Desempenho de um Motor Multicombustível Operando
Simultaneamente com GNV e Álcool Etílico em Diferentes
Proporções
Paulo Roberto Bomfim Burger, José Guilherme Coelho Baeta, Ramón Molina
Valle
Sygma Motors, Sygma Motors, Universidade Federal de Minas Gerais
RESUMO
O desenvolvimento tecnológico de motores automotivos está voltado para
fontes alternativas de energia e otimização da utilização dos combustíveis
convencionais. Os motores flexíveis atuais operam com misturas de
combustíveis em diferentes proporções, apenas para combustíveis líquidos.
Existe no mercado um motor flexível capaz de operar com GNV, mas o uso do
combustível gasoso não ocorre simultaneamente com os combustíveis líquidos.
A presente investigação consiste na utilização de sistemas de injeção
eletrônica para o etanol e para o GNV, permitindo a utilização simultânea
destes combustíveis em um motor naturalmente aspirado. O trabalho tem como
objetivo determinar a melhor proporção de mistura álcool-GNV, de forma a
maximizar a utilização do gás natural, garantindo menor consumo específico. A
baixa eficiência volumétrica inerente ao uso do GNV é compensada pela
injeção de pequena parcela de etanol. O calor latente de vaporização do etanol
resfria o ar e aumenta a massa admitida no motor. Esta alternativa aproveita o
elevado calor latente de vaporização do etanol e o baixo consumo específico
inerente ao uso do GNV. Esta investigação é um estudo pioneiro sobre a
operação simultânea com GNV e etanol e abre caminho para que sejam
estabelecidas novas estratégias de controle em um motor flexível. A parcela de
etanol e a estequiometria da mistura são ajustadas em função da demanda de
torque ao motor, priorizando a utilização do GNV, o que resulta em menor
consumo específico.
APLICABILIDADE
O presente trabalho possui adequação em termos de custos e equipamentos.
Comparado aos motores multicombustíveis atualmente disponíveis no
mercado, o presente motor se difere essencialmente quanto à programação do
software da unidade de controle eletrônico, o que garante sua aplicabilidade
imediata. A operação simultânea de etanol e GNV busca o melhor
aproveitamento das características de ambos os combustíveis, visando a
maximização da utilização do gás natural, combustível que garante menor
consumo específico. É importante salientar que ambos combustíveis podem
ser obtidos de forma renovável, uma vez que o GNV pode ser substituído pelo
biogás, cuja composição básica de metano não impactaria nos resultados
apresentados. Trata-se de um estudo pioneiro na utilização simultânea de
etanol e GNV, cujo ganho potencial pode ser obtido em aplicações massivas e
de curto prazo.
OBJETIVO
O trabalho tem como objetivo determinar a melhor proporção de mistura álcool
- GNV, de forma a maximizar a utilização do gás natural, combustível que
garante menor consumo específico. Ao ser injetado, o gás natural ocupa o
volume anteriormente ocupado pelo ar, o que reduz a massa admita pelo motor
e leva à perda de desempenho. O elevado calor latente de vaporização do
álcool etílico é utili zado para resfriar o ar admitido e aumentar sua densidade.
Desta forma, há admissão de maior massa de ar e redução da perda de
eficiência volumétrica inerente à utilização do GNV.
1. INTRODUÇÃO
No Brasil, os combustíveis renováveis se mostram como a principal solução
para substituição dos combustíveis fósseis, dado o grande potencial produtivo
do país. Neste contexto, o álcool etílico é o principal combustível renovável em
produção e, recentemente, o biodiesel vem assumindo importância neste
cenário [1,2]. O GNV disponível no mercado brasileiro, por sua vez, é de
origem essencialmente fóssil, mas este combustível pode ser também obtido
de maneira renovável dando origem ao chamado biogás. Este termo se refere
à mistura de metano e gás carbônico proveniente da decomposição de matéria
orgânica por bactérias em condições de ausência de oxigênio. Embora pouco
aproveitado no Brasil, a relevância da produção do biogás pode ser
comprovada pelos altos investimentos feitos na construção de plantas, como
ocorre na Dinamarca. Neste país, no ano de 2006, se deu início à construção
da maior planta de biogás do mundo, com capacidade anual de 850.000m³ de
metano, o suficiente para o consumo de energia de 800 residências e
aquecimento de 200 casas [3].
Em sintonia com a busca por alternativas aos combustíveis derivados do
petróleo, estão os motores flexíveis e os motores multicombustíveis [4]. A
possibilidade de escolha entre qual combustível é o mais interessante de
acordo com as necessidades do proprietário do veículo pode ser apontada
como principal causa do sucesso dos motores flexíveis. É importante observar
que estes veículos, ao menos em tese, são imunes às oscilações do preço do
petróleo, e viabilizam a redução do consumo e da dependência nacional deste
recurso natural [5]. Apesar de estarem de acordo com as tendências mundiais
em termos de energia, os motores multicombustíveis presentes no mercado
apresentam uma série de deficiências por possuírem razão volumétrica de
compressão fixa. Desta forma, estes motores não são capazes de extrair o
máximo potencial dos combustíveis com os quais operam, em termos de
eficiência térmica. Geralmente, o gás natural é o combustível mais prejudicado,
pois seu potencial de operação com razões volumétricas de compressão mais
elevadas em relação à gasolina e ao etanol não é explorado, resultando em
prejuízos nos parâmetros de desempenho. Estes motores operam com
misturas de combustíveis líquidos, mas operam apenas individualmente com o
GNV, não combinando o uso deste combustível com os demais [2,4].
A presente investigação consiste na utilização de sistemas de injeção
eletrônica para o etanol e para o GNV, permitindo a utilização simultânea
destes combustíveis. Busca-se desta forma o melhor aproveitamento das
características de ambos os combustíveis através do controle eletrônico dos
sistemas de injeção e pela utilização de razão volumétrica de compressão
adequada. Comparado aos motores multicombustíveis mais atuais, o presente
motor se difere essencialmente quanto à programação do software da unidade
de controle eletrônico, o que garante sua adequação em termos de custos. As
provas foram realizadas em um motor de 4 cilindros aspirado com
deslocamento volumétrico total de 1242cm³ e razão volumétrica de
compressão elevada em relação ao motor original.
O trabalho tem como objetivo determinar a melhor proporção de mistura álcool
- GNV, de forma a maximizar a utilização do gás natural, combustível que
garante menor consumo específico. Ao ser injetado, o gás natural ocupa o
volume anteriormente ocupado pelo ar, o que reduz a massa admita pelo motor
e leva à perda de desempenho. O elevado calor latente de vaporização do
álcool etílico é utilizado para resfriar o ar admitido e aumentar sua densidade
[6]. Desta forma, há admissão de maior massa de ar e redução da perda de
eficiência volumétrica inerente à utilização do GNV.
A metodologia consiste inicialmente na instalação de um sistema de injeção
multiponto de GNV e no aumento da razão volumétrica de compressão original
do motor pela substituição dos pistões originais por pistões com depósito de
material na face superior. Uma unidade de controle eletrônico com grande
liberdade de configuração do software e de parametrização passa a gerenciar o
funcionamento do motor para o GNV e outra para o álcool etílico, e a calibração
para operação com misturas de álcool etílico e GNV é feita em bancada
dinamométrica, conforme descrito na metodologia.
2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
2.1. Escolha do motor e modificações necessárias
O motor escolhido para a reali zação do trabalho possui deslocamento
volumétrico total de 1242cm³, quatro cilindros e oito válvulas, projetado para o
funcionamento com misturas em quaisquer proporções de gasolina brasileira e
etanol. Inicialmente, foi modificada a razão volumétrica de compressão de 11:1
para 12,5:1, através da troca dos pistões originais por pistões com acréscimo
de material em sua face superior. A operação do motor com GNV se deu
através da instalação de um sistema de injeção multiponto de GNV de quinta
geração da marca BRC. O sistema foi posicionado para a injeção de GNV
ocorrer o mais próximo possível das válvulas de admissão, no coletor de
admissão, conforme Figura 1.
Figura 1. Localização do sistema de injeção de GNV
Para a realização das provas de operação simultânea de GNV e etanol, foi
instalado no sistema de admissão do motor um eletroinjetor para operação
exclusiva do combustível líquido. Para adaptação deste eletroinjetor foi feito um
orifício no duto de aspiração, onde este faz uma curvatura de 90º
imediatamente antes da válvula borboleta. Desta forma, a ponta do eletroinjetor
ficou posicionada dentro do duto de admissão, de frente para a válvula
borboleta. Os detalhes da adaptação e a configuração do sistema no motor
podem ser visualizados na Figura 2.
Figura 2. Adaptação do eletroinjetor de etanol no duto de admissão e
disposição do sistema no motor
2.2. Sistema de gerenciamento eletrônico parametrizável
A unidade de controle eletrônico original do motor foi substituída por duas
UCEs parametrizá veis. Quando em operação simultânea de GNV e etanol, a
MoTeC M4 foi utilizada para controlar a operação do motor com eletroinjetores
de GNV, restando à MoTeC M400 o controle do eletroinjetor adicional de
etanol. As UCEs podem ser visualizadas na Figura 3.
Figura 3. Unidades de controle eletrônico MoTeC M4 e MoTeC M400
2.3. Experimento
Os ensaios dinamométricos se iniciaram com o amaciamento do motor em
operação com etanol. Superada a etapa de amaciamento, foi necessária a
realização de ajustes dos mapas de controle para todos os pontos previstos em
operação com etanol, de 0 a 100% de abertura da válvula borboleta com
intervalo de 10% e de 1500 a 6500rpm com intervalo de 500rpm. Na
seqüência, foi iniciada a aquisição dos planos cotados, que consiste em
aquisições de todos os parâmetros medidos pelo dinamômetro durante trinta
segundos para todas as condições de carga e rotação previstas nos mapas de
calibração. Para condições de carga iguais ou superiores a 80%, é feito
usualmente o enriquecimento da mistura para combustíveis líquidos, por se
entender que nesta condição de operação o condutor do veículo deseja o
máximo torque, mesmo que em detrimento ao consumo de combustível.
Nestas condições, o ajuste da quantidade de combustível injetada visa
prioritariamente à obtenção do torque máximo, resultante do aumento da
eficiência volumétrica. Não foi necessário o enriquecimento da mistura para
cargas inferiores a 80% para preservação do conversor catalítico, uma vez que
não foram atingidas temperaturas críticas a este componente nos gases de
descarga.
A etapa seguinte consistiu na realização dos ajustes dos mapas de calibração
do motor para operação com GNV de forma semelhante ao realizado com
etanol. Uma vez que o enriquecimento da mistura não resulta em aumento de
torque para este combustível, o mapa de injeção foi parametrizado de forma a
garantir a estequiometria da mistura em todas as condições de carga e rotação.
Obtidas as curvas de referência para operação com os dois combustíveis, foi
realizada a metodologia de escolha do eletroinjetor e da pressão de injeção de
etanol no duto de admissão. Foram comparados o eletroinjetor original do
motor e o eletroinjetor de motocicleta de 50cc, bem como as pressões de
injeção de 3,5bar e 5bar, para cada sistema. O critério utilizado foi o ganho
percentual de torque que cada condição de operação GNV-etanol forneceu em
relação à operação exclusiva com GNV.
Escolhido o eletroinjetor de etanol e a pressão de injeção, foi realizada a
metodologia de determinação da melhor proporção de etanol na mistura arcombustível. Para a rotação de 2500rpm à plena carga, foi estabelecido como
referência o desempenho do motor com operação exclusiva de GNV. Estes
dados foram comparados com a operação de 1 a 10% de etanol na mistura ar
combustível com intervalos de 1%, além das proporções de 15%, 20% e 30%.
Todos os pontos foram ajustados com base no valor de lambda, e as
comparações foram realizadas para misturas ar-combustível estequiométricas.
Foi escolhida a proporção que forneceu o maior valor do produto entre
eficiência térmica e eficiência volumétrica, parâmetro escolhido por ser capaz
de avaliar o potencial ganho de eficiência volumétrica advindo da adição do
etanol sem que isso resulte em significativa redução da eficiência térmica. Este
parâmetro se mostrou coerente para as condições de operação avaliadas,
referentes à plena carga do motor. Embora seja desejável oferecer o máximo
torque possível, se faz necessário levar em consideração a eficiência térmica
para se evitar grandes perdas no balanço energético.
Por fim, foram realizados ajustes dos mapas de calibração conforme
metodologia e obtenção das curvas de desempenho à plena carga para
operação simultânea com GNV e etanol na proporção definida como ideal.
Adicionalmente, para a condição de 2500rpm à plena carga foi realizado mais
um teste para operação do motor, com mistura rica. Este teste visa avaliar o
efeito da adição de uma quantidade maior de etanol na mistura ar combustível,
enriquecendo a mistura. O objetivo deste ponto adicional é avaliar os
parâmetros de desempenho em condição de estequiometria semelhante à
operação exclusiva com etanol à plena carga. O ponto de rotação e carga foi
escolhido por ser a condição em que o motor apresenta valor próximo ao
máximo de eficiência volumétrica.
3. RESULTADOS
O eletroinjetor escolhido segundo a metodologia foi o de motocicleta 50cc, à
pressão de injeção de 5bar, por ser a condição que gerou o maior ganho
percentual de torque em relação à operação exclusiva com GNV.
Para este sistema de injeção de etanol antes da válvula borboleta, a proporção
de E94 que garantiu maior valor do produto entre a eficiência térmica e a
eficiência volumétrica (com menor consumo específico) foi a proporção de 9%
de etanol, para mistura ar combustível estequiométrica, conforme pode ser
observado na Figura 4.
Figura 4. Eficiência térmica x Eficiência volumétrica em função da proporção de
etanol na mistura ar combustível
Para a proporção de 9% de etanol na mistura ar-combustível estequiométrica,
foram ajustados os mapas de calibração para a nova condição de operação do
motor e levantadas as curvas de desempenho à plena carga. As eficiências
térmicas do motor para operação com GNV, etanol e 9% de etanol na mistura
estequiométrica podem ser observadas no gráfico da Figura 5. Não foi
verificada variação significativa deste parâmetro ao longo dos pontos de
operação avaliados. Este resultado indica que a capacidade de conversão de
energia não foi prejudicada com a adição de uma parcela de 9% de etanol na
mistura ar-GNV, se comparado com as referências (apenas GNV ou apenas
etanol). Uma vez que a eficiência térmica se mantém próxima às referencias ao
passo que a eficiência volumétrica se eleva, têm-se o resultado observado na
Figura 4 para o valor de 9% de etanol na mistura, que indica o aumento do
valor do produto destas eficiências em relação à operação exclusiva com GNV.
O resultado observado está em acordo com a proposta para a condição de
operação do motor, ou seja, para operação à plena carga é desejável o
aumento da eficiência volumétrica sem que ocorra prejuízo à eficiência térmica.
Figura 5. Eficiência térmica do motor para operação com E94, GNV e
9%etanol+GNV
Em uma comparação com o desempenho do motor operando apenas com
GNV, o ganho obtido em eficiência volumétrica é ilustrado na Figura 6. No
gráfico se pode observar que a operação simultânea com GNV e etanol para a
razão ar combustível normalmente utilizada para o etanol (?=0,92) resultou em
aumento significativo de eficiência volumétrica, se comparado com o uso
exclusivo de GNV. Para o ponto avaliado, à rotação de 2500rpm, foi verificado
aumento absoluto de eficiência volumétrica próximo a 7% em relação à
operação exclusiva de GNV, aproximando o valor deste parâmetro ao
verificado para utilização exclusiva de etanol.
Figura 6. Eficiência volumétrica do motor para operação com E94, GNV,
9%etanol e GNV+E94 ?=0,92
A Figura 7 ilustra o comportamento do consumo específico para operações
com GNV, etanol, 9% de etanol na mistura ar combustível estequiométrica e
GNV e etanol para mistura rica (?=0,92). Como se pode observar, a operação
apenas com etanol resulta no maior consumo específico de combustível, em
média 90% superior ao observado com operação exclusiva com GNV. Além de
demandar maior massa de combustível para a estequiometria da mistura em
relação ao GNV, a operação com etanol na condição avaliada se deu com
mistura rica, com lambda em torno de 0,92. No caso da operação com 9% de
etanol na mistura ar combustível estequiométrica, verificou-se um consumo
específico em média 5% superior ao consumo do GNV, levando em
consideração o consumo de ambos os combustíveis. Já para a operação de
GNV e etanol com valor de lambda igual a 0,92, se pode observar pelos
gráficos (Figuras 6 e 7) uma eficiência volumétrica 3,3% inferior à observada
com uso exclusivo do combustível líquido. No entanto, o consumo específico
para esta condição foi 59% inferior ao avaliado para uso exclusivo de álcool
etílico. Em linhas gerais, observou-se para a condição em questão a eficiência
volumétrica próxima à do etanol, para consumo específico próximo ao do GNV,
comparando ambos os combustíveis.
Figura 7. Consumo específico do motor para operação com E94, GNV,
9%etanol e GNV+E94 ?=0,92
CONCLUSÂO
Quanto às metodologias realizadas, pode-se afirmar que foram suficientes para
alcançar os objetivos propostos. A escolha do motor se mostrou adequada pela
facilidade de adaptação dos componentes necessários tanto para operação
com GNV como para utilização do eletroinjetor adicional no duto de admissão,
dedicado à injeção de etanol.
A escolha pela utilização de duas UCEs resultou em simplicidade operacional e
maior flexibilidade na implementação de estratégias de controle diversas, mas
não exclui a possibilidade de utilização de uma única central, desde que
possua os recursos necessários.
A metodologia para escolha do eletroinjetor e pressão de injeção de etanol se
mostrou eficiente e apontou como mais eficaz a condição que se espera maior
atomização do combustível líquido, correspondente ao eletroinjetor de menor
vazão mássica e maior pressão de injeção.
A avaliação da melhor proporção de etanol em uso simultâneo com GNV
permitiu estabelecer uma condição que oferece o melhor compromisso entre os
ganhos em eficiência volumétrica, advindos do uso do combustível líquido, e a
eficiência térmica do motor. Seguindo a metodologia proposta, foi possível
reduzir perda de desempenho devido à baixa eficiência volumétrica,
característica da utilização de GNV, aproveitando a propriedade de elevado
calor latente de vaporização do etanol.
Os resultados obtidos permitem o primeiro estudo sobre a determinação de
novas alternativas de operação que visam obtenção do menor consumo
específico, perante os motores multicombustíveis atuais. O uso simultâneo de
GNV e etanol em um motor de combustão interna se mostra como viável
solução quando se busca o compromisso entre consumo específico e eficiência
térmica. Ao manter a mistura ar combustível estequiométrica, uma pequena
parcela de etanol foi suficiente para resultar em uma tendência de aumento de
eficiência volumétrica. Esta condição de mistura, portanto, aponta resultados
de desempenho que seriam de grande interesse para condições de cargas
médias e elevadas no motor (acima de 50% de abertura da válvula borboleta).
Foi também avaliado o desempenho do motor para uso dos dois combustíveis
com formação de mistura rica, na mesma proporção que o etanol opera à plena
carga. Para este caso, foi verificado significativo aumento de eficiência
volumétrica, refletindo em aumento de torque. Este recurso se mostra viável
para condições de plena carga do motor, pois ainda assim há drástica redução
de consumo específico, se comparado ao uso exclusivo de etanol.
A presente investigação é pioneira na avaliação da utilização simultânea de
GNV e álcool etílico em um motor de combustão interna e não esgota o estudo
sobre o tema. Foi possível comprovar a potencialidade da proposta, mas a
elaboração de uma estratégia completa de controle da mistura entre os
combustíveis para as diferentes condições de operação do motor se faz
necessária. A utilização de uma parcela de etanol na mistura estequiométrica
deverá ser avaliada para variadas condições de carga do motor. Além disso,
deverá ser investigada também a estequiometria da mistura ar combustível em
função da carga imposta ao motor. Desta forma será possível estabelecer
estratégias de operação que prevêem a utilização gradual de etanol junto ao
GNV com o aumento da carga do motor, estabelecendo também novas
condições para a estequiometria da mistura ar combustível em função da
carga. O estudo da operação do motor utilizando a configuração multiponto dos
eletroinjetores originais do motor se mostra um importante recurso a ser
explorado. Desta forma, permite-se avaliar o desempenho para diferentes
instantes de injeção, e neste caso o etanol seria aproveitado para resfriar
diretamente o gás natural após sua injeção, junto às válvulas de admissão. De
uma maneira geral, por fim se teria uma estratégia que privilegia o uso do GNV
em qualquer condição de operação do motor.
REFERÊNCIAS
1. ABGNV – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DO GÁS NATURAL VEICULAR.
País consome mais combustíveis em 2006. São Paulo, 16 de janeiro de 2007.
Disponível em <http://www.abgnv.org.br/noticias/noticia.asp?ntCod=21035>
Acesso em: 30 de janeiro de 2007.
2. BURGER, P. R. B. Estudo do Desempenho de um Motor Multicombustível
Operando Simultaneamente com GNV e Álcool Etílico em Diferentes
Proporções. Belo Horizonte: Escola de Engenharia da UFMG, 2007. 95p.
(Trabalho de Graduação em Engenharia Mecânica).
3. GREEN CAR CONGRESS 2006. Denmark To Build World’s Largest Biogas
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2006.
Disponível
em:
<www.greencarcongress.com/2006/02/denmark_to_buil.html> Acesso em: 30
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4. BAÊTA, J. G. C. Metodologia experimental para a maximização do
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eficiência energética global. Belo Horizonte: Escola de Engenharia da UFMG,
2006. 217p. (Tese, Doutorado em Engenharia Mecânica).
5. VOLPATO, O.; THEUNISSEN, F.; MAZARA, R. Engine Control Module for
Flex Fuel plus Compressed Natural Gas Vehicles. In: POWERTRAIN & FLUID
SYSTEMS CONFERENCE AND EXHIBITION, 2005, San Antonio. SAE
Technical Paper Series... Warrendale: SAE International, 2005. 8p.
6. HEYWOOD, J. B. Internal Combustion Engine Fundamentals. International
Edition. Singapore: McGraw-Hill Book Company, 1988. 930p.