 - 9% de biodiesel;

• A partir de março de 2019 - 10% de biodiesel.

34

Entretanto, os valores mencionados acima sofreram uma modi�cação com a an-

tecipação do aumento da inserção de biodiesel para o ano de 2018. Em março de

2018, o óleo diesel comercializado no território nacional já incluía 10% de biodiesel

em sua composição [3].

O diesel utilizado nesse trabalho, que corresponde ao diesel comercializado no

ano de 2017, apresenta em sua composição 8% em volume de biodiesel. O diesel deve

atender a requisitos mínimos de�nidos em norma. A Tabela 4.1 ilustra alguns desses

parâmetros, tais como número de cetano, massa especí�ca, lubricidade e ponto de

fulgor, entre outros, bem como os respectivos métodos para a determinação dessas

propriedades.

Tabela 4.1: Propriedades diesel no território brasileiro. Fonte:[15]

4.1.0.2 Biodiesel

O biodiesel é um combustível renovável produzido, por exemplo, por meio de um

processo chamado de transesteri�cação. Este processo consiste na reação química de

um álcool (metanol ou etanol) com gordura animal ou óleo vegetal, que na presença

de uma catalisador forma um composto denominado éster (representado na Figura

4.1) .

Diversas matérias primas podem ser utilizadas para a produção de biodiesel. As

35

oleaginosas como soja, palma, girassol, canola e amendoim, dentre outras, consti-

tuem grande parte dessa produção. Além disso, o sebo (gordura animal) também

é amplamente utilizado nesse processo. De acordo com a ANP o óleo de soja é a

matéria prima mais utilizada na obtenção de biodiesel no Brasil. Entretanto, neste

trabalho, por questões logísticas, foi utilizado biodiesel feito com óleo de palma.

Figura 4.1: Processo de produção do biodiesel. Fonte: [16]

4.1.0.3 Etanol

O etanol também constitui um combustível renovável, assim como o biodiesel apre-

sentado anteriormente. Historicamente, o início da produção de etanol para �ns

veiculares ocorreu devido a alta no preço do barril de petróleo nas décadas de 70

e 80. Assim, vários programas foram lançados pelos governos vigentes para uma

produção em massa de um combustível renovável que fosse um substituto para o

petróleo importado pelo país.

No Brasil, a matéria prima utilizada para a obtenção de etanol é a cana-de-

açúcar.

4.2 Misturas Ternárias

Como mencionado anteriormente, o diesel S10 utilizado consiste de uma mis-

tura de dois componentes (binária), pois possui uma quantidade de 92% em

volume de diesel e 8% em volume de biodiesel em sua composição. As mis-

turas usadas neste trabalho são chamadas de ternárias pois possuem em sua

composição três componentes , a saber: Diesel, biodiesel e etanol anidro. As-

sim, serão preparadas um conjunto de nove misturas contendo diferentes pro-

36

porções de diesel, biodiesel e etanol em sua composição. As misturas terná-

rias serão caracterizadas, neste trabalho, utilizando a seguinte nomenclatura:

DS10Bα Eβ.

O termo Ds10 caracteriza que a mistura possui diesel em sua composição e apre-

senta teor de enxofre de 10 ppm (este teor de enxofre se manterá sempre �xo). O

termo B caracteriza o biodiesel e a letra grega α representa a quantidade percen-

tual, em volume, de biodiesel contido na mistura. O termo E caracteriza o etanol

presente na mistura e a letra grega β indica a quantidade percentual, em volume,

de etanol contida na mistura. Por �m, o percentual que falta para completar 100%

representa a quantidade de Diesel que compõem a amostra e não está indicada na

terminologia.

Por exemplo, a mistura DS10B20E5 apresenta a seguinte composição:

• 20% em volume de biodiesel,

• 5% em volume de etanol e

• 75% de diesel com teor de enxofre de 10 ppm.

A Tabela 4.2 ilustra a combinação das nove misturas escolhidas. Entretanto, a

mistura destacada em cinza claro DS10B8E8 foi desconsiderada dos testes porque

apresentou problemas de estabilidade que serão relatados posteriormente.

Tabela 4.2: Combinação de misturas ternárias.

Serão destacadas a seguir algumas considerações importantes que nortearam a

escolha das concentrações de biodiesel e etanol nas misturas destacadas na Tabela

4.2:

37

Percentagens de BIODIESEL existentes nas misturas:

• A escolha de 8%, para o biodiesel, foi adotada em função de ser esta a con-

centração de biodiesel que o diesel comercializado nos postos de combustíveis

de todo país deveria possuir no período de realização do trabalho;

• O aumento percentual para 20% em volume de biodiesel foi feito pois essa

quantidade representa uma projeção futura da concentração que o diesel deverá

possuir para que possa ser comercializado;

• O aumento percentual para 60% foi projetado para analisar as características

de funcionamento de um motor operando com um combustível de elevada

concentração de biodiesel.

Percentagens de ETANOL existentes nas misturas:

• A escolha da concentração de etanol na mistura foi realizada utilizando fatores

técnicos. Como relatado nos trabalhos [17] e [18] a quantidade de etanol

adicionada ao diesel não deve apresentar um percentual muito elevado devido

à sua baixa solubilidade no diesel. Uma concentração muito elevada de etanol

acarreta a não homogeneidade da mistura ocasionando, assim, uma separação

entre os seus componentes. Quimicamente as moléculas de diesel são apolares

enquanto as moléculas de etanol são polares, o que di�culta a solubilidade do

etanol no diesel. Logo, a partir dos critérios mencionados anteriormente, o

percentual de etanol inserido nas amostras foi: 0% de etanol, 5% de etanol e

8% de etanol.

Como salientado por [18], a percentagem de etanol adicionada ao diesel pode

ser elevada com o aumento da concentração de biodiesel na mistura. No entanto,

a mistura DS10B8E8 precisou ser descartada dos testes, pois apresentou separação

e turbidez conforme será detalhado posteriormente. O mesmo não ocorreu com as

misturas que apresentavam um percentual mais elevado de biodiesel. Por isso, as

misturas da família B20 e B60 apresentaram estabilidade em todas as suas amostras.

Assim, con�rma-se o importante papel do biodiesel como um elemento fundamental

para a estabilidade das misturas, além de outras vantagens econômicas e ecológicas.

38

4.2.1 Procedimento para preparação das amostras

Nesta seção, serão descritos os detalhes acerca da preparação das amostras e uma

sugestão de etapas desse procedimento. O diesel S10 com 8% de biodiesel foi obtido

em um posto da BR Petrobras na região do Meier no Município do Rio de Janeiro.

O biodiesel (B100) e o etanol anidro já faziam parte dos combustíveis disponíveis

no LMT/ UFRJ. Os três combustíveis podem ser vistos na Figura 4.2

Figura 4.2: Diesel S10 Comercial, Biodiesel e Etanol Anidro.

Dessa forma, com os combustíveis em estoque no laboratório iniciou-se a etapa

de preparação das misturas.

4.2.1.1 1o Etapa - Determinação Experimental da massa especí�ca dos

componentes.

A primeira etapa da preparação foi determinar experimentalmente as respectivas

massas especí�cas do óleo diesel (diesel comercial DS10B8E0), biodiesel e etanol

anidro - Tabela 4.3

39

Tabela 4.3: Massa especí�ca do diesel comercial, biodiesel e etanol.

O procedimento para a determinação experimental da massa especí�ca (ρ) uti-

lizou uma proveta1 de 250 ml (mililitros) e uma balança de precisão - Figura 4.3.

Dessa forma, para um volume �xo de 250 ml, foi medida a massa da substância

sendo analisada e, através da relação, 4.1 foi obtido o valor da massa especí�ca.

ρ =m

V, (4.1)

onde m representa a massa da substância e V o respectivo volume (leitura direta

pela escala da proveta). Todas as determinações de massa especí�ca utilizaram a

escala máxima da proveta no valor de 250 ml. A Tabela 4.3 já mostra os valores

obtidos, no sistema internacional de unidades.

Após a determinação das massas especí�cas das substâncias que irão compor as

misturas ternárias, será descrito o procedimento de preparação do conjunto de 9

misturas utilizadas neste trabalho.

4.2.1.2 2o Etapa - Conversão da base volumétrica para a base mássica

As misturas possuem percentagens, em volume, bem de�nidas de diesel, biodiesel e

etanol. Desta forma, é necessário se ter alguma forma de determinar essas quanti-

dades de maneira precisa. Todavia, simplesmente pela análise volumétrica isso não

é possível, pois perde-se a precisão necessária, fazendo-se apenas um leitura visual

da escala do instrumento (proveta ou béquer). Assim, para que as percentagens vo-

lumétricas sejam respeitadas será realizada a mudança de uma análise volumétrica

1A proveta teve a escala aferida com água Milli-Q.

40

Figura 4.3: Balança de precisão e proveta de precisão.

para uma análise mássica. Para isso, será usada a balança de precisão, mostrada

anteriormente, para fazer a composição das misturas.

A conversão da base volumétrica para a base mássica possui algumas di�culdades

que serão relatadas a seguir. Idealmente, caso houvesse a disponibilidade de diesel

do tipo A (sem adição de biodiesel), a mudança seria simples, pois bastaria uma

simples multiplicação da massa especí�ca da substância pelo volume desejado para

todos os 3 componentes da mistura. Entretanto, o diesel utilizado na preparação

das amostras é do tipo B (com adição de biodiesel) e, por isso, um procedimento

ligeiramente mais detalhado é necessário. Como essa etapa demanda um cálculo um

pouco mais extenso deixaremos o mesmo para o Apêndice A.

A Tabela 4.4 ilustra as misturas preparadas com as respectivas quantidades más-

sicas calculadas levando-se em conta que as misturas não são preparadas com diesel

do tipo A.

41

Tabela 4.4: Misturas ternárias quantidades experimentais.

4.2.1.3 3o Etapa - Separação dos materiais

Os instrumentos utilizados na preparação das misturas foram uma balança de pre-

cisão, um béquer com capacidade máxima de 3,5 l, 1 proveta de 250 ml e 1 proveta

de 50 ml.

4.2.1.4 4o Etapa - Inserção dos componentes da mistura

Com os valores mássicos calculados e com os materiais utilizados devidamente sepa-

rados e limpos, iniciou-se o processo de preparo. Foi preparada, para cada mistura,

uma quantidade de 3 l. Com o béquer de 3,5 l posicionado em cima da balança, foi

adicionado primeiramente o diesel comercial (B8E0), com o auxílio da proveta de

250 ml e, posteriormente, com a proveta de 50 ml para o ajuste �nal. Após a adição

do B8E0 foi feita a inserção do biodiesel, pois como mencionado anteriormente o

biodiesel ajuda na solubilidade do etanol na mistura. Por �m, foi inserido o eta-

nol na mistura. A Figura 4.4 ilustra uma das misturas após a inserção do último

componente do combustível

42

Figura 4.4: Mistura preparada.

4.2.1.5 5o Etapa - Homogeneização das misturas

Após a adição de todos os componentes, foi utilizado um misturador eletro-mecânico

para tornar a mistura homogênea. Na Figura 4.5 pode-se ver o misturador e o vórtice

formado pelo mesmo nesta etapa do procedimento experimental.

Figura 4.5: Misturador

43

4.2.1.6 6o Etapa - Identi�cação das misturas

A última etapa consistiu no armazenamento das misturas em um recipiente apro-

priado e a respectiva identi�cação da misturas através de uma etiqueta contendo

informações relevantes. A Figura 4.6 ilustra todas as misturas preparadas e identi-

�cadas

Figura 4.6: Conjunto de Misturas Ternárias.

4.2.1.7 Mistura DS10B8E8 descartada dos testes

Durante a etapa de preparação das amostras, a mistura DS10B8E8 apresentou uma

não-homogeneidade. Após a etapa do misturador, a mistura apresentou-se turva e

com separação de fases - Figura 4.7.

Figura 4.7: Mistura DS10B8E8 (Descartada dos testes).

44

4.2.1.8 Diagrama esquemático das etapas de preparação das misturas

As etapas de preparação podem ser sintetizadas através da Figura 4.8. Como men-

cionado anteriormente, essa descrição em etapas representa uma sugestão para a

sistematização de um procedimento para a preparação das misturas ternárias.

Figura 4.8: Quadro esquemático das etapas de preparação das misturas

45

Capítulo 5

Resultados experimentais e análise

Neste capítulo serão apresentados os resultados relativos à análise do Poder Ca-

lorí�co e determinação do Número de Cetano das misturas ternárias descritas no

capítulo 4. Além disso, serão analisadas os valores gerados pelo sensor de pressão

AVL de modo a avaliar o desempenho das misturas ternárias explorando os diagra-

mas P -V para cada mistura e uma análise da quantidade de calor liberado durante

um ciclo bem como as respectivas e�ciências térmicas para cada mistura.

5.1 Poderes Calorí�cos

Através do calorímetro de bomba C200 da empresa IKA - Figura 5.1 - foi possível

analisar os poderes calorí�cos superiores (PCS) das misturas ternárias.

Figura 5.1: Calorímetro de bomba C200 da empresa IKA.

46

Assim, a Tabela 5.1 ilustra os respectivos valores para as misturas análisadas.

Tabela 5.1: Poder calorí�co superior misturas ternárias.

Como era esperado, pelo fato do poder calorí�co do etanol ser menor do que o

do diesel comercial e do biodiesel, nota-se uma queda nesse valor analisando-se os

valores ilustrados na tabela anterior.

5.2 Número de Cetano utilizando a norma ASTM

D613 com o sensor original de pressão do motor

A determinação do Número de Cetano (NC), como destacado na Seção 3.2, segue

a norma ASTM D613. Por isso, os parâmetros operacionais do motor, tais como

rotação, vazão de combustível, atraso de ignição, avanço de injeção e temperatura

do ar de admissão, foram ajustados e �xados seguindo esta norma. De acordo com

o especi�cado pela ANP [19], o valor mínimo para o NC de um diesel S10, com

8% de biodiesel em sua composição, em território nacional, para uso em motores

de veículos, é de 48. A Figura 5.2 ilustra os resultados para o NC obtidos para o

conjunto de 8 misturas testadas. Pode-se notar que, dentro do erro de repetibilidade1

ilustrado na Figura 5.3 de ± 0,9, apenas a mistura DS10B8E5 �cou abaixo do valor

limite de 48. O mesmo comportamento da mistura anterior era esperado para a

mistura DS10B8E8, caso o combustível não tivesse sido descartado.

1A diferença entre dois resultados de teste, obtido em testes idênticos realizados no mesmo

motor com condições de operações idênticas

47

Figura 5.2: Misturas ternárias dispostas em ordem crescente de número de cetano.

Figura 5.3: Repetibilidade para Motor CFR Cetano. Fonte: [13]

Pode-se repetir o grá�co anterior separando-se as misturas por famílias de biodi-

esel, onde é possível notar a in�uência da inserção de etanol no NC para as diferentes

misturas. Dessa forma, observa-se uma redução signi�cativa do número de cetano

das amostras, como mostrado na Figura 5.4, com o aumento percentual de etanol.

Pode-se, por exemplo, observar uma diminuição acentuada do NC na família B20

com o aumento da concentração de etanol nas misturas. O NC para a mistura

DS10B20E0 era de 59,5. Após a inserção de 5% de etanol percebe-se uma queda

do NC para 50,7 e com 8% uma queda ainda mais acentuada para o valor de 48,4.

Assim, nota-se claramente que a inserção de etanol prejudica a qualidade da queima

do combustível. Posteriormente, será analisado que essa redução do número de ce-

tano acarreta em uma grande quantidade de energia liberada na fase pré-misturada

da combustão acarretando picos elevados de pressão na câmara do motor.

48

Figura 5.4: Número de Cetano das misturas ternárias separadas por família de

biodiesel.

Por outro lado, observa-se que um aumento da concentração de biodiesel nas

misturas eleva signi�cativamente o NC. Assim, para uma concentração �xa de etanol

veri�ca-se que o aumento percentual da concentração de biodiesel acarreta em uma

elevação do NC.

5.3 Análise com sensor AVL

Nesta etapa, foi realizada a substituição do sensor original do motor CFR cetano

pelo sensor AVL descrito na seção 3.3.3. Assim, o motor nesta etapa foi colocado

operando totalmente na versão modi�cada ao longo deste projeto 2. Utilizando o

sensor e o software AVL foi possível uma análise mais detalhada acerca da variação

da pressão no interior da câmara de combustão. Dessa forma, foi possível determinar

o trabalho líquido para cada mistura e, com isso, pôde ser feita uma análise muito

mais detalhada sobre o desempenho de cada mistura .

2Para a determinação do Número de Cetano da etapa anterior o motor CFR já estava operando

na versão modi�cada mas com o sensor de pressão original.

49

Para avaliar o trabalho líquido, ver seção (2.1.4), realizado durante o ciclo para

cada mistura, foi aplicada uma metodologia especí�ca para o cálculo das áreas dos

diagramas pressão vs. volume fornecidas pelo software da AVL. Esta metodologia é

descrita a seguir:

• 1o Etapa: Com o motor em condições de operação estáveis foram adquiridos

(através do programa AVL) 200 (duzentos) ciclos contendo dados de pressão e

volume. Esses valores foram armazenados em um arquivo de texto no formato

txt.

• 2o Etapa: Com o arquivo txt gerado pelo software da AVL, foi construída

uma planilha Excel com os dados obtidos.

• 3o Etapa: Com os dados de volume e pressão contidos no arquivo foram de-

terminados os valores médios para a pressão para cada incremento de volume.

Esta média foi feita tomando-se os 200 valores para pressão para cada incre-

mento de volume, a qual será chamada de pressão média aritmética (pma).

Após o cálculo da média foram gerados os pares (V, pma). Com os valores

de volume e pressão média aritmética plotou-se o diagrama P -V da mistura

analisada.

• 4o Etapa: Foi realizada uma divisão do diagrama P -V em 4 partes para

a determinação do trabalho líquido através de um processo de integração. A

divisão das curvas foi feita identi�cando-se os cursos de expansão e compressão

do pistão, de modo que fossem computados os valores positivos e negativos

para o trabalho. A Figura 5.5 ilustra esse processo.

• 5o Etapa: Com a divisão das curvas feitas, utilizou-se a plataforma MA-

TLAB para fazer uma integração numérica da área sob cada curva utilizando

o comando trapz3.

3Função do MATLAB que realiza a integral numéricamente utilizando o método dos trapézios.

50

Figura 5.5: Diagrama P -V separado por tempo motor.

5.3.1 Misturas testadas na condição de determinação do NC

para cada mistura

Nesta etapa, o motor foi ajustado para a condição operacional padrão para a deter-

minação do NC de cada mistura testada. Esta etapa será chamada neste trabalho de

condição ASTM D613. Logicamente, os valores desses parâmetros do motor foram

obtidos através do teste para a determinação do NC descrito nas seções 3.2 e 5.2.

Com esses parâmetros �xados e, com a ajuda do sensor AVL, foi possível traçar as

curvas do diagrama P -V para cada mistura testada. A Figura 5.6 ilustra o diagrama

P -V do diesel comercial (DS10B8E0).

51

Figura 5.6: Diagrama P -V da mistura DS10B8E0 na condição ASTM D 613.

O trabalho líquido, para cada mistura, foi avaliado seguindo a metodologia des-

crita anteriormente e é ilustrado na Figura 5.7. Nesta etapa, não serão comparados

os trabalhos líquidos para as misturas, uma vez que as condições operacionais do mo-

tor, a que as misturas estavam sujeitas, eram bastantes distintas. Dessa forma, cada

mistura estava sendo testada em um motor �diferente� e, por isso, essa comparação

não será feita.

Figura 5.7: Trabalho Líquido para as misturas operando na condição ASTM D 613.

Na próxima seção as condições operacionais do motor serão mantidas �xas e

poderar-se-á, então, analisar possíveis in�uências da adição de determinado compo-

nente da mistura no valor do trabalho líquido. A análise dos diagramas se mostra

importante pois evidencia como a inserção do sensor AVL possibilita uma análise

52

quantitativa e qualitativa dos ciclos termodinâmicos a que os combustíveis estão

submetidos. A análise com o sensor de pressão original do motor restringia bastante

algumas conclusões. Com o sensor original, apenas o início da combustão era me-

dido, enquanto que o sensor AVL permite determinar em tempo real como a pressão

varia na câmara de combustão ao longo do curso do pistão.

5.3.2 Misturas testadas nas condições operacionais �xas do

número de cetano do combustível DS10B8E0 - Condição

padrão B8.

Nesta etapa as condições de operação do motor foram mantidas �xas para todas as

misturas. Foi utilizada, como referência, a condição de operação necessária para se

determinar o número de cetano do combustível comercial DS10B8E0. Esta condição

será chamada de condição padrão B8.

• Condição 1: Padrão B8 - Nessa condição os parâmetros do motor foram

�xados seguindo as condições para a determinação do Número de Cetano do

diesel comercial (DS10B8E0) segundo a norma ASTM D 613;

Ao se �xar as condições de operação do motor, pode-se realizar uma compa-

ração mais �dedigna entre as diversas misturas, pois as misturas serão testadas e

confrontadas valendo-se de um mesmo �motor�.

5.3.2.1 Mistura DS10B8E0

Primeiramente, o combustível de referência, que é o diesel comercial (DS10B8E0),

foi analisado. A Figura 5.8 mostra o diagrama P -V desse combustível na condição

Padrão B8. A unidade adotada para a pressão é o bar e para o volume o centímetro

cúbico.

53

Figura 5.8: Diagrama P -V DS10B8E0 na condição Padrão B8.

O trabalho líquido para esse ciclo, determinado numericamente seguindo a me-

todologia descrita anteriormente, a partir da área do diagrama P -V , apresentou o

seguinte valor

WliqB8E0= 280,07 J (5.1)


Seguindo o mesmo procedimento anterior, foi determinado o trabalho líquido para

a mistura DS10B8E5

WliqB8E5= 275,37 J (5.2)

A mistura DS10B8E5 mostra um primeiro indicativo de queda no valor do traba-

lho líquido, realizado durante o ciclo, com o aumento da concentração de etanol na

mistura. Pode-se determinar a variação percentual do trabalho líquido comparando

a mistura contendo 5% de etanol com o diesel comercial. Fazendo essa comparação,

nota-se uma redução percentual no valor de 1,25% do trabalho. A equação (5.3)

ilustra esse processo

∆WliqB8E5=

(WliqB8E5

−WliqB8E0

WliqB8E0

)x 100 = −1,25%. (5.3)


Mistura descontinuada, em razão de sua instabilidade.

54


A mistura DS10B20E0 apresentou o valor para o trabalho líquido mais elevado

dentre todas as misturas testadas. O diagrama P -V dessa mistura está ilustrado na

Figura 5.9 e o valor para o trabalho líquido obtido foi de


WliqB20E0= 301,8 J (5.4)

A seguir, foi realizada uma comparação análoga aquela feita anteriormente para

a família B8, ou seja, serão comparados, dentro da família B20, os valores para o tra-

balho líquido das misturas DS10B20E0, DS10B20E5 e DS10B20E8. Para fazer essa

comparação, na família B20, a mistura DS10B20E0 será utilizada como referência.


Para a mistura DS10B20E5 foi obtido o seguinte valor do trabalho líquido

WliqB20E5= 279,95 J (5.5)

Nota-se que o trabalho líquido diminuiu ligeiramente quando comparado com a

mistura DS10B20E0, con�rmando a mesma tendência de queda com a adição de

etanol. A variação percentual é dada por

∆WliqB20E5=

(WliqB20E5

−WliqB20E0

WliqB20E0

)x 100 = −7,24%. (5.6)

55


Para a mistura DS10B20E8, da família B20, com concentração de 8% de etanol,

obtém-se uma redução ainda maior no valor do trabalho líquido

WliqB20E8= 274,28 J (5.7)

Comparando o trabalho líquido da mistura DS10B20E8 com a mistura

DS10B20E0 obtém-se uma redução de 9,12%

∆WliqB20E8=

(WliqB20E8

−WliqB20E0

WliqB20E0

)x 100 = −9,12% (5.8)


Procedendo agora aos cálculos para a família com 60% de biodiesel, o valor para o

trabalho líquido para a mistura DS10B60E0 é dado por

WliqB60E0= 274,43 J (5.9)

A Figura 5.10 ilustra o diagrama P -V dessa mistura durante o teste.


Novamente, a mistura com 0% de etanol, DS10B60E0, servirá de comparação

para as misturas da família B60. Assim os valores do trabalho líquido para os

combustíveis DS10B60E5 e DS10B60E8 serão comparados com o valor do trabalho

líquido da mistura DS10B60E0.

56


A mistura DS10B60E5 apresentou o seguinte valor para o trabalho líquido

WliqB60E5= 269,66 J (5.10)

Nota-se, novamente, a queda no valor do trabalho com a inserção do etanol.

Pode-se, então, determinar essa variação percentual

∆WliqB60E5=

(WliqB60E5

−WliqB60E0

WliqB60E0

)x 100 = −1,74%. (5.11)

Nota-se que a queda de trabalho ao se aumentar o teor de etanol de 0% para

5% é menor do que aquela observada para a família B20, conforme observado na

equação (5.6). Desta forma, o aumento da quantidade de biodiesel pareceu ser um

fator importante, nesta mistura, para reduzir o impacto da adição de etanol.


Para a última mistura testada da família B60, con�rma-se a mesma tendência de

redução do trabalho líquido com o aumento percentual de etanol. O trabalho líquido,

para esta mistura, apresenta o seguinte valor

WliqB60E8= 265,92 J (5.12)

A respectiva variação percentual corresponde a

∆WliqB60E8=

(WliqB60E8

−WliqB60E0

WliqB60E0

)x 100 = −3,10%. (5.13)

Nota-se, novamente, que a queda de trabalho ao se aumentar o percentual de

etanol na família B60 é menor do que na família B20. Um aumento de 5% para

8% de etanol na família B20 causou uma redução de 9,12% de trabalho, conforme

equação (5.8), enquanto que na família B60 esta redução foi de 3,10%. Observa-

se que aparentemente o biodiesel faz com que a redução de trabalho seja menos

acentuada ao se incluir etanol na mistura.

5.3.2.10 Análise em Conjunto misturas padrão B8

A Figura 5.11 ilustra os valores de trabalho líquido calculado para todas as misturas.

57

Figura 5.11: Trabalho Líquido na condição Padrão B8.

Através do grá�co anterior pode-se perceber visualmente que, �xando uma famí-

lia de biodiesel e variando a concentração de etanol, existe uma tendência de queda

no valor do trabalho líquido com o aumento da concentração de etanol.

A Tabela 5.2 ilustra a variação percentual do valor do trabalho líquido para as

famílias B8, B20 e B60.

Tabela 5.2: Variação percentual por família de biodiesel para o trabalho líquido na

condição Padrão B8.

Pode-se, ainda, �xar a família de etanol e analisar a in�uência do biodiesel na

variação percentual do trabalho líquido (∆W ). A Figura 5.12 ilustra que a redução

percentual no valor do trabalho líquido, para a quantidade de 5% de etanol nas

misturas, foi signi�cativa para a mistura com 20% de biodiesel. As demais misturas

apresentaram valores semelhantes para a queda no valor do trabalho líquido.

58

Figura 5.12: Módulo da variação percentual do trabalho líquido para a família E5.

Para a família E8, uma análise semelhante a anterior pode ser feita. Assim, nota-

se que, novamente, a mistura com 20% de biodiesel apresenta uma queda acentuada

no valor do trabalho líquido. Entretanto, a inserção de etanol para a mistura com

uma concentração de 60% de biodiesel mostra-se menos afetada pelo aumento da

concentração de etanol. Assim, um comportamento aparente dessas misturas parece

indicar que a partir de uma certa concentração de biodiesel a redução no valor

do trabalho para uma determinada quantidade de etanol torna mais tênue para

concentrações mais elevadas de biodiesel como mostrado na Figura 5.13.

Figura 5.13: Módulo da variação percentual do trabalho líquido para a família E8.

5.3.3 Misturas testadas nas condições operacionais do nú-

mero de cetano do combustível DS10B8E0 com 15% de

aumento na razão de compressão.

Nesta condição novamente será utilizado o diesel comercial como combustível de

referência para a �xação dos parâmetros do motor. A única modi�cação feita nesta

59

nova condição foi o aumento de 15% da razão de compressão.

• Condição 2: Padrão B8 com aumento de 15% na razão de compressão

- Nessa condição, o motor é mantido nas mesmas condições que a condição

padrão B8 mas a razão de compressão sofre um acréscimo de 15%.


Primeiramente, será analisado o combustível de referência que é o diesel comercial

(DS10B8E0). A Figura 5.14 mostra o diagrama P -V deste combustível na condição

padrão B8 com aumento de 15% na razão de compressão. A unidade adotada para

a pressão é o bar e para o volume o centímetro cúbico.

Figura 5.14: Diagrama P -V DS10B8E0 na condição Padrão B8 com 15% de aumento

na razão de compressão.

O trabalho líquido para esse ciclo, determinado numericamente segundo a me-

todologia descrita anteriormente, a partir da área do diagrama P -V apresentou o

seguinte valor

WliqB8E015%= 303,68 J (5.14)

Como era de se esperar, o trabalho líquido aumenta com a razão de compressão,

o que pode ser veri�cado ao se comparar o resultado das equações (5.1) e (5.14).

Para o caso do B8 com 0% de etanol, um aumento de 15% na razão de compressão

fez com que o trabalho líquido aumentasse 8,43%.

60


Seguindo o mesmo procedimento anterior, foi determinado o trabalho líquido para

a mistura DS10B8E5

WliqB8E515%= 288,04 J (5.15)

Comparando o valor da equação (5.15) com o da (5.2), houve um aumento de 4,60%

no valor do trabalho líquido ao se aumentar a razão de compressão em 15%. A

mistura DS10B8E5 também mostrou, assim como na condição padrão B8, uma

queda no valor do trabalho líquido, realizado durante o ciclo, com o aumento da

concentração de etanol na mistura. Fazendo essa comparação, nota-se uma redução

percentual no valor de 5,15%. A equação (5.16) ilustra esse processo

∆WliqB8E515%=

(WliqB8E515%

−WliqB8E015%

WliqB8E015%

)x 100 = −5,15%. (5.16)

É interessante notar que a queda no trabalho líquido foi maior para o caso com

maior razão de compressão do que para o caso base. Na condição padrão, a queda

de trabalho ao se aumentar o teor de etanol de 0% para 5% foi de 1,25%, conforme

equação (5.3), enquanto que esta mesma queda foi de 5,15% para a condição com

maior razão de compressão.


AmisturaDS10B20E0 apresentou o valor para o trabalho líquido mais elevado dentre

todas as misturas testadas para a condição com aumento da razão de compressão. O

diagrama P -V dessa mistura está ilustrado na Figura 5.15 e o valor para o trabalho

líquido obtido foi de

61

Figura 5.15: Diagrama P -V DS10B20E0 na condição Padrão B8 com 15% de au-

mento na razão de compressão.

WliqB20E015%= 319,38 J (5.17)

Ao se comparar este trabalho líquido com aquele para o motor operando sem o

acréscimo de 15% na razão de compressão, conforme equação (5.4), nota-se que

houve um aumento de 5,83% no trabalho líquido. Este aumento é menor do que o

observado para a família B8 (8,43%), indicando uma menor in�uência do biodiesel

neste caso. A seguir será avaliada a in�uência da adição de etanol na família B20.


Para a mistura DS10B20E5 foi obtido o seguinte valor para o trabalho líquido

WliqB20E515%= 299,01 J (5.18)

o qual é 6,81% maior que aquele para o caso sem aumento na razão de compressão,

conforme apresentado na equação (5.5). A variação percentual de trabalho com a

adição de etanol é dada por

∆WliqB20E515%=

(WliqB20E515%

−WliqB20E015%

WliqB20E015%

)x 100 = −6,38% (5.19)

que é similar àquela observada para o caso sem aumento de razão de compressão

(7,24%), conforme pôde ser observado na equação (5.6).

62


Para a mistura da família B20, com concentração de 8% de etanol, obteve-se também

uma redução signi�cativa no valor do trabalho líquido, dada por

WliqB20E815%= 278,42 J (5.20)

Comparando o trabalho líquido da mistura DS10B20E8 com a mistura DS10B20E0

obtém-se uma redução de 12,82%. Ou seja,

∆WliqB20E815%=

(WliqB20E815%

−WliqB20E815%

WliqB20E015%

)x 100 = −12,82% (5.21)

Nota-se, no entanto, que o aumento da razão de compressão fez com que o trabalho

líquido aumentasse de 274,28 J, conforme equação (5.7), para 278,42 J, correspon-

dendo a uma variação positiva de 1,51%. Comparando este aumento com os demais

obtidos, veri�ca-se que o aumento da razão de compressão não provocou grandes va-

riações no trabalho líquido para esta mistura. De fato, ao se comparar o resultado

das equações (5.8) e (5.21), nota-se que a queda de trabalho com a adição de etanol

é muito maior para esta última (12,82%) do que para o caso sem aumento da razão

de compressão (9,12%). Isto pode explicar o porquê do trabalho não ter aumentado

muito para esta mistura com o aumento da razão de compressão.


O valor para o trabalho líquido para a mistura DS10B60E0 é dado por

WliqB60E015%= 293,72 J (5.22)

A Figura 5.16 ilustra o diagrama P -V dessa mistura durante o teste para a condição

padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão.

63

Figura 5.16: Diagrama P -V DS10B60E0 na condição Padrão B8 com 15% de au-

mento na razão de compressão.

Observa-se aqui que o valor do trabalho líquido aumenta 7% com o aumento da

razão de compressão que pode ser obtido comparando as equações (5.22) e (5.9).

Em seguida, uma comparação análoga a feita anteriormente para a família B60 será

realizada.


A mistura DS10B60E5 apresenta o seguinte valor para o trabalho líquido

WliqB60E515%= 289,65 J (5.23)

Nesta etapa, o aumento na razão de compressão provocou uma elevação de 7,41%

no trabalho líquido que foi obtido comparando as equações (5.23) e (5.10). Nota-se,

novamente, a queda no valor do trabalho com a inserção do etanol. Pode-se, então,

determinar essa variação percentual como

∆WliqB60E515%=

(WliqB60E515%

−WliqB60E015%

WliqB60E015%

)x 100 = −1,39%. (5.24)

Ao comparar, agora, as equações (5.24) e (5.11) nota-se que a redução no valor

do trabalho líquido ao se comparar as misturas com 0% e 5% de etanol é similar

nas duas condições análisadas (padrão B8 e padrão B8 com aumento na razão de

compressão). Essa análise evidencia, novamente, uma possível tendência de aumento

da concentração de biodiesel com a redução do impacto causado pela presença de

etanol no valor do trabalho líquido.

64


Para a última mistura testada na nova condição, con�rma-se a mesma tendência de

redução do trabalho líquido com o aumento percentual de etanol, o qual apresenta

o seguinte valor

WliqB60E815%= 283,35 J (5.25)

A elevação percentual no valor do trabalho líquido com aumento na razão de

compressão para a mistura DS10B60E8 foi de 6,55% que foi obtido comparando as

equações (5.25) e (5.12). A respectiva variação percentual, com o aumento percen-

tual de etanol, corresponde a

∆Wliq15% =

(WliqB60E815%

−WliqB60E015%

WliqB60E015%

)x 100 = −3,53%. (5.26)

Já ao comparar-se o valor da redução percentual do trabalho líquido, comparando

as misturas com 0% e 8% de etanol na condição com 15% de aumento na razão

de compressão, dado pela equação (5.26) nota-se, novamente, que o aumento da

concentração de biodiesel na mistura reduz o valor da queda no trabalho líquido.

5.3.3.9 Análise em Conjunto misturas padrão B8 com 15% no aumento

da razão de compressão.

A Figura 5.17 ilustra os valores de trabalho líquido calculado para todas as misturas.

Figura 5.17: Trabalho Líquido na condição Padrão B8 com 15% de aumento de taxa.

65

Através do grá�co anterior pode-se perceber visualmente que �xando uma família

de biodiesel e variando a concentração de etanol existe uma tendência de queda no

valor do trabalho líquido com o aumento da concentração de etanol.

A Tabela 5.3 ilustra a variação percentual do valor do trabalho líquido para as

famílias B8, B20 e B60.

Tabela 5.3: Variação percentual por família de biodiesel para o trabalho líquido na

condição Padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão.

5.3.3.10 Comparação entre os trabalhos líquidos para a condição padrão

B8 e para a condição padrão B8 com 15% de aumento da razão

de compressão

O aumento no valor do trabalho líquido era um comportamento esperado devido ao

aumento da razão de compressão e pode ser visto na Figura 5.18. O grá�co anterior

corrobora e ilustra todas as discussões feitas anteriormente. Os valores em azul

correspondem ao trabalho líquido das misturas na condição padrão B8 e os valores

em laranja para a condição padrão B8 com 15% de aumento de taxa.

Figura 5.18: Comparação para o Trabalho Líquido nas condições Padrão B8 e Padrão

B8 com 15% de aumento na razão de compressão.

66

Pode-se, ainda, analisar em mais detalhes a sensibilidade do aumento no valor

do trabalho líquido, devido a elevação da razão de compressão, para o conjunto das

misturas testadas por meio da Figura 5.19.

Figura 5.19: Aumento percentual do Trabalho Líquido comparando as condições

Padrão e Padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão.

A síntese apresentada na �gura anterior ilustra as discussões nas seções prece-

dentes onde foi comparado a variação percentual da alteração no valor do trabalho

líquido para cada mistura testada.

5.3.4 Atraso de ignição, pressão máxima e pressão média efe-

tiva

5.3.4.1 Condição Padrão B8

Com os valores para o trabalho líquido determinados anteriormente, pode-se ainda

avaliar alguns parâmetros de interesse como atraso de ignição, pressão máxima e

pressão média efetiva (IMEP). A Figura 5.20 ilustra os valores de atraso de ignição

para as misturas ternárias na condição padrão B8. Nota-se que um aumento na

concentração de etanol está associado a um aumento no atraso de ignição (delay).

Tal tendência reforça a Figura 5.4 que mostra um decréscimo do valor do número de

cetano com o aumento percentual da concentração de etanol, pois como destacado

anteriormente o Número de Cetano está associado ao atraso de ignição. Assim,

quanto maior o atraso de ignição menor o valor para o Número de Cetano.

67

Figura 5.20: Atraso de ignição para as misturas na condição padrão B8.

Analisando a Figura 5.20 nota-se o papel do biodiesel na redução do atraso de

ignição. Para a misturas DS10B60E8, que apresenta uma elevada concentração de

biodiesel, percebe-se que o valor para o atraso de ignição é bastante reduzido mesmo

quando comparado com as famílias B8 e B20 para misturas sem adição de etanol.

A Figura 5.21 ilustra as pressões máximas atingidas, durante os testes, na câmara

de combustão na condição padrão B8.

Figura 5.21: Pressão máxima para as misturas na condição padrão B8.

Nota-se que as pressões máximas crescem, �xando a família de biodiesel, com

o aumento percentual de etanol na mistura. Pode-se, então, traçar uma tendência,

para uma quantidade �xa de biodiesel, entre o aumento do atraso de ignição com o

aumento da pressão máxima. Entretanto, avaliando-se comparativamente as Figuras

5.20 e 5.21 o valor da pressão máxima parece apresentar, além do atraso de ignição,

68

outros parâmetros que in�uenciam em seu valor. Por �m, da análise de incertezas

(um desvio padrão para cima e para baixo) nota-se também que os valores de pressão

máxima apresentam grande variabilidade.

Através do software da AVL, o valor para a pressão média efetiva (IMEP) pode

ser obtido. Além disso, foi feita uma comparação com o valor lido diretamente no

software da AVL com o valor calculado fazendo a razão entre o trabalho líquido

(obtido por interação numérica e ilustrado na Figura 5.11) e o volume deslocado -

Figura 5.22.

Figura 5.22: Comparação IMEP na condição padrão B8.

5.3.4.2 Condição padrão B8 com 15 % de aumento da razão de com-

pressão

Analogamente ao feito anteriormente, pode-se também avaliar o atraso de ignição, a

pressão máxima e a pressão média efetiva para o a condição padrão B8 com 15% de

aumento na razão de compressão. A Figura 5.23 ilustra os atrasos de ignição para a

condição padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. Comparando-se

as Figuras 5.23 e 5.20 nota-se uma redução no atraso de ignição com aumento da

razão de compressão. Essa diminuição no valor do atraso de ignição era esperada,

pois uma maior razão de compressão implica em maiores valores de pressão e tem-

peratura na câmara de combustão. Dessa forma, o combustível injetado encontra

ar a elevada pressão e temperatura facilitando o início da combustão.

69

Figura 5.23: Atraso de ignição para as misturas na condição padrão B8 com 15%

de aumento na razão de compressão.

A Figura 5.24 ilustra o atraso de ignição para ambas as condições de operação

do motor.

Figura 5.24: Comparação para Atraso de Ignição nas condições Padrão B8 e Padrão

B8 com 15% de aumento na razão de compressão.

Pode-se, ainda, fazer uma comparação percentual e analisar a sensibilidade para

as diferentes misturas com o aumento da razão de compressão - Figura 5.25.

70

Figura 5.25: Redução para Atraso de Ignição nas condições Padrão B8 e Padrão B8

com 15% de aumento na razão de compressão.

Nota-se que as misturas com concentrações de 5 % e 8% de etanol aparentam um

sensibilidade maior a variação da razão de compressão. Iremos retomar essa análise

nas próximas seções.

Analisando, agora, os valores de pressão máxima, nessa nova condição de ope-

ração, observa-se que com o aumento na razão de compressão os valores de pressão

máxima sofreram uma elevação quando comparados com a condição padrão B8. A

Figura 5.26 apresenta os valores de pressão máxima na condição padrão B8 com

15% de aumento na razão de compressão.

Figura 5.26: Pressão máxima para as misturas na condição padrão B8.

Comparando-se as Figuras 5.26 e 5.23 a relação entre o aumento no atraso de

ignição com o aumento da pressão máxima não é evidente como na condição padrão

71

B8. Com isso, outros parâmetros devem ser levados em conta para uma análise da

qualidade da combustão como a taxa de liberação de calor. Por exemplo, as misturas

DS10B20E0 e DS10B20E8 possuem valores para o atraso de ignição próximos mas

valores de pressão máxima bastante distintos. Na condição padrão B8 com aumento

de 15% na razão de compressão nota-se uma variabilidade menor nos valores de

pressão máxima (com menores valores para as incertezas). A exceção ocorre no

diesel comercial que apresentou uma grande variação nos valores de pressão máxima.

Por �m, novamente os valores de IMEP foram determinados utilizando o software

da AVL e através dos valores de trabalho líquido destacados na Figura 5.17. A Figura

5.27 ilustra essa comparação e, novamente, percebe-se uma correspondência entre

esses valores.

Figura 5.27: Comparação IMEP na condição padrão B8 com 15% de aumento na

razão de compressão.

5.3.5 Análise da Combustão

Nessa seção serão apresentados alguns detalhes sobre a qualidade da combustão.

Para isso, serão analisados a duração da combustão, a taxa de liberação de calor

máxima, a quantidade de calor liberado durante a combustão, a e�ciência da com-

bustão e, por �m, a e�ciência global para o ciclo para as condições padrão B8 e

padrão B8 com 15 % de aumento na razão de compressão.

72

5.3.5.1 Condição Padrão B8

Pode-se, então, iniciar a análise observando a duração da combustão (convertida em

termos do ângulo do eixo de manivelas) para as misturas ternárias na condição pa-

drão B8 - Figura 5.28. Os valores para a duração da combustão foram determinados

diretamente a partir do software da AVL.

Figura 5.28: Duração da combustão para as misturas ternárias na condição padrão

B8.

Com base na Figura 5.28, para uma família �xa de biodiesel, nota-se uma redução

na duração da combustão com o aumento percentual de etanol. Para entender essa

relação entre a redução da duração da combustão com o aumento percentual de

etanol na mistura, pode-se analisar o valores de pico para a taxa de liberação de

calor por unidade de volume - Figura 5.29.

73

Figura 5.29: Taxa de liberação de calor máxima por unidade de volume na condição

padrão B8.

Analisando a Figura 5.29, �xada a concentração de biodiesel, pode-se observar

que os valores mais elevados para a taxa máxima de liberação de calor ocorrem para

as misturas com concentração mais elevada de etanol. Combinando, então, essa

informação com a Figura 5.20, que ilustra a relação entre a elevação do atraso de

ignição com o aumento da concentração de etanol, pode-se fornecer uma explicação

coerente para a redução na duração da combustão para misturas com concentrações

mais elevadas de etanol. O aumento na concentração de etanol faz com que o atraso

de ignição aumente e, com isso, uma maior massa de combustível evapora antes

do início da combustão, fazendo, assim, com que uma maior quantidade de energia

seja liberada na fase pré-misturada da combustão, o qual é caraterizada por uma

rápida queima do combustível. Dessa forma, pode-se explicar a redução da duração

da combustão com o aumento percentual de etanol para um quantidade �xa de

biodiesel. Além disso, um maior atraso de ignição e, consequentemente, uma maior

quantidade de energia liberada na fase pré-misturada da combustão acarreta picos

de pressão mais elevados na câmara de combustão que podem ser danosos para a

durabilidade dos motores.

Seguindo a análise da qualidade da combustão, pode-se determinar o valor da

quantidade de calor liberado (Qlib) durante a combustão fazendo a integração nu-

mérica das curvas dQdθ

vs. θ para as misturas ternárias. Entretanto, o software da

AVL já nos fornece o valor da integral. Os valores obtidos a partir desses dados

estão ilustado na Figura 5.30

74

Figura 5.30: Quantidade de calor liberada para as misturas ternárias na condição

padrão B8.

Os valores para a taxa de liberação de calor e para o calor liberado também

podem ser determinados através de uma análise Bayesiana dos dados de pressão

coletados no cilindro. A análise Bayesiana, baseada em técnicas de problemas in-

versos, permite que funções desconhecidas � no caso a taxa de liberação de calor �

sejam estimadas a partir de dados experimentais (pressão da câmara de combustão

no presente caso) [20].

Embora os valores para as quantidades de energia liberadas para as misturas na

fase pré-misturada e difusiva sejam diferentes para misturas com percentagens de

etanol diferentes, o valor para a energia total liberada apresenta valores próximos

para as misturas. Podemos avaliar, então, a partir dos dados anteriores a e�ciência

da combustão. Para isso, será calculada a razão entre a quantidade de calor liberado

(determinado pelo software) e a quantidade de energia contida no combustível obtida

multiplicando a massa de combustível injetada pelo poder calorí�co superior (PCS)4.

Como mencionado anteriormente, o valor do poder calorí�co foi obtido através de

um calorímetro e a massa de combustível injetada foi obtida pela instrumentação

do motor CFR.4Embora o valor mais adequado seja o poder calorí�co inferior (PCI), o PCS nos fornece uma

indicação para comparar as misturas

75

Figura 5.31: E�ciência de combustão na condição padrão B8.

Analisando a Figura 5.31 nota-se que não conseguimos traçar uma tendência en-

tre o aumento percentual de etanol com alguma tendência de in�uência na e�ciência

de combustão. Outro fator que chama a atenção são os valores reduzidos para a

e�ciência de combustão, assim uma melhor investigação desse comportamento deve

ser investigada em trabalhos futuros.

Por último, pode-se analisar a e�ciência global do ciclo tomando como base para

o cálculo a razão entre o trabalho líquido (Wliq) e o calor liberado (Qlib). A Figura

5.32 ilustra o valor para as e�ciências globais para as misturas ternárias na condição

padrão B8.

Figura 5.32: E�ciência global para o ciclo real na condição padrão B8.

Analisando a Figura 5.32 pode-se notar que a e�ciência global aumenta, para

uma quantidade �xa de biodiesel, com o aumento percentual de etanol nas misturas.

76

Pode-se ainda analisar a e�ciência global para os ciclos diesel ideais (ciclos teóricos) e

fazer uma comparação para os ciclos reais ilustrados na �gura anterior. Os resultados

para o ciclo diesel ideal são ilustrados na Figura 5.33 e, conforme o esperado, os

valores para a e�ciência dos ciclos ideais são maiores que nos ciclos reais.

Figura 5.33: E�ciência global para o ciclo diesel ideal.

A base para o cálculo das e�ciências para o ciclo ideal foram os valores de pressão

e volume no início da compressão retiradas dos grá�cos para a condição padrão

B8 das misturas ternárias. Além disso, os valores para o calor liberado que estão

ilustrados na Figura 5.30 foram utilizados. Após a �xação dessas condições foram

utilizados as expressões para a e�ciência do ciclo diesel ideal, equação (2.5), com o

valor de γ = 1,37.

5.3.5.2 Condição Padrão B8 com 15% de aumento na razão de compres-

são

A Figura 5.34 ilustra a duração da combustão para as misturas ternárias na Condição

Padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. Analogamente a condição

padrão B8, para uma quantidade �xa de biodiesel, a duração da combustão diminui

com o aumento percentual de etanol na mistura, sendo a mistura DS10B60E5 uma

exceção.

77

Figura 5.34: Duração da combustão na condição padrão B8 com 15% de aumento


Analisando as Figuras 5.28 e 5.34 nota-se que a duração da combustão é maior

na condição com maior razão de compressão. Uma explicação possível para esse

comportamento está no fato de que na condição com aumento na razão de compres-

são o combustível ao ser injetado encontra o ar a alta pressão e temperatura fazendo

com que a o atraso de ignição diminua e, consequentemente, reduzindo a massa de

combustível queimada na fase pré-misturada da combustão.

A Figura 5.35 ilustra os valores para a taxa de liberação de calor máxima por

unidade de volume para as misturas na condição padrão B8 com 15% de aumento


Figura 5.35: Taxa de liberação de calor máxima na condição padrão B8 com 15%

de aumento na razão de compressão.

78

Comparando as Figuras 5.35 e 5.29 para as condições padrão B8 e padrão B8

com 15% de aumento na razão de compressão nota-se uma redução nos valores para

a taxa máxima de liberação de calor, corroborando com os valores mais elevados

na duração da combustão para a condição padrão B8 com aumento na razão de

compressão. Assim, valores menores para a taxa de liberação de calor indicam um

menor consumo de combustível na fase pré-misturada da combustão e, assim, uma

maior massa de combustível é queimada na fase difusiva.

Pode-se, ainda, determinar os valores para a quantidade de calor liberada durante

a combustão através do software da AVL - Figura 5.36.

Figura 5.36: Quantidade de calor liberada para as misturas ternárias na condição

padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão.

Novamente, pode ser feita a análise para a e�ciência de combustão e a e�ciência

global dos ciclos Figuras 5.37 e 5.38.

79

Figura 5.37: E�ciência de combustão na condição padrão B8 com 15% de aumento


Novamente, nota-se uma baixa e�ciência de combustão na condição padrão B8

com 15% de aumento na razão de compressão. Dessa forma, esse fato deve ser

investigado em trabalhos futuros.

Figura 5.38: E�ciência de global na condição padrão B8 com 15% de aumento na

razão de compressão.

Observa-se nas �guras anteriores que ocorreu um comportamento semelhante

para as e�ciências globais exceto para a família B60. Já para a efciência de combus-

tão, o comportamento diferiu bastante apresentando oscilações no comportamento

para a condição padrão B8 com aumento de 15% de aumento na razão de compres-

são. Por �m, podemos analisar as e�ciências para o ciclo diesel ideal nessa nova

condição de operação -Figura 5.39

80

Figura 5.39: E�ciência global para ciclos diesel ideal comparativa as misturas na

condição padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão.

Novamente, foram utilizados os mesmos procedimentos e equações da determi-

nação para a condição padrão B8.

81

Capítulo 6

Emissões de Gases Poluentes

6.1 Introdução

Nessa parte do trabalho serão analisados os produtos devido a reação de combustão

no motor CFR Cetano utilizando as misturas apresentadas na Tabela 4.2, repetida

aqui na Tabela 6.1. Essa análise torna-se indispensável, pois além de analisar as

emissões decorrentes da combustão, que se mostram nocivas ao homem e ao meio

ambiente, também avalia-se a e�ciência do processo de combustão.

Tabela 6.1: Misturas Ternárias

Em motores reais, a combustão incompleta contribui para a formação de várias

substâncias que são extremamente prejudiciais à saúde humana e estão relacionadas

com a ine�ciência da queima do combustível. A seguir, serão detalhados alguns

fatores que in�uenciam na formação de substâncias decorrentes de um processo de

combustão em motores Diesel, que são: óxidos de nitrogênio (NOx), monóxido de

carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), dióxido de enxofre (SO2) e hidrocarbo-

82

netos. A Figura 6.1 ilustra alguns possíveis compostos produzidos pelo processo de

combustão completa e incompleta em motores de ignição por compressão (diesel).

Figura 6.1: Produtos de combustão para combustão completa e incompleta.

Fonte:[21].

6.2 Teoria de Poluentes

6.2.1 Óxidos de nitrogênio (NOx)

A nomenclatura óxido de nitrogênio relaciona-se com os compostos formados por

uma combinação de oxigênio e nitrogênio, a saber: o monóxido de nitrogênio (NO)

e o dióxido de nitrogênio (NO2). Denomina-se NOx a combinação de NO e NO2,

através da seguinte relação NOx = NO + NO2. Como mencionado por [22] o NOx

além de ser tóxico para o ser humano contribui para formação de ácido nítrico na

atmosfera in�uênciando a formação de chuva ácida. A formação dos óxidos de ni-

trogênio (NOx) ocorre pela oxidação do nitrogênio a elevadas temperaturas. Assim,

a temperatura de combustão exerce grande in�uência na formação do NOx como

destacado por [5]. Além disso, a concentração de oxigênio presente na combus-

tão in�uencia diretamente a concentração desse composto nos gases de exaustão.

Motores de ignição por compressão (Diesel) emitem quantidades mais elevadas de

NOx em comparação aos motores de ignição por centelha (Otto), pois os primeiros

operam como uma razão de compressão mais elevada do que motores Otto. Além

disso, motores diesel trabalham com excesso de ar (mistura pobre) existindo, então,

83

uma concentração maior de oxigênio e nitrogênio disponíveis na câmara de combus-

tão, quando comparados aos motores Otto, contribuindo, assim, para o aumento na

formação de NOx.

Combustíveis como o biodiesel e etanol podem contribuir para o aumento na

formação de NOx, pois esses combustíveis são oxigenados. Além disso, a adição de

etanol faz com que o Número de Cetano decresça, aumentando o atraso de ignição,

e fazendo com que mais combustível evapore antes do início da combustão. Ao

se in�amar, esta maior massa de combustível evaporado fará com que a fase pré-

misturada da combustão libere maior quantidade de energia do que a fase difusiva,

fazendo com que a temperatura local dos produtos de combustão seja elevada e, com

isso, possa ocorrer maior formação de NOx [1].

6.2.2 Monóxido de carbono (CO)

A formação do monóxido de carbono (CO) está associada a uma diminuição da

e�ciência da queima, resultado da combustão incompleta. Além disso, essa substân-

cia apresenta um efeito nocivo ao ser humano e, por isso, deve ser determinada e

controlada. Em situações em que existe excesso de ar no processo de combustão a

tendência é que esse monóxido de carbono acabe se oxidando em dióxido de carbono.

Em motores Diesel, a formação desse composto ocorre de maneira signi�cativa

na fase difusiva da combustão segundo[5].Além disso, o Número de Cetano afeta a

formação de CO. Assim, um aumento do Número de Cetano propicia uma diminuição

da concentração de monóxido de carbono. Por �m, a inserção de combustíveis

oxigenados como biodiesel e etanol pode contribuir positivamente para a diminuição

da concentração de CO. Entretanto, esse comportamento pode apresentar variações

e, assim, combustíveis mais oxigenados podem contribuir com o comportamento

oposto. Esses comportamentos serão investigados neste trabalho.

6.2.3 Dióxido de enxofre (SO2)

A formação de SO2 ocorre devido a reação de enxofre contido no combustível com

o oxigênio. Essa emissão está relacionada a presença do enxofre no combustível. No

caso especí�co deste projeto, a porcentagem de enxofre contido no diesel é baixa, com

valor de 10 ppm de enxofre e, portanto, as emissões deste poluente não apresentam

84

valores elevados. O fato de motores Diesel operarem com misturas com excesso de

ar contribui para a formação de SO2.

6.2.4 Dióxido de carbono (CO2)

A formação do dióxido de carbono (CO2) se dá pela combustão completa do com-

bustível. Dessa forma, um aumento do percentual de dióxido de carbono nos gases

de exaustão indica que a e�ciência da combustão melhorou. Entretanto, apesar de

não apresentar, diretamente, nenhum dano à saúde humana, o CO2 é um gás de

efeito estufa.

6.2.5 Hidrocarbonetos (HC)

A combustão incompleta em motores de combustão interna contribui signi�cati-

vamente para as emissões de combustível não queimado que são chamados de hi-

drocarbonetos [21]. Esses hidrocarbonetos podem ser produzidos por excesso de

combustível ou pela entrada de combustível nas folgas existentes entre o cilindro e

o pistão. Assim, durante o processo de combustão a chama provocada pela combus-

tão não interage com os hidrocarbonetos contidos nestas folgas. Além disso, fatores

como falhas na combustão, extinção de chama e depósitos afetam a concentração de

combustível não queimado nos gases de emissão.

A redução das emissões de hidrocarbonetos pode ser produzida, por exemplo,

gerando-se uma melhor atomização do combustível. Espera-se, no entanto, que em

misturas pobres (excesso de ar) a emissão de hidrocarbonetos não seja tão signi�ca-

tiva quanto no caso de motores que trabalham com misturas ricas ou na proporção

estequiométrica (como os motores Otto, por exemplo).

6.3 Análise Experimental Emissões

Para os combustíveis escolhidos, foram feitas análises comparativas sobre as emissões

dos gases de exaustão. De modo a tornar as comparações mais claras, uma análise

foi realizada agrupando as misturas por família de biodiesel e etanol. Dessa forma,

uma análise comparativa pôde ser feita determinando tendências acerca da in�uência

do aumento percentual de um determinando componente da mistura (biodiesel ou

85

etanol) sobre os gases de exaustão. Algumas investigações foram feitas traçando-se

tendências globais para todas as misturas em conjunto.

6.3.1 Analisador dos gases de exaustão - TESTO 350XL

Os gases poluentes, provenientes da exaustão, foram analisados com o auxílio do

TESTO 350XL que pode ser visto Figura 6.2. O TESTO possui sensores responsá-

veis por detectar as quantidades de NOx, CO, CO2, O2 e SO2. Por meio do software

também disponibilizado pelo TESTO foi possível aquisitar 120 pontos (que corres-

ponde a 120 segundos de leitura) para que, então, fosse possível analisar as emissões

para uma ampla quantidade de valores e,assim, os valores utilizados serão as médias

e desvios-padrão para um conjunto de 120 dados de cada mistura nas condições

operacinais descritas a seguir.

Figura 6.2: Analisador de Gases TESTO 350XL. Fonte: [17]

6.3.2 Condições Operacionais

Para a análise de emissões gasosas, o motor foi colocado nas mesmas condições

operacionais em que foram realizadas as análises para o trabalho líquido e para a

combustão, as quais são repetidas abaixo por questões de clareza:

• Condição 1: Padrão B8 - Nessa condição os parâmetros do motor foram

�xados seguindo as condições para a determinação do Número de Cetano do

diesel comercial (DS10B8E0) seguindo a norma ASTM D 613;

86

• Condição 2: Padrão B8 com aumento de 15% na razão de compres-

são - Nessa condição, o motor é mantido nas mesmas condições que a condição

padrão B8 mas a razão de compressão sofreu um acréscimo de 15%.

Dessa forma, com os parâmetros do motor �xos, tendo como base o combustível

padrão, todas as misturas foram testadas nas mesmas condições. Como detalhado

por [18], a �xação dos parâmetros operacionais do motor é importante para que

todas as misturas operem nas mesmas condições e, assim, seja possível comparar

os gases de exaustão do motor. Caso as condições operacionais do motor fossem

modi�cadas, a comparação poderia levar a resultados não conclusivos.

A Tabela 6.21 abaixo mostra os valores da razão de compressão e a respectiva

posição do volante nas duas situações propostas nos testes.

Tabela 6.2: Condições operacionais.

Durante os experimentos, foram realizadas análises dos componentes gasosos na

seguinte sequência: óxidos de nitrogênio (NOx), monóxido de carbono (CO), dióxido

de carbono (CO2) e dióxido de enxofre (SO2). A célula responsável pela medição do

dióxido de enxofre (SO2) apresentou grande oscilação na determinação dos valores,

marcando, em diversas situações, o valor zero nos testes para as diversas misturas

e, por isso, não será incluída nas análises.

As análises sempre se iniciarão tentando estabelecer um padrão de tendência

geral com todas as misturas. Uma forma de se chegar a esta análise global consiste

em se colocar as misturas em ordem crescente de Número de Cetano ou algum outro

parâmetro de interesse e, assim, procurar padrões tentando estabelecer relações entre

as variáveis. Em seguida, o conjunto das nove2 misturas será dividido em famílias

1Outros parâmetros importantes do motor estão na Tabela 3.1 (pág. 22)2Como destacado anteriormente, nove misturas foram preparadas mas a mistura DS10B8E8

precisou ser descartada dos testes devido a problemas de estabilidade da mistura.

87

de Biodiesel (B8, B20 e B60) e em famílias de etanol (E0, E5 e E8), onde novamente

serão levantadas relações entre alguns parâmetros.

6.4 Emissões - Condição 1: PADRÃO B8

6.4.1 Análise Global

Nessa parte será realizado um estudo global utilizando todas as misturas.

6.4.1.1 Emissão de NOx - Condição 1: PADRÃO B8

Como dito anteriormente, a formação de NOx é, em grande parte, determinada pela

temperatura da combustão e a respectiva concentração de oxigênio. Foi observado

uma elevação na formação de NOx com o aumento percentual da concentração de

etanol na mistura, o que pode ser explicado pelo fato de a adição de etanol fazer

com que o Número de Cetano decresça - Figura 5.4 (pág. 49). Dessa forma, o

atraso de ignição aumenta, fazendo com que mais combustível se evapore durante

este tempo. Ao se in�amar, esta maior massa de combustível evaporado fará com

que a fase pré-misturada da combustão libere maior quantidade de energia do que

a fase difusiva, fazendo com que a temperatura local dos produtos de combustão

seja elevada e, com isso, possa ocorrer maior formaçao de NOx. O comportamento

descrito pode ser observado examinando a Figura 5.29 (pág. 74) que ilustra uma

elevação na taxa máxima de liberação de calor com o aumento percentual de etanol.

Além disso, os valores para as pressões máximas apresentam valores mais elevados

para estas misturas com maior concentração de etanol - Figura 5.21 (pág. 68). Dessa

forma, esta possível in�uência do Número de Cetano será apresentada nesta seção.

A in�uência da formação de NOx com o valor da pressão máxima é apresentada

na Figura 6.3, onde nota-se uma forte correlação entre o aumento da formação de

NOx com a elevação da pressão máxima. Para que a notação que caracteriza as

misturas nas �guras não �que demasiadamente pesada, será omitida a sigla DS10

nas análises grá�cas. Ao se plotar um grá�co relacionando duas variáveis, sempre

se tentará estabelecer uma relação utilizando o coe�ciente, R2, de modo a traçar

tendências entre as variáveis escolhidas. O valor de R2 apresenta uma variação entre

os valores 0 e 1, quanto mais próximo de 1 melhor a correlação entre as variáveis

88

e quanto mais próximo de 0 pior a correlação entre as variáveis. O valor R2 estará

localizado, na maioria das vezes, no canto superior a direita dos grá�cos que farão

parte da análise.

Figura 6.3: Relação ppm NOx e Pressão Máxima.

Por �m, foi analisada a relação entre a formação de NOx e o Número de Cetano.

Como mostrado na Figura 6.4, combustíveis com menor Número de Cetano, ou

seja, com maiores atrasos de ignição e maiores quantidades de energia liberadas na

fase de combustão pré-misturada, possuem níveis mais elevados de NOx em suas

emissões gasosas. Tal fato corrobora a a�rmação citada anteriormente, no sentido

de se evitar misturas que diminuam demasiadamente tal parâmetro de qualidade do

combustível.

Figura 6.4: Relação ppm NOx e Número de Cetano.

89

6.4.1.2 Emissão de CO - Condição 1: PADRÃO B8

Procede-se agora à analise da formação de monóxido de carbono (CO) nos gases

de exaustão. Em uma primeira análise, percebe-se que a formação de monóxido

de carbono apresenta uma tendência de queda conforme se aumenta o Número de

Cetano (NC) - Figura 6.5. Esse comportamento era esperado pois um aumento do

Número de Cetano está associado a uma melhor qualidade da queima do combustível.

Figura 6.5: Relação ppm CO e Número de Cetano

6.4.1.3 Emissão de CO2 - Condição 1: PADRÃO B8

Com relação às emissões de CO2, estas associam-se à qualidade da combustão. Com

o aumento da concentração de etanol, para uma quantidade �xa de biodiesel, ocorre

uma diminuição do Número de Cetano, uma vez que o etanol apresenta um valor

extremamente baixo para o NC.

Dessa forma, o aumento da concentração de etanol na mistura prejudica a com-

bustão e, assim, esperava-se uma redução da concentração de CO2. Por outro lado,

a inserção do biodiesel contribui positivamente para o aumento do Número de Ce-

tano e por consequência em um percentual maior de CO2 nos gases de exaustão.

A Figura 6.6 mostra que o NC não apresenta qualquer in�uência na formação de

CO2. Na análise por família de combustível será possível avaliar e analisar essas

tendências em mais detalhes.

90

Figura 6.6: Relação concentração de CO2 em função do Número de Cetano.

6.4.2 Análise por Família de combustível

Serão analisados, a seguir, emissões gasosas de poluentes por família de determinado

componente de combustível. Inicialmente serão analisadas famílias de biodiesel e,

em seguida, famílias de etanol.

6.4.2.1 Família B8

Serão analisados os gases de exaustão da família B8 como ilustrado na Tabela 6.3.

Tabela 6.3: Família B8.

1. NOx

Observa-se na Figura 6.7 uma relação entre o aumento da concentração de

NOx com o aumento percentual da concentração de etanol na mistura. Como

visto anteriormente, a inserção do etanol na mistura produz uma diminuição

do Número de Cetano (Figura 5.4 - pág. 49) acarretando, como mencionado

91

um aumento no valor do atraso (Figura 5.20 - pág. 68) e, assim, uma maior

quantidade de energia liberada na fase pré-misturada (Figura 5.29 - pág. 74).

Figura 6.7: Concentração de NOx Família B8.

A a�rmação anterior é con�rmada analisando a relação entre a pressão máxima

e a concentração de NOx nos gases de exaustão. Analisando a Figura 6.8 nota-

se que um maior valor para a pressão máxima parece indicar um aumento na

concentração de NOx. Pode-se estabelecer uma relação entre o aumento da

concentração de NOx e o aumento da pressão máxima, mas como na família

B8 só temos 2 misturas não traçaremos esse grá�co. Iremos investigar essa

tendência para as próximas famílias.

Figura 6.8: Pressão Máxima Família B8.

92

2. CO

Nota-se aqui um comportamento esperado, ou seja, a inserção do etanol di-

minui o Número de Cetano da mistura e, assim, uma grande quantidade de

calor é liberada na fase pré-misturada, favorecendo a formação de CO. Na Fi-

gura 6.9 percebe-se uma elevação na concentração de CO com o aumento da

quantidade percentual de etanol na mistura.

Figura 6.9: Concentração de CO Família B8.

3. CO2

Conforme ilustrado na Figura 6.10, um aumento da concentração de etanol

está relacionado com uma tendência de diminuição da concentração de CO2,

embora as variações dos valores sejam pequenas para a concentração de dioxido

de carbono neste caso.

Figura 6.10: Concentração de CO2 Família B8.

93

Como na família B8 só existem duas misturas, essa tendência será melhor

investigada para as demais famílias.

6.4.2.2 Família B20

Serão analisados os gases de exaustão da família E5 como ilustrado na Tabela 6.4.


1. NOx

A mesma tendência observada anteriormente, na família B8, é con�rmada

também na família B20 como mostrado na Figura 6.11.


Pode-se observar, novamente, na Figura 6.12 uma relação entre o crescimento

da pressão máxima e o aumento percentual de etanol na mistura. Compa-

rando os valores de pressão máxima nota-se uma tendência de elevação na

concentração de NOx com o aumento da pressão máxima.

94


Relacionando a concentração de NOx com a pressão máxima na câmara de

combustão observa-se uma forte correlação entre essas duas variáveis, conforme

ilustrado na Figura 6.13.

Figura 6.13: Relação ppm NOx e Pressão Máxima na Família B20.

Assim, pode-se novamente relacionar esse aumento na pressão máxima com

uma maior quantidade de liberação de energia na fase pré-misturada da com-

bustão, elevando-se, assim o valor da pressão no interior do motor e tornando

propícia uma maior concentração de NOx nos gases de exaustão. De fato, a

análise da Figura 5.29 (pág. 74) nos mostra um aumento na taxa máxima de

liberação de calor com o aumento percentual de etanol na mistura.

2. CO

95

Na Figura 6.14 nota-se uma elevação da concentração de CO com o aumento de

0% para 5% de etanol, seguido de uma queda na concentração deste poluente

com a mudança de 5% para 8% de etanol. Nesse ponto, era de se esperar que

as emissões de CO continuassem aumentando com a elevação da concentração

de etanol. Uma comparação com a família B8 é di�cil de ser realizada, pois na

família B8 não existe a mistura com 8% de etanol. Neste caso particular, não

foi possível obter uma relação conclusiva envolvendo parâmetros associados a

combustão e uma análise mais detalhada é necessária.

Figura 6.14: ppm CO Família B20.

3. CO2

Aqui, novamente, pela Figura 6.15 percebe-se uma tendência de diminuição

da quantidade de CO2 com o aumento percentual de etanol.

Figura 6.15: Concentração de CO2 Família B20.

96

Comparando com a família B8, nota-se, aqui, um comportamento semelhante

apresentando uma possível tendência entre o aumento da concentração de eta-

nol na mistura e a redução percentual dos níveis de CO2 na mistura.


Nesta seção serão analisados os gases de exaustão para a família B60 como ilustrado

na Tabela 6.5.


1. NOx

Para a família B60 percebe-se, novamente, uma forte correlação entre o au-

mento na concentração de NOx com a elevação na concentração de etanol e

com a elevação na pressão máxima - Figura 6.16 e Figura 6.17.


97


Pode-se, ainda, como feito para as outras famílias de biodiesel, estabelecer

uma correlação entre a pressão máxima e a concentração de NOx - Figura 6.18

Figura 6.18: Relação entre ppm NOx e Pressão Máxima Família B60.

O grá�co anterior con�rma a tendência de aumento na concentração de NOx

com o aumento da pressão máxima, con�rmando a relação entre a quantidade

de energia liberada na fase pré-misturada da combustão (que in�uência na

elevação de pressão) com a formação do óxido de nitrogênio.

Assim, ao se analisar as famílias B8, B20 e B60 percebe-se a mesma tendência

de aumento da concentração de NOx com o aumento percentual de etanol. Essa

relação, então, pode ser explicada pelo papel do etanol no aumento do atraso

de ignição e, por consequência, uma maior quantidade de energia liberada na

98

fase pré-misturada da combustão elevando, então, a pressão e a temperatura

na câmara de combustão, as quais favorecem a formação de NOx.

2. CO

Na família B60 o aumento da concentração de CO parece estar associado ao

aumento na concentração de etanol, pois como relatado o etanol provoca uma

diminuição do Número de Cetano e, assim, contribui para a formação de CO

- Figura 6.19. Percebe-se,então, pela análise que, em geral, a formação de

monóxido de carbono tende a aumentar com o aumento da percentagem de

etanol presente na mistura. Uma exceção ocorre na família B20 que apresentou

um aumento da concentração de CO da mistura DS10B20E0 para DS10B20E5

seguida de uma diminuição dessa concentração da mistura DS10B20E5 para

DS10B20E8. Essa oscilação na família B20 pode estar relacionada a uma

maior produção de CO na fase difusiva da combustão, que afeta a quantidade

desse composto nos gases de emissão, sendo necessário uma maior investigação

desses parâmetros para con�rmar essa tendência neste caso especí�co.

Entretanto, de modo geral nota-se a tendência de aumento da concentração

de CO com o aumento percentual de etanol. Além disso, a concentração de

CO nas misturas separadas por família aumenta com a diminuição do Número

de Cetano, sendo a oscilação descrita anteriormente na família B20 um com-

portamento diferente das demais misturas. Curiosamente, a concentração de

CO2, para a família B20, não sofreu qualquer oscilação no seu comportamento,

mesmo com a concentração de CO oscilando entre as misutras com 0% e 5%

de etanol, como será visto em seguida.

99

Figura 6.19: Concentração CO Família B60.

3. CO2

Para a concentração de CO2, da família B60, con�rma-se a mesma tendência

estabelecida nas famílias B8 e B20 - Figura 6.20. Portanto, nota-se uma ten-

dência de queda na concentração de CO2, em todas as famílias de biodiesel,

com o aumento percentual de etanol nas misturas.

Figura 6.20: Concentração CO2 Família B60.

As famílias B8, B20 e B60 apresentaram comportamentos semelhantes quanto

a variação da concentração de CO2. Nessa etapa, para as misturas analisadas,

o papel do etanol sugere uma diminuição da concentração de CO2 nos gases

de exaustão.

100

6.4.2.4 Família E0


Tabela 6.6: Família E0.

1. NOx

Na família E0 percebe-se uma oscilação na formação de NOx com o aumento da

concentração de biodiesel - Figura 6.21. Nota-se uma redução na concentração

de NOx seguida de um aumento na concentração desse composto. Pode-se

novamente investigar a relação entre a formação de NOx e o valor da pressão

máxima para as misturas testadas.

Figura 6.21: Concentraçao de NOx Família E0.

Comparando, então, o comportamento oscilatório da concentração de NOx

com a pressão máxima observamos uma relação entre essas grandezas - Figura

6.22.

101

Figura 6.22: Pressão Máxima Família E0.

Nesta etapa, a comparação torna-se mais difícil pois as quantidades de biodie-

sel variam bruscamente. Dessa forma, diversos fatores podem contribuir para

a formação de NOx. O aumento da concentração de biodiesel eleva o Número

de Cetano da mistura. Assim, a energia liberada na fase pré-misturada di-

minui e, em princípio, poderia impactar em uma redução da concentração de

NOx. Por outro lado, um aumento na concentração de biodiesel devido ao fato

desse combustível ser oxigenado, poderia resultar em uma melhor combustão

e, com isso, uma elevação da temperatura na câmara de combustão tornar um

ambiente propício para a formação de NOx. Recomenda-se aqui uma melhor

investigação desse comportamento.

2. CO

Na análise por família de etanol, percebe-se uma tendência de queda na con-

centração de CO com o aumento da concentração de biodiesel. Esse compor-

tamento era esperado, pois o biodiesel é um combustível oxigenado e apresenta

uma boa qualidade de queima com NC elevado. Também percebe-se aqui um

impacto positivo do ponto de vista ecológico, já que o monóxido de carbono

é uma substância extremamente tóxica e sua redução nos gases de emissão é

desejada.

102

Figura 6.23: Concentração de CO Família E0.

3. CO2

Como mostrado na Figura 6.24, a concentração de CO2 diminuiu com o au-

mento da concentração de biodiesel. Esse fato não era esperado e recomenda-se

uma melhor investigação desse comportamento.

Figura 6.24: Concentração de CO2 Família E0.

6.4.2.5 Família E5


103


1. NOx

Para a família E5, nota-se também uma relação entre pressão máxima e a

formação de NOx apresenta uma correlação forte - Figura 6.25 e Figura 6.26.

O comportamento se mostra bastante semelhante ao da família E0.

Figura 6.25: Concentração de NOx Família E5.


104

Além disso, para as famílias E0 e E5 parece existir uma tendência de diminui-

ção na concentração de NOx para as misturas com 20% de biodiesel.

2. CO

Para a formação de CO, nota-se uma pequena elevação nos valores de CO

para as misturas com 8% e 20% de biodiesel seguido de uma queda acentuada

nesses valores - Figura 6.27.

Figura 6.27: Concentração de CO Família E5.

Para a família E0 observou-se uma tendência de queda da concentração de CO

com aumento percentual da concentração de biodiesel ( Figura 6.23). Apesar

desse comportamento não se veri�car exatamente da mesma maneira para a

família E5, o valor para a concentração de CO para a mistura DS10B8E5

apresentou um desvio padrão elevado no valor de 12,13, ou seja, os valores

dos testes estiveram concentrados entre os seguintes valores 418,20 ppm CO

e 393,95 ppm CO. Para a mistura DS10B20E5 esse valor oscilou entre os

seguintes valores 420,60 ppm CO e 409,05 ppm CO. Dessa forma, a a�rmação

de aumento das emissões de CO entre os combustíveis com 8% e 20% de

biodiesel torna-se inconclusiva neste caso.

3. CO2

Aqui percebe-se uma pequena tendência de aumento nas emissões de CO2

da mistura DS10B8E5 para a mistura DS10B20E5 seguida de uma queda em

comparação da mistura DS10B20E5 para a mistura DS10B60E5 - Figura 6.28.

105

Entretanto, se for levado em conta o desvio padrão, nota-se que essa a�rmação

da tendência de aumento da concentração de CO2 da mistura DS10B8E5 para

a mistura DS10B20E5 mostra-se inconclusiva neste caso.

Figura 6.28: Concentração de CO2 Família E5.

6.4.2.6 Família E8



1. NOx

A família E8 apresentou uma tendência de queda da concentração de NOx com

a elevação da concentração de biodiesel. Além disso, a mistura DS10B60E8

apresentou uma pressão máxima mais elevada e uma diminuição na concen-

tração de NOx, sugrindo um comportamento diferente do apresentado pelas

demais misturas durante os testes - Figura 6.29 e Figura 6.30. No entanto,

analisando a Figura 5.29 (pág. 74) nota-se que a mistura com 20% de biodiesel

apresentou um valor mais elevado para a taxa máxima de liberação de calor

106

quando comparado com a mistura com 60% de biodiesel, sendo essa uma pos-

sível explicação para o valor mais elevado para a concentração de NOx para a

mistura DS10B20E8.

Figura 6.29: Concentração NOx Família E8.


2. CO

Para esse poluente, o comportamento esperado era de que a quantidade de

CO diminuísse com o aumento da concentração de biodiesel na mistura. En-

tretanto, esse comportamento se mostrou oscilante durante os testes para as

famílias com quantidades �xas de etanol. Assim, na família E0 houve uma

tendência de diminuição da concentração de CO com o aumento de biodiesel

(Figura 6.23). Na família E5 ocorreu uma oscilação (Figura 6.27) nos valores,

107

primeiramente ocorreu uma pequena elevação seguido de uma queda acen-

tuada, e na família E8 ocorreu uma elevação da concentração de CO com o

aumento percentual de biodiesel - Figura 6.31.

Figura 6.31: Concentração CO Família E8.

3. CO2

Para a família E8 notamos um comportamento de decréscimo da concentração

de CO2 com o aumento percentual da concentração de biodiesel apresentando

um comportamento análogo as famílias E0 e E5.

Figura 6.32: Concentração CO2 Família E8.

108

6.5 Emissões - Condição 2: Padrão B8 com au-

mento de 15% de taxa

Nesta seção será feita uma análise análoga à realizada anteriormente para o caso em

que a razão de compressão do motor teve um aumento de 15% em seu valor.

6.5.1 Análise Global

6.5.1.1 Emissão de NOx - Condição 2: Padrão B8 com 15% de aumento


Nota-se aqui uma diminuição da correlação entre o aumento da concentração de

NOx e a elevação da pressão máxima - Figura 6.33.

Figura 6.33: Relação ppm NOx e Pressão Máxima com 15 % de aumento na razão

de compressão.

Entretanto, assim como a condição padrão B8, nota-se que essas análises indicam

uma relação direta entre o aumento da concentração de NOx com o aumento da

pressão máxima na câmara de combustão.

6.5.1.2 Emissão de CO - Condição 2: Padrão B8 com 15% de aumento

de taxa

Observa-se aqui que, analogamente na condição padrão B8, existe uma correlação

entre o aumento do Número de Cetano e a diminuição da concentração de monóxido

de carbono nos gases de exaustão, indicando aqui que uma melhora na qualidade

109

da queima diminui a concentração de monóxido de carbono nos gases de exaustão -

Figura 6.34.

Figura 6.34: Relação ppm CO e Número de Cetano com 15 % de aumento na razão

de compressão.

6.5.1.3 Emissão de CO2 - Condição 2: Padrão B8 com 15% de aumento

na razão de compressão

Analisando a Figura 6.35 não é possível chegar a nenhuma conclusão clara sobre o

aumento do NC com a variação da concentração de CO2. Analogamente à condição

padrão B8, o aumento do NC parece não exercer qualquer in�uência na variação da

concentração de CO2.

Figura 6.35: Relação concentração CO2 e Número de Cetano com 15 % de aumento


110

Assim como na condição padrão B8 o aumento do Número de Cetano parece não

apresentar qualquer in�uência na variação da concentração de CO2.

6.5.2 Análise por família de combustível

Serão analisados, nesta parte, os gases de emissão por família de determinado com-

ponente de combustível.

6.5.2.1 Família B8

Nesta parte, será seguida a mesma ordem apresentada na condição padrão B8.

Inicia-se, então, a análise dos gases de exaustão da família com 8% de biodiesel

como ilustrado na Tabela 6.9. Para facilitar o entendimento as tabelas que ilustram

as famílias de combustíveis serão repetidas nesta análise.


1. NOx

Assim como na condição padrão B8, percebe-se, nessa nova condição de ope-

ração, que um aumento na concentração de NOx está relacionada ao aumento

na concentração de etanol nas misturas - Figura 6.36.

111

Figura 6.36: Concentração de NOx Família B8 com 15 % de aumento na razão de

compressão.

Além disso, nota-se, novamente, a in�uência da elevação da pressão máxima

na formação desse composto - Figura 6.37. Pode-se ainda analisar a taxa

máxima de liberação de calor, relacionando o aumento na concentração de NOx

com esses valores de pico. Entretanto, devido aos desvios padrões elevados

da Figura 5.35 (pág. 78) uma análise mais detalhada torna-se necessária.

Porém, qualitativamente observa-se que maiores valores de dQdθ

parecem elevar

os valores de NOx.

Figura 6.37: Pressão Máxima Família B8 com 15 % de aumento na razão de com-

pressão.

Assim, essa tendência parece indicar uma relação entre a elevação na concen-

112

tração de NOx com o aumento na concentração de etanol na mistura como

uma consequência da elevação na pressão máxima na câmara de combustão.

Pode-se, também, comparar as emissões para a condição padrão B8 (Figura

6.7) e para a condição padrão B8 com aumento de 15 % na razão de compressão

(Figura 6.36). As misturasDS10B8E0 eDS10B8E5 apresentaram uma redução

na concentração de NOx com o aumento da razão de compressão que pode ser

visto comparando-se as Figuras 6.36 e 6.7.

Esse comportamento, em princípio, parece inesperado visto que esperava-se

que o aumento da razão de compressão aumentasse os níveis de NOx, pois

uma maior razão de compressão implicaria em uma maior temperatura na

câmara de combustão. No entanto, analisando o atraso de ignição, discutido

no capítulo anterior, nota-se que no caso das misturas mencionadas o atraso

sofreu uma redução percentual de 18, 1% para a misturaDS10B8E0 e de 20, 5%

para a mistura DS10B8E5 - Figura 5.25. Pode-se, então, inferir que essa

diminuição do atraso e, por consquência menores picos de liberação de energia

na fase pré-misturada da combustão, que afetam a formação de NOx nos gases

de emissão, parece indicar uma tendência de decréscimo de NOx perfeitamente

aceitável nas condições a que os motores foram submetidos . De fato, conforme

já analisado, as taxas de liberação de calor são menores para uma maior razão

de compressão - Figuras 5.29 e 5.35. Iremos investigar em seguida se esse

comportamento se mantém para todas as famílias.

2. CO

O comportamento da concentração de monóxido de carbono na condição de

operação padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão, também

apresentou um comportamento análogo ao da condição padrão B8. Assim, uma

elevação na concentração de etanol produziu um aumento na concentração de

CO nos gases de exaustão - Figura 6.38

113

Figura 6.38: Concentração de CO Família B8 com 15 % de aumento na razão de

compressão.

O aumento na concentração de monóxido de carbono com o aumento da quan-

tidade de etanol na mistura foi menor na condição padrão B8 com aumento

da razão de compressão (Figura 6.38), comparativamente a condição padrão

B8 (Figura 6.9). Mas, ainda é possível traçar a mesma tendência relacionando

concentração de CO com a variação da quantidade de etanol na mistura, para

este caso.

3. CO2

Nessa análise, nota-se que o comportamento na condição operacional padrão

B8 com aumento de 15% da razão de compressão (Figura 6.39) apresentou a

mesma tendência para a formação de CO2 que no caso do motor operando na

condição padrão B8 (Figura 6.10). Dessa forma, pode-se ver que a concentra-

ção de CO2 diminui com o aumento percentual de etanol - Figura 6.39.

114

Figura 6.39: Concentração de CO2 Família B8 com 15 % de aumento na razão de

compressão.

Quando compara-se as percentagens de CO2 para as duas condições de opera-

ção do motor, nota-se que a quantidade de CO2 aumentou para na condição

padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão, embora não seja

possível fazer comentários conclusivos em virtude da baixa variação e pouca

sensibilidade de variação destas emissões.

6.5.2.2 Família B20.



1. NOx

Para a família B20, na condição operacional padrão B8 com 15% de aumento

na razão de compressão, a formação de NOx apresenta um comportamento

oscilatório - Figura 6.40. Esse comportamento se mostra diferente da condição

115

padrão B8 em que o NOx crescia com o aumento na concentração de etanol

nas misturas - Figura 6.11.


compressão.

Entretando, a Figura 6.41 mostra novamente a relação entre a formação de

NOx e o aumento na pressão máxima. Analisando a Figura 5.23 para os valores

do atraso de ignição nota-se que um comportamento oposto ao esperado ocorre,

pois nesse caso especí�co a mistura DS10B20E5 apresentou um maior valor

de atraso e uma menor concentração de NOx. No entanto, o desvio padrão

apresenta valores elevados nessa condição de operação e outros fatores devem

ser levados em conta nessa investigação.

Por outro lado, analisando a Figura 5.35 pode-se notar que a emissão de NOx

está em acordo com os valores para a taxa máxima de liberação de calor, fato

esse que nos revela uma conclusão adequada para o comportamento na Figura

6.40. Porém, como já mencionado, os valores para a taxa de liberação de

calor, na condição com aumento na razão de compressão, apresentam grande

dispersão nos valores, o que torna difícil tecer maiores conclusões.

116


pressão.

Dessa forma, para família B20 não é clara a relação entre o aumento na con-

centração de NOx com o aumento percentual na concentração de etanol visto

a oscilação da mistura DS10B20E5.

Além disso, os níveis de emissões de NOx aumentaram comparando as Figuras

6.40 e 6.11 nas condições de operação. Esse comportamento mostra-se dife-

rente da família anterior, tornando inconclusiva qualquer tentativa de se traçar

alguma tendência de crescimento de NOx com a variação da razão de compres-

são. Por exemplo, para a família B8, os níveis de emissão de NOx diminuiram

na condição em que a razão de compressão foi aumentada em 15% e uma possí-

vel explicação foi associada à diminuição do atraso de ignição. Na família B20,

por outro lado, o fato do motor trabalhar com uma razão de compressão maior

parece in�uenciar no aumento da formação de NOx , pois como mencionado

anteriormente esse aumento na razão de compressão propicia um aumento na

temperatura da câmara de combustão criando um ambiente propício para a

formação de NOx .

2. CO

Para o monóxido de carbono percebemos uma ligeira oscilação nos níveis de

CO - Figura 6.42.

117

Figura 6.42: Concentração de CO Família B20 com 15 % de aumento na razão de

compressão.

Nesse caso, ocorreu a mesma tendência que na condição padrão B8 (Figura

6.14). Assim como na condição de operação anterior, a formação de CO apre-

sentou o maior valor para a mistura DS10B20E5 nessa nova condição (padrão

B8 com 15% de aumento na razão de compressão).

Além disso, os níveis de CO apresentam valores inferiores na condição padrão

B8 com 15% de aumento na razão de compressão quando comparados com a

condição padrão B8, conforme veri�cado pela comparação das Figuras 6.42 e

6.14.

3. CO2

Na análise da concentração de CO2 também é possível fazer certas inferências

que con�rmam os resultados também obtidos anteriormente - Figura 6.43.

118

Figura 6.43: Concentração de CO2 Família B20 com 15 % de aumento na razão de

compressão.

Analisando as misturas DS10B20E5 e DS10B20E8 nota-se que o valor médio

das concentrações é o mesmo com a mistura DS10B20E5, apresentando um

maior desvio padrão desse valor médio. Já para a mistura DS10B20E8 nota-

se uma queda nos valores para a concentração de CO2. Este comportamento

mostra-se similar aquele observado na condição padrão B8 (Figura 6.15).




1. NOx

Para a família B60, assim como na família B20 analisada anteriormente, ocor-

reu uma oscilação nos níveis de NOx. Primeiramente, uma diminuição da

concentração de NOx, comparando as misturas DS10B60E0 e DS10B60E5, se-

guida de uma elevação nesses níveis, comparando as misturas DS10B60E5 e

119

DS10B60E8 - Figura 6.44.


compressão.

Entretanto, ao se levar em conta a elevação da pressão máxima na formação

de NOx , tem-se novamente uma relação entre essas variáveis como pode ser

visto na Figura 6.45.


pressão.

Comparando ambas as condições de operação do motor nota-se novamente

que as concentrações de NOx apresentaram uma elevação com a razão de

compressão, no que pode ser visto comparando-se as Figuras 6.44 e 6.16. No

entanto, a tendência de elevação na formação de NOx com o aumento da

concentração de etanol não é clara nessa condição de operação (Figura 6.44)

120

embora na condição padrão B8 (Figura6.16) nota-se uma tendência de elevação

na concentração de NOx com a elevação da concentração de etanol.

2. CO

Os resultados obtidos para a concentração de monóxido de carbono apresentam

novamente uma tendência de elevação na concentração de CO com o aumento

da quantidade de etanol presente na mistura - Figura 6.46. Esse comporta-

mento já havia sido comprovado na condição padrão B8 (Figura 6.19).

Figura 6.46: Concentração CO Família B60 com 15 % de aumento na razão de

compressão.

Além disso, analisando e comparando as duas condições de operação do motor

nota-se que uma diminuição na concentração de CO com o aumento na razão

de compressão, ao se comparar as Figuras 6.46 e 6.19.

3. CO2

Os resultados obtidos para a concentração de dióxido de carbono con�rmam

as previões anteriores para a condição B8 (Figura 6.20), que mostraram uma

queda na concentração de CO2 com a elevação da quantidade de etanol pre-

sente na mistura - Figura 6.47.

121

Figura 6.47: Concentração CO2 Família B60 com 15 % de aumento na razão de

compressão.

Novamente, para a condição com aumento na razão de compressão (Figura

6.47) os níveis de CO2 nos gases de emissão apresentaram uma elevação em

comparação com a condição padrão B8 (Figura 6.20). Assim, essa elevação

parece indicar uma melhora na combustão com o aumento da razão de com-

pressão, visto que esse comportamento ocorreu para todas as famílias de bio-

diesel.

6.5.2.4 Família E0



1. NOx

Na família E0 para a condição padrão B8 (Figura 6.21) notou-se uma pequena

oscilação para as emissões de NOx, o que não é observado para este caso,

122

conforme pode-se observar na Figura 6.48. A concentração de NOx aumenta

com a elevação no percentual de etanol na mistura. Analisando, ainda, a

relação entre a elevação de NOx e o aumento da pressão máxima (Figura

6.49), parece não existir uma dependência clara, para este caso, da formação

de NOx com a elevação da pressão máxima. A análise da taxa de liberação de

calor (Figura 5.35) para o comportamento anteriormente também não é clara

nesse caso.

Figura 6.48: Concentraçao de NOx com 15% de aumento na razão de compressão.

Figura 6.49: Pressão Máxima Família E0 com 15 % de aumento na razão de com-

pressão.

2. CO

Na análise por família de etanol, percebe-se uma tendência de queda na con-

centração de CO com o aumento da concentração de biodiesel (Figura 6.50),

123

comportamento esse que já havia sido observado para a condição padrão B8

(Figura 6.23).

Figura 6.50: Concentraçao de CO Família E0 com 15 % de aumento na razão de

compressão.

3. CO2

Como já ocorrido na condição padrão B8 de operação do motor (Figura 6.24),

a concentração de CO2 diminuiu com o aumento da concentração de biodiesel.

Logicamente, o comportamento esperado teoricamente era o oposto - Figura

6.51, e aqui também existe a necessidade de maiores investigações.

Figura 6.51: Concentraçao de CO2 Família E0 com 15 % de aumento na razão de

compressão.

124

6.5.2.5 Família E5



1. NOx

Aqui, novamente con�rma-se a tendência entre o aumento da concentração

de NOx com o aumento da pressão máxima - Figuras 6.52 e 6.53. O com-

portamento é similar ao apresentado na condição padrão B8 - Figuras 6.25 e

6.26.

Figura 6.52: Concentração de NOx Família E5 com 15 % de aumento na razão de

compressão.

125


pressão.

2. CO

Diferentemente da condição padrão B8 de operação do motor (Figura 6.27), na

condição com 15% de aumento na razão de compressão nota-se uma clara ten-

dência de decréscimo da concentração de CO com o aumento na concentração

de biodiesel na mistura - Figura 6.54.

Figura 6.54: Concentração de CO Família E5 com 15% de aumento na razão de

compressão.

3. CO2

Na condição de operação do motor com 15% de aumento na razão de compres-

são pode-se perceber uma pequena oscilação nas emissões de CO2 - Figura

126

6.55. Primeiramente ocorre uma elevação nos valores de CO2 nos gases de

exaustão, como esperado, seguida de um queda na concentração de CO2. Esse

comportamento mostra-se semelhante com o ocorrido na condição padrão B8

(Figura 6.28).

Figura 6.55: Concentração de CO2 Família E5 com 15 % de aumento na razão de

compressão.

6.5.2.6 Família E8



1. NOx

Neste caso, de maneira similar ao ocorrido na condição padrão B8 (Figura

6.29), veri�ca-se uma pequena oscilação do comportamento das emissões de

NOx, conforme visto na Figura 6.56. Também observa-se, novamente, uma

in�uência da pressão máxima (Figura 6.57) nas emissões de NOx.

127

Figura 6.56: Concentração NOx Família E8 com 15 % de aumento na razão de

compressão.


pressão.

2. CO

Para a família E8, na condição com aumento na razão de compressão, ocorreu

uma pequena queda na formação de monóxido de carbono - Figura 6.58. Esse

comportamento mostrou-se diferente da condição padrão B8 (Figura 6.31).

128

Figura 6.58: Concentração CO Família E8 com 15 % de aumento na razão de com-

pressão.

3. CO2

Para a família E8, na condição com aumento na razão de compressão, ocorreu

um comportamento oposto do esperado, pois a elevação da percentagem de

biodiesel na mistura acarretou uma diminuição da quantidade de CO2 nos

gases de exaustão - Figura 6.59. Esse comportamento mostrou-se análogo ao

da condição padrão B8 (Figura 6.32).

Figura 6.59: Concentração CO2 Família E8 com 15 % de aumento na razão de

compressão.

129

Capítulo 7

Conclusão

• AVL e LOGS

A atualização do motor ASTM/CFR Cetano, que foi apresentada no capítulo

3, possibilitou diversas análises de interesse para se avaliar como as misturas

ternárias se comportam durante a operação do motor. Dessa forma, pode ser

avaliado o trabalho líquido, pressão média efetiva, quantidade de calor libe-

rado e pressão máxima na câmara de combustão. Com isso, uma análise mais

extensa e consistente pode ser feita com vistas a traçar tendências para o com-

portamento global das misturas ternárias. Além disso, a automatização de

alguns parâmetros de controle possibilitou uma variabilidade menor nas con-

dições operacionais durante os testes. Assim, pode-se constatar a importância

das atualizações feitas de modo a fornecer meios para uma análise completa

dos elementos envolvidos na operação de um motor diesel.

• Concentração de etanol nas misturas ternárias e a importância do biodiesel

nessas misturas

A concentração máxima de etanol nesse trabalho foi de 8% devido a baixa

solubilidade do etanol no diesel. Entretanto, esse fator pode ser minimizado

inserindo um percentual maior de biodiesel nas misturas. Como foi visto,

a mistura DS10B8E8 foi descartada dos testes pois apresentou uma separa-

ção de fases. As misturas com percentagens de biodiesel de 20% e 60% não

apresentaram problemas para a homogeneização das misturas. Dessa forma o

biodiesel atuou como um estabilizador para as misturas ternárias. Além disso,

130

a inserção do etanol em motores diesel apresenta alguns problemas como, por

exemplo, baixo número de cetano das misturas como ilustrado na Figura 5.4.

Entretanto, essa redução do NC pode ser contornada aumentando-se a concen-

tração de biodiesel nas misturas. Para as famílias com 20% e 60% de biodiesel

os menores valores de NC foram de 48,4 e 59,7 respectivamente.

• Análise termodinâmica da inserção de etanol em motores diesel

Do ponto de vista da análise termodinâmica, alguns parâmetros devem ser

avaliados para que essa inserção não ocasione perdas que prejudiquem o fun-

cionamento e a e�ciência do motor. Dessa forma, foi observado nesse trabalho

que a inserção de etanol acarretou uma redução no número de cetano das

misturas. O número de cetano, que está relacionado a qualidade da queima

de um combustível, está diretamente ligado ao atraso de ignição. Por isso,

como observado nas Figuras (5.20 e 5.23), os valores para o atraso de igni-

ção aumentaram, para uma concentração �xa de biodiesel, com a elevação

percentual de etanol nas misturas. Seguindo nessa análise, os valores para a

taxa máxima de liberação de calor e pressão máxima na câmara de combus-

tão também sofreram uma elevação com o aumento percentual de etanol nas

misturas, como pode ser observado nas Figuras (5.29 e 5.35 ) e (5.21 e 5.26)

respectivamente. Além disso, para as misturas com uma percentagem maior

de etanol a duração da combustão é menor, pois, como constatado, as misturas

com maior concentração de etanol apresentam taxas de liberação de calor mais

elevadas, fazendo com que o combustível seja queimado na fase pré-misturada

da combustão reduzindo, assim, a duração da combustão.

• Variação da razão de compressão do motor

O aumento da razão de compressão em 15% provocou uma redução do atraso

de ignição (Figura 5.25), redução da taxa máxima de liberação de calor (Figu-

ras 5.29 e 5.35) , elevação da pressão máxima (Figuras 5.21 e 5.26), aumento

do trabalho líquido (Figura 5.18) e, por consequência, da pressão média efe-

tiva (IMEP). Além disso, os valores para a e�ciência global do ciclo também

sofreram uma elevação (Figuras 5.32 e 5.38).

• Emissões

131

Analisando as tendências globais tanto na condição padrão B8 quanto na con-

dição padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão, nota-se que

uma forte correlação entre a concentração de NOx nas misturas e o aumento

na pressão máxima (essa correlação é bem mais forte nesse caso para a condi-

ção padrão B8 do que para a condição com aumento na razão de compressão).

Para a concentração de CO percebe-se uma tendência entre a sua redução

com o aumento do NC. Para a concentração de CO2 não foi observado ne-

nhum comportamento que pudesse embasar uma correlação.

• NOx

Fazendo, agora, uma análise por família de biodiesel nota-se que os valores

de NOx aumentaram com o aumento percentual de etanol nas misturas, sendo

esse aumento sempre acompanhado da elevação na pressão máxima na câmara

de combustão . Na condição padrão com 15% de aumento na razão de com-

pressão ocorreu uma oscilação nesse comportamento em relação a elevação na

concentração de etanol mas a relação entre o aumento na concentração de NOx

com o aumento da pressão máxima se manteve.

• CO

Os valores apresentaram grande variação e não foi possível traçar uma ten-

dência global, embora grande parte dos casos indiquem que �xada uma con-

centração de biodiesel os valores de CO tendem a aumentar com a elevação de

etanol nas misturas.

• CO2

Analisando por família de biodiesel nota-se uma clara tendência de queda nas

emissões de CO2 com o aumento percentual de etanol nas misturas.

132

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http://sites.petrobras.com.br/minisite/assistenciatecnica/public/downloads/manual_tecnico_diesels-10_assistencia_tecnica_petrobras



https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Biodiesel_Reaction2.gif

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4c/Biodiesel_Reaction2.gif

Apêndice A

Conversão da Base Volumétrica para

Base Mássica Misturas Ternárias

Nesta parte será detalhado a 2o Etapa de preparação das misturas ternárias fazendo-

se a conversão da base volumétrica para a base mássica

O diesel utilizado na preparação das misturas ternárias é o DS10B8E0 (diesel

comercial) que possui 8 % em volume de biodiesel e 0 % de etanol em sua composição.

Dessa forma, ao se inserir uma determinada quantidade de diesel comercial, na

verdade está se adicionando diesel e biodiesel em diferentes proporções.

Esta etapa será analisada através de um exemplo relativo a preparação de uma

quantidade de 1 l (um litro) da mistura DS10B60E5. De acordo com a nomenclatura

introduzida anteriormente, essa amostra apresenta a seguinte composição Vbiodiesel =

0, 6 l, Vetanol = 0, 05 l e Vdiesel = 0, 35 l ( diesel puro )1. A massa de etanol da mistura

é a mais simples de determinar

metanol = ρetanolVetanol = 39, 44g, (A.1)

onde o valor para a massa especí�ca do etanol foi retirado da Tabela 4.3.

Deve-se agora expressar a quantidade de B8E02 a ser adicionada para que se

tenha Vdiesel = 0, 35 l (diesel puro). Para cada 1 l de B8E0 temos 0, 92 l de diesel

1Não existe diesel puro no laboratório mas essa nomenclatura está sendo utilizada para diferen-

ciar do diesel comercial que possui biodiesel em sua composição.Assim, pode-se dizer que o diesel

comercial possui 92% de diesel "puro"e 8% de biodiesel.2Será omitido o termo DS10 nessa etapa.

135

puro e 0, 08l de biodiesel. Portanto, através dessa proporção será obtida a quantidade

de B8E0 a ser adicionada para que a mistura possua 0,35 litros de diesel puro:

0, 92 l diesel−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 0, 08 l biodiesel

0, 35 l diesel−−−−−−−−−−−−−−−−−−− VBD

A partir do cálculo acima pode-se determinar que VBD = 0, 0304 l de biodiesel.

Logo, a quantidade de B8E0 a ser adicionada é dada pela soma de Vdiesel e VBD, ou

seja,

VB8E0 = Vdiesel + VBD = 0, 3804 l. (A.2)

Então, um volume de 0,3804 l de B8E0 corresponde a 0, 35 l de diesel "puro"e

0, 0304 l de biodiesel. A conversão para a base mássica, agora, �ca simples e pode

ser obtida através da seguinte expressão

mB8E0 = ρB8E0VB8E0 = 312, 38g. (A.3)

Por �m, deve-se determinar a quantidade de biodiesel (B100) a ser adicionada

para que a mistura tenha 0, 6 l de biodiesel em sua composição. Entretanto, deve-

se levar em conta que o combustivel B8E0 já possui biodiesel em sua composição.

Dessa forma, o volume de biodiesel a ser adicionado é dado pela seguinte relação

VB100 = Vbiodiesel − VBD = 0, 60 − 0, 0304 = 0, 5696 l. (A.4)

A massa de B100 adicionada pode, então, ser determinada utilizando a relação

abaixo

mB100 = ρB100VB100 = 496, 01g (A.5)

136

Apêndice B

Análise de Incertezas

Para determinar a análise de incertezas para os valores de massa especí�ca dos com-

ponentes das misturas ternárias foi realizado o seguinte procedimento. Primeira-

mente, as respectivas incertezas para a proveta e a balança de precisã são ilustrados

na Figura B.1

Figura B.1: Incertezas instrumentos LMT UFRJ

A massa especí�ca de cada substância foi determinada através da seguinte relação

ρ =m

V(B.1)

Através da equação acima pode-se determinar a incerteza para a massa especí�ca

a partir da seguinte relação

σρ =

√(1

V

)2

(σm)2 +(− m

V 2

)2(σV )2. (B.2)

137

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