ANÁLISE E DIAGNOSE DE DIESEL-GERADORES
OPERANDO COM ÓLEO DE DENDÊ “IN NATURA"
Valéria Said de Barros Pimentel
TESE
SUBMETIDA
AO
CORPO
DOCENTE
DA
COORDENAÇÃO
DOS
PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE
FEDERAL
DO
RIO
DE
JANEIRO
COMO
PARTE
DOS
REQUESITOS
NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE DOUTOR EM CIÊNCIAS EM
ENGENHARIA MECÂNICA.
Aprovado por:
_______________________________________
Prof. Carlos Rodrigues Pereira Belchior, D.Sc.
_______________________________________
Prof. Silvio Carlos Aníbal de Almeida, D.Sc.
_______________________________________
Prof. Nísio de Carvalho Lobo Brum, D.Sc.
_______________________________________
Prof. Raad Yahya Qassim, D.Sc.
_______________________________________
Prof. José Alberto de Reis Parise, Ph.D.,
_______________________________________
Prof. Donato Alexandre Gomes Aranda, D.Sc.
RIO DE JANEIRO, RJ. BRASIL
JUNHO DE 2002
PIMENTEL, VALÉRIA SAID DE BARROS,
Análise e Diagnose de Diesel-Geradores
Operando com Óleo de Dendê " In Natura"
[Rio de Janeiro] 2002
xix, 145 pág. 29.7 cm (COPPE/UFRJ,
D.Sc., Engenharia mecânica, 2002)
Tese - Universidade Federal de Rio de
Janeiro, COPPE
1.
Combustíveis alternativos
2.
Óleo de Dendê
3.
Motor diesel
I. COPPE/UFRJ II. Título (série)
ii
Ao exemplo de meus pais
Ao companheirismo de minhas irmãs
À cumplicidade de meu marido, e
À inspiração de meu filho
iii
Agradecimentos
Ao Prof. Carlos Rodrigues Pereira Belchior pela orientação, com grande
maturidade profissional, para alcançar os objetivos traçados.
Ao Prof. Silvio Carlos Aníbal de Almeida pelo entusiasmo e pelo auxílio
no material bibliográfico.
Ao Prof. Nísio Carvalho Lobo Brum pelo grande apoio, inclusive com
recursos financeiros para concluir os testes experimentais, e como amigo
interessado no desenvolvimento deste trabalho.
Ao CEPEL para o apoio para os testes de durabilidade através do Eng.
Guilherme Fleury.
Ao CENPES que através do SEMOT, principalmente, do Eng. Carlos
Vinícius Costa Massa, possibilitou a realização dos testes com os empréstimos
de instrumentos sofisticados.
À Fundação Universitária José Bonifácio, por proporcionar a aquisição
do dinamômetro hidráulico Land & Sea utilizado nesta pesquisa.
Às amigas Maísa Chaves e Vera Lúcia pelo apoio ao longo do
doutorado.
Aos amigos Jorge Rodrigues Alvarenga, "Miranda", e José Carlos de
Oliveira, "Carlinhos”, pelo companheirismo e pela importante e decisiva
participação na montagem e instalação da bancada de teste, sem os quais
seria impossível a realização desse trabalho.
Ao meu amigo William Magalhães Barcellos pela participação técnica
no desenvolvimento da tese.
Aos Amigos Nauberto R. Pinto e Pedro Paulo Pereira pelo apoio técnico
ao longo dos testes.
Aos amigos José de Assis Maranhão, Renan de Souza Lucena e
Marcelo Alves Ferreira que tiveram importante participaram da realização dos
testes experimentais.
Aos demais amigos do Laboratório de Máquinas Térmicas, que de
várias formas deram sua participação no desenvolvimento desse trabalho.
Uma tese experimental não tem como ser viabilizada sem uma participação
expressiva de uma equipe de trabalho.
iv
Resumo da Tese apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para obtenção do grau de Doutor em Ciências (D.Sc.)
ANÁLISE E DIAGNOSE DE DIESEL-GERADORES
OPERANDO COM ÓLEO DE DENDÊ “IN NATURA”
Valéria Said de Barros Pimentel
Junho / 2002
Orientador: Carlos Rodrigues Pereira Belchior
Programa: Engenharia Mecânica
Este trabalho refere-se a análise do desempenho de diesel geradores
operando com óleo de dendê “in natura”. Testes de durabilidades foram
realizados em um diesel-gerador de injeção direta durante 350 horas de teste.
Os testes de desempenho foram realizados em motor de injeção indireta
ASTM CFR Cetano. A análise de desempenho é realizada com o auxílio de um
modelo
termodinâmico
simplificado,
desenvolvido
para
controle
e
monitoramento. Os resultados obtidos nos testes de durabilidade e
desempenho apontam para a possibilidade de utilização desse óleo vegetal
como combustível para diesel-geradores e coerência com a simulação do
modelo termodinâmico desenvolvido.
v
Abstract of Thesis presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Doctor of Sciences (D.Sc.)
ANALYSIS AND DIAGNOSIS OF DIESEL-GENERATORS
OPERATING WITH CRUDE PALM OIL
Valéria Said de Barros Pimentel
June / 2002
Advisor: Carlos Rodrigues Pereira Belchior
Department: Mechanical Engineering
This work refers the analysis of the acting of diesel generators operating with
crude palm oil. Tests of durability were accomplished in a diesel-generator of
direct injection for 350 hours of test. The performance tests were accomplished
in indirect injection engine ASTM CFR Cetane. The performance analysis is
accomplished with the aid of a simplified thermodynamic model, developed for
control and analysis. The results obtained in the durability tests and
performance appear for the possibility of use of that vegetable oil as fuel for
diesel-generators and coherence with the simulation of the developed
thermodynamic model.
vi
ÍNDICE
I-
INTRODUÇÃO
1
II -
OBJETIVOS
4
III -
CONSIDERAÇÕES GERAIS
5
III.1 -
FATORES MOTIVADORESDA UTILIZAÇÃO DE ÓLEO
VEGETAL COMO COMBUSTÍVEL
6
III.2 -
ESTADO DA ARTE DE UTILIZAÇÃO DE ÓLEOS VEGETAIS
EM MOTORES DIESEL
7
III.2.1 -
Estado da Arte
7
III.2.2 -
Recomendações sobre Procedimentos e Modificações no Motor
14
III.3 -
ESCOLHA DO ÓLEO VEGETAL
15
III.3.1 -
Comparação entre as Propriedades Físico-Químicas do Óleo de
Dendê e Óleo Diesel
16
IV -
ANÁLISE DOS PROCESSOS
19
IV.1 -
ADMISSÃO DE AR
20
IV.2 -
INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL
21
IV.3 -
COMBUSTÃO
24
IV.3.1 -
Atraso de Ignição
24
IV.3.2 -
Período da Combustão Descontrolada
27
IV.3.3 -
Período da Combustão Controlada
28
IV.4 -
EMISÕES EM MOTORES DIESEL
28
vii
IV.5 -
MODELO TERMODINÂMICO SIMPLIFICADO DE SIMULAÇÃO
32
IV.5.1 -
Compressão
33
IV.5.2 -
Atraso de Ignição
34
IV.5.3 -
Combustão
34
IV.5.4 -
Expansão
41
IV.5.5 -
Equações Complementares
41
V-
DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL
44
V.1 -
ENSAIO DE UM MOTOR DE INJEÇÃO DIRETA OPERANDO
COM ÓLEO DE DENDÊ IN NATURA
44
V.1.1 -
Bancada de Teste
44
V.1.2 -
Sistema de Alimentação de Combustível
45
V.1.3 -
Instrumentação
46
V.1.4 -
Procedimento de Teste
47
V.1.5 -
Resultado dos Testes
51
V.1.5.1
Análise dos Resultados Obtidos
51
V.1.5.2
Análise do Óleo Lubrificante
59
V.1.5.3- Análise Visual dos Depósitos de Carbono
61
V.2 -
ENSAIO DE UM MOTOR ASTM CFR CETANO OPERANDO
COM ÓLEO DE DENDÊ “IN NATURA”
71
V.2.1 -
Bancada de Teste
71
V.2.2 -
Sistema de Alimentação de Combustível
71
V.2.3 -
Instrumentação
73
V.2.4 -
Planejamento de Experimento
79
V.2.5 -
Procedimento de Teste
81
viii
V.2.6 -
Descrição dos Testes
82
V.2.7 -
Resultado dos Testes
84
V.2.7.1- Análise dos Resultados Obtidos
84
V.2.7.2- Correlação de Dados
106
V.2.8 -
Quantitativo de Dados
112
V.2.9 -
Análise da Simulação Termodinâmica
116
VI -
CONCLUSÕES E SUGESTÕES
134
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
137
ANEXOS
ix
LISTA DE FIGURAS
Figura III.1 -
Percentual de oleaginosas mais estudadas mundialmente
15
Figura IV.1 –
Jato de combustível
24
Figura IV.2 –
Geometria do motor ASTM CFR Cetano
42
Figura V.1 -
Grupo gerador e dissipador de potência
45
Figura V.2 –
Variação da potência com a carga ao longo dos testes
51
Figura V.3 –
Variação da pressão média indicada com a carga ao longo do teste
52
Figura V.4 -
Variação da temperatura de exaustão com a carga ao longo do teste
53
Figura V.5 -
Variação do consumo específico com a carga ao longo do teste
54
Figura V.6 -
Variação da eficiência de térmica com a carga ao longo do teste
54
Figura V.7 –
Emissão de monóxido de carbono (CO) com a carga ao longo do teste
56
Figura V.8 –
Emissão de hidrocarbonetos (HC) com a carga ao longo do teste
56
Figura V.9 –
Emissão de dióxido de carbono (CO2) com a carga ao longo do teste
58
Figura V.10 –
Emissão de óxido de nitrogênio (NOx) com a carga ao longo do teste
58
Figura V.11 –
Percentual de opacidade com a carga ao longo do teste
59
Figura V.12 –
Viscosidade do óleo lubrificante em função do número de horas de
59
operação do motor
Figura V.13 –
Viscosidade a 100o C do óleo lubrificante em função do número de horas
60
de operação
Figura V.14 –
Índice de basicidade total (tbn) do óleo lubrificante em função do número
60
de hora de operação
Figura V.15 –
Zonas de combustão
62
Figura V.16 –
Após 50 horas de amaciamento com óleo diesel
63
Figura V.17 –
Após 50 horas de operação com óleo de dendê “in natura” aquecido a
63
o
50 C
Figura V.18 -
Após 200 horas de operação com óleo de dendê “in natura” aquecido a
64
100o C
Figura V.19 -
Após 350 horas de operação com óleo de dendê “in natura” aquecido a
64
o
85 C
Figura V.20 –
Bicos injetores após 50 horas de amaciamento com óleo diesel
66
Figura V.21 -
Bicos injetores após 50 horas de funcionamento com óleo de dendê a
66
o
50 C
Figura V.22 -
Bicos injetores após 150 horas de funcionamento com óleo de dendê
67
x
Figura V.23 -
Bicos injetores após 150 horas de funcionamento com óleo de dendê a
67
85o C
Figura V.24 –
Câmara toroidal na cabeça do pistão – amaciamento diesel
68
Figura V.25 –
Câmara toroidal na cabeça do pistão –50 horas operando com óleo de
69
o
dendê a 50 C.
Figura V.26 –
Câmara toroidal na cabeça do pistão –150 horas operando com óleo de
.69
dendê a 100o C
Figura V.27 –
Câmara toroidal na cabeça do pistão –150 horas operando com óleo de
70
o
dendê a 85 C.
Figura V.28 –
Motor ASTM CFR Cetano
72
Figura V.29-
Sistema de alimentação de combustível
72
Figura V.30 –
Dinamômetro Land & Sea instalado no eixo do motor
73
Figura V.31 –
Locais de medição de temperatura
74
Figura V.32 –
Sistema de aquisição de dados de temperatura
75
Figura V.33 –
Medidor de atraso de ignição e avanço de injeção
76
Figura V.34 –
Sistema de medição do ângulo do eixo de manivela
77
Figura V.35 –
Medidor do ângulo do eixo de manivela AVL
77
Figura V.36 –
Exemplo de gráfico gerado pelo sistema AVL
78
Figura V.37 –
Desenho esquemático do sistema de medição de vazão de ar
79
Figura V.38 –
Potência em função do débito de combustível
85
Figura V.39 –
Consumo específico em função do débito de combustível
85
Figura V.40 –
Eficiência térmica em função do débito de combustível
86
Figura V.41 –
Temperatura dos gases de exaustão em função do débito de
86
combustível
Figura V.42 –
Monóxido de carbono em função do débito de combustível
87
Figura V.43 –
Dióxido de carbono em função do débito de combustível
87
Figura V.44 –
Hidrocarbonetos em função do débito de combustível
88
Figura V.45 –
Óxidos de nitrogênio em função do débito de combustível
88
Figura V.46 –
Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com o
89
motor operando com óleo diesel e de dendê – débito 13 ml/min
Figura V.47 –
Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com o
89
motor operando com óleo diesel e de dendê – débito 14 ml/min
Figura V.48 –
Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com o
90
motor operando com óleo diesel e de dendê – débito 16 ml/min
xi
Figura V.49 –
Potência em função da taxa de compressão
90
Figura V.50 –
Consumo específico em função da taxa de compressão
91
Figura V.51 –
Eficiência térmica em função da taxa de compressão
91
Figura V.52 –
Temperatura dos gases de exaustão em função da taxa de compressão
92
Figura V.53 –
Monóxido de carbono em função da taxa de compressão
92
Figura V.54 –
Hidrocarbonetos em função da taxa de compressão
93
Figura V.55 –
Dióxido de carbono em função da taxa de compressão
93
Figura V.56 –
Óxidos de nitrogênio em função da taxa de compressão
94
Figura V.57 –
Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com o
94
motor operando com óleo diesel e de dendê – taxa de compressão 11.91
Figura V.58 –
Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com o
95
motor operando com óleo diesel e de dendê – taxa de compressão 13.89
Figura V.59 –
Potência em função da temperatura do ar de admissão
95
Figura V.60 –
Consumo específico em função da temperatura do ar de admissão
96
Figura V.61 –
Eficiência térmica em função da temperatura do ar de admissão
97
Figura V.62 –
Temperatura dos gases de exaustão em função da temperatura do ar de
97
admissão
Figura V.63 –
Monóxido de carbono em função da temperatura do ar de admissão
98
Figura V.64 –
Dióxido de carbono em função da temperatura do ar de admissão
98
Figura V.65 –
Hidrocarbonetos em função da temperatura do ar de admissão
99
Figura V.66 –
Óxidos de nitrogênio em função da temperatura do ar de admissão
99
Figura V.67 –
Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com o
100
motor operando com óleo diesel e de dendê – temperatura do ar de
admissão 45o C
Figura V.68 –
Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com o
100
motor operando com óleo diesel e de dendê – temperatura do ar de
admissão 30o C
Figura V.69 –
Potência em função do avanço de injeção
101
Figura V.70 –
Consumo específico em função do avanço de injeção
101
Figura V.71 –
Eficiência térmica em função do avanço de injeção
102
Figura V.72 –
Temperatura dos gases de exaustão em função do avanço de injeção
102
Figura V.73 –
Monóxido de carbono em função do avanço de injeção
103
Figura V.74 –
Dióxido de carbono em função do avanço de injeção
103
Figura V.75 –
Óxidos de nitrogênio em função do avanço de injeção
103
xii
Figura V.76 –
Hidrocarbonetos em função do avanço de injeção
104
Figura V.77 –
Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com o
104
motor operando com óleo diesel e de dendê - avanço de injeção 15 graus
Figura V.78 –
Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com o
105
motor operando com óleo diesel e de dendê – avanço de injeção 11 graus
Figura V.79 –
Correlação da potência com a vazão de combustível (diesel)
107
Figura V.80–
Correlação da potência com a vazão de combustível (dendê)
107
Figura V.81 –
Correlação da potência com a taxa de compressão (diesel)
108
Figura V.82 –
Correlação da potência com a taxa de compressão (dendê)
108
Figura V.83 –
Correlação da potência com a temperatura do ar de admissão (diesel)
109
Figura V.84 –
Correlação da potência com a temperatura do ar de admissão (dendê)
109
Figura V.85 –
Correlação da potência com o avanço de injeção (diesel)
110
Figura V.86 –
Correlação da potência com o avanço de injeção (dendê)
110
Figura V.87 –
Curva ajustada da razão de liberação de calor - débito de combustível 13
120
ml/min – diesel
Figura V.88 -
Evolução da pressão no cilindro – débito de combustível 13 ml/min -
120
diesel
Figura V.89 –
Curva ajustada da razão de liberação de calor - débito de combustível 13
120
ml/min – dendê
Figura V.90 -
Evolução da pressão no cilindro – débito de combustível 13 ml/min -
120
dendê
Figura V.91 –
Curva ajustada da razão de liberação de calor - débito de combustível 14
121
ml/min – diesel
Figura V.92 -
Evolução da pressão no cilindro – débito de combustível 14 ml/min -
121
diesel
Figura V.93 –
Curva ajustada da razão de liberação de calor - débito de combustível 14
121
ml/min – dendê
Figura V.94 -
Evolução da pressão no cilindro – débito de combustível 14 ml/min –
121
dendê
Figura V.95 –
Curva ajustada da razão de liberação de calor - débito de combustível 16
122
ml/min – diesel
Figura V.96 -
Evolução da pressão no cilindro – débito de combustível 16 ml/min -
122
diesel
xiii
Figura V.97 –
Curva ajustada da razão de liberação de calor - débito de combustível 16
122
ml/min – dendê
Figura V.98 -
Evolução da pressão no cilindro – débito de combustível 16 ml/min -
122
dendê
Figura V.99 –
Curva ajustada da razão de liberação de calor – taxa de compressão
123
11.91 – diesel
Figura V.100 -
Evolução da pressão no cilindro – taxa de compressão 11.91 - diesel
Figura V.101 – Curva ajustada da razão de liberação de calor - taxa de compressão
123
123
11.91 – dendê
Figura V.102 -
Evolução da pressão no cilindro – taxa de compressão 11.91 - dendê
Figura V.103 – Curva ajustada da razão de liberação de calor – taxa de compressão
123
124
13.89 – diesel
Figura V.104 -
Evolução da pressão no cilindro – taxa de compressão 13.89 - diesel
Figura V.105 – Curva ajustada da razão de liberação de calor - taxa de compressão
124
124
13.89 – dendê
Figura V.106 -
Evolução da pressão no cilindro – taxa de compressão 13.89 - dendê
Figura V.107 – Curva ajustada da razão de liberação de calor – temperatura do ar de
124
125
admissão 30o C – diesel
Figura V.108 -
Evolução da pressão no cilindro – temperatura do ar de admissão 30o C
125
- diesel
Figura V.109 – Curva ajustada da razão de liberação de calor - temperatura do ar de
125
admissão 30o C – dendê
Figura V.110 -
Evolução da pressão no cilindro – temperatura do ar de admissão 30o C
125
- dendê
Figura V.111 – Curva ajustada da razão de liberação de calor – temperatura do ar de
126
admissão 45o C – diesel
Figura V.112 -
Evolução da pressão no cilindro – temperatura do ar de admissão 45o C
126
- diesel
Figura V.113 – Curva ajustada da razão de liberação de calor - temperatura do ar de
126
admissão 45o C– dendê
Figura V.114 -
Evolução da pressão no cilindro – temperatura do ar de admissão 45o C
126
– dendê
Figura V.115 – Curva ajustada da razão de liberação de calor – avanço de injeção 11
127
graus – diesel
Xiv
Figura V.116 – Evolução da pressão no cilindro – avanço de injeção 11 graus - diesel
127
Figura V.117 – Curva ajustada da razão de liberação de calor avanço de injeção 11
127
graus – dendê
Figura V.118 -
Evolução da pressão no cilindro – avanço de injeção 11 graus - dendê
Figura V.119 – Curva ajustada da razão de liberação de calor – avanço de injeção 15
127
128
graus – diesel
Figura V.120 -
Evolução da pressão no cilindro – avanço de injeção 15 graus - diesel
128
Figura V.121 – Curva ajustada da razão de liberação de calor avanço de injeção 15
128
graus – dendê
Figura V.122 -
Evolução da pressão no cilindro – avanço de injeção 15 graus - dendê
xv
128
LISTA DE TABELAS
Tabela III.1 -
Propriedades do óleo de dendê em relação ao óleo diesel
17
Tabela III.2 -
Características do óleo de dendê utilizado na pesquisa
18
Tabela V.1 -
Somatório das faixas de operação planejadas
113
Tabela V.2 -
Análise de variância para planejamento do experimento
114
Tabela V.3 -
Verificação do tamanho da amostra
114
Tabela V.4 -
Risco de erro
115
Tabela V.5 -
Dados de entrada do programa simulador
117
Tabela V.6 -
Dados experimentais e simulados com o motor operando com óleo
129
diesel
Tabela V.7-
Dados experimentais e simulados com o motor operando com óleo
de dendê
xvi
131
LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS
Letras Latinas:
BM
relação biela/manivela
ni
calor específico a pressão constante
cV
calor específico a volume constante
Cd
coeficiente de descarga
CN
número de cetano
D
d
diâmetro
diâmetro
Ea
energia de ativação aparente
h
entalpia por unidade de massa
kr
coeficiente politrópico
L
comprimento
l
deslocamento do pistão
m
massa
m
fator de formada função de Wiebe
m&
N
fluxo de massa por unidade de tempo
nr
número de rotações do eixo
n
número de orifícios
ni
número de injeções
P
potência
p
pressão
Q
calor
velocidade angular
QLHV poder calorífico inferior
QCH
energia química do combustível
QhT
energia de transferência de calor
Qf
volume de combustível
R
constante de um gás ideal
xvii
Re
número de Reynolds
rc
taxa de compressão
sp
velocidade media do pistão
SS
somatório da variância
T
T
t
temperatura
tempo
tanh
tangente hiperbólica
U
u
V
V
energia interna
torque
energia interna por unidade de massa
velocidade
volume
Vd
volume deslocado
Vc
volume da câmara de combustão
V pc
volume da pré-câmara
W&
trabalho por unidade de tempo
z
número de cilindro
Letras Gregas:
α
ângulo do jato de combustível
β
coeficiente experimental
ρ
densidade
µ
viscosidade dinâmica
ν
π
θ
viscosidade cinemática
3,14159….(constante)
ângulo do eixo de manivela
η
eficiência
τ
atraso de ignição
λ
razão ar/combustível
χ
fração de combustível queimada
xviii
Subscritos:
a
ar
a
quantidade de elemento na composição química do combustível
b
c
quantidade de elemento na composição química do combustível
cil
cilindro
cilindro
comb combustível
cont
combustão controlada
desc
f
combustão descontrolada
inj
injeção
inter
interação
s
estequiométrica
combustível
xix
1
I - INTRODUÇÃO
Estudos para utilização do óleo vegetal como combustível em motores diesel
tiveram início no começo do século XX. O Próprio Rudolf Diesel defendeu a
viabilidade técnica de uso de óleo vegetais nos motores de ignição por compressão
e a possibilidade deste uso vir a contribuir para o desenvolvimento da agricultura dos
lugares onde existam condições para tal [1]. Entretanto, com descoberta de recursos
fósseis, considerados infinitos, e o desenvolvimento da indústria petroquímica
tornando-os baratos, as pesquisas não foram adiante.
Somente com a crise do petróleo, na década de 70, foi que começou em todo
o mundo, o interesse de tornar o óleo vegetal um possível substituto para o óleo
diesel.
No Brasil, através do Proóleo (Programa Nacional de Óleos Vegetais para
Fins Energéticos), também se iniciaram estudos para desenvolver combustíveis de
óleos vegetais.
A estrutura canavieira garantiu o Proálcool (Programa Nacional de Álcool),
mas o desenvolvimento de outros combustíveis não teve a mesma sorte [2], apesar
de todos os fatores agroclimáticos. Passada a crise de abastecimento, absorvidos os
aumentos nos preços do barril de petróleo, o Proóleo foi sendo esquecido.
Até meados dos anos 80 as pesquisas sobre a utilização de óleos vegetais
em motores diesel apontavam para dois caminhos:
1. a utilização de óleo vegetal “in natura” puro ou com misturas com diesel, e;
2. a utilização de óleo vegetal processado - transesterificado - o biodiesel.
Pesquisas sobre a utilização do óleo vegetal “in natura” ou em misturas com
o diesel em motores diesel demonstravam ser necessárias, pelas características
físico-químicas dos óleos vegetais, modificações no projeto dos motores diesel [3 a
7].
Como as pesquisas se concentraram em encontrar um possível substituto
para o óleo diesel para uso automotivo, as modificações afetariam todo o parque
industrial de motores tornando difícil e economicamente inviável. Dessa forma, era
mais conveniente adequar o óleo vegetal ao motor do que adequar o motor ao óleo
vegetal. A alternativa mais vantajosa foi investir em pesquisas que privilegiassem a
adequação do óleo vegetal ao motor, como é o caso dos óleos transterificados e
craqueados, o biodiesel [8 a 15].
2
A Comunidade Econômica Européia investiu, com sucesso, na pesquisa de
combustíveis alternativos vegetais, entre eles o biodiesel de óleo de colza. Na
Malásia e EUA foram realizados experimentos bem sucedidos com palma e soja,
respectivamente.
Na
Alemanha,
mais
de
quinhentos
postos
urbanos
de
combustíveis já oferecem o biodiesel [16].
O biodiesel tem ainda a seu favor, o tamanho da molécula muito próxima ao
do diesel, já o óleo vegetal “in natura” tem sua molécula 3 vezes maior, dificultando a
quebra das ligações químicas no processo de combustão, resultando em combustão
incompleta. Resultados de ensaios [10, 12, 14, 15] mostram que os ésteres de óleos
vegetais apresentam melhor comportamento em relação à combustão, isto porque
as moléculas possuem menor número de carbono do que as moléculas dos óleos
“in natura”, o que lhes confere propriedades parecidas com as do óleo diesel. No
entanto, estes ésteres ainda apresentam o inconveniente de formar lacas e resíduos
carbonosos que podem obstruir orifícios de injeção e deteriorar o óleo lubrificante,
ainda que, com efeito menos acentuado que o verificado com os vegetais. Os óleos
vegetais “in natura” provocam, além dos efeitos negativos já citados, a formação de
depósitos nas válvulas de descarga e nas canaletas dos anéis de compressão,
possibilitando travamento [17 a 24].
Por esses motivos, nos últimos 15 anos, as pesquisas se encaminharam
mais fortemente para o uso do biodiesel e as pesquisas para a utilização de óleo
vegetal foram pouco desenvolvidas.
Entretanto, existem situações onde a utilização do biodiesel torna-se inviável,
pois, o processo de obtenção do mesmo, a transterificação, exige uma infraestrutura tecnológica. É o caso de comunidades isoladas, como as do norte do país,
onde grandes usinas hidrelétricas e instalação de linhas de transmissão são
impraticáveis. A eletrificação dessas comunidades é feita através da utilização de
diesel-geradores. Porém, devido aos altos custos de derivados do petróleo e do seu
transporte, o custo da energia elétrica torna-se proibitivo, prejudicando o
desenvolvimento da região devido à falta de energia elétrica contínua e confiável.
Justifica-se então um estudo para a utilização do óleo vegetal “in natura” como
combustível, já que a extração do mesmo é dominada pelos moradores dessas
regiões, não necessitando de uma estrutura tecnológica de alto grau de
complexidade. Além disso, o Brasil dispõe de uma enorme diversidade de plantas
oleaginosas nativas e de condições climáticas favoráveis para se tornar um grande
produtor de combustíveis à base de óleos vegetais.
3
A maior motivação no passado foi à vulnerabilidade do suprimento seguro
dos combustíveis líquidos no setor de transporte. Hoje, o óleo vegetal como
combustível tornou-se o líder do todos os projetos não alimentícios [1] utilizando o
solo para a produção de energia. Das vantagens ambientais no uso energético de
óleos vegetais em motores, destacam-se a baixa emissão de SO2 (responsável pela
chuva ácida) e a recuperação de áreas degradadas pela implantação de florestas de
oleaginosas e o balanço de carbono emitido que provoca o efeito estufa.
Hoje, entretanto, aspectos ambientais sobre a produção local, aliados à
necessidade de eletrificação de comunidades isoladas, bem como a geração de
empregos, permitindo a fixação do homem no campo, tornam-se os principais
fatores.
4
II - OBJETIVO
O objetivo desta pesquisa é o estudo teórico e experimental do desempenho,
emissões e problemas operacionais de motores diesel estacionários (dieselgeradores) utilizando óleo de dendê “in natura” como combustível, comparando com
os resultados apresentados pelo motor funcionando com óleo diesel quando novo.
Pretende-se ainda verificar:
•
os depósitos provenientes da combustão;
•
o efeito da alteração de algumas variáveis sobre as emissões e desempenho
do motor:
a)
taxa de compressão;
b)
débito de combustível;
c)
avanço de injeção;
d)
temperatura do ar de admissão
Com esta finalidade foram realizados:
• análise teórica sobre a influência das propriedades físico-químicas do
combustível, na combustão, na emissão de gases de descarga e particulados e
no desempenho do motor;
• ensaio com 350 horas de duração em um diesel gerador de injeção direta;
• ensaios de desempenho em um motor CFR Cetano de injeção indireta. Nesses
ensaios foram alteradas as variáveis dos itens a) a d) acima citados.
Estudos feitos [3 a 24] no passado, sobre os problemas encontrados no
desempenho de motores diesel utilizando outros óleos vegetais como combustíveis,
nortearam a realização de modificações nos sistemas de partida e parada,
alimentação de combustível, de forma a se otimizar do desempenho dos mesmos.
5
III – CONSIDERAÇÕES GERAIS
O aproveitamento energético de óleos vegetais foi discutido na década de 80,
em duas concepções distintas. De um lado entendia-se o óleo vegetal como uma
alternativa cuja utilização exigiria modificações nos motores diesel convencionais,
enquanto por outro lado constituiria, tão somente, promissora matéria-prima a ser,
necessariamente, transformada em um combustível tecnicamente equivalente ao
óleo diesel.
A considerável evolução pela qual passou o motor diesel, bem como, a
otimização conhecida pelas técnicas de refino do petróleo, então abundante e
barato, contribuíram em grande parte para que os óleos vegetais não encontrassem
aproveitamento contínuo no campo prático.
O confronto de características físico-químicas do óleo vegetal com o óleo
diesel, antecipa a ocorrência de problemas operacionais para uma eventual
utilização prolongada.
Tal previsão é corroborada quando se procede a uma revisão da literatura
disponível [3, 7] sobre pesquisas esporádicas de óleos vegetais “in natura”. Os
resultados dessas pesquisas fazem menção à ocorrência de acentuada formação de
depósitos em bicos injetores, paredes de cilindros, cabeças de pistão, câmara de
combustão e válvulas de escapamento dos motores, que nada mais representam do
que uma conseqüência da alta viscosidade e da quase ausência de volatilidade
desses óleos nas temperaturas normais de trabalho dos motores.
Isso induz a pensar que a introdução de pequenas interferências no óleo
vegetal “in natura” , como aquecimento do mesmo para diminuição da viscosidade,
bem como algumas modificações construtivas em motores comerciais ciclo Diesel,
como aumento da taxa de compressão, aumento do débito da bomba injetora,
mudança na temperatura do ar de admissão e alteração no avanço de injeção,
podem resultar em um melhor desempenho do motor operando com óleo vegetal.
A possível aplicabilidade da alternativa “óleo vegetal“ ao desenvolvido
equipamento consumidor de óleo diesel, o motor de ciclo Diesel, aliado ao conjunto
de vantagens relativas à utilização de um sistema energético baseado em produtos
com características renováveis reforçam a necessidade de investigar-se, mais
profundamente o desempenho deste motor utilizando óleo vegetal (óleo de dendê “in
natura”) como combustível.
6
A escolha do óleo de dendê foi condicionada pelas características físico-químicas
do óleo, além da importância decisiva que o grande potencial produtivo e os baixos custos
de produção esperados para esta cultura no Brasil podem desempenhar.
III.1 - FATORES MOTIVADORES PARA UTILIZAÇÃO DO ÓLEO VEGETAL COMO
COMBUSTÍVEL
A maior motivação no passado foi à vulnerabilidade de fornecimento seguro
de combustíveis líquidos para o setor de transportes, como vivido em todo o mundo
pela a crise de fornecimento e de combustíveis na crise do petróleo e nos anos 70 e
na guerra do golfo.
Hoje, a questão ambiental sobre a poluição, em todo o mundo, tem se
tornado a grande motivação para a utilização desse combustível, além da
possibilidade de contribuir para o desenvolvimento de regiões remotas, para a
diminuição de níveis de desemprego, criando postos de trabalhos através da
produção local de combustível líquido, fixando o homem no campo.
Principais fatores motivadores:
1. Energia renovável: principal motivo da maioria dos produtores, especialmente
quando se torna óbvio que os recursos fósseis são finitos.
2. Benefícios ambientais: são grandes os benefícios ambientais (menor efeito
estufa, menor poluição local do ar, menor contaminação da água e do solo e
menor riscos para saúde) [16].
3. Eletrificação de locais de difícil acesso.
4. Utilização de sobras da agricultura: utilização da terra também para propostas
não alimentícias.
5. Interesse científico: Novo campo de pesquisa e desenvolvimento com energia
renovável.
6. Criação de novos empregos
7. Redução da dependência de importação
8. Oportunidades comerciais
9. Aumentar a oferta de tipos de combustíveis, diversificando as fontes.
7
III. 2 - ESTADO DA ARTE DE UTILIZAÇÃO DE ÓLEOS VEGETAIS EM MOTORES
DIESEL
Estudos sobre a utilização de óleos vegetais como combustível para motores
diesel, remontam desde o início de século com o próprio Rudolf Diesel projetou em
1896 seu primeiro motor, com eficiência de 26%, e testou-o com petróleo e álcool e
em 1900, com óleos vegetais.
As pesquisas utilizando diferentes tipos de óleos vegetais tais como,
amendoim, soja, colza, linhaça, mamona, babaçu, algodão e dendê, entre outros
demonstraram ser possível a sua utilização devido algumas características físicoquímicas serem próximas as do diesel, como o número de cetano e poder calorífico
[6, 7, 17, 23, 25, 26]. Além disso, os óleos vegetais possuem como vantagem a
ausência de enxofre, não gerando em sua combustão óxidos de enxofre
responsáveis pela chuva ácida. Entretanto, a presença de oxigênio na estrutura
molecular (na glicerina, inexistente nos óleos minerais) dos óleos vegetais, faz com
que no processo de combustão do motor diesel, estas não se queimem
integralmente, acumulando-se na câmara. Além disso, a alta viscosidade e
densidade, prejudicam: a injeção do combustível e atomização do mesmo e,
conseqüentemente uma completa combustão.
III. 2.1 – Estado da Arte
Mathot, em 1920, [27] foi um dos primeiros a reconhecer algumas
dificuldades decorrentes do emprego de óleos vegetais em motores diesel devido ao
acúmulo de depósitos de carbono e resíduos gordurosos decorrentes da combustão
desses óleos.
Entre 1933 e 1934, Schmidt [28] testando óleo vegetal em um motor de baixa
potência e rotação verificou algumas dificuldades na partida e com a alta
viscosidade, que provocou conseqüentemente, deficiência na atomização do
combustível, constatando a necessidade de pré-aquecimento do combustível e
alterações na bomba injetora respectivamente.
Pochon, em 1934, [29] testando óleos não refinados, concluiu não haver
necessidade de alterações no motor nem óleo especial para partida.
Manzella,
em
1935,
[30]
além
de
não
encontrar
dificuldades
de
funcionamento, utilizando óleo de amendoim em motores diesel, constatou que
8
quando o motor funcionava a cargas reduzidas apresentava baixo consumo e maior
eficiência que com o óleo mineral. Entretanto, constatou que em carga normal o
consumo é mais alto que com o óleo mineral, além de atuar mais lentamente e em
conseqüência desenvolver menor pressão máxima.
Realizando ensaios com óleo de amendoim em motor de alta compressão e
velocidade, Tatti e Sertori, em 1937, [31] concluíram que o ponto de fulgor é mais
elevado que o óleo mineral, sendo assim, inaplicável sem o pré-aquecimento.
Lamb, em 1939, [32] foi contra o uso de óleos vegetais como combustíveis,
devido a problemas de oxidação formando compostos resinosos que impediam o
bom funcionamento das válvulas e das molas de segmento do motor, além da
presença de oxigênio combinado, diminuindo o poder calorífico.
Judge, em 1941, [33] defendeu o emprego de óleos vegetais nos motores
diesel, e dos óleos de amendoim, algodão, soja, e palma. Constatou que a perda de
eficiência era de 12 a 15 % e que o óleo de palma era eficaz em motores Perkins,
apresentando uma exaustão sem fumaça. Fez ensaios com motor Gardner de 100
HP em um caminhão de 10 ton e percurso de 3 mil milhas, concluindo que era
necessário pré-aquecer o óleo vegetal e utilizar óleo diesel comum para dar partida
no motor. Observou, por fim que o consumo foi aproximadamente 10% superior ao
do óleo mineral.
Após testes comparando óleos vegetais a óleos minerais, Hamabe e Nagao,
em 1941, [34] concluíram que a potência e a eficiência térmica eram quase iguais. O
consumo de combustível era maior e a partida, mais difícil. Tais testes foram feitos
em motor diesel monocilíndrico de 10 a 12 HP, 500 rpm, cilindro de 150 mm de
diâmetro e 240 de curso, utilizando óleo de soja como combustível. Este óleo foi preaquecido a 70o C através de sua serpentina intercalada na água de refrigeração.
Em 1942, vinte e quatro óleos vegetais nativos da Índia foram ensaiados por
Aggarwal et al [35]. Eles observaram então, os seguintes problemas: maior atraso de
ignição com óleo de amendoim do que com óleo diesel (o óleo de soja apresentou
um atraso menor), e exaustão incolor em todos os óleos, com exceção da mamona,
que apresentou combustão incompleta. Não obstante isso, eles julgaram que isso
não justifica a rejeição dos óleos vegetais como combustíveis. Concluíram, então,
que seria possível alimentar o motor diesel com óleo vegetal, com eficiência talvez
igual ou superior à do óleo mineral, bastando que para isso se adaptasse o motor ao
modo específico de combustão dos óleos vegetais.
9
Em 1943, o Serviço da Produção Industrial da Coordenação de Mobilização
Econômica encarregou, em São Paulo, uma Comissão Técnica de estudar o
aproveitamento dos óleos vegetais como combustíveis [36]. Testes foram feitos com
óleo de algodão em motor Hércules instalado num caminhão que percorreu 1200
km. Observou-se que o óleo havia deixado uma camada fina de goma nas paredes
da câmara de combustão, enquanto nas paredes dos pistões e cilindros produzia
uma fina camada de fuligem.
Uma Segunda experiência foi feita num motor Perkins de 4 cilindros, 100 mm
de diâmetro e preaquecimento de 60o a 160o C do combustível. Observou-se que a
potência do motor aumentava com maior aquecimento do óleo. Adaptaram os
injetores ao óleo de algodão, colocando o motor num caminhão que percorreu 3000
km. Após desmontagem do motor não se notou a presença de gomas, e as válvulas
e mancais achavam-se em ótimo estado. O óleo lubrificante do carter, entretanto, ao
ser analisado, acusou um teor de 8% de óleo vegetal.
Concluindo, a comissão opinou que, em motores de alta rotação e pequeno
diâmetro de cilindros, o óleo vegetal deveria ser pré-aquecido, a fim de alcançar a
viscosidade para qual são previstos os atomizadores, enquanto que a pressão de
injeção deveria ser mantida igual ou superior à estabelecida, para o uso do óleo
diesel. As partidas e paradas do motor deveriam ser dadas com óleo mineral.
No boletim do Instituto de Óleos em 1944 [37], Rodolpho Otto sugeriu a
utilização de óleos vegetais como combustíveis e relatou trabalhos efetuados com o
DNER em 1943.
Gualter Pacheco Borges em 1944 [38] relatou ao terceiro Congresso da
Associação Química do Brasil, um trabalho feito nos laboratórios do Ministério da
Marinha sobre o aproveitamento de óleos brasileiros como combustíveis, concluindo
ser um possível substituto para o óleo diesel.
Mensier, em 1952, [39] Baker e Sweigert, em 1955, [40] fizeram referências
ao emprego de óleos vegetais diretamente em motores de injeção, assinalando as
vantagens do óleo de amendoim.
No final da década de 1940, o I.R.H.O. [41] relatou trabalhos feitos com óleo
de (pinhão manso) em motor diesel, sem tratamento prévio. Os resultados foram
satisfatórios.
Menseir,
em 1952, [42] estudou exatamente as condições técnicas do
emprego dos óleos vegetais como combustíveis, quer diretamente nos motores,
quer através de tratamentos especiais para obtenção de produtos comparáveis aos
10
provenientes do petróleo. Ainda na mesma década, o “Jornal de La S.I.A.” (1955)
abordou a utilização de óleo de pourghère em motores diesel, chegando a
resultados favoráveis para óleos vegetais.
Trabalhos mais recentes, já na década de 80, também registram as
dificuldades de utilização de óleos vegetais em motores diesel automotivos.
Entretanto, o enfoque já era direcionado para utilizações de emergências, sem uso
continuado.
Segundo Sá Filho et al, as principais diferenças nas propriedades dos óleos
vegetais em relação ao diesel são [43]:
• maior viscosidade, o que acarreta problemas no escoamento do combustível
pelas tubulações em caso de temperaturas baixas;
• mais alto ponto de névoa, sendo problemático nas regiões frias;
• alto resíduo de carbono que indica uma maior formação de depósitos de carbono
nos pistões, anéis, válvulas e bicos injetores, tornando necessária uma
manutenção mais freqüente;
• menor índice de cetano;
Pesquisa realizada na Austrália por Quick em 1981 [17] chegaram aos
seguintes resultados:
• o problema da polimerização nos bicos foi atribuído a alta viscosidade dos óleos
vegetais;
• os filtros de combustível devem ser menores que 4 microns, pois os óleos
vegetais possuem muitas fibras;
• os depósitos ocorrem mesmo utilizando óleos puros refinados;
Na Universidade de Dakota do Norte, nos EUA, em 1981, foram realizados
testes com óleo diesel, misturas com óleo vegetal e diesel, e óleo vegetal “in natura”
e ésteres sem aquecimento de combustível. Os testes com as misturas de 50/50 de
óleo diesel e de óleo de girassol, tiveram os seguintes problemas [18]:
− necessidade de troca de filtro de combustível diariamente
− vida útil dos bicos injetores era de 100 horas
− após 500 horas ocorreu aprisionamento de anéis
− e depósitos nas válvulas de admissão
Testes realizados na Mercedes Benz do Brasil [19] com óleo vegetal in
natura em motores de injeção direta, sem aquecimento de combustível, revelaram:
11
− ser altamente sensível a depósitos na câmara de combustão, causados pela
combustão incompleta;
− a alta viscosidade provoca entupimento nos filtros;
− os depósitos na câmara afetam a performance do motor depois de 25 horas,
utilizando misturas de diesel/soja;
Pelos motivos citados acima foi recomendado ser definitivamente descartado
a utilização de óleos vegetais “in natura”, mesmo em situações de emergência,
puros ou misturados com diesel [19].
A Saab-Scania do Brasil, em suas pesquisas nessa área afirmou que [20], o
substituto teórico ideal para o diesel deveria ser um produto que mantenha as
propriedades de auto-ignição quando posto em determinadas condições de ar,
temperatura e pressão, dotados com capacidade de lubrificação e produzindo
redução da poluição e fumaça negra quando em operação.
O óleo extraído das plantas contém hidrocarbonetos com uma configuração
molecular diferente da do diesel, mesmo que muito próximos aos hidrocarbonetos
mais encontrados no petróleo médio e pesado.
Mesmo que o motor possa operar por algum tempo, uma parte do material
contida nos óleos não faz parte da combustão, formando vários depósitos,
principalmente carbono e graxas, até alguns materiais polimerizados dentro da
câmara de combustão. Utilizando-se misturas de óleo diesel esses problemas
acontecem em menores porcentagens, interferindo na operação do motor.
Os efeitos mais evidentes de acumulação de resíduos dentro do motor são
[20]:
− a queda de potência;
− aumento gradual de consumo de combustível;
− entupimento parcial ou total dos bicos;
− travamento de anéis de segmento;
− desgaste anormal causado pelo ataque de certos compostos do óleo vegetal nas
partes internas do motor;
− parada do motor.
Segundo Aguiar, os inconvenientes para o usuário são sérios o suficiente
para tornar inviável o uso do óleo vegetal “in natura”, puro ou mesmo em mistura
com o diesel.
Pesquisas realizadas por Hugo em 1981 [21], com ésteres dos óleos
vegetais chegaram as conclusões:
12
• os ésteres dos óleos vegetais têm ótima combustão;
• em ésteres quase puros o atraso de ignição é menor que o diesel;
• os ésteres puros produzem menos fumaça negra, e tem melhor eficiência térmica
em qualquer condição de carga;
• os depósitos nos bicos injetores são o grande problema principalmente em
motores de injeção direta.
A Mercedes Benz do Brasil [19] realizarou testes com motores de injeção
direta, que revelaram ter:
− bom desempenho do motor;
− contaminação do óleo lubrificante.
Em 1982, no Instituto Nacional de Tecnologia [44], foi realizada uma série de
ensaios com motor de 18 HP e 900 rpm, nos quais se empregaram os óleos de
algodão, babaçu, mamona e álcool. As conclusões foram favoráveis ao uso de tais
óleos em motores diesel.
Testes com motores de injeção direta no Centro de Pesquisas da Petrobrás
Cenpes utilizando ésteres de óleos vegetais nesses motores [22] revelaram, as
seguintes características:
− dirigibilidade: compatível com os veículos movidos a diesel
− desempenho: houve perda de potência, resolvida com a troca dos bicos.
− consumo: compatível com os veículos movidos a diesel
− manutenção: substituição dos bicos antes do período normal
− lubrificante: mantiveram suas características de proteção do motor.
Blumberg e Ford, em 1982, [45] fizeram teste de desempenho de curta e
longa duração e testes de emissões usando oito tipos de misturas com óleo de
algodão. Eles concluíram que os teste de curta duração obtiveram resultados
melhores do que os de longa duração devido aos depósitos de carbono, cinzas e
desgaste na câmara de combustão.
Em 1985 Ziejewski et al [46] realizaram teste de longa duração utilizando
misturas de óleos vegetais com diesel e obtiveram problemas de depósitos
excessivos na bomba e bicos injetores.
Em 1986, Kumar et al [47], propôs uma modelagem para a combustão de
motores diesel utilizando óleo vegetal, no intuito de descrever e prever as
interferências do mesmo no processo de combustão. O modelo proposto foi testado
experimentalmente por ele, utilizando como combustível os óleos de girassol e
13
colza, mostrando a influência da qualidade do combustível e a necessidade de
alterações no projeto do sistema de injeção e combustão.
Em 1988 Schinstock et al [48] realizaram testes de desempenho de 200
horas usando misturas de óleo de soja e girassol com diesel, concluindo que o
torque do motor operando com misturas de óleo vegetal e diesel é maior do que
operando somente com diesel.
Em 1991 Hermerlem et al [49] testaram óleo de colza em motores diesel e
concluíram que o torque e a potência foram maiores e as emissões de NOx
obtiveram níveis melhores do que com o motor operando com diesel. Entretanto, os
níveis de HC e CO foram piores.
Em 1996 Nwafor et al [50] testaram misturas de óleos vegetais com óleo
diesel e concluíram que a utilização de óleo vegetal em mistura com o diesel não é
segura para motores diesel de injeção direta. Os testes com as misturas de óleo
vegetal e diesel mostraram aumento da eficiência térmica, redução da potência e
redução da viscosidade do óleo lubrificante.
Wibulswas et al, em 1999, [51] testaram misturas de óleo de dendê, soja e
arroz com óleo diesel e recomendaram misturas com 5% a 10% de óleo vegetal para
evitar o aumento de emissões de CO.
Karaosmanoglu et al no ano de 2000 [52] realizaram testes de longa duração
em motores diesel com óleo de girassol observando-se um bom desempenho do
mesmo.
No mesmo ano, Nwafor et al [53] estudaram o efeito do avanço da injeção no
desempenho do motor diesel, quando operado com óleo de colza. Observaram que
alterando o avanço de injeção em até 3.5o do ângulo do eixo de manivela melhorase o desempenho do motor.
No ano seguinte Altim et al [54] investigaram o desempenho e emissões do
motor diesel utilizando óleo cru de girassol, algodão e colza onde foram observados
problemas de atomização e aumento de emissões de particulado.
14
III.2.2 – Recomendações sobre Procedimentos e Modificações no Motor
Após analisar essa bibliografia, observa-se que não há um consenso sobre o
assunto. Há uma variedade de conclusões emitidas por pesquisadores das mais
diversas nacionalidades, chegando-se mesmo a conclusões contraditórias. Essa
aparente contradição pode ser explicada pelos diferentes estágios de evolução dos
motores diesel ao longo dos anos e pela diversidade dos combustíveis utilizados.
Os resultados encontrados na literatura confirmam a possibilidade técnica da
utilização dos óleos vegetais como combustível em motores diesel. No entanto, são
necessários alguns procedimentos que assegurem o desempenho adequado do
motor, devido as diferentes características dos óleos vegetais e tipo de utilização do
motor (automotivo ou estacionário).
Embora os motores diesel automotivos sejam bastante semelhantes aos
utilizados para a geração de eletricidade, as condições de operação são bastante
diversas. Os motores estacionários funcionam em rotações fixas, ao contrário dos
automotivos que apresentam uma faixa de rotação bem ampla. Nas rotações
elevadas a queima de combustível é mais eficiente e o problema é minimizado.
Dentro desta perspectiva é possível supor que a utilização de óleos vegetais
“in natura” em motores diesel estacionários de injeção direta pode ser feita, desde
que se tomem algumas precauções nos regimes de baixa carga (partida e parada).
As recomendações feitas por Sá Filho [43] para minimizar os
problemas resultantes do emprego dos óleos vegetais em motores diesel perecem
ser bastante oportunas para viabilizar a utilização de óleos vegetais “in natura” em
motores estacionários:
•
equipar o motor com um trocador de calor para pré-aquecer o óleo antes da
entrada dos injetores;
•
usar óleo diesel para dar partida e aquecimento, a fim de diminuir as dificuldades
do injetor;
•
escolher filtros de combustível apropriados para remoção das fibras vegetais no
óleo;
15
III. 3 - ESCOLHA DO ÓLEO VEGETAL
A produção e utilização de óleos vegetais como combustível para motores
diesel, exige um estudo para a escolha da oleaginosa. Esta deve apresentar um
bom potencial nativo da sua cultura, além de características físico-químicas
próximas a do diesel, proporcionando bom desempenho ao motor.
Na Europa e nos EUA, o óleo de colza foi a matéria prima escolhida no início
das pesquisas e é até hoje o líder com mais de 80% das matérias primas utilizadas
[14]. O óleo de girassol vem em segundo lugar com 10% seguido do óleo de soja,
principalmente nos EUA. Os outros óleos são o dendê, linhaça, e óleos de frituras
[1].
Matérias Primas
dendê
1%
girassol
13%
soja
1%
outros
1%
colza
84%
Figura III.1 Percentual de Oleaginosas Mais Estudadas Mundialmente
No Brasil, as oleaginosas mais estudadas para substituição do diesel foram a
soja, o amendoim, a mamona, o babaçu e o dendê. A soja é uma das principais
oleaginosas cultivadas no Brasil, sendo por isso, muito estudada [55].
Entretanto, para a implantação de um programa de geração de eletricidade a
partir de óleos vegetais, deve se ter em mente o caráter regional, pelas
características específicas das culturas das oleaginosas, fazendo um zoneamento
ecológico de culturas e levantamento do potencial nativo das culturas perenes. Em
alguns casos, seria conveniente basear a produção do óleo a partir do extrativismo
[1].
16
O dendê, única cultura perene do grupo apresenta alta produtividade por
área cultivada e ampla possibilidade de cultura em grande escala, principalmente na
Amazônia. Além disso, apresenta calor específico próximo ao do diesel, além de
apresentar um dos mais altos números de cetano das oleaginosas [56, 57, 58].
Deve-se ressaltar que este estudo torna-se interessante, já que as propriedades
físicas do óleo de dendê são vantajosas para a aplicação do mesmo em motores
diesel. Além de que o Brasil dispõe de condições climáticas favoráveis para se
tornar um grande produtor de dendê e conseqüentemente produzir combustíveis à
base deste fruto.
Apesar de alguns países, como a Malásia, já terem avançado muito no
estudo desse óleo em motores diesel, não ficou constatado, após uma pesquisa
bibliográfica extensa, a existência de projetos semelhantes em universidades ou
centros de pesquisa, que estejam trabalhando com o óleo vegetal “in natura” puro
em diesel geradores, onde fosse estudado, o efeito da variação da taxa de
compressão, avanço de injeção de combustível, débito de combustível e
temperatura do ar de admissão, nas emissões de poluentes e desempenho do
motor.
III. 3.1 - Comparação entre as Propriedades Físico-Químicas do Óleo de Dendê e
Óleo Diesel
Para que um combustível a base de óleo vegetal possa ser utilizado como
combustível em motores diesel é necessário que o mesmo tenha algumas
características físico-químicas similares ao do diesel. O óleo de dendê apresenta
calor específico próximo ao do diesel, além de apresentar um dos mais altos
números de cetano das oleaginosas. Entretanto, este óleo apresenta densidade e
viscosidade maiores que a do óleo diesel.
Na tabela III.1 estão relacionadas algumas propriedades físico-químicas do
óleo de dendê “in natura” e do diesel. Na tabela III.2 são apresentadas as
características físico-químicas do óleo de dendê “in natura” que foi utilizado na
pesquisa e analisado pelo CENPES-Petrobrás.
17
Tabela III. 1- Propriedades do Óleo de Dendê em Relação ao Óleo Diesel
Características
Óleo de Dendê
Óleo Diesel
poder calorífico superior (kcal/kg)
9723
10860
poder calorífico inferior (kcal/kg)
9104
10150
densidade relativa 15/4 OC
0.915
0.832
índice de cetano calculado
42
45 min
39.6 a 43.13
1.6 a 6.0
resíduo de carbono (% peso)
0.25
0.3
ponto de fulgor (oC)
>260
#
ponto de fluidez (oC)
8
(-3.3) (-6.1)
ponto de névoa (oC)
19/9
19/9
enxofre em peso
0.05
1.30 máx
cinzas (% peso)
<0.01
0.02 máx
viscosidade cinemática a 37,8 oC (Cst)
Fonte: CAEEB E CENPES
18
Tabela III.2 - Características do Óleo de Dendê Utilizado na Pesquisa
Características
Método
Resultados
água e sedimentos, % volume
ASTM D 1796
zero
densidade relativa por densímetro digital a 20/4 oC
ASTM D 4052
0.9102
Enxofre mg/kg
ASTM D 2622
<5
UOP 565
15
poder calorífico superior , kcal/kg
ASTM D 4809
9332.45
poder calorífico inferior , kcal/kg
ASTM D 4809
8733.98
o
índice de acidez
ponto de fulgor C
ASTM D 93
>344
o
ASTM D 97
6.0
o
ponto de névoa C
ASTM D 2500
14.0
resíduo de carbono Rambostton, % massa
ASTM D 524
0.2
teor de cinzas, % massa
ASTM D 482
0.003
viscosidade a 20 oC
ASTM D 445
88.77
viscosidade a 40 oC
ASTM D 445
38.23
viscosidade a 60 oC
ASTM D 445
20.07
viscosidade a 100 oC
ASTM D 445
8.064
viscosidade a 25 oC
CALCULADO*
69.78
viscosidade a 30 oC
CALCULADO*
56.54
viscosidade a 35 oC
CALCULADO*
46.42
viscosidade a 45 oC
CALCULADO*
32.39
viscosidade a 50 oC
CALCULADO*
27.48
viscosidade a 55 oC
ponto de fluidez C
CALCULADO*
23.54
o
CALCULADO*
17.70
o
CALCULADO*
15.52
o
CALCULADO*
13.70
o
viscosidade a 80 C
CALCULADO*
12.17
viscosidade a 90 oC
CALCULADO*
10.13
viscosidade a 65 C
viscosidade a 70 C
viscosidade a 75 C
Fonte: DIPROD / SEMOT - CENPES
(*) Interpolação logaritmica baseada na norma ASTM D 455
19
IV - ANÁLISE DOS PROCESSOS
A combustão de um motor diesel é extremamente complexa, dependendo de
vários fatores, tais como:
1. Características do sistema de admissão de ar e combustível;
2. Características do combustível; e.
3. Condições de operação do motor.
A combustão ideal de um motor diesel deve apresentar alta eficiência e
baixas emissões de poluentes. Entretanto, alguns desses requisitos são conflitantes,
como por exemplo, a limitação da potência do motor pelas emissões de poluentes.
Muitos aspectos relacionados com a combustão são ainda desconhecidos,
principalmente no que diz respeito à combustão de óleos vegetais, com é o caso do
óleo de dendê.
O confronto das características físico-químicas do óleo diesel com as do óleo
vegetal antecipa a ocorrência de problemas operacionais para sua utilização como
combustível.
A comparação das características físico-químicas do óleo de dendê com as do
óleo diesel possibilita prever alguns problemas operacionais para sua utilização
como combustível.
Um dos maiores obstáculos na utilização de óleo vegetais como combustível,
é a sua alta viscosidade, que causa obstrução no sistema de alimentação, filtros e
bicos injetores, além de dificultar a atomização do jato de combustível. Por isso, os
óleos vegetais “in natura” não devem ser utilizados nos motores à temperatura
ambiente, devendo ser pré-aquecidos, a fim de se reduzir a sua viscosidade.
Entretanto, a temperatura apropriada de aquecimento do óleo vegetal, bem
como, o conhecimento do efeito dessa temperatura no sistema de alimentação do
motor, no desempenho, na formação de depósito e nas emissões, ainda não foram
definidos. Para tal, foram realizados uma análise teórica e testes experimentais de
longa duração, descritos no item V.1, os quais permitiram o estabelecimento da
temperatura apropriada de aquecimento do óleo de dendê, bem como, a análise
dos depósitos formados e das emissões de poluentes provenientes da combustão
desse óleo.
20
O desenvolvimento do trabalho tem na seqüência um estudo da aplicação do
óleo vegetal como combustível em um motor de pesquisa em condições
laboratoriais. Como o objetivo desse teste é a obtenção dos parâmetros que
indiquem as faixas apropriadas de operação e as alterações de projeto do motor a
serem ajustadas a um desempenho desejado, foi necessário o desenvolvimento de
um modelo termodinâmico simplificado de simulação para dar suporte na
interpretação dos dados obtidos em laboratório.
IV. 1 - ADMISSÃO DE AR
Considerando-se que os parâmetros de desempenho do motor são função da
vazão mássica de ar admitida por ciclo [59], tem-se:
P=
η f ma NQLHV
⎛ A⎞
nr ⎜ ⎟
⎝F⎠
P = 2πTN
T=
η f .ma .QLHV
⎛ A⎞
2.π .nr.⎜ ⎟
⎝F⎠
onde
P = potência
T = torque
ηf = eficiência térmica
ma = massa de ar
N = rpm
QLHV = poder calorífico
nr = número de rotações do eixo (motor de quatro tempos nr=2)
(A/F) = razão ar/ combustível
(IV.1)
(IV.2)
(IV.3)
21
Observa-se que o desempenho de um motor pode ser melhorado
aumentando-se a massa específica do ar no cilindro. O aumento da massa
específica do ar pode ser conseguido através de um sistema de turbo-alimentação,
onde o ar é comprimido antes de ser admitido no interior do cilindro, ou variando-se
a temperatura de admissão do ar, já que os motores de aspiração natural sempre
recebem um suprimento de ar aproximadamente constante à pressão e temperatura
atmosférica, independentemente da carga do motor.
Considerando que nos óleos vegetais a cadeia de carbono é maior que a do
diesel, necessitando de maiores temperaturas e pressões para se romperem e
vaporizarem,
a
utilização
de
motores
turboalimentados
proporciona
maior
desempenho do que os aspirados, porque aumenta a pressão de admissão do ar e
conseqüentemente, a pressão máxima de compressão e a pressão média indicada.
Entretanto, buscando uma maior representatividade entre os diesel-geradores, na
ocasião da escolha do motor do ensaio, optpu-se por motores de aspiração natural.
Para que se pudesse observar o efeito da variação de temperatura do ar de
admissão e conseqüente efeito sobre a densidade, variou-se a temperatura do ar de
admissão nos testes com o motor ASTM CFR Cetano. As temperaturas estudadas
foram as de enquadramento do motor
(66o C), a temperatura ambiente
predominante do Norte do País (45o C) e a temperatura ambiente do Sul e Sudeste
de (30o C).
IV. 2 - INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL
A quantidade de combustível injetado na câmara de combustão por ciclo
influencia diretamente a potência do motor.
A quantidade de combustível injetada por segundo, é dada por [60]:
Qf =
πd 2
⎛ θ ⎞⎛ 60 ⎞⎛ ni ⎞
nV f ⎜
⎟⎜ ⎟⎜ ⎟
4
⎝ 360 ⎠⎝ N ⎠⎝ 60 ⎠
(IV.4)
22
onde:
Qf = volume de combustível injetado por segundo
(πd2/4 x n ) = área de todos os orifícios
Vf = velocidade do jato de combustível
(θ /360 x 60/N) = tempo de uma injeção
(ni/60) = número de injeções por segundo para um orifício
Como a vazão de combustível é função da velocidade do jato do
combustível, esta pode ser dada pela equação:
Vf = Cd [2(pinj - pcil)/ ρf ]0.5
(IV.5)
onde:
Cd = coeficiente de descarga do orifício
pinj = pressão de combustível dentro do injetor, N/m2
pcil = pressão de carga dentro do cilindro, N/m2
ρf = densidade do combustível, kg/m3
Observa-se pelas equações acima que a densidade do óleo vegetal, sendo
maior que a do diesel a temperatura ambiente (ρdendê = 0.9 e ρdiesel= 0.8), faz com
que a velocidade do jato de combustível para o óleo vegetal seja menor que a do
diesel.
O jato de combustível tem forma de cone com um o ângulo α e penetração L
(ver figura IV.1). Kumar [47] concluiu, em seu trabalho experimental, que o ângulo α
e a penetração L são funções das propriedades físico-químicas do combustível
como a viscosidade e a densidade, bem como da densidade do ar, da pressão de
injeção e da quantidade de combustível. A equação abaixo mostra a modelagem
experimental [30] do ângulo de injeção e da penetração para combustíveis a base de
óleo vegetal:
α = 0.97µf-0.03 ρf0.09 ρa0.14 ∆p0.115
(IV.6)
L (t) = 0.461 (∆p/ρa)0.25νf0.11 tanh t 0.715
(IV.7)
23
Onde:
µf = viscosidade dinâmica do combustível
ρf = densidade do combustível
ρa = densidade do ar,
νf = viscosidade cinemática do combustível
∆p =diferença entre a pressão de injeção e a pressão do ar no interior do cilindro
tanh t = tangente hiperbólica de t no tempo t = 0.
Baixas velocidades do combustível geram grandes gotículas, provocando
uma alta penetração dentro da câmara. Velocidades da ordem de 400 m/s (diesel)
[59] geram gotículas pequenas que rapidamente se misturam e evaporam. Os óleos
vegetais, devido a sua alta densidade, tendem a gerar, para as mesmas condições
de operação, velocidades do jato menores e, conseqüentemente, gotículas maiores
de combustível aumentando a penetração do jato.
Analisando a figura IV.1, pode-se observar que o ângulo α influencia os
trechos a e b da trajetória das gotas de combustível, caracterizada pela distância L,
do cone formado na injeção de combustível. A condição para que não haja choque
da partícula com a parede da câmara é a sua queima completa numa distância b
menor que L. Essa condição pode ser buscada de 3 modos [22]:
• diminuindo o atraso de ignição - trecho a;
• diminuindo o tempo para a queima completa - trecho b
• aumentando a distância L
Para diminuirmos a penetração L do jato, para os óleos vegetais, deve-se
aumentar a velocidade do jato, diminuindo a densidade do óleo através de um préaquecimento.
24
Figura IV.1 – Jato de combustível
IV. 3 – COMBUSTÃO
A combustão da mistura combustível-ar dentro do cilindro é um dos
processos que controlam a potência, o desempenho e as emissões do motor diesel.
Por isso, se faz necessário um conhecimento preliminar dos mais importantes
fenômenos da combustão para o entendimento da operação do motor.
A combustão nos motores diesel ocorre em 3 fases distintas:
• período de atraso de ignição
• período de rápida combustão
• período de combustão controlada
IV.3.1 –Atraso de Ignição
O atraso de ignição no motor diesel é definido como o intervalo de tempo (ou
ângulo do eixo de manivela) entre o início da injeção e o começo da combustão [61].
O atraso de ignição pode ser dividido em dois estágios o atraso físico e o
químico.
25
Os processos físicos do atraso de ignição são a atomização do jato do
combustível líquido; a vaporização das gotas do combustível; a mistura do vapor de
combustível com o ar; o aquecimento do combustível até a temperatura de ignição.
Os processos químicos são as reações de pré-combustão entre combustível,
ar, e gases residuais. Esses processos são afetados pelo projeto do motor, pelas
variáveis de operação e pelas características do combustível.
¾ Fatores que Afetam o Período de Atraso de Ignição [59]
1) Razão de compressão - o aumento da razão de compressão influencia na
pressão e temperatura do ar. A temperatura mínima de auto-ignição diminui com
o aumento da densidade do ar, reduzindo o atraso de ignição. Para motores
operando com óleo vegetal, o aumento na taxa de compressão resulta num maior
contato entre as moléculas do ar e do combustível, reduzindo o tempo de reação
e conseqüentemente, o atraso de ignição.
2) Velocidade angular do motor - com o aumento da velocidade angular do motor, as
perdas de temperatura durante a compressão diminuem, aumentando a
temperatura e a pressão do ar e reduzindo o atraso de ignição. Os dieselgeradores operam com rotações constantes.
3) Potência - com o aumento da potência, a razão ar-combustível diminui, a
temperatura de operação aumenta, diminuindo o período de atraso.
4) Atomização - Uma melhor atomização reduz o atraso de ignição. A atomização
de óleos vegetais é prejudicada com a maior viscosidade e a menor volatilidade
desses óleos, favorecendo um aumento no atraso de ignição.
5) Avanço de injeção - a quantidade de combustível injetado por ciclo é constante.
Aumentando-se o avanço de injeção, o combustível encontrará o ar no interior do
cilindro com pressão e temperatura menores, aumentando o atraso de ignição.
6) Temperatura de admissão – o aumento da temperatura de admissão produz um
aumento na temperatura do ar comprimido, melhorando a vaporização do
combustível e provocando uma redução no atraso de ignição. Entretanto, esse
aumento de temperatura do ar provoca uma redução em sua densidade,
reduzindo a eficiência volumétrica e, com isso, a potência [61].
7) Pressão de admissão - O aumento da pressão de admissão aumenta a pressão e
temperatura do ar comprimido, reduzindo a temperatura de auto-ignição e,
conseqüentemente, reduzindo o período de atraso.
26
8) Qualidade do combustível – Um importante indicador da qualidade de ignição do
combustível é o seu número de cetano. Para combustíveis com baixo número de
cetano, o atraso de ignição é longo e a maior parte do combustível é injetada
antes da ignição ocorrer, o que resulta em taxas de queima rápida muito altas,
uma vez que a combustão irá começar com grandes picos de pressão. Sob essas
condições extremas, quando a auto ignição da maior parte do combustível já
ocorreu, surge um som de batida audível, a chamada batida diesel. Para
combustíveis com número de cetano mais baixo, como é o caso de óleos
vegetais, o atraso de ignição é longo, fazendo com que a ignição ocorra tarde, a
ponto de se processar durante o tempo de expansão, apagando o processo de
queima, resultando em combustão incompleta, reduzindo a potência, e
provocandom baixa eficiência de conversão de combustível. Para combustíveis
com alto número de cetano, o atraso de ignição é pequeno ocorrendo a ignição
antes que a maior parte do combustível seja injetada, provocando taxas de
liberação de calor e aumento de pressão adequadas para uma suave operação
do motor.
O número de cetano é dependente da estrutura molecular do combustível.
Compostos parafínicos têm alta qualidade de ignição. Já compostos aromáticos
conferem baixa qualidade de ignição ao combustível, como com os álcoois e óleos
vegetais. Combustíveis com número de cetano variando entre 40 e 55 proporcionam
pequeno atraso de ignição. Para combustíveis com número de cetano inferior a 38
há um aumento considerável no atraso de ignição [59]
A temperatura de auto-ignição é uma das mais importantes propriedades do
combustível, pois afeta o atraso de ignição. Temperaturas de auto-ignição baixas
resultam em períodos de atraso de ignição menores.
Como as características do combustível interferem no atraso de ignição, suas
propriedades são de extrema importância para determinarmos a operacionalidade
do motor, tais como
eficiência de conversão de combustível, suavidade de
operação, falha de ignição, emissão de fumaça negra, barulho e facilidade na
partida.
Dentre os vários modelos de atraso de ignição desenvolvidos por vários
autores [62], a fórmula empírica desenvolvida por Haedenberg e Hase [63] para
predizer a duração do atraso de ignição em motores de injeção direta foi a que,
inicialmente, reproduziu melhor o atraso de ignição para o motor CFR de injeção
indireta. Seja:
27
0.63
⎡ ⎛ 1
1 ⎞ ⎛ 21.2 ⎞ ⎤
⎟⎟ ⎥
−
τ (θ ) = (0.36 + 0.22.sp ). exp ⎢ Ea.⎜
⎟.⎜⎜
⎢⎣ ⎝ R.T 17190 ⎠ ⎝ p − 12.4 ⎠ ⎥⎦
(IV.8)
onde:
sp = velocidade média do pistão (m/s)
Ea = energia de ativação aparente (J/mol)
R = constante universal dos gases (J/mol.K)
T e p = temperatura e pressão durante o atraso (bar e K)
A energia de ativação é dada por [41]
Ea =
618840
(CN + 25)
(IV.9)
Onde:
CN = número de cetano do combustível.
IV.3.2 - Período de combustão descontrolada
O período de combustão descontrolada, também chamado [61] de período de
combustão rápida, é a fase em que o aumento de pressão é rápido. Durante o
período de atraso, as partículas de combustível têm tempo de espalhar−se por uma
vasta área e ar fresco sempre disponível a sua volta. A maior parte do combustível
admitido é evaporado, formando uma mistura com o ar [60], completando−se, assim,
as reações de pré combustão. É de se notar que a pressão alcançada durante o
período de combustão descontrolada dependerá da duração do período de atraso à
ignição, ou seja, quanto mais longo o atraso, maior e mais rápido será o aumento da
pressão, uma vez que mais combustível estará presente no cilindro antes que a
velocidade da combustão fique sob controle.
Como o atraso de ignição dos óleos vegetais é maior do que o óleo diesel, o
período de combustão descontrolada desses óleos terá maior a duração e mais
rápido será o aumento da pressão.
28
IV.3.3 - Período de Combustão Controlada
O período de combustão descontrolada (rápida combustão) é seguido pelo
terceiro estágio, a combustão controlada. A temperatura e a pressão no segundo
estágio são bastante altas. Assim [59], as partículas de combustível, injetadas
durante o segundo estágio, entram em combustão mais rapidamente, com reduzido
atraso de ignição a medida que encontram o oxigênio necessário, e qualquer
aumento posterior da pressão será controlado pela taxa de injeção.
IV.4 - EMISSÕES EM MOTORES DIESEL
A relação entre a composição dos reagentes (combustível e ar) de uma
mistura e a composição dos produtos dependem, apenas, da conservação de massa
de cada elemento químico nos reagentes [59] . Portanto, são necessárias para
defini-las a composição elementar relativa do combustível e as proporções relativas
de combustível e ar.
Com oxigênio suficiente, o combustível pode ser completamente oxidado. Na
combustão, o oxigênio é o componente reativo do ar. Em termos usuais,
simplificados, considera-se suficientemente precisa a composição do ar como sendo
21% (0,2095) de oxigênio e 79% de gases inertes feito nitrogênio. Para cada mol de
oxigênio no ar existem :
(1 - 0.2095) / 0.2095 = 3.773
(IV.10)
Em um combustível a base de hidrocarbonetos, o carbono é convertido em
CO2 e o hidrogênio em H2O. O ar contém nitrogênio, contudo, quando os produtos
estão a baixas temperaturas, ele não é afetado significativamente pela reação. As
proporções estequiométricas são definidas pela equação [64] :
CaHb + (a + b/4)(O2 + 3.773N2) = a CO2 + (b/2) H2O + 3.773(a + b/4) N2
(IV.11)
onde a e b são a quantidade de cada elemento na composição química do
combustível.
29
Esta é a equação genérica para a combustão completa de um combustível a
base de hidrocarbonetos, cuja composição molecular é CaHb, onde estão definidas
somente as proporções relativas sobre uma base molar. Dessa forma a composição
combustível pode ser escrita na forma simplificada CHα, onde α = b/a .
Considerando que o peso molecular do oxigênio, do nitrogênio atmosférico,
do carbono e do hidrogênio são respectivamente 32, 28.16, 12.011 e 1.008, a
relação ar/combustível estequiométrica (A/F)s depende somente de α.
(A/F)s = [(1 + α/4)(32 + 3.773 x 28.16)] / (12.011 + 1.008α) (IV.12)
(A/F)s = [34.56 (4 + α)] / (12.011 + 1.008α)
(IV.13)
Misturas ar/combustível mais ricas ou mais pobres que a estequiométrica
podem ser queimadas. Entretanto, devido à composição dos produtos da combustão
ser significativamente diferente para misturas pobres ou ricas e , também porque a
razão ar/combustível estequiométrica depende da composição do combustível, a
razão entre a razão ar combustível real e a estequiométrica fornece mais informação
para definir a composição da mistura. A razão ar/combustível equivalente λ:
λ = (A/F)real / (A/F)s
(IV.14)
Logo:
para misturas pobres
λ>1
para misturas estequiométricas
λ=1
para misturas ricas
λ<1
No caso de combustíveis oxigenados, como os óleos vegetais, as proporções
estequiométricas se alteram, tornando-se [64]:
CHαOβ + e(O2 + kN2) = A CO2 + E H2O + keN2
(IV.15)
30
onde:
α = relação atômica entre H/C
β = relação atômica entre O/C
e = moles estequiométrico de O2 / mol do combustível
k = moles de nitrogênio, etc / mol de O2 no ar
A = moles de CO2 em produtos
E = moles de H2O em produtos
Infelizmente, a combustão perfeita, sob condições estequiométricas, é
raramente obtida nos motores diesel, principalmente na queima de óleos vegetais
que têm alta razão carbono/hidrogênio. Além disso, nem todo combustível que entra
no motor é totalmente queimado dentro do cilindro. Há sempre uma ineficiência da
combustão, até mesmo com excesso de ar. A massa de ar que entra em cada
cilindro de um motor multicilíndrico não é exatamente igual, além de não serem
completamente uniformes. Desse modo, a composição do gás de descarga deve
corresponder a uma distribuição da razão ar/combustível, na mistura não queimada,
sobre um valor médio [61].
A medição da composição dos gases de descarga do motor serve para o
controle da eficiência da combustão e da poluição, além de determinar as
proporções relativas de combustível e ar que entram no motor para que sua razão
equivalente operacional seja calculada.
Para uma combustão não estequiométrica as proporções para combustíveis
oxigenados são:
CHαOβ + g(O2 + kN2) = A CO2 + B CO + D H2 + E H2O +
F O2 + G N2 + X CHαOβ + Particulado
onde:
α = relação atômica entre H/C
β = relação atômica entre O/C
g = moles reais de O2 / mol do combustível
k = moles de nitrogênio, etc / mol de O2 no ar
A = moles de CO2 em produtos
B = moles de CO em produtos
D = moles de H2 em produtos
(IV.16)
31
E = moles de H2O em produtos
F = moles de O2 em produtos
G = moles de N2 em produtos
X = moles de CHαOβ em produtos
A emissão de hidrocarbonetos para óleo diesel tem a forma CHα,. No caso de
óleos vegetais, essa emissão tomam a forma de CHαOβ [65].
Como os óleos vegetais são mais viscosos que o óleo diesel, a qualidade do
spray do combustível tenderá a diminuir, aumentando o tamanho das gotas e,
conseqüentemente, produzindo maiores quantidades de HC.
Hurn [65], em seu trabalho, afirma que as propriedades físicas dos
combustíveis como densidade e viscosidade, têm maior influência na emissão de
HC e CO do que as propriedades químicas. Nos óleos vegetais, por causa de sua
maior viscosidade, o número de Reynolds será menor, provocando gotículas
grandes no spray, provocando maior emissão de HC, devido à diminuição da
velocidade do jato de combustível.
Desde que o motor diesel sempre trabalha em mistura pobre, as emissões de
CO são bem menores do que nos motores de ignição por centelha [66]. Entretanto,
devido à heterogeneidade da mistura, bem como deficiências locais de oxigênio,
níveis de temperatura ou tempos de residência insuficientes para completar a
combustão em forma de CO2, causam emissões de CO. Como a mistura ar/óleo
vegetal é mais heterogênea do que o com o diesel devido à dificuldade de
atomização citada anteriormente, a emissão de CO deverá ser maior do que com
diesel.
A emissão de NOx resultante da combustão de óleos vegetais não deve ser
significativamente diferente da combustão de óleo diesel. Pequenos decréscimos
de NOx podem ocorrer em carga máxima, devido à diminuição da razão ar/
combustível. A formação de NO é governada pela temperatura máxima de
combustão [66].
Aproximadamente todo o NO é formado próximo a 20 graus do PMS no
início da combustão. Quando a injeção é atrasada a combustão começa mais tarde
junto com a formação de NO [66].
As concentrações de óxido de nitrogênio (NOx) também aumentam com a
relação ar/combustível comum. Esta diminuição nos níveis de NO com a relação
combustível / ar é menor do que para um motor de ignição por centelha devido à
32
distribuição não uniforme do combustível na combustão do diesel. Na combustão do
diesel, como a relação combustível / ar aumenta diretamente com o aumento do
combustível, a emissão de NO é aproximadamente proporcional a essa quantidade
de combustível [66] .
No caso da combustão de óleos vegetais onde o consumo específico é maior,
para a mesma potência, que o diesel, haverá maior tendência à formação de NO.
Um dos produtos de uma combustão incompleta é o material particulado.
Este é composto de um material carbônico (fuligem) gerado durante a combustão,
no qual várias espécies orgânicas (SOF) são adsorvidas, constituindo de moléculas
condensadas na fuligem, nas fases seguintes da combustão, as quais podem ser
precursoras da formação da fuligem durante a fase da combustão.
Esse SOF
contém hidrocarbonetos, não queimados, derivados oxigenados (cetonas, ésteres,
aldeídos éteres, ácidos orgânicos) e hidrocarbonetos aromáticos policíclicos
acompanhados por seus derivados de nitrogênio e oxigênio. Somam-se a eles uns
poucos derivados inorgânicos (SO2, NO2 e sulfatos).
A composição dessas partículas depende das condições de trabalho do
motor, em particular da temperatura de exaustão.
As partículas de fuligem são primariamente oriundas do carbono contido no
combustível e dependem do tipo de combustível, número
de carbonos nas
moléculas e da razão carbono/hidrogênio (C/H). No caso de combustíveis
oxigenados, como os óleos vegetais especialmente “in natura”, a tendência à
formação de particulado aumenta, devido à sua molécula apresentar um grande
número de carbono.
IV.5 – MODELO TERMODINÂMICO SIMPLIFICADO DE SIMULAÇÃO
Esse modelo basicamente focaliza os tempos de funcionamento onde se
observa maior variação de trabalho no ciclo, ou seja, os tempos de compressão e
combustão e expansão.
Para estruturação do modelo analítico de simulação, o fluido de trabalho foi
considerado com sendo gás ideal. Essas premissas, idealizadas para elaboração do
modelo, permitem a introdução das equações do gás perfeito.
Com base na análise termodinâmica do ciclo de trabalho de motores de
combustão interna, foi possível o exame da evolução da combustão. A análise da
33
variação da pressão, em função da variação do ângulo do eixo de manivela durante
os tempos de compressão e expansão, pode ser usada para modelar o processo de
combustão dos motores diesel.
Esse modelo de combustão pode ser enquadrado na categoria zerodimensional, já que esta categoria tem como única variável-independente, o tempo
(ou ângulo). Usualmente se refere a uma análise termodinâmica do ciclo de trabalho
do motor, na qual a evolução do processo de combustão é especificada como um
dado de entrada ou uma simples correlação empírica.
Os modelos zero-dimensionais vêm sendo utilizados para analisar o
desenvolvimento do processo de combustão através da razão de liberação de calor.
Para efetuar esse tipo de análise, é preciso dispor das curvas de pressão
experimentais do motor no cilindro. Na literatura encontramos modelos [67 a 70] que
auxiliam no estudo influência do turbilhonamento na câmara de combustão,
parâmetros de injeção, desempenho e emissões de poluentes, baseados na análise
da razão de liberação de calor a partir dos dados de pressão previamente
conhecidos.
Admite-se que a composição e a temperatura dos gases são uniformes em
todo o volume. Além disso, considera-se que o combustível injetado se mistura e
reage instantaneamente com os gases, considerados ideais, que se encontram na
câmara de combustão.
Os desenvolvimentos e discussões subseqüentes abordam os processos em
estudo nesse modelo.
IV.5.1 - Compressão
As propriedades termodinâmicas, ao final da compressão, são fundamentais
para o estudo da combustão, já que são utilizadas como valores iniciais da
combustão.
Esse modelo simplificado utilizou as relações de pressão e temperatura para
um processo politrópico, considerando-se os efeitos da vaporização do combustível
durante a compressão:
pV kr = constante
(IV.17)
onde:
kr = expoente politrópico que varia entre 1.32 a 1.4 para motores diesel [71]
34
IV.5.2 - Atraso de Ignição
Esse modelo de combustão utilizou a fórmula empírica desenvolvida por
Haedenberg e Hase [63] para predizer a duração do atraso de ignição em motores
de injeção direta e, inicialmente, foi o que reproduziu melhor o atraso de ignição para
o motor CFR de injeção indireta.
Entretanto, ao longo dos testes experimentais no motor ASTM CFR cetano,
observou-se que, quando se variava a taxa de compressão, tendo os parâmetros de
enquadramento do motor como condição de referência, a equação acima
apresentava um grande desvio. Dessa forma, foi adicionado um termo na equação,
função da taxa de compressão, diminuindo esse desvio. Essa equação é válida para
o motor ASTM CFR cetano, tendo os parâmetros de enquadramento do motor,
como condição de referência:
⎡ ⎡ ⎡⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞⎤ ⎡ 21.2 ⎤ 0.63 ⎛ rc ⎞ 0.85 ⎤ ⎤
τ (θ ) = (0.36 + 0.22.sp). ⎢exp ⎢ Ea.⎢⎜
⎟ ⎥ ⎥ (IV.18 )
⎟−⎜
⎟⎥.⎢
⎥ .⎜
⎢⎣ ⎢⎣ ⎣⎝ R.T ⎠ ⎝ 17190 ⎠⎦ ⎣ ( p − 12.4 )⎦ ⎝ 12.36 ⎠ ⎥⎦ ⎥⎦
onde:
rc = taxa de compressão
kr = expoente politrópico
IV.5.3 - Combustão
Dados sobre as pressões do cilindro versus os ângulos do eixo de manivela
sobre os tempos de compressão e expansão do ciclo de operação do motor podem
ser usados para obter informações quantitativas sobre o processo de combustão
[61]. Os métodos de análises são similares aos adotados nos motores Otto e
começam com a primeira lei da termodinâmica para um sistema aberto que é quase
estático (uniforme em pressão e temperatura). A primeira lei para cada sistema do
volume de controle:
dV
dQ
-p
+
dt
dt
∑ m .h
i
i
=
dU
dt
(IV.19)
35
Onde:
dQ/dt = taxa de transferência de calor através do sistema de contorno dentro do
sistema;
p(dV/dt) = taxa de transferência de trabalho feito pelo sistema devido ao
deslocamento sistema de contorno;
mi = taxa de fluxo de massa dentro do sistema através do sistema de contorno na
localização i (fluxo fora do sistema será negativo);
hi =entalpia do fluxo de massa i entrando ou deixando o sistema, e
u = energia interna.
Entretanto, a aplicação dessa equação torna-se difícil devido a alguns fatores
como:
1. A distribuição da razão combustível/ar que não é uniforme e varia com o
tempo. O processo não é quase estático;
2. A composição dos gases queimados (também não uniformes) não é
conhecida;
3. As correlações disponíveis para predizer a transferência de calor nos
motores diesel não são bem definidas, etc.
Devido às dificuldades em trabalhar com esses problemas, métodos
sofisticados de análises e outros mais simples dão somente respostas aproximadas.
a) Motores de Injeção Direta
Nos motores de injeção direta, o único fluxo de massa que atravessa o
sistema quando as válvulas estão fechadas será somente o de combustível:
dV
dQn
dU
-p
+ mfhf =
dt
dt
dt
Como a entalpia do combustível é aproximadamente zero e
a energia química do combustível
dQhT
, temos:
dt
dQCH
dt
(IV.20)
dQn
é a diferença entre
dt
e a transferência de calor para o sistema
36
dQCh dQhT
dQn
dV
dU
=
=p
+
dt
dt
dt
dt
dt
(IV.21)
Considerando o fluido de trabalho como gás ideal, a equação IV.21 torna-se:
dV
dQ n
dT
=p
+ mcv
dt
dt
dt
(IV.22)
Pela lei do gás ideal
pV = mRT
(IV.23)
onde:
R = constante dos gases é assumido como constante
Então chega-se:
dV
dT
dp
+
=
p
T
V
(IV.24)
Se a equação IV.24 for usada para eliminar T da equação IV.21, tem-se [72]:
dp
dQ n
c
⎛ c ⎞ dV
= ⎜1 + v ⎟ p
+ v V
dt
dt
R
dt
R⎠
⎝
(IV.25)
E, fazendo as devidas substituições:
dQ n
=
dt
dV
dp
1
kr
p
+
V
dt
kr − 1 dt
kr − 1
Onde kr varia entre 1,32 a 1,39 para motores diesel [61].
(IV.26)
37
b) Motores de Injeção Indireta
Nos motores de injeção indireta, as pressões em cada câmara, principal e
auxiliar, não são a mesma durante o processo de combustão. Desde que a
combustão começa na pré-câmara, a liberação de calor do combustível na précâmara causa um aumento de pressão maior que na câmara principal. Dependendo
do projeto da câmara de combustão e das condições de operação, a pressão da précâmara sobe para 0,5 a 5 atm acima da pressão na câmara principal [59]. Essa
diferença de pressão causa um fluxo de gases queimados, combustível, ar para
dentro da câmara principal, onde ocorre agora liberação adicional de energia. A
análise de motores DI, anteriormente, foi baseada em pressões uniformes ao longo
da câmara de combustão. Para motores IDI o efeito da diferença de pressão entre
as câmaras deve ser incluído.
Aplicando a 1a lei na câmara principal chega-se.
dQ1
dU1
dm
dV
- p1 1 + h2,1
=
dt
dt
dt
dt
(IV.27)
E produz para a câmara auxiliar
dQ2
dm + h dm f = dU 2
- h2,1
f
dt
dt
dt
dt
(IV.28)
onde.
dm taxa de fluxo positivo da pré-câmara para a câmara principal.
=
dt
Os índices 1 e 2 referem-se à pré-câmara e à câmara principal,
respectivamente.
Se
dm <0, h = h ., e se for definido U e U como as energias internas e h como a
2,1
1
1
2
f
dt
entalpia do combustível, então
dQ1 dQ2
e
representam as taxas de liberação de
dt
dt
38
calor liquida – a diferença entre as taxas de liberação de energia da combustão e a
taxa de transferência de calor para as paredes.
Usando-se um modelo analítico com base no gás ideal para fluido de
trabalho e cada câmara, com cp, cv e m constantes, as relações p1V1 = m1RT1 e p2V2
= m2RT2 pode ser usada para eliminar m e T dos termos
dU
e, com o fato que hS,q
dt
= 0, pode-se escrever
1
kr
dQ1
dV1
dp1
dm
=
p1
+
V1
- Cp.T2,1
dt
dt
dt
dt
kr − 1
kr − 1
(IV.29)
1
dQ2
dp2
dm
=
V2
+ Cp.T2,1
dt
dt
dt
kr − 1
(IV.30)
A liberação de calor líquido total é:
dQ
1 ⎛ dp1
kr
dp ⎞
dQ1
dQ2
dV1
=
+
=
p1
+
+ V2 2 ⎟
⎜V1
dt
dt
dt
dt ⎠
kr − 1
kr − 1 ⎝ dt
dt
(IV.31)
Como a medição de pressão separada de cada câmara é muito difícil, é
comum assumir que p2=p1. O erro associado com essa aproximação pode ser
estimado como se segue
V + V2 dp1
V2 d (∆p )
kr
dQ n
dV
=
p
+ 1
+
dt kr − 1 dt
kr − 1 dt
kr − 1 dt
(IV.32)
O último termo tende a zero no decorrer do processo de combustão. Logo, se
for ignorado o último termo, o erro nos primeiros estágios da combustão será maior
que ao longo de toda a combustão [60], podendo ser, numa aproximação mais
grosseira negligenciado, tornando a equação acima similar à equação dos motores
de injeção direta.
Se omitirmos da equação IV.22 o termo da transferência de calor
dQhT
dt
pode-se obter uma aproximação da razão de liberação de calor bruta [59]. A integral
39
dessa razão de liberação de calor sobre o processo de combustão deve ser igual à
massa de combustível injetada, vezes o poder calorífico inferior do combustível.
QCH = ∫
dQCH
dt = m f QLHV
dt
(IV.33)
Devido à combustão incompleta e à dissociação, nem todo poder calorífico é
liberado. O coeficiente experimental β corrige o total da energia liberada [72]. Logo a
equação IV.38, torna-se:.
β
dQCH
V + V2 dp
kr
dV
=
p
+ 1
dt
kr − 1 dt
kr − 1 dt
(IV.34)
c) Evolução da Combustão
Ao final da compressão, próximo ao ponto morto superior, o combustível
líquido é injetado no motor diesel e se evapora rapidamente ao entrar em contato
com os gases quentes que se encontram dentro do cilindro. Quando a temperatura
na câmara de combustão atinge a temperatura de auto ignição da mistura arcombustível inicia-se a combustão em vários pontos da câmara de combustão. Esse
estágio é chamado de combustão descontrolada. A velocidade de liberação de
energia neste período é controlada pela cinética das reações em cadeia que
caracterizam a combustão de misturas homogêneas. À medida que a mistura já
preparada é consumida, as ramificações das reações em cadeia vão se extinguindo
e então a taxa de liberação de energia diminui rapidamente. Quando a combustão
começa a ocorrer à medida que os vapores de combustível se misturam com o ar e
esta mistura entre em regiões onde ocorre queima, a taxa de liberação de calor não
é mais determinada pela velocidade das reações químicas e, sim, pela velocidade
de evaporação do combustível e pela difusão dos vapores de combustível no ar,
correspondendo ao estagio da combustão controlada.
Nos modelos zero-dimensionais, a taxa de liberação de calor deve ser
especificada. Para equacionar esse problema, Wiebe [73], baseado na teoria das
reações em cadeia, deduziu uma expressão semi-empírica para a taxa de liberação
de calor e sugeriu que ela fosse aplicada em motores com formação de mistura
40
externa e interna. Entretanto, a fórmula de Wiebe expressa formalmente a cinética
de combustão em misturas homogêneas combustível-ar, sendo adequada para
simular a combustão em motores com formação externa de mistura. No entanto,
esta correlação não descreve convenientemente a combustão em dois estágios,
como ocorre no motor diesel [74]. A função proposta por Wiebe tem a seguinte
forma:
⎧⎪
⎛ θ −θc
χ = 1 − exp⎨− 6.908⎜⎜
⎪⎩
⎝θ x −θc
⎞
⎟⎟
⎠
m +1
⎫⎪
⎬
⎪⎭
(IV.35)
onde:
χ = fração de combustível queimada até o instante correspondente ao ângulo
do eixo de manivela
θc = ângulo correspondente ao início da combustão
θx = ângulo correspondente ao final da combustão
m = fator de forma da função de Wiebe.
Como a função simples de Wiebe representava a razão de liberação de calor
em motores diesel com pouca precisão, os pesquisadores Watson et al [70]
desenvolveram um modelo zero dimensional, onde a razão de liberação de calor
é expressa como a soma de duas componentes, uma relativa à combustão da
pré-mistura e a outra relativa à combustão controlada por difusão, expressas em
função de variáveis operacionais e construtivas do motor.
A função dupla de Wiebe, na sua forma diferencial, pode ser escrita assim:
dQdesc
dQ
dQ
= χ desc
+ (1 − χ desc ) cont
dθ
dθ
dθ
dQdesc
m +1⎛θ −θc
⎜
= 6.908 desc
dθ
∆θ desc ⎜⎝ ∆θ desc
⎞
⎟⎟
⎠
mdesc
⎧⎪
⎛θ −θc
exp⎨− 6.908⎜⎜
⎪⎩
⎝ ∆θ desc
(IV.36)
⎞
⎟⎟
⎠
mdesc +1
⎫⎪
⎬ (IV.37)
⎪⎭
41
dQcont
m +1⎛θ −θc
⎜
= 6.908 desc
∆θ cont ⎜⎝ ∆θ cont
dθ
⎞
⎟⎟
⎠
mcont
⎧⎪
⎛θ −θc
exp⎨− 6.908⎜⎜
⎪⎩
⎝ ∆θ cont
⎞
⎟⎟
⎠
mcont +1
⎫⎪
⎬ (IV.38)
⎪⎭
onde
χdesc= fração de combustível que queima na fase da combustão descontrolada
∆θdesc = duração da fase da combustão descontrolada
∆θcont = duração da fase da combustão controlada
mdesc = fator de forma da fase da combustão descontrolada
mcont = fator de forma da fase da combustão controlada
Os parâmetros χdesc, mdesc e mcont devem ser ajustados e dependem das
variáveis de operação do motor.
IV.5.4 – Expansão
Esse modelo simplificado também utilizou as relações de pressão e
temperatura para um processo politrópico
pV ke = constante
(IV.39)
onde :
ke = expoente politrópico experimental que varia entre 1.18 a 1.28 para motores
diesel [67]
IV.5.5 - Equações Complementares - Grandezas Geométricas do motor
O volume de gás no cilindro em relação ao ângulo do eixo de manivela é
função do diâmetro do cilindro, deslocamento do pistão, relação biela/manivela,
razão de compressão.
42
Figura IV. 2 – Geometria do Motor ASTM CFR Cetano
A cilindrada ou volume total deslocado é definido por:
Vd =
π .D 2
4
.l
(IV.40)
Onde:
D = diâmetro do pistão
l = deslocamento do pistão
A razão de compressão é função do volume deslocado, volume da câmara
de combustão e, no caso de motores de injeção indireta, do volume da pré-câmara.
rc =
ou
Vd + Vc
Vc
(IV.41)
43
rc =
Vd + (Vc + Vpc )
(Vc + Vpc )
(IV.42)
onde:
Vc = volume da câmara de combustão;
Vpc = volume da pré-câmara
O volume instantâneo em função do eixo de manivela
1
⎡ 1
⎡
2 2 ⎤⎤
2
V = ⎢1 + .(rc − 1).⎢ BM + 1 − cos(θ ) − BM − sen (θ ) ⎥ ⎥.(Vc + Vpc )
⎢⎣ 2
⎣
⎦ ⎥⎦
(
onde
BM = l/a relação biela/manivela;
θ = ângulo do eixo de manivela
)
(IV.43)
44
V - DESENVOLVIMENTO EXPERIMENTAL
V.1 - ENSAIO DE UM MOTOR ASTM CFR CETANO OPERANDO COM ÓLEO DE
DENDÊ “IN NATURA”
V.1.1 -Bancada de Teste
Baseado na análise teórica, somado a experiências anteriores [4 a 58],
verificou-se que seria necessário propor adequações no sistema de admissão de ar,
injeção e combustão desses motores para que se pudesse otimizar o desempenho
de diesel-geradores operando com óleo de dendê “in natura”. Com o objetivo de
avaliar influência dessas adequações no desempenho e durabilidade dos motores,
foram realizados testes experimentais de longa duração e desempenho em motores
diesel.
Os testes de durabilidade, foram realizados em um diesel-gerador de injeção
direta, por ser um motor representativo do universo de diesel-geradores. O motor
escolhido foi o MWM 229 seis cilindros, com potência nominal de 66 kW.
Foi ccoplado ao motor um gerador elétrico WEG do tipo BTA, sem escovas,
composto de:
•
máquina principal, e
•
excitatriz principal, com retificadores gigantes
•
regulador estático de tensão.
Para simular a carga do diesel-gerador foi utilizado um sistema de dissipação
de potência, que dissipava a energia elétrica gerada sob forma de calor.
O sistema consiste em um banco de resistências imersos em reservatórios
de água ligados em série, totalizando quatro, ligados a um painel de controle. A
carga de trabalho que o banco de resistência fornece ao motor está relacionada com
o número de resistências que estão ligados em série. Como são quatro
reservatórios, cada um representa 25% de carga, sendo possível variar a carga em
25%, 50%, 75% e 100%.
45
V.1 - Grupo Gerador e Dissipador de Potência
V.1.2 - Sistema de Alimentação de Combustível
Como discutido anteriormente, a alta viscosidade do óleo de dendê “in
natura” dificulta o fluxo de combustível na linha de alimentação, bomba e bicos
injetores, prejudicando a atomização e vaporização do combustível dentro do
cilindro, propiciando uma combustão incompleta e formação de depósitos.
Em condições transientes do motor (partida), quando ainda não se atingiram
condições estáveis de operação, agravam-se os problemas acima citados. Além
disso, devido ao seu ponto de névoa próximo a temperatura ambiente, durante
paradas prolongadas, dependendo da temperatura ambiente, este óleo tende a se
solidificar nas tubulações, entupindo o sistema.
Com vistas a minimizar esses problemas, foi desenvolvido um sistema de
dupla alimentação de combustível, que possibilitava a partida e a parada do motor
serem feitas com o motor operando com óleo diesel e a operação em regime ser
feita com óleo de dendê aquecido.
46
Esse sistema de dupla alimentação é similar aos usados no sistema de
alimentação de motores marítimos que utilizam óleo pesado como combustível.
O sistema de alimentação utilizado era formado por dois reservatórios de
combustível, uma para óleo diesel e outro para o óleo de dendê, ligados um ao outro
através de tubulação de aço inoxidável, para evitar o ataque químico do óleo de
dendê, quando aquecido, sobre o cobre.
O reservatório de óleo de dendê utilizado possui resistências elétricas
similares a um boiler elétrico, utilizado para aquecer água em residências.
A linha de alimentação de combustível foi isolada para que não ocorressem
grande perdas de calor.
V.1.3 -Instrumentação
a) Medição de Potência
A potência do motor era medida a partir dos valores de tensão, corrente e
fator de potência do gerador elétrico WEG.
b) Medição de Consumo de Combustível
O sistema de medição de consumo adotado foi o volumétrico, através de
bureta calibrada. O controle da temperatura do combustível permitiu esta forma de
medição de consumo.
c) Medição de Temperatura
A medição de temperatura foi realizada através de termopares ligados a um
sistema de aquisição de dados. Os pontos medidos, foram: o reservatório de óleo de
dendê, entrada da bomba injetora, na unidade de filtragem do ar, no coletor de
escape, no sistema de arrefecimento do motor, e no carter do motor.
A temperatura e a pressão ambiente, foram medidas através de termômetro
e barômetro instalados na sala do motor.
47
d) Medição dos gases de exaustão
A medição das emissões de gases poluentes foi realizada por um analisador
de quatro gases (CO, CO2, HC e NOx) . Este analisador determina as concentrações
de HC , CO e CO2 através do método de absorção de infravermelho. As análises de
NOx são determinadas através de um detector químico-luminescente. A medição de
opacidade foi realizada através de opacímetro de fluxo total que não mede a massa
das partículas emitidas, apenas uma estimativa dos níveis de emissão mássica.
V.1.4 - Procedimento de Teste
Os organismos normativos em todo o mundo se dedicam a elaborar normas
técnicas, de forma a auxiliar os fabricantes e usuários a definir os parâmetros
adequados de fabricação e utilização de um produto. A elaboração de normas
técnicas é precedida por trabalhos de pesquisa com elevado rigor técnico-científico,
para que os resultados obtidos tenham representatividade.
Foram pesquisadas, entre os mais conceituados órgãos normativos nacionais
e internacionais, normas de teste que mais se aproximassem a testes de motores
diesel-geradores operando com óleos vegetais.
As normas e procedimentos de testes pesquisados foram os seguintes:
• Motores Alternativos de Combustão Interna, Não Veiculares – P-MB-749 [75]
• Apresentação de Desempenho de Motores ACI (Alternativos de Combustão
Interna) – NBR 5477 [76]
• Preliminary Durability Screening Test Procedure – EMA Engine Manufacturers
Association [77]
Observando essas normas verifica-se que, em sua maioria, foram
desenvolvidas para testes de motores diesel automotivos. Os motores automotivos
têm como característica uma variação de condições de operação como rotação,
carga, etc. Já os motores estacionários operam com rotação constante com pouca
variação de carga. A nossa bancada de teste, a carga varia em quatro pontos 25%,
50%, 75% e 100%.
É necessário salientar que essas normas são desenvolvidas para motores
diesel utilizando combustíveis não oxigenados.
48
Dessa forma, optamos por desenvolver um procedimento de teste específico
para diesel geradores operando com óleos de dendê, possibilitando a comparação
com o óleo diesel.
Através de uma simulação experimental, baseado no procedimento
desenvolvido, objetivou-se verificar a influência do combustível no desgaste do
motor. Concomitantemente, verificações de desempenho do motor foram realizadas
ao longo do teste.
Para tal foi necessário definir com clareza os pontos fundamentais
selecionados nas normas técnicas, que garantissem coerência e consistência
técnicas dos dados obtidos. Entre eles podemos destacar:
• análise dos parâmetros de desempenho através das variáveis medidas;
• controle das condições ambientais;
• freqüências de inspeção periódicas e intermediárias durante o ciclo de teste;
• análise da combustão através dos gases de escape e dos depósitos formados.
Com
base
nesses
quesitos,
o
ensaio
de
simulação
experimental
desenvolvido, consistiu na operação do motor na seguinte seqüência de operação.
A partida do motor era dada sem carga e com óleo diesel permanecendo
nessa condição (aquecimento) durante 30 minutos, para que fossem atingidas as
condições ideais de funcionamento. Esse critério foi usado para atenuar os
problemas causados pela pior atomização e vaporização do combustível quando o
motor está frio, levando a formação de depósito.
Após o aquecimento, iniciava-se o primeiro ciclo de teste seguindo o seguinte
critério:
• 30 minutos com 25% de carga
• 1 hora com 50% de carga
• 1 hora com 75% de carga
• 1 hora com 100% de carga
Após o término do primeiro ciclo de teste, a carga do motor era reduzida
gradativamente até atingir 0% de carga. Iniciava-se, então, o segundo e último ciclo
diário de teste seguindo a mesma seqüência anterior.
Terminado os dois ciclos de testes diários, o motor permanecia funcionando
sem carga durante 30 minutos com óleo diesel para promover uma limpeza no
sistema de injeção. Esse cuidado era tomado para evitar a solidificação do
combustível na tubulação, causando entupimento após o desligamento do motor.
Essa seqüência de operação foi seguida durante as quatro fases do teste:
49
1. Amaciamento
-
Combustível: óleo diesel
-
50 horas de teste;
-
Registro dos parâmetros de desempenho;
-
Teste de emissões;
-
Análise do óleo lubrificante;
-
Abertura do cabeçote;
-
Registro fotográfico;
Os injetores foram testados pelo CENPES/Petrobrás quanto sua estanqueidade,
pressão de abertura, retorno de combustível, ruído característico e forma de jato em
bancada Bosch. Apresentando bom resultado como esperado.
2. Teste de durabilidade/desempenho
-
Combustível: óleo de dendê a 50o C;
-
50 horas de teste;
-
Registro dos parâmetros de desempenho;
-
Teste de emissões;
-
Análise do óleo lubrificante;
-
Abertura e limpeza do cabeçote e bicos injetores;
-
Registro fotográfico;
A intenção de registrar o desempenho do motor operando nessas condições
(óleo de dendê aquecido até tornar-se completamente fluido e entrando na bomba
injetora a temperatura 50o C) foi comparar com motor em funcionamento normal
como diesel, já que o mesmo entra na bomba injetora à 40o C. Foram realizados no
CENPES testes nos bicos injetores, os quais não observaram nenhuma
anormalidade de funcionamento durante esse período.
3. Teste de durabilidade/desempenho
-
Combustível: óleo de dendê a 100o C;
-
150 horas de teste;
-
Registro dos parâmetros de desempenho;
-
Teste de emissões;
-
Análise do óleo lubrificante;
-
Abertura e limpeza do cabeçote e bicos injetores;
50
-
Registro fotográfico;
A temperatura de 100o C a viscosidade do óleo de dendê torna-se próxima à
do diesel, sendo supostamente a temperatura de melhor desempenho do motor.
Entretanto, ao longo das 150 horas de testes subseqüentes começaram a surgir
alguns problemas :
•
Avaria no filtro de combustível.
•
Dificuldades, no segundo ciclo diário, na mudança de carga de 75% para 100%.
•
Avaria nos bicos injetores.
Em consulta ao fabricante da bomba e bicos injetores foi informado que o
sistema de injeção foi especificado para temperaturas máximas 100o C. Como o óleo
de dendê era aquecido a 100 ± 5o C, a temperatura elevada do óleo de dendê
estava causando avaria nos bicos injetores.
Optou-se por baixar a temperatura do óleo de dendê, de forma a não causar
problemas de lubrificação na bomba e bicos injetores. A temperatura estabelecida foi
a de 85o C, já que a essa temperatura a viscosidade do óleo de dendê, torna-se
próxima à faixa superior do óleo diesel.
4. Teste de durabilidade/desempenho
-
Combustível: óleo de dendê a 85o C;
-
150 horas de teste;
-
Registro dos parâmetros de desempenho;
-
Teste de emissões;
-
Análise do óleo lubrificante;
-
Abertura e limpeza do cabeçote e bicos injetores;
-
Registro fotográfico;
Inicialmente, observou-se uma melhor condição de funcionamento do motor,
mas ao longo das 150 horas restantes de teste, o motor continuou tendo dificuldades
de suportar a mudança de carga de 75% pra 100%. Os bicos foram mandados para
teste novamente e não apresentaram os mesmos problemas ocorridos com o óleo
de dendê a 100o C.
51
V.1.5 - Resultados de Teste
V.1.5.1 - Análise dos Resultados Obtidos
Nesse item são apresentados os gráficos de potência, temperatura dos
gases de escape, consumo específico (sfc), eficiência térmica (ηt), pressão média
indicada (mep) e emissões.
Analisando o gráfico (figura V.2), verifica-se uma queda progressiva da
potência ao longo das 350 horas de teste com o óleo de dendê, visualmente mais
nítida com o motor operando em cargas mais altas. Entretanto, percentualmente, a
queda de potência foi de 4%, ao final das 350 horas de teste com óleo de dendê, em
todas as faixas de operação do motor, em relação as primeiras 50 horas de teste
com óleo de dendê. Se compararmos com o motor operando com óleo diesel, a
queda de potência foi de 4%, nas primeiras 50 horas de teste, de 7%, após as 200
horas de teste, e de 8% , após 350 horas de teste.
Potência (kW)
50
40
30
20
10
25%
50%
75%
100%
Carga (%)
0h -diesel
50h - dendê 50C
200h-dendê100C
350h-dendê 85C
Figura V.2 – Variação da potência com a carga ao longo dos testes
O gráfico da pressão média indicada (figura V.3) também mostra o melhor
desempenho do motor operando com óleo diesel, como esperado.
52
Pressão Média Indicada (kPa)
600,00
500,00
400,00
300,00
200,00
100,00
25%
50%
75%
100%
Carga (%)
0h -diesel
50h - dendê 50C
200h-dendê100C
350h-dendê 85C
Figura V.3 – Variação da pressão média indicada com a carga ao longo do teste
O
gráfico figura V.4 mostra um aumento da temperatura dos gases de
exaustão, quando utilizado óleo de dendê como combustível. Esse aumento de
temperatura é conseqüência do maior atraso de ignição que o óleo de dendê
provoca. Devido ao maior atraso de ignição, maior quantidade de combustível
queima no início da combustão provocando um aumento de pressão (picos) e
temperatura.
Comparando-se a temperatura dos gases de exaustão do motor operando
com óleo diesel e com óleo de dendê, é possível observar que as menores
temperaturas de exaustão ocorreram com o motor operando com óleo diesel. Este
fato era esperado, pois um aumento na temperatura de exaustão é um indicativo de
menor desempenho do motor devido às menores taxas de liberação de calor
associadas à menor eficiência térmica [41]. Observam-se também, pequenas
elevações nas temperaturas entre 50 horas e 200 horas de teste com óleo de dendê.
Isso indica que, apesar do desgaste e dos depósitos formados (demonstrados pela
perda de potência) na câmara de combustão e no bico injetor dificultando a
atomização do jato de combustível, o aumento da temperatura de alimentação do
óleo de dendê de 50o C para 100o C, diminuindo a viscosidade desse óleo, melhorou
a atomização diminuindo o atraso de ignição.
53
Entretanto, após mais 150 horas de teste (350 horas totais de teste com óleo
de dendê) nota-se uma elevação expressiva dessa temperatura. Esse aumento pode
ser explicado pelo maior desgaste do motor, principalmente do sistema de injeção
de combustível, além da diminuição da temperatura de alimentação de combustível
Temperatura de Exauatão (C)
interferindo no atraso de ignição.
490
390
290
190
25%
50%
75%
100%
Carga (%)
0h -diesel
50h - dendê 50C
200h-dendê100C
350h-dendê 85C
Figura V.4 - Variação da temperatura de exaustão com a carga ao longo do teste
Os gráficos de consumo específico e eficiência térmica
(figura V.5 e 6)
mostram menor consumo específico e conseqüentemente melhor desempenho do
óleo diesel, fato já esperado, devido ao poder calorífico do óleo diesel ser maior que
o do óleo de dendê, gerando maior potência.
Observa-se que com o óleo de dendê a 50o C o consumo específico
apresentou os maiores valores. A essa temperatura o óleo de dendê apresenta
54
Consumo Específico (g/kW.h)
500
400
300
200
100
25%
50%
75%
100%
Carga (%)
0h -diesel
50h - dendê 50C
200h-dendê100C
35%
Figura V.5 - Variação do consumo específico com a carga ao longo do teste
Eficiência Térmica (%)
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
25%
50%
75%
100%
Carga (%)
0h -diesel
50h - dendê 50C
200h-dendê100C
350h-dendê 85C
Figura V.6 - Variação da eficiência de térmica com a carga ao longo do teste
viscosidade cinco vezes maior que a do óleo diesel, provocando dificuldades de
atomização do combustível. Dessa forma, como citado anteriormente,na tentativa de
atingir a potência desejada, mais combustível injetado na câmara de combustão.
55
O óleo de dendê a 100o C (200 h) e a 85o C (350 h) apresentou valores
próximos de consumo específico. Entretanto, a 100o C (200 h) o consumo específico
foi maior do que a 85o C (350 h). Isso pode ser explicado pela diminuição dos efeitos
de dilatação térmica com o combustível a 85o C em relação à 100o C, no sistema de
injeção, melhorando o consumo específico.
Analisando a figura V.7 observa-se que os valores gráfico das emissões de
monóxido de carbono (CO) com o motor operando com óleo diesel são menores do
que quando operando com óleo de dendê a 50o C e a 100o C. Entretanto, o
percentual de CO, com o motor operando com óleo de dendê a 85o C, apresenta
valores próximos aos do diesel sob carga de 75 e 100%. Nas cargas de 25 e 50% as
emissões de CO são menores que a do diesel. Isso pode ser justificado pelos
valores de consumo específico do dendê a 85o C próximos aos do diesel, como
citado anteriormente, já que em carga mais o consumo é menor. Em cargas
menores, observa-se o menor percentual de CO com o motor operando com óleo de
dendê. Este fato não é esperado entretanto uma possível explicação seria devido à
presença de oxigênio na estrutura molecular do combustível.
Podemos observar também que a 50% e 75% de carga, as emissões de CO
foram menores do que a 25% e a 100% em todos as faixas de temperatura de
combustível, com exceção do dendê a 50o C. Em cargas baixas, apesar da menor
quantidade de combustível consumida, o motor opera mais frio, fora das condições
ideais de funcionamento, favorecendo a combustão incompleta. Em carga máxima o
motor opera mais rico e está em condição extrema de operação, não usual em
grupos geradores. Nessa condição a preocupação com as emissões é inferior a
necessidade de produzir potência e, isto é levado em conta no projeto dos motores.
O gráfico das emissões de hidrocarbonetos (HC) (figura V.8), mostra uma
queda progressiva das emissões de HC com o aumento de carga. O motor em
baixa carga trabalha mais frio ocorrendo combustão incompleta. Com o motor
operando com óleo de dendê a 50o C (50 h) e a 100o C (200 h) as emissões de HC
apresentaram comportamento inverso. No primeiro caso, a explicação se dá pelo
56
0,12
CO (%)
0,09
0,06
0,03
0
25%
50%
75%
100%
Carga (%)
CO%diesel 0h
CO%dendê 50h
CO%dendê 200h
CO%dendê 350h
HC (ppm)
Figura V.7 – Emissão de monóxido de carbono (CO) com a carga ao longo do teste
190
170
150
130
110
90
70
50
30
25%
50%
75%
100%
Carga (%)
HC%diesel 0h
HC%dendê 50h
HC%dendê 200h
HC%dendê 350h
Figura V.8 – Emissão de hidrocarbonetos (HC) com a carga ao longo do teste
fato da maior viscosidade do óleo de dendê a essa temperatura, dificultar a
atomização do combustível gerando gotículas maiores, difíceis de serem
vaporizadas para entrar em combustão. No segundo caso, com o óleo de dendê a
100o C, os bicos injetores, ao longo do teste, começaram a apresentar gotejamento
involuntário de combustível (conforme verificado em teste dos bicos injetores),
incrementando as emissões de HC.
57
As emissões de HC com o motor operando com óleo de dendê a 85o C (350
hs) apresentam valores inferiores do que as do diesel, o que contraria as
expectativas. Entretanto, pode ser explicado pela alta temperatura de trabalho do
motor na última fase de teste, facilitando a vaporização do combustível.
O gráfico das emissões de dióxido de carbono (CO2) (figura V.9) tem
comportamento diretamente oposto. Os valores de emissão de CO2 para o motor
operando com dendê a 50o C e 100o C foram mais altos do que com diesel, sendo as
emissões de CO2 com o motor operando com óleo de dendê a 50o C maiores do que
a 100o C. Já com dendê a 85o C os índices foram menores do que com diesel,
confirmando o melhor desempenho do motor operando com óleo de dendê a 85o C.
O gráfico das emissões de NOx (figura V.10) mostra o aumento das emissões
desse gás com o aumento da carga, como esperado, já que a formação de NOx é
função da temperatura máxima de combustão.
Observa-se também que com o motor operando com diesel (0 h) os índices
de emissões de NOx foram os mais altos. Esses índices podem ser explicados pelo
menor atraso de ignição do diesel gerando temperaturas mais altas de combustão.
No caso do óleo de dendê, sendo o atraso de ignição maior, correm picos de
pressão e temperatura de combustão, entretanto, a combustão irá se processar no
período de expansão, diminuindo a emissão de NOx.
O gráfico da opacidade (figura V.11) mostra um aumento dos percentuais de
particulado com o aumento da carga, já que, em motores diesel aspirados, o
aumento de potência se dá somente com o aumento do débito de combustível.
Observa-se também que a 50% de carga ocorre uma diminuição do percentual de
particulado com o motor operando com diesel e com dendê nas diversas
temperaturas. Novamente confirma-se o melhor comportamento do óleo de dendê a
85o C onde os percentuais de opacidade foram menores que com dendê a 50o C e a
100o C, proporcionais ao consumo específico encontrado.
58
12
CO2 (%)
10
8
6
4
2
1
2
3
4
Carga (%)
CO2%diesel 0h
CO2%dendê 50h
CO2%dendê 200h
CO2%dendê 350h
Figura V.9 – Emissão de dióxido de carbono (CO2) com a carga ao longo do teste
NOx (ppm)
6000
4000
2000
0
25%
50%
75%
100%
Carga (%)
NOx%diesel 0h
NOx%dendê 50h
NOx%dendê 200h
NOx%dendê 350h
Figura V.10 – Emissão de óxido de nitrogênio (NOx) com a carga ao longo do teste
59
40
30
20
10
0
25%
50%
Opac%diesel 0h
Opac%dendê 50h
75%
Opac%dendê 200h
100%
Opac%dendê 350h
Figura V.11 – Percentual de oOpacidade com a carga ao longo do teste
V.1.5.2 – Análise do Óleo Lubrificante
A análise do óleo lubrificante realizada CENPES/Petrobrás mostrou a
degradação e contaminação do óleo lubrificante ocorridas com o motor funcionando
com óleo de dendê devido à combustão incompleta do combustível diluindo o
lubrificante.
Os resultados mostram que a viscosidade tende a cair abaixo dos
Viscosidade a 40 C
(cSt)
valores mínimos aceitáveis após 100 h com o motor operando com óleo de dendê.
120
100
80
60
40
20
0
0
50
100
Tempo (h)
Figura V.12 – Viscosidade do Óleo Lubrificante em função do número de horas de
operação do motor.
60
A Petrobrás-BR estipula uma viscosidade mínima de 70 cSt a 40o C, para
utilização do óleo SAE 15W40, recomendado pelo fabricante. Outra análise
realizada no óleo lubrificante foi verificar a sua viscosidade a 100o C. Esta não deve
Viscosidade a 100 C
(cSt)
ser menor que 25% do valor da viscosidade do óleo quando novo.
16
12
8
4
0
0
50
100
Tempo (h)
Figura V.13 – Viscosidade a 100o C do óleo lubrificante em função do número de
horas de operação
Uma outra indicação da queda de qualidade para troca do óleo lubrificante,
segundo Metzler [78], é quando o índice de basicidade total é reduzido a menos da
TBN (mg KOH/g)
metade do seu valor inicial.
15
10
5
0
0
50
100
Tempo (h)
Figura V.14 – Índice de basicidade total (TBN) do óleo lubrificante em função do
número de hora de operação
Baseado nesses dados, pode-se observar que a qualidade do óleo
lubrificante chega próximo ao limite de utilização com 100 horas de operação com o
óleo de dendê.
61
V.1.5.3 – Análise Visual dos Depósitos de Carbono
A análise visual da formação de depósito ao longo das fases do teste,
possibilita serem tiradas algumas conclusões.
Os depósitos do óleo de dendê foram mais intensos e úmidos, devido ao
craqueamento do combustível sugerindo não ter atingido a temperatura ideal, ao
final da combustão, que proporcionasse a temperatura de auto-limpeza da câmara.
A figura V.15 mostra o cabeçote dividido em áreas de depósitos.
a) Depósito no topo da câmara
Área 1 e 2 – Próximo ao bico injetor ao lado da válvula de escape foi
observada a formação de depósitos em direção da válvula de escape a partir do bico
injetor, formando uma semicircunferência. Estas áreas apresentam concentração de
depósito sugerindo uma queima incompleta, causada pela pior atomização o
combustível e conseqüente maior atraso de ignição. Tal fenômeno é observado no
diesel com menor intensidade. A zona 1 mostra depósitos finos de carbono,
provavelmente desprendidos do bico injetor, pelo vórtice do fechamento das válvulas
de escape.
Áreas 3, 5 e 6 – Comparando os depósitos de combustão dos dois
combustíveis, observa-se a semelhança nos contornos, sendo mais intenso nos
depósitos provenientes da combustão do óleo de dendê. Esses depósitos, mais
próximos à parede do cilindro, ocorrem quando a combustão extingui-se na parede
fria do cilindro.
Área 4 – Os depósitos do óleo diesel e do óleo de dendê tem contornos
similares com pouca formação de depósito. Esta região próxima da válvula de
admissão, a densidade do ar é maior favorecendo uma combustão mais completa.
Com o diesel é verificada, nesta área, pouca formação de depósito. Já com o dendê
apresenta coloração avermelhada.
62
Figura V.15 – Zonas de Combustão
63
Figura V.16 – Após 50 horas de operação com óleo diesel - amaciamento
Figura V.17 – Após 50 horas de operação com óleo de dendê “in natura”
aquecido a 50o C
64
Figura V.18 - Após 200 horas de operação com óleo de dendê “in natura” aquecido a
100o C
Figura V.19 - Após 350 horas de operação com óleo de dendê “in natura” aquecido a
85o C
65
Analisando as figuras V.16 a V.19 podemos observar que a formação de
depósitos foi maior e mais úmida com o motor operando com óleo de dendê
aquecido a 50o C devido à combustão incompleta, provocada pela maior viscosidade
do óleo de dendê a essa temperatura.
Após 150 horas de teste com o motor operando com óleo de dendê a 100o C,
observa-se que a formação de depósito foi menor que a do motor operando com
óleo de dendê a 50o C. Com o óleo aquecido até 100o C, a sua viscosidade fica
próxima a do óleo diesel melhorando a atomização do jato e a vaporização do
combustível, melhorando sua combustão. Entretanto, a essa temperatura do
combustível, observou-se falhas e deterioração do sistema de injeção sendo
necessário a diminuição da temperatura de aquecimento do combustível.
Após 150 horas de teste com o motor operando com óleo de dendê a 85o C,
observa-se uma tendência mais lenta de uma progressão na formação de depósito,
sendo um pouco maior que a do motor operando com óleo de dendê a 100o C,
contudo, menor que a formação de depósito com o combustível aquecido a 50o C. A
esta temperatura (85o C) a viscosidade do óleo de dendê fica um pouco maior da
viscosidade do óleo diesel a temperatura ambiente, provocando pior atomização do
combustível com maior formação de depósitos.
66
b) Bicos injetores
Nos bicos injetores é verificada a tendência desse motor a formação de
depósito, visto que com apenas 50 horas de funcionamento com óleo diesel já foram
encontrados depósitos. Com o óleo de dendê o problema se agrava devido à
formação de cogumelos nas saídas dos orifícios, provocando desvio do jato e
diminuindo o ângulo do spray , prejudicando a atomização .
Figura V.20 – Bicos Injetores após 50 horas de amaciamento com óleo diesel
Figura V.21 - Bicos Injetores após 50 horas de operação com óleo de dendê a 50o C
67
Figura V.22 - Bicos Injetores após 150 horas de operação com óleo de dendê
a 100o C
Figura V.23 - Bicos Injetores após 150 horas de operação com óleo de dendê a 85o C
68
Observando as figuras V.20 a V.23 observa-se que a formação de depósito é
função da temperatura de aquecimento do óleo de dendê. Quanto maior a
temperatura, menor a formação de depósitos nas extremidades dos bicos injetores.
c) Pistão
Analisando-se as figuras V.24 a V.27, observa-se na câmara toroidal do
pistão, a concentração de depósitos em regiões de sua superfície lateral com
posicionamento coincidente com a direção dos quatro jatos. Esta formação ocorre
com o motor operando com óleo diesel e com maior intensidade com o motor
operando com óleo de dendê. Isto pode ser explicado devido à pior atomização do
dendê chegando mais concentrada a esse local .
Figura V.24 – Câmara Toroidal na Cabeça do Pistão – amaciamento diesel
69
Figura V.25 – Câmara Toroidal na Cabeça do Pistão –50 horas de operação com
óleo de dendê a 50o C.
Figura V.26 – Câmara Toroidal na Cabeça do Pistão –150 horas de operação com
óleo de dendê a 100o C.
70
Figura V.27 – Câmara Toroidal na Cabeça do Pistão –150 horas de operação com
óleo de dendê a 85o C.
71
V.2 - ENSAIO DE UM MOTOR ASTM CFR CETANO OPERANDO COM ÓLEO DE
DENDÊ “IN NATURA”.
O objetivo do teste em um motor ASTM CFR Cetano foi analisar, de maneira
mais controlada, o efeito de algumas variáveis, tais como, taxa de compressão,
débito de combustível, avanço de injeção e temperatura do ar de admissão, sobre a
combustão do óleo de dendê em motores diesel e, conseqüentemente, sobre as
emissões e o desempenho do motor.
Com base nos melhores resultados dos testes de durabilidade/ desempenho
do motor MWM com o óleo de dendê 85o C, os testes no motor ASTM CFR cetano
foram realizados somente com dendê aquecido a 85o C., devido ser um motor mais
sensível às características do combustível,
V.2.1 - Bancada de Teste
O estudo do funcionamento do motor pôde ser mais detalhado com a
utilização de um motor ASTM CFR Cetano, por que o mesmo, consiste em um motor
monocilíndrico de injeção indireta com taxa de compressão variável (ver figura V.28)
montado em uma base estacionária . O motor opera em rotação fixa controlada por
um motor elétrico síncrono. Este motor elétrico age como motor de partida e,
também como um meio de absorver a potência, a velocidade constante, quando a
combustão está ocorrendo.
V.2.2 - Sistema de Alimentação de Combustível
Como a viscosidade do óleo de dendê a temperatura ambiente é maior que
a do óleo diesel, foram realizadas algumas alterações no sistema de alimentação de
combustível do motor CFR, para que se pudesse operar o motor com o óleo de
dendê aquecido a 85o C (ver figura V.29). A alimentação de combustível passou a
ser realizada através de dois tanques de combustível interligados, uma para o diesel
e outro para dendê, fabricado em aço inoxidável equipado com uma resistência
elétrica. A tubulação de alimentação, isolada termicamente, ligava-se diretamente a
uma bureta calibrada, (original do motor) para permitir a medição de consumo de
72
combustível. O ajuste do débito de combustível utilizado foi o indicado pela norma
ASTM D 613 [79], de 13 ± 0.2 ml/min (60 s ± 1 s por 13 ml).
Figura V.28 – Motor ASTM CFR Cetano
Figura V.29- Sistema de Alimentação de Combustível
73
V.2.3 - Instrumentação
a) Medição de Potência
Para determinação da potência efetiva produzida pelo motor, foi emprega um
dinamômetro hidráulico da marca Land & Sea Inc. com capacidade para 20 kW e
rotações até 100 revoluções por segundo, foi projetado para ser instalado
diretamente
no
eixo
do
motor.
Este
dinamômetro
é
conectado
a
um
microcomputador através de um módulo de aquisição de dados, permitindo o
registro de dados em tempo real.
Figura V.30 – Dinamômetro Land & Sea instalado no eixo do motor
74
c) Medição de Temperatura
O motor CFR Cetano vem equipado com sensor de temperatura do óleo
lubrificante e com termômetros para possibilitar o controle da temperatura em vários
pontos do motor, tais como:
-
temperatura do ar de admissão – que pode ser controlado através de um
termostato instalado no painel do motor ligado a uma resistência elétrica
instalada no coletor de admissão;
-
temperatura da água de arrefecimento do cabeçote e temperatura da
água de arrefecimento do motor - motor CFR opera com dois circuitos de
água de arrefecimento, um aberto utilizado para resfriar o bico injetor e
outro circuito fechado utilizado para resfriar o bloco e cabeçote do motor ;
Para se ter um controle mais preciso da temperatura, esses termômetros
foram substituídos por termopares tipo J, calibrados pelo fabricante.
Somados a esses termopares foram instalados outros termopares para
registrar e controlar a temperatura dos gases de exaustão, do óleo de dendê no
tanque de combustível e na entrada da bomba injetora.
Figura V.31 – Locais de medição de temperatura
75
Em composição ao sistema de medição de temperatura, foi empregada uma
placa de aquisição de dados de fabricação da Omega que utiliza uma temperatura
de referência interna do próprio equipamento (Tempbook) para a leitura do termopar.
Figura V.32 – Sistema de Aquisição de Dados de Temperatura
d) Sistema de Medição do Atraso de Ignição e Avanço de Injeção
O motor CFR vem equipado com um medidor de atraso de ignição “Ignition
Delay Meter” que é um medidor transistorizado que mede o atraso de ignição do
combustível, através de um sensor de pressão instalado na câmara de combustão
(pick up) e sensores de posição instalados no volante do motor. Este instrumento
também mede o avanço de injeção através de um sensor instalado no bico injetor
que indica o instante de início de injeção de combustível e, com o auxílio dos
sensores de posição instalados no volante do motor, registra o ângulo de início de
injeção de combustível.
76
Figura V.33 – Medidor de Atraso de Ignição e Avanço de Injeção
e) Sistema de Medição de Pressão de Combustão em Relação ao Ângulo do Eixo de
Manivela.
Para registrar a evolução da pressão dentro do cilindro em função da
variação do ângulo do eixo de manivela foi utilizado um sistema de aquisição de
dados composto de um medidor do ângulo do eixo de manivela da AVL 364 Angle
Encoder com resolução de 0.1o, instalado no eixo do motor. Os pulsos gerados por
esse instrumento passam por um convertedor de pulso e uma fonte ligados a uma
placa /software de AVL 617 Indimeter. O sensor de pressão da 6021 da Kistler foi
instalado no local do transdutor de pressão do medidor de atraso de ignição. Os
sinais do sensor passam por um amplificador de carga conectado à placa AVL 617.
Através desses sinais esse sistema realizava o cálculo da pressão máxima do ciclo,
o ângulo de pressão máxima e a pressão média indicado do ciclo.
77
Figura V.34 – Sistema de Medição do Ângulo do Eixo de Manivela
Figura V.35 – Medidor do Ângulo do Eixo de Manivela AVL
78
Figura V.36 – Exemplo de gráfico gerado pelo sistema AVL
f) Medição da Vazão de Ar Admissão
A medição da vazão do ar de admissão é realizada através de um tambor
com bocal calibrado ligado a um manômetro inclinado em mmH2O. O consumo de ar
pelo motor provoca uma queda de pressão, e a pressão no interior do tambor é
indicada pelo manômetro. A relação entre a depressão do consumo de ar e a vazão
de ar é feita através da curva de calibração do bocal. O propósito da utilização do
tambor é o de amortecer as oscilações provocadas pelo movimento alternativo do
pistão.
79
Figura V.37 – Desenho esquemático do sistema de medição de vazão de ar
V.2.4 - Planejamento de Experimento
O planejamento de experimento é uma ferramenta importante para a
orientação de testes com o objetivo de reduzir o tempo e custo do trabalho
experimental [80]. Com esse objetivo elaborou-se um programa experimental, no
qual foram definidas quais, como e em que seqüência as variáveis deveriam ser
medidas, tentando-se identificar quais as mais importantes no processo e aquelas
que poderiam ser minimizadas, avaliando-se a uniformidade dos erros nas diversas
regiões de experimentação.
80
Especificamente com relação aos testes, o planejamento orientou a definição
do grau de dependência entre as variáreis fundamentais, que poderiam afetar o
funcionamento.
O planejamento de experimento estabeleceu a quantidade de réplicas e a
forma de replicações e como os dados seriam analisados [80]. Baseado nas
características das variáveis a serem medidas optou-se por empregar o
planejamento fatorial , que ó o mais eficiente para experimentos com mais de dois
fatores, no intuito de minimizar o número de teste e réplicas a serem realizadas
(tamanho da amostra). Os testes normais de média e variância foram
implementados para determinação de um programa de teste mínimo [81].
Os requisitos básicos para o estabelecimento de um programa de testes
visaram atender os objetivos acadêmicos chegando à proposta final de realizar um
trabalho experimental, onde uma analogia entre os desempenhos do motor
operando com óleo diesel e de dendê pudesse ser realizada, através de ensaios em
condições semelhantes de operação.
Com o objetivo de propor modificações em diesel-geradores para que os
mesmos possam operar com óleo de dendê “in natura “ com melhor desempenho, e
ainda, como o motor CFR que possibilita a modificação da taxa de compressão, do
débito de combustível, do avanço de injeção e da temperatura do ar de admissão,
optou-se por definir essas variáveis como as de controle.
Cada uma dessas variáveis foi estudada separadamente, já que a realização
da combinação de todas elas levaria a tempo e custo elevados de testes.
Definiram-se,
dessa
forma,
as
variáveis
independentes
para
o
estabelecimento de um planejamento fatorial, visando números mínimos de teste e
de réplicas.
As faixas escolhidas para os testes com cada combustível foram função das
faixas usualmente adotadas em operação de motores e também em função da
sensibilidade do CFR.
81
V.2.5 - Procedimento de teste
O procedimento de teste desenvolvido teve como base o método de teste
padrão para avaliar a qualidade de ignição de combustíveis diesel pelo método
cetano, desenvolvida pela ASTM sob o código D 613.
O número de cetano de um combustível diesel é determinado pela
comparação de sua qualidade de ignição com as de um de combustível de
referência, de conhecido número de cetano sob condições padrão de operação. Esta
comparação é feita pela variação da taxa de compressão necessária para que uma
amostra de combustível atinja 13 graus de atraso de ignição, ou seja, um
combustível de pior qualidade necessita de uma taxa de compressão maior para que
seu atraso de ignição atinja 13 graus.
As condições padrão de operação são:
-
Rotação: 900 ± 9 rpm;
-
Avanço de injeção: 13 graus antes do PMS
-
Pressão de abertura do injetor: 10.3 ± 0.34 MPa
-
Vazão de combustível: 13 ± 0.2 ml/min
-
Temperatura da água de arrefecimento do injetor: 38o ± 3 C
-
Temperatura da água de arrefecimento do motor: 100o ± 2 C
-
Pressão do óleo lubrificante: 0.17 a 0.20 Mpa
-
Temperatura do óleo lubrificante: 57o ± 8 C
-
Temperatura do ar de admissão: 66o ± 0.5o C
Baseado nessas informações, o procedimento visa estabelecer uma
metodologia de testes que possibilite a comparação de desempenho entre o óleo
diesel e o óleo de dendê sob as mesmas condições de teste, e a identificação da
influência da taxa de compressão, débito de combustível, avanço de injeção e
temperatura do ar de admissão no desempenho do motor e emissões de poluentes.
Para atingir estes objetivos foram realizados testes que tinham como
metodologia a fixação de 3 das 4 variáveis da acima citadas, variando-se apenas
uma delas por vez. A variável alterada era testada em 3 pontos distintos,
estipulados, de acordo com o interesse da pesquisa e das possibilidades de
operação do motor.
A rotina de teste seguiu a seguinte seqüência de operação:
82
A partida do motor era dada com óleo diesel permanecendo-se nessa
condição (aquecimento) durante 30 minutos, para que fossem atingidas as
condições ideais de funcionamento (V.2.5). Esse critério foi usado para atenuar os
problemas causados pela pior atomização e vaporização do combustível quando o
motor estivesse frio, levando a formação de depósito.
Após o aquecimento, iniciava-se o primeiro ciclo de teste seguindo o seguinte
procedimento:
1. Verificar e ajustar a temperatura do ar de admissão;
2. Medir e ajustar o débito de combustível, através da bureta calibrada e
cronômetro;
3. Verificar e ajustar o avanço de injeção;
4. Verificar o atraso de ignição através da variação da taxa de compressão do
motor;
5. Depois de estabilizadas as condições de teste os valores eram registrados.
Para proteção do motor, o tempo de teste para cada determinação com óleo
de dendê era restrito à no máximo 30 minutos [82], intercalados por 15 minutos
operando com óleo diesel.
Após o término dos testes diários, o motor permanecia funcionando durante
30 minutos com óleo diesel para promover uma limpeza no sistema de injeção. Esse
cuidado era tomado para evitar a solidificação do combustível na tubulação,
causando entupimento após o desligamento do motor.
V.2.6 - Descrição dos Testes
Os teste no motor CFR Cetano foram realizados em etapas distintas. A
primeira etapa consistiu no enquadramento do motor e determinação do número de
cetano dos combustíveis.
O enquadramento do motor é realizado através de vários testes com
combustíveis de altíssima pureza que calibram o motor estabelecendo uma escala
de número de cetano.
Depois de estabelecida essa escala do númeto de cetano, iniciaram-se os
testes para determinação do número de cetano do óleo diesel e do óleo de dendê
utilizados nos testes.
83
Na determinação eram registrados os valores dos micrômetros de controle
de débito de combustível, e de avanço de injeção e os valores da posição do volante
do pistão da pré-câmara. Esses valores foram usados como “padrão de
desempenho”, isto é, o motor operando com óleo diesel nas condições padrão (13
graus de avanço/13 graus de atraso/13 ml/min de débito/ 66o C ar de admissão) foi
utilizado como referência.
Estabelecida esta condição, iniciou-se a segunda fase de testes que
compreendeu na determinação dos parâmetros de desempenho e emissões do
motor e levantamento de curvas características.
Como citado anteriormente, para a determinação dos parâmetros de
desempenho e emissões de poluentes foram realizados testes que tinham como
metodologia a fixação de 3 das 4 variáveis da condição padrão, com o motor
operando com diesel, variando-se apenas uma delas. A variável alterada era testada
em 3 pontos distintos, estipulados, de acordo com o interesse da pesquisa e das
possibilidades de operação do motor.
⇒ avanço de injeção: 11, 13 e 15 graus antes do PMS. Essa faixa de avanço de
injeção corresponde à faixa usual de operação dos motores diesel [59];
⇒ débito de combustível: 13, 14 e 16 ml/min. Inicialmente foram definidas faixas
maiores de variação de débito de combustível, entretanto, foram constatados
problemas de depósito no pistão da pré-câmara alterando, inclusive, a taxa de
compressão. Dessa forma optou por faixas menores de variação de débito.
⇒ taxa de compressão: 11.91:1, 12.39:1 e 13.86:1. Inicialmente, também, foram
definidas faixas maiores de variação de taxa de compressão, entretanto, foi
observado que com taxas maiores, a combustão desses combustíveis gerava
uma sobre carga no motor síncrono o motor e com taxas menores não ocorria a
combustão. Dessa forma optou por faixas menores de taxa de compressão.
⇒ temperatura do ar de admissão: 30o C, 45o C e 66o C. Essas temperaturas foram
escolhidas por representaram a média da temperatura ambiente de certas
regiões do país (Sudeste (30o C), Norte (45o C)). A temperatura de 66o C é a
temperatura utilizada no método de determinação do número de cetano.
Em cada uma dessas condições os teste eram realizados registrando-se as
alterações no atraso e avanço de injeção, emissões de poluentes, e potência efetiva.
84
Os testes com o óleo de dendê utilizaram como referência os dados do motor
operando com diesel, isto é, os valores registrados nos micrômetros de ajuste do
débito de combustível e avanço de injeção, bem como, os valores registrados no
volante do pistão da pré-câmara e as temperaturas do ar de admissão eram os
mesmos utilizados com o motor operando com óleo de dendê. Essa medida foi
tomada para que fosse possível perceber as diferenças no desempenho e emissões
com o motor operando com os dois óleos.
O levantamento das curvas características do motor foi realizado com o
auxílio do sistema de medição de pressão de combustão em relação ao ângulo do
eixo de manivela da AVL, onde foi possível registrar a influência que cada
combustível sofre com a alteração das variáveis estudadas.
V.2.7 - Resultados dos testes
V.2.7.1 – Análise dos Resultados Obtidos
Nesse item são apresentados os gráficos de potência, temperatura dos
gases de escape,
consumo específico (sfc), eficiência térmica (ηt), emissões e
evolução da pressão no interior do cilindro.
Analisando a figura V.38, verifica-se como esperado um aumento progressivo
da potência com o aumento do débito de combustível. Observa-se também que a
potência desenvolvida com o óleo de dendê é menor nas três faixas de débito de
combustível, devido ao seu menor poder calorífico. Entretanto, é possível observar
que aumentando-se o débito de combustível do óleo de dendê em menos de 10%
(débito 14) atinge-se a mesma potência do motor quando utilizando óleo diesel como
combustível (débito 13)
85
Potência (kW)
3,5
3,3
3,1
2,9
2,7
2,5
DÉBITO 13
DÉBITO 14
diesel
DÉBITO 16
dendê
Figura V.38 – Potência em função do débito de combustível
Analisando o gráfico do consumo específico e eficiência térmica (figura V.39
e 40), verifica-se que este é maior com menores débitos de combustível. Apesar do
consumo específico do dendê ser maior cerca de 11%, a potência do motor
operando com o óleo de dendê é menor.
Uma observação interessante é que no motor CFR quando se regula o
micrômetro do débito de combustível, a vazão deveria permanecer a mesma não
importando o tipo combustível, exceto por sua viscosidade. Entretanto, a vazão
volumétrica do óleo de dendê foi maior cerca de 5%. Como a viscosidade do óleo de
dendê a essa temperatura (85o C) é um pouco maior que a do diesel a agulha do
bico injetor que levanta antes do que com o motor operando com óleo diesel,
Consumo Específico (g/kWh)
provocando maior avanço de injeção, e fecha mais tarde [83].
350
300
250
200
150
DÉBITO 13
DÉBITO 14
diesel
DÉBITO 16
dendê
Figura V.39 – Consumo específico em função do débito de combustível
86
Eficiência Térmica (%)
38%
36%
34%
32%
30%
DÉBITO 13
DÉBITO 14
diesel
DÉBITO 16
dendê
Figura V.40 – Eficiência térmica em função do débito de combustível
Ao contrário do que ocorreu no motor MWM a temperatura dos gases de
exaustão (figura V.41, 52, 62 e 72) foi menor com o motor operando com óleo de
dendê do que com óleo diesel. Devido ao maior avanço de injeção quando o motor
opera com óleo de dendê, a combustão ocorre mais cedo permitindo que os gases
de exaustão saiam com temperaturas menores. Além disso, era esperado um
melhor desempenho de óleos vegetais em motores de injeção indireta ASTM CFR,
Temperatura de Exaustão (C)
devido sua maior turbulência dentro da câmara de combustão.
350
330
310
290
270
250
DÉBITO 13
DÉBITO 14
diesel
DÉBITO 16
dendê
Figura V.41 – Temperatura dos gases de exaustão em função do débito de
combustível
87
Da mesma forma, as emissões de CO, CO2 e HC (figura V.42 a 44) com o
motor operando com óleo de dendê foram menores do que com diesel. Este fato não
era esperado, devido à menor razão ar/combustível do dendê, já que o consumo de
combustível foi maior, com o motor operando com dendê. Uma possível explicação
para menor emissão de CO seria a presença do oxigênio na molécula do
combustível.
0,16
CO(%)
0,12
0,08
0,04
0,00
DÉBITO13
DÉBITO 14
diesel
DÉBITO 16
dendê
Figura V.42 – Monóxido de carbono em função do débito de combustível
11,0
CO2 (%)
10,5
10,0
9,5
9,0
8,5
8,0
DÉBITO13
DÉBITO 14
diesel
DÉBITO 16
dendê
Figura V.43 – Dióxido de carbono em função do débito de combustível
88
HC (ppm)
200
150
100
50
0
DÉBITO 13
DÉBITO 14
diesel
DÉBITO 16
dendê
Figura V.44 – Hidrocarbonetos em função do débito de combustível
As emissões NOx foram maiores (figura V.45) com o dendê do que com o
diesel, devido à menor relação ar/combustível, já que a emissão de NOx aumenta
com o aumento da relação combustível/ar [66]. Com o débito de 14 ml/min a
emissão de NOx atingiu níveis maiores do que com o débito de 16 ml/min, isto pode
ser explicado pelo menor atraso de ignição (12.5) experimentalmente verificado do
óleo de dendê a este débito.
NOx (ppm)
550
450
350
250
DÉBITO13
DÉBITO 14
diesel
DÉBITO 16
dendê
Figura V.45 – Óxidos de nitrogênio em função do débito de combustível
Analisando as figuras V.46 a 48, é possível observar o maior atraso de
ignição do óleo de dendê, devido ao seu menor número de cetano, em relação ao
diesel, provocando um deslocamento da curva de pressão para a direita do gráfico.
89
Devido ao menor poder calorífico do óleo de dendê, a curva de pressão apresentou
valores menores que a do diesel, o que gerou menor potência. A figura V.46
representa a curva de pressão no cilindro nas condições de operação de referência
– débito de combustível 13 ml/min; taxa de compressão 12.36, avanço de injeção 13
graus e temperatura do ar de admissão 66o C.
Débito de com bustível 13m l/m in
Pressão (bar)
40
30
20
10
0
-80-70-60 -50-40-30 -20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
ângulo do virabrequim (graus)
diesel
dendê
Figura V.46 – Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com
o motor operando com óleo diesel e de dendê – débito 13 ml/min
Débito de com bustível 14m l/m in
Pressão (bar)
40
30
20
10
0
-80-70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
ângulo do virabrequim (graus)
diesel
dendê
Figura V.47 – Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com
o motor operando com óleo diesel e de dendê – débito 14 ml/min
90
Débito de com bustível 16m l/m in
Pressão (bar)
40
30
20
10
0
-80-70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120
ângulo do virabrequim (graus)
diesel
dendê
Figura V.48 – Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com
o motor operando com óleo diesel e de dendê – débito 16 ml/min
A influência da variação da taxa de compressão no desempenho do motor
pode ser observada na figura V.49. Observa-se, como esperado, que a potência do
motor aumenta com o aumento da taxa de compressão. Da mesma forma, a verificase a menor potência desenvolvida pelo motor operando com óleo de dendê, ao
longo dessa variação, em relação ao óleo diesel. Entretanto, é possível observar,
como no caso da variação do débito de combustível, que aumentando-se a taxa de
compressão, neste motor, em torno de 4%, a potência desenvolvida pelo motor
operando com óleo de dendê (taxa 12,36) fica próxima da do motor operando com
óleo diesel (taxa 11.91).
Potência (kW)
3,5
3,0
2,5
2,0
TAXA 11,91
TAXA 12,36*
diesel
TAXA 13,86
dendê
Figura V.49 – Potência em função da taxa de compressão
91
Através dos gráficos de consumo específico e eficiência térmica (figura V.50
e 51), pode ser observado o pior desempenho do motor operando com óleo de
Consumo Específico (g/kWh)
dendê, como esperado.
350
300
250
200
150
TAXA 11,91
TAXA 12,36*
diesel
TAXA 13,86
dendê
Figura V.50 – Consumo específico em função da taxa de compressão
Eficiência Térmica (%)
45%
40%
35%
30%
25%
20%
TAXA 11,91
TAXA 12,36*
diesel
TAXA 13,86
dendê
Figura V.51 – Eficiência térmica em função da taxa de compressão
A temperatura de exaustão (figura V.52), com o motor operando com óleo
diesel, teve um ligeiro aumento com o aumento da taxa de compressão, fato já
esperado devido o aumento da pressão e da temperatura do ar dentro do cilindro,
com o aumento da compressão. Observa-se novamente que a temperatura de
exaustão de do motor operando com dendê foi menor que com diesel.
Temperatura de Exaustão (C)
92
280
270
260
250
TAXA 11,91
TAXA 12,36*
diesel
TAXA 13,86
dendê
Figura V.52 – Temperatura dos gases de exaustão em função da taxa de
compressão
As emissões de CO e HC (figura V.53 e 54) diminuíram com o aumento da
taxa de compressão, com esperado já que o motor operando com taxas de
compressão maiores a temperatura mínima de auto-ignição diminui com o aumento
da densidade do ar, reduzindo o atraso de ignição. As emissões com óleo de dendê
apresentaram um percentual menor (como ocorrido no motor MWM operando com
óleo de dendê a 85o C).
0,12
CO (%)
0,09
0,06
0,03
0
TAXA 11,91
TAXA 12,36*
diesel
TAXA 13,86
dendê
Figura V.53 – Monóxido de carbono em função da taxa de compressão
93
250
HC (ppm)
200
150
100
50
0
TAXA 11,91
TAXA 12,36*
diesel
TAXA 13,86
dendê
Figura V.54 – Hidrocarbonetos em função da taxa de compressão
As emissões CO2 e NOx (figura V.55 e 56) tiveram comportamento
semelhante nos dois combustíveis. A emissão de NOx aumentou com a taxa de
compressão devido às maiores temperaturas de combustão com taxas maiores.
Observa-se que com taxas de compressão maiores às emissões do motor operando
com óleo de dendê, tornam-se próximas as do diesel, devido à diminuição do atraso
de ignição.
CO2 (%)
8,8
8,6
8,4
8,2
TAXA 11,91
TAXA 12,36*
diesel
TAXA 13,86
dendê
Figura V.55 – Dióxido de carbono em função da taxa de compressão
94
NOx (ppm)
600
500
400
300
200
TAXA 11,91
TAXA 12,36*
diesel
TAXA 13,86
dendê
Figura V.56 – Óxidos de nitrogênio em função da taxa de compressão
Analisando as figuras V.57, é possível observar o maior atraso de ignição do
óleo de dendê, devido ao seu menor número de cetano, em relação ao diesel,
provocando um deslocamento da curva de pressão para a direita do gráfico. Devido
ao menor poder calorífico do óleo de dendê, a curva de pressão apresentou valores
menores que a do diesel, o que gerou menor potência.
Taxa de com pressão 11,91
Pressão (bar)
40
30
20
10
0
-80-70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120
ângulo do virabrequim (graus)
diesel
dendê
Figura V.57 – Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com
o motor operando com óleo diesel e de dendê – taxa de compressão
11.91
É possível observar na figura V.58 o maior atraso de ignição do óleo de
dendê em relação ao diesel. Entretanto, com o aumento da taxa de compressão, o
maior atraso provocou um aumento na pressão máxima do ciclo, devido à maior
95
quantidade de combustível (dendê) queimada. Na fase da combustão controlada,
observa-se o que o menor poder calorífico do oléo de dendê gera menores pressões
de combustão.
Taxa de com pressão 13.89
Pressão (bar)
50
40
30
20
10
0
-80 -70 -60-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
ângulo do virabrequim (graus)
diesel
dendê
Figura V.58 – Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com
o motor operando com óleo diesel e de dendê – taxa de compressão
13.89
A influência da temperatura de admissão do ar pode ser observada nas
figuras V.59 a 68.
Observa-se a queda da potência com a diminuição da
temperatura do ar de admissão, apesar da maior massa de ar admitida. Isso pode
ser explicado devido ao maior atraso de ignição provocado pela diminuição da
temperatura. A influência da temperatura ar de admissão sobre o atraso de ignição
foi maior com o diesel (25% maior a 30o C) do que com o dendê (8% maior a 30o C) .
Maiores temperaturas do ar de admissão, melhoram a vaporização do combustível,
diminuindo o atraso de ignição. Isso faz com que a queda de potência seja maior
com o diesel do que com o dendê.
96
Potência (kW)
3,0
2,8
2,6
2,4
2,2
2,0
AR 66
AR45
diesel
AR 30
dendê
Figura V.59 – Potência em função da temperatura do ar de admissão
O consumo específico (figura V.60) do óleo dendê foi maior que do diesel
repercutindo numa menor eficiência térmica do combustível. Entretanto, é possível
observar que com o ar de admissão a 30o C os valores do consumo específico dos
Consumo Específico (g/kWh)
dois combustíveis se tornam bem próximos (figura V.61).
300
250
200
150
AR 66
AR45
diesel
AR 30
dendê
Figura V.60 – Consumo específico em função da temperatura do ar de admissão
97
Eficiência Térmica (%)
39%
37%
35%
33%
31%
29%
27%
25%
AR 66
AR45
diesel
AR 30
dendê
Figura V.61 – Eficiência térmica em função da temperatura do ar de admissão
A temperatura de exaustão (figura V.62) apresenta resultados não esperados
com menores temperaturas de exaustão para o motor operando com óleo de dendê ,
Temperatura de Exaustão (C)
como ocorrido anteriormente.
280
275
270
265
260
255
AR 66
AR45
diesel
AR 30
dendê
Figura V.62 – Temperatura dos gases de exaustão em função da temperatura do ar
de admissão
As
emissões
de
monóxido
de
carbono
(figura
V.63),
novamente,
apresentaram níveis menores com o motor operando com o óleo de dendê do que
com o óleo diesel. Com o primeiro os níveis foram praticamente estáveis, já com o
diesel o aumento da massa de ar com a diminuição da temperatura de admissão,
empobreceu a mistura resultando em menores níveis de CO (ar 30o C).
98
0,15
CO (%)
0,12
0,09
0,06
0,03
0
AR 66
AR45
diesel
AR 30
dendê
Figura V.63 – Monóxido de carbono em função da temperatura do ar de admissão
As emissões de CO2 (figura V.64) obtiveram valores próximos com o motor
operando com óleo de dendê e óleo diesel, com tendência a diminuir com a
diminuição da temperatura do ar de admissão. As emissões de HC e NOx (figura
V.65 e 66) obtiveram valores próximos com o motor operando com óleo de dendê e
óleo diesel.
9
CO2 (%)
8,7
8,4
8,1
7,8
AR 66
AR45
diesel
AR 30
dendê
Figura V.64 – Dióxido de carbono em função da temperatura do ar de admissão
99
140
HC (ppm)
135
130
125
120
AR 66
AR45
diesel
AR 30
dendê
Figura V.65 – Hidrocarbonetos em função da temperatura do ar de admissão
410
390
NOx (ppm)
370
350
330
310
290
270
250
AR 66
AR45
diesel
AR 30
dendê
Figura V.66 – Óxidos de nitrogênio em função da temperatura do ar de admissão
Na figura V.67, observa-se que a maior massa específica do ar com a
diminuição da temperatura do ar de admissão de 66o C para 45o C, e o maior atraso
de ignição provocado pela diminuição dessa temperatura, proporcionou um aumento
nas pressões de combustão na fase da combustão descontrolada, devido à maior
quantidade de ar e combustível disponível nesta fase. Este fato provocou um ligeiro
aumento na potência desenvolvida, apesar da curva de pressão, na fase da
combustão descontrolada, ter obtido valores menores quando comparados ao
diesel.
100
Tem peratura do ar adm issão 45 C
50
diesel
dendê
Pressão (bar)
40
30
20
10
0
-80-70 -60-50 -40-30 -20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.67 – Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com
o motor operando com óleo diesel e de dendê – temperatura do ar de
admissão 45o C
Na figura V.67, observa-se que apesar da maior massa específica do ar, com
a diminuição da temperatura do ar de admissão de 45o C para 30o C,as pressões de
combustão do dendê foram menores do que as do diesel. Isso pode ser explicado
pelo maior atraso de ignição que a diminuição da temperatura causou, provocando
um deslocamento da curva de pressão para a direita do gráfico.
Tem peratura do ar adm issão 30 C
Pressão (bar)
40
30
20
10
0
-80-70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
ângulo do virabrequim (graus)
diesel
dendê
Figura V.68 – Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com
o motor operando com óleo diesel e de dendê – temperatura do ar de
admissão 30o C
101
As figuras V.69 a 79 mostram os gráficos do desempenho do motor com a
variação do avanço de injeção. Observa-se o comportamento similar da potência do
motor operando com óleo diesel e de dendê, com maior potência desenvolvida para
o diesel. É possível observar o aumento da potência com o aumento do avanço de
injeção. O aumento do avanço de injeção de 11 para 13 graus para os dois
combustíveis. Neste motor um avanço de injeção de 11 graus do PMS, faz com que
a combustão se inicie depois do PMS, (já que o atraso de ignição é de
aproximadamente 13 graus), causando menores pressões máximas.
Potência (KW)
3,0
2,8
2,6
2,4
AVANÇO 11
AVANÇO13
diesel
AVANÇO 15
dendê
Figura V.69 – Potência em função do avanço de injeção
O consumo específico e a eficiência térmica do combustível (figura V.70 e
71) foram piores com o motor operando com óleo de dendê, apresentando melhor
Consumo Específico (g/kWh)
desempenho com avanço de 15 graus.
350
300
250
200
150
AVANÇO 11
AVANÇO13
diesel
AVANÇO 15
dendê
Figura V.70 – Consumo específico em função do avanço de injeção
102
Eficiência Térmica (C)
45%
40%
35%
30%
25%
AVANÇO 11
AVANÇO13
diesel
AVANÇO 15
dendê
Figura V.71 – Eficiência térmica em função do avanço de injeção
A temperatura de exaustão (figura V.72) apresenta uma tendência de
aumentar com a diminuição do avanço de injeção, devido à combustão começar
Temperatura de Exaustão (C)
mais tarde se processando ao longo da expansão.
290
280
270
260
250
240
AVANÇO 11
AVANÇO13
diesel
AVANÇO 15
dendê
Figura V.72 – Temperatura dos gases de exaustão em função do avanço de injeção
As emissões de CO (figura V.73) apresentaram níveis menores com
tendência de diminuir com o aumento do avanço de injeção. O aumento do avanço
da injeção dificulta a vaporização do combustível aumentando, assim, o atraso de
ignição, devido ao fato do jato de combustível encontrar pressões e temperaturas
menores [53]. Entretanto, permite que a combustão se inicie antes do PMS,
103
proporcionando pressões e temperaturas de combustão maiores, gerando emissões
menores de CO e HC e maiores de CO2 e NOx (figura V.74, 75 e 76).
0,12
CO (%)
0,09
0,06
0,03
0
AVANÇO 11
AVANÇO13
diesel
AVANÇO 15
dendê
Figura V.73 – Monóxido de carbono em função do avanço de injeção
9,1
CO2 (%)
8,9
8,7
8,5
8,3
8,1
AVANÇO 11
AVANÇO13
diesel
AVANÇO 15
dendê
Figura V.74 – Dióxido de carbono em função do avanço de injeção
700
NOx (ppm)
600
500
400
300
200
AVANÇO 11
AVANÇO13
diesel
AVANÇO 15
dendê
Figura V.75 – Óxidos de nitrogênio em função do avanço de injeção
104
160
HC (ppm)
150
140
130
120
110
AVANÇO 11
AVANÇO13
diesel
AVANÇO 15
dendê
Figura V.76 – Hidrocarbonetos em função do avanço de injeção
Analisando a figura V.77, é possível observar o maior atraso de ignição do
óleo de dendê, devido ao seu menor número de cetano, em relação ao diesel,
provocando um deslocamento da curva de pressão para a direita do gráfico. Devido
ao menor poder calorífico do óleo de dendê, a curva de pressão apresentou valores
menores que a do diesel, o que gerou menor potência.
Avanço de injeção 15 graus
Pressão (bar)
50
40
30
20
10
0
-80-70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110
ângulo do virabrequim (graus)
diesel
dendê
Figura V.77 – Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com
o motor operando com óleo diesel e de dendê – avanço de injeção 15
graus
105
Com a diminuição do avanço de injeção, a combustão se inicia depois do
PMS, já que o atraso de ignição é de aproximadamente 13 graus, gerando pressões
e temperaturas menores de combustão. Entretanto, é possível observar na figura
V.78 que as pressões na fase da combustão descontrolada foram maiores com o
motor operando com dendê do que com diesel nas mesmas condições. Como a
injeção do dendê ocorrer antes que a do diesel devido à sua maior viscosidade,
como explicado anteriormente, a combustão do motor operando com óleo de dendê
ocorre com maior quantidade de combustível, provocando um aumento de pressão.
Já na fase da combustão descontrolada, o menor poder calorífico do dendê gera
pressões menores que a do diesel.
Avanço de injeção 11 graus
Pressão (bar)
40
30
20
10
0
-80-70-60 -50-40-30-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
ângulo do virabrequim (graus)
diesel
dendê
Figura V.78 – Gráfico comparativo das pressões geradas no interior do cilindro com
o motor operando com óleo diesel e de dendê – avanço de injeção 11
graus
A opacidade do motor operando com diesel e dendê foi medidas mas como o
motor operou sem carga, os valores emitidos foram menores que a precisão do
instrumento, por isso não constam neste trabalho.
106
V.2.7.2 -Correlação de Dados
Um dos principais objetivos de uma distribuição de dados é descrever a
associabilidade existente entre as variáveis [82], isto é, conhecer o grau de
dependência entre elas, de modo que se possa prever melhor o resultado de uma
delas quando conhecemos a realização da outra. Quando existe dependência, é
sempre interessante quantificar essa dependência.
De um modo geral, a quantificação do grau de dependência ente duas
variáveis é feita por coeficientes de correlação, que são medidas que descrevem
com um único número a dependência entre duas variáveis. Esses coeficientes
variam de zero até um, e a aproximação do zero indica total independência.
Como se deseja analisar a influência que a vazão de combustível, o avanço
de injeção de combustível, a taxa de compressão e a temperatura do ar de
admissão têm sobre o desempenho do motor, foi realizado um estudo da correlação
dessas variáveis com um parâmetro de desempenho do motor, a potência.
A seguir são apresentados os gráficos da correlação das variáveis acima
citadas. Os pontos marcados no gráfico são as médias de potência desenvolvida
pelo motor, operando com óleo diesel e óleo de dendê. O tipo de associação
utilizada foi a linear que julga o quanto pontos de um gráfico se aproximam de uma
reta.
107
VAZÃO vs POTÊNCIA (DIESEL)
POT = -1,580 + ,33000 * VAZÃO
Correlação: r = ,95382
3,9
POTÊNCIA (kW)
3,7
3,5
3,3
3,1
2,9
2,7
12,5
13,0
13,5
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
Regression
95% confid.
VAZÃO (ml/min)
Figura V.79 – Correlação da Potência com a Vazão de Combustível (diesel)
VAZÃO vs. POTÊNCIA (DENDÊ)
POT = ,43571 + ,16286 * VAZÃO
Correlação: r = ,99988
3,1
POTÊNCIA (kW)
3,0
2,9
2,8
2,7
2,6
2,5
12,5
13,0
13,5
14,0
14,5
15,0
15,5
16,0
16,5
Regression
95% confid.
VAZÃO (ml/min)
Figura V.80– Correlação da Potência com a Vazão de Combustível (dendê)
108
TAXA DE COMPRESSÃO vs POTÊNCIA (DIESEL)
POT = -1,101 + ,30743 * TAXA
Correlação r = ,93531
3,2
3,1
POTÊNCIA (kW)
3,0
2,9
2,8
2,7
2,6
2,5
2,4
11,6
12,0
12,4
12,8
13,2
13,6
14,0
Regression
95% confid.
TAXA COMPRESSÃO
Figura V.81 – Correlação da Potência com a Taxa de Compressão (diesel)
TAXA DE COMPRESSÃO vs POTÊNCIA (DENDÊ)
POT = 1,4574 + ,08465 * TAXA
Correlação: r = ,89949
2,64
POTÊNCIA (kW)
2,60
2,56
2,52
2,48
2,44
2,40
11,6
12,0
12,4
12,8
13,2
13,6
14,0
Regression
95% confid.
TAXA DE COMPRESSÃO
Figura V.82 – Correlação da Potência com a Taxa de Compressão (dendê)
109
TEMP. AR ADMISSÃO vs POTÊNCIA (DIESEL)
POT = 1,7130 + ,01774 * T.AR
Correlação: r = ,94404
2,9
2,8
POTÊNCIA (kW)
2,7
2,6
2,5
2,4
2,3
2,2
2,1
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Regression
95% confid.
TEMPERATURA DO AR DE ADMISSÃO (C)
Figura V.83 – Correlação da Potência com a Temperatura do Ar de Admissão
(diesel)
TEMP. AR ADMISSÃO vs POTÊNCIA (DENDÊ)
POT = 2,6085 - ,0005 * T.AR
Correlação: r = -,1962
2,66
POTÊNCIA (kW)
2,64
2,62
2,60
2,58
2,56
2,54
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
Regression
95% confid.
TEMPERATURA DO AR DE ADMISSÃO (C)
Figura V.84 – Correlação da Potência com a Temperatura do Ar de Admissão
(dendê)
110
AVANÇO vs POTÊNCIA (DIESEL)
POT = 1,8400 + ,07000 * AVANÇO
Correlação: r = ,89626
2,90
POTÊNCIA (kW)
2,84
2,78
2,72
2,66
2,60
2,54
10,5
11,5
12,5
13,5
14,5
15,5
Regression
95% confid.
AVANÇO (graus)
Figura V.85 – Correlação da Potência com o Avanço de Injeção (diesel)
AVANÇO vs POTÊNCIA (DENDÊ)
POT = 1,8592 + ,05750 * AVANÇO
Correlação: r = ,91975
2,78
2,74
POTÊNCIA (kW)
2,70
2,66
2,62
2,58
2,54
2,50
10,5
11,5
12,5
13,5
14,5
15,5
Regression
95% confid.
AVANÇO (graus)
Figura V.86 – Correlação da Potência com o Avanço de Injeção (dendê)
111
Observando as figuras V.79 e 80, é possível verificar através dos fatores de
correlação próximos da unidade (0.95392 para o diesel e 0.99988 para o dendê), a
alta correlação do aumento de potência com o aumento da vazão de combustível,
como já esperado. Observa-se também que a correlação dessas variáveis com o
motor operando com óleo de dendê é bem maior, mostrando uma relação mais
linear da variação da potência com a vazão de combustível para o motor operando
com esse óleo. Isso pode ser explicado pelo fato do enquadramento do motor ASTM
CFR (vazão 13 ml/min) ser ajustado para iniciar a combustão no ponto morto
superior (PMS). Com o aumento do débito de combustível, o ponto de injeção (como
explicado no item V.2.7.1) antecipa-se e assim, a combustão inicia-se antes do
ponto morto superior, no caso do diesel, aumentando as pressões máximas e a
potência desenvolvida. No caso do motor operando com óleo de dendê, como o
avanço já é maior provocado pela viscosidade mais alta desse combustível (item
2.7.1) e o atraso também é maior devido seu número de cetano menor, a combustão
acaba ocorrendo próximo ao PMS, gerando curvas de pressão proporcionais a
vazão de combustível.
Observando as figuras V.81 e 82, verifica-se que há uma boa correlação,
como também esperado, entre a potência e a taxa de compressão. Entretanto, o
aumento da potência com o aumento da taxa de compressão foi menos sensível
com o motor operando com óleo de dendê, comprovado pelo menor coeficiente de
correlação (0.93531 para o diesel e 0.89949 para o dendê). Como o óleo diesel é
mais volátil, o aumento da taxa de compressão e conseqüente aumento de
temperatura dentro do cilindro, causa maior influência no atraso de ignição influindo
diretamente na potência desenvolvida [60].
Da mesma forma, o aumento de temperatura do ar de admissão (figuras V.83
e 84) também teve menor influência no atraso de igniçãocom o motor operando com
óleo de dendê, não demonstrando correlação com a potência. No caso do diesel, a
influência da temperatura do ar de admissão sobre o atraso de ignição foi maior do
que o benefício que a maior massa de ar admitida com temperaturas mais baixas
pudesse ter sobre a potência, provocando menos potência.
Observando as figuras V.85 e 86, verifica-se que há uma boa correlação,
como também esperado, entre essas variáveis. Entretanto, o aumento da potência
com o aumento do avanço de injeção foi menos sensível com o motor operando com
óleo diesel, comprovado pelo menor coeficiente de correlação (0.89626 para o diesel
e 0.91975 para o dendê).
112
Como exposto anteriormente, no caso do aumento de vazão de combustível,
a influência a correlação foi maior com o motor operando com óleo de dendê. Como
o atraso de ignição do óleo de dendê é maior, o aumento do avanço de injeção
permite que a combustão se inicie próximo ao PMS, gerando pressões proporcionais
com o aumento do avanço de injeção.
V.2.8 - Quantitativo de Experimentos
Este item tem por objetivo apresentar uma avaliação dos resultados obtidos,
quanto à consistência, para serem empregados em uma análise de desempenho de
motores avaliando a necessidade de continuidade dos testes [80].
A partir da definição do formato do projeto fatorial realizaram-se todos os
testes de desempenho. De posse dos resultados, foi possível analisar o número de
réplicas adotadas a partir da avaliação dos dados obtidos, submetendo-os a testes
de média e de variancia.
Nas faixas de interesse dos testes de desempenho obteve-se os valores de
potência. Esses valores de potência foram utilizados para verificação e análise do
planejamento de experimento empregado nessa pesquisa, onde foi previamente
determinada a realização dos testes considerando-se que três réplicas seriam
suficientes, para garantir uma análise de desempenho com razoável segurança.
A seguir é apresentada a metodologia de verificação do projeto fatorial de
experimento adotado, onde estão estabelecidas as variáveis independentes
utilizadas para exemplo de análise, que são a vazão de combustível e tipo de
combustível, para as quais foram adotadas as faixas de referência.
Para iniciação da metodologia de cálculo é, primeiramente, estabelecido o
controle das variáveis chamando-se de:
a − número de faixas para combustível;
b − número de faixas para vazão de combustível;
n − número de réplicas;
Dando seqüência à metodologia de cálculo, verificou-se o somatório dos
trabalhos realizados em cada condição de operação estipulada para os testes de
desempenho. A seguir é apresentada a tabela V.1 com o resumo dos testes.
113
RESUMO DOS RESULTADOS DOS TESTES (W)
Combustível Vazão 13
diesel
283
282
284
dendê
253
255
256
SOMA Vazão 14
849 288
288
285
765 269
274
273
SOMATÓRIO
A
1614 SOMATÓRIO B
SOMA
861
816
Vazão 16
330
329
325
307
302
304
SOMA GERAL
964
1677 SOMATÓRIO C
913
1897
Tabela V.1 - Somatório das Faixas de Operação Planejadas
Como rotina de procedimento para avaliação, a seguir são apresentadas as
equações representantes das variâncias no experimento, visando detectar o erro.
SS Erro = SS Total − SS comb − SS vazão − SS Inter
(V.1)
onde:
SS Total −
somatório geral das variâncias do experimento;
SS comb − variância referente às variações de combustível;
SS vazão − variância referente às variações de vazão de combustível;
SS Inter −
variância referente à interação entre variáveis;
SS Erro −
variância referente à confiabilidade do experimento;
Essas variâncias foram calculadas a partir das seguintes expressões:
SS Total
2
Y•••
= ∑ ∑ ∑Y −
i =1 j =1k =1
abn
a
b
n
2
ijk
Yi•2• Y•2••
−
abn
i =1 bn
(V.2)
a
SS comb = ∑
b
Y•2j •
j =1
an
a
b
SS vazão = ∑
SS Inter = ∑∑
i =1 j =1
−
Yij2•
n
Y•2••
abn
−
Y•2••
− SS comb − SS vazão
abn
(V.3)
(V.4)
(V.5)
5188
114
onde;
Y••• − somatório geral;
Yi•• − Somatório das linhas;
Y• j• − Somatório das colunas;
Y•• k − elementos de testes;
F0 − relação entre a soma dos quadrados de cada faixa e a soma do erro;
Da aplicação dessas equações resulta a tabela V.2 de análise das variâncias,
apresentada a seguir. Com essa tabela, pôde-se fazer o teste de Ficher para
analisar as variâncias, apresentado ao lado.
ANÁLISE DE VARIÂNÇAS
Variancias
SScomb
SSvazão.
SSinteração
SSerro
Sstotal
Soma dos grau de
média do
Fo
Quadrados liberdde quadrado
2222.22
1
2222.22 526.32
7358.78
22
3679.39 871.43
131.44
62
65.72 15.57
50.67
1212
4.22
9763.11
2317
Teste de Variância
F.05;2;17
F.05;1;12
3.59
4.45
Tabela V.2 - Análise de Variância para Planejamento do Experimento
Terminada a análise de variância, foi feita uma verificação das amostras
quanto ao dimensionamento baseado em teste de média. Para tal foi construída a
tabela V.3, apresentada abaixo.
Verificação do Tamanho da Amostra
Vazão 13 Vazão 14 Vazão 16
Diesel
Dendê
283
253
287
272
328
304
Tabela V.3 - Verificação do tamanho da Amostra
Aplicando o método de Ducan para verificação da amostra [80], tem-se:
115
n. b. D 2
φ =
2. a.σ 2
(V.6)
n. a. D 2
φ =
2. b.σ 2
(V.7)
2
e, também:
2
onde:
n − número de réplicas adotadas;
D − diferença de médias entre as faixas consideradas pelo método de Ducan;
σ − desvio padrão;
Calculando-se o grau de liberdade por esse método, encontra-se:
w1 = a −1
ou
(V.8)
w1 = b − 1
e
w2 = ab( n − 1)
(V.9)
onde:
w1 − graus de liberdade do numerador;
w2 − graus de liberdade do erro;
Organizando os valores calculados no quadro abaixo, verifica-se um risco de
9% de erro no experimento em relação à vazão de combustível. Tendo em vista o
volume de informações, com razoável clareza, obtidas com os testes quanto ao
desempenho do motor e a confirmação de resultados experimentais coerentes com
os valores obtidos por cálculos, considerou-se como razoável o trabalho realizado
com o número de réplicas adotado. O aumento do número de réplicas certamente
aumentaria a exatidão, porém com acréscimo de custo e prazo significativos.
n
φ2
φ
w1
w2
β
2
3,375
1,837
1
6
(risco de erro)
0.20
3
5,063
2,250
2
12
0.09
Tabela V.4 – Risco de Erro
116
V.2.9 – Análise da Simulação Termodinâmica
Os dados de entrada do modelo utilizado foram resultado de cálculos
preliminares, referentes às grandezas geométricas do motor, baseados em dados e
parâmetros fornecidos pelo fabricante do motor e pela literatura especializada,
análises físico-químicas dos combustíveis e ensaios dinamométricos do motor;
As condições de operação utilizadas no modelo foram às mesmas dos testes
(item V.2.5), para que fosse possível a comparação de desempenho entre o óleo
diesel e o óleo de dendê sob as mesmas condições de teste, e a identificação da
influência da taxa de compressão, débito de combustível, avanço de injeção e
temperatura do ar de admissão no desempenho do motor e emissões de poluentes.
A tabela V.5 apresenta um resumo dos dados de entrada do modelo de
simulação termodinâmica.
117
Tabela V.5– Dados de Entrada do Programa Simulador
Geometria do Motor
Diâmetro do Cilindro:
83 mm
Curso do Pistão:
114 mm
Razão de Compressão:
11,91:1
Relação Biela /Manivela:
4,44
Volume da Pré-câmara:
4.291.10-5 m3
Velocidade do Pistão:
3.42 m/s
12,36:1
13,86:1
45o C
66o C
Dados Operacionais do Motor
Rotação do Motor:
900 rpm
Temperatura de admissão de Ar:
30o C
Pressão de Admissão do Ar:
0.84 bar
Coeficiente Politrópico:
1.36
Dados do Combustível
Diesel
Dendê
Poder calorífico Inferior
10.150 kcal/kg
8.733 kcal/kg
Número de Cetano
47
45
Constante do gás Perfeito
29.3 kgf.m/kg.K
Vazão de Combustível
13/14/16 ml
Densidade:
0.82 bar
-3
832 kg/m
0.8 bar
13.8/14.6/16.9 ml
864 kg/m3
118
Cont. Tabela V.5 – Evolução da Combustão Modelo de Wiebe
diesel
débito 13 débito 14 débito 16 taxa 11,91 taxa 13,86
ar 45
ar 30
avanço 11 avanço 15
duração da comb. descontrolada
13
12
11
12
10
12
15
14
11
fator de forma da comb. descontrolada
2,6
1,8
1,5
2,4
2,7
2,5
2,2
2,8
1,8
duração da comb. controlada
79
84
88
81
85
85
85
79
89
fator de forma da comb. controlada
1,2
1,1
1,2
0,95
0,9
1,1
1
1,3
1,2
parâmetro β
0,27
0,26
0,23
0,34
0,11
0,23
0,32
0,24
0,23
coeficiente experimental χdesc
0,74
0,71
0,71
0,62
0,8
0,83
0,68
0,75
0,88
ar 45
ar 30
dendê
débito 13 débito14 débito 16 taxa 11,91 taxa 13,86
avanço 11 avanço 15
duração da comb. descontrolada
18
17
15
16
12
16
20
19
17
fator de forma da comb. descontrolada
3,5
3
2,9
3,5
4
2,5
3,1
3,6
3,2
duração da comb. controlada
69
77
62
69
62
74
73
67
68
fator de forma da comb. controlada
0,95
0,9
1,4
0,7
1
0,55
0,6
1,2
1
parâmetro β
0,22
0,3
0,37
0,26
0,2
0,33
0,31
0,29
0,31
coeficiente experimental χdesc
0,61
0,61
0,6
0,6
0,62
0,67
0,67
0,62
0,6
119
Os resultados da simulação termodinâmica podem ser visualizados a seguir.
Nas figuras V.87 a 98, são apresentadas curvas da razão de liberação de
calor e da pressão em função do ângulo do eixo de manivela para a verificação da
influência do volume de óleo diesel e de dendê injetado no desempenho do motor.
Para efeito de comparação são também apresentadas as curvas de pressão obtidas
experimentalmente.
Nas figuras V.99 a 106, são apresentadas curvas da razão de liberação de
calor e da pressão em função do eixo de manivela para a verificação para a
verificação da influência da taxa de compressão no desempenho do motor operando
com óleo diesel e de dendê. Para efeito de comparação são também apresentadas
as curvas de pressão obtidas experimentalmente
Nas figuras V.107 a 114, são apresentadas curvas da razão de liberação de
calor e da pressão em função do eixo de manivela para a verificação da influência
da temperatura do ar de admissão no desempenho do motor operando com óleo
diesel e de dendê. Para efeito de comparação são também apresentadas as curvas
de pressão obtidas experimentalmente.
Nas figuras V.115 a 122, são apresentadas curvas da razão de liberação de
calor e da pressão em função do eixo de manivela para a verificação da influência
do avanço de injeção no desempenho do motor operando com óleo diesel e de
dendê. Para efeito de comparação são também apresentadas as curvas de pressão
obtidas experimentalmente.
As tabelas V.6 e 7 apresentam os dados experimentais e simulados com o
motor operando com óleo diesel e dendê, respectivamente.
120
40
50
mod di
40
30
20
10
20
10
0
0
0
4
8
-2
12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68
-10
2
6 10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70
-10
ângulo do virabrequim (graus)
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.87 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
débito 13 ml/min – diesel
Figura V.89 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
débito 13 ml/min - dendê
40
40
exp di
35
mod di
35
exp dd
mod dd
30
Pressão (bar)
30
Pressão (bar)
exp dd
30
dQ/d⎝ (Joules/seg)
dQ/d (Joules/seg)
mod dd
exp di
25
20
15
25
20
15
10
10
5
5
0
0
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
-80 -70-60 -50 -40 -30-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
ângulo do virabrequim (graus)
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.88 - Evolução da Pressão no Cilindro
débito 13 ml/min – diesel
Figura V.90 - Evolução da Pressão no Cilindro
débito 13 ml/min - dendê
121
50
50
mod di
dQ/d⎯ (Joules/seg)
dQ/d⎯ ⎢(Joules/seg)
exp dd
40
40
30
20
10
0
30
20
10
0
-1
4
9
14
19 24
29 34
39 44
49 54
59 64
69
-1 3
-10
7 11 15 19 23 27 31 35 39 43 47 51 55 59 63 67
-10
ângulo do virabrequim (graus)
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.91 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
débito 14 ml/min – diesel
Figura V.93 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
débito 14 ml/min - dendê
40
40
exp di
exp dd
mod di
35
35
30
30
Pressão (bar)
Pressão (bar)
mod dd
exp di
25
20
15
25
20
15
10
10
5
5
0
mod dd
0
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10
0
10
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.92 - Evolução da Pressão no Cilindro
débito 14ml/min – diesel
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.94- Evolução da Pressão no Cilindro
débito 14 ml/min - dendê
122
50
50,00
mod di
exp di
mod dd
dQ/d⎯ (Joules/seg)
40,00
dQ/d (Joules/seg)
exp dd
40
30,00
20,00
30
20
10
10,00
0
-1
4
9
14
19 24
29 34
39
44 49
54 59
64 69
-10
0,00
-1
4
9
14
19 24 29 34 39 44 49 54
ângulo do virabrequim (graus)
59
64
69
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.95 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
débito 16 ml/min – diesel
Figura V.97 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
débito 16 ml/min - dendê
40
40
exp di
exp dd
mod di
mod dd
35
Pressão (bar)
Pressão (bar)
30
20
10
30
25
20
15
10
5
0
0
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10
0
10
20
30 40
50 60
70 80
ângulo do virabre quim (graus )
Figura V.96 - Evolução da Pressão no Cilindro
débito 16 ml/min – diesel
90 100 110 120
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10
0
10
20
30
40
50
60
70
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.98 - Evolução da Pressão no Cilindro
débito 16 ml/min - dendê
80
90 100 110 120
123
60
mod di
50
exp di
mod dd
40
30
20
10
30
20
10
0
0
-10
2
6
2
10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70
5
8
11 14 17 20 23 26 29 32 35 38 41 44 47 50 53 56 59 62 65 68
-10
ângulo do virabrequim (graus)
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.99 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
taxa de compressão 11,91 – diesel
Figura V.101 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
taxa de compressão 11,91 – dendê
35
40
exp di
mod di
exp dd
35
mod dd
30
30
25
Pressão (bar)
Pressão (bar)
exp dd
40
dQ/d⎝ (Joules/seg)
dQ/d⎝
Joules/seg)
50
25
20
15
20
15
10
10
5
5
0
0
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.100 - Evolução da Pressão no Cilindro
taxa de compressão 11,91 – diesel
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.102 - Evolução da Pressão no Cilindro
taxa de compressão 11,91 – dendê
124
45
35
mod di
exp di
40
20
15
10
5
mod dd
30
25
20
15
10
5
0
-5 -5 -1 3 7 11 15 19 23 27 31 35 39 43 47 51 55 59 63 67
0
-5 -5 -1 3
7 11 15 19 23 27 31 35 39 43 47 51 55 59 63 67
-10
ângulo do virabrequim (graus)
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.103 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
taxa de compressão 13,89 – diesel
Figura V.105 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
taxa de compressão 13,89 – dendê
50
50
exp di
mod di
40
exp dd
mod dd
40
Pressão (bar)
Pressão (bar)
mod dd
35
25
dQ/d⎝ (Joules/seg)
dQ/d⎝ (Joules/seg)
30
30
20
10
30
20
10
0
0
-80 -70-60 -50 -40-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.104 - Evolução da Pressão no Cilindro
taxa de compressão 13,89 – diesel
-80-70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.106 - Evolução da Pressão no Cilindro
taxa de compressão 13,89 – dendê
125
50
mod di
50
exp di
30
20
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
30
20
10
90
-1
-10
4
9
14
19
24
29
34
39
44
49
54
59
-10
ângulo do virabrequim (graus)
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.107 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
Temperatura do ar de admissão 30oC – diesel
exp di
Figura V.109 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
Temperatura do ar de admissão 30oC - dendê
40
mod di
35
35
30
30
Pressão (bar)
Pressão (bar)
exp dd
0
0
40
mod dd
40
dQ/d (Joules/seg)
dQ/d (Joules/seg)
40
25
20
15
exp dd
mod dd
25
20
15
10
10
5
5
0
0
-80-70-60-50 -40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.108 - Evolução da Pressão no Cilindro
Temperatura do ar de admissão 30oC – diesel
-80-70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.110 - Evolução da Pressão no Cilindro
Temperatura do ar de admissão 30oC - dendê
126
50
mod di
60
exp di
exp dd
50
dQ/d⎝ (Joules/seg)
40
dQ/d⎝ (Joules/seg)
mod dd
30
20
10
40
30
20
10
0
0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72 76 80
-1 3
-10
ângulo do virabrequim (graus)
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.111 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
Temperatura do ar de admissão 45oC – diesel
40
exp di
Figura V.113 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
Temperatura do ar de admissão 45oC - dendê
45
mod di
40
35
exp dd
mod dd
35
Pressão (bar)
30
Pressão (bar)
7 11 15 19 23 27 31 35 39 43 47 51 55 59 63 67
-10
25
20
15
30
25
20
15
10
10
5
5
0
0
-80-70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.112 - Evolução da Pressão no Cilindro
Temperatura do ar de admissão 45oC – diesel
-80-70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.114 - Evolução da Pressão no Cilindro
Temperatura do ar de admissão 45oC - dendê
127
40
mod di
40
exp di
30
25
20
15
10
5
0
-5 0
4
8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68
25
20
15
10
5
0
-5 -2 2
6 10 14 18 22 26 30 34 38 42 46 50 54 58 62 66 70
-10
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.115 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
avanço de injeção 11 graus – diesel
exp di
Figura V.117 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
avanço de injeção 11 graus - dendê
40
mod di
35
35
30
30
Pressão (bar)
Pressão (bar)
exp dd
30
ângulo do virabrequim (graus)
40
mod dd
35
dQ/d⎯ (Joules/seg)
dQ/dq (Joules/seg)
35
25
20
15
exp dd
mod dd
25
20
15
10
10
5
5
0
0
-80-70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.116 - Evolução da Pressão no Cilindro
avanço de injeção 11 graus – diesel
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.118 - Evolução da Pressão no Cilindro
avanço de injeção 11 graus - dendê
128
60
mod di
40
exp di
mod dd
exp dd
50
30
Joules/seg
Joules/seg
40
30
20
10
20
10
0
0
-2 3
-3 1
8 13 18 23 28 33 38 43 48 53 58 63 68 73 78 83 88
5
9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69
-10
-10
ângulo do virabrequim (graus)
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.119 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
avanço de injeção 15 graus – diesel
50
Figura V.121 - Curva ajustada da razão de liberação de calor
avanço de injeção 15 graus - dendê
50
mod di
exp di
mod dd
40
Pressão (bar)
40
Pressão (bar)
exp dd
30
20
30
20
10
10
0
0
-80-70 -60 -50-40 -30-20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110120
-80-70-60-50-40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120
ângulo do virabrequim (graus)
ângulo do virabrequim (graus)
Figura V.120 - Evolução da Pressão no Cilindro
avanço de injeção 15 graus – diesel
Figura V.90 - Evolução da Pressão no Cilindro
avanço de injeção 15 graus n - dendê
129
Tabela V.6 - Dados experimentais e simulados com o motor operando com óleo
diesel
Vazão 13 ml/min (diesel)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
35.86
35.81
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
372
371
Atraso de Ignição (graus)
13
13.7
2.83
2.71
229.26
239.19
Potência (kW)
Consumo Específico (g/kWh)
Vazão 14 ml/min (diesel)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
37.32
37.49
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
370
368
Atraso de Ignição (graus)
12.5
13.7
Potência (kW)
2.87
3.08
243.78
227.11
Consumo Específico (g/kWh)
Vazão 16 ml/min (diesel)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
37.90
37.97
370
367
Atraso de Ignição (graus)
12.75
13.7
Potência (kW)
3.276
3.13
Consumo Específico (g/kWh)
243.85
295.49
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
Taxa Comp. 11.91 (diesel)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
34.29
34.19
373
371
Atraso de Ignição (graus)
17.25
15.7
Potência (kW)
2.464
2.35
Consumo Específico (g/kWh)
263.41
275.77
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
130
Taxa Comp. 13.86 (diesel)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
42.82
43.12
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
371
371
Atraso de Ignição (graus)
10
10.6
Potência (kW)
3.133
3.00
Consumo Específico (g/kWh)
207.10
216.01
Temp. Ar Admissão 45 C (diesel)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
36.64
36.40
372
374
Atraso de Ignição (graus)
14.25
18
Potência (kW)
2.64
2.52
245.58
257.31
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
Consumo Específico (g/kWh)
Temp. Ar Admissão 30C (diesel)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
37.87
37.48
372
371
Atraso de Ignição (graus)
17.25
22
Potência (kW)
2.17
2.04
299.69
317.64
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
Consumo Específico (g/kWh)
Avanço de Ignição 11 (diesel)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
33.26
32.98
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
374
373
Atraso de Ignição (graus)
13
13.7
Potência (kW)
2.569
2.35
Consumo Específico (g/kWh)
252.50
275.66
Avanço de Ignição 15 (diesel)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
38.62
38.74
370
367
Atraso de Ignição (graus)
13.25
13.7
Potência (kW)
2.854
2.90
Consumo Específico (g/kWh)
227.42
224.04
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
131
Tabela V.7- Dados experimentais e simulados com o motor operando com óleo de
dendê
Vazão 13 ml/min (dendê)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
34.62
34.86
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
372
372
Atraso de Ignição (graus)
15
14.7
2.55
2.39
286.95
305.02
Potência (kW)
Consumo Específico (g/kWh)
Vazão 14 ml/min (dendê)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
36.74
36.49
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
372
372
Atraso de Ignição (graus)
12.5
14.7
Potência (kW)
2.72
2.75
285.13
281.37
Consumo Específico (g/kWh)
Vazão 16 ml/min (dendê)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
37.47
37.25
371
371
Atraso de Ignição (graus)
13.75
14.7
Potência (kW)
3.037
3.15
Consumo Específico (g/kWh)
295.14
284.62
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
Taxa Comp. 11.91 (dendê)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
32.53
32.49
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
376
375
Atraso de Ignição (graus)
18
16.5
2.43
2.29
301.02
319.41
Potência (kW)
Consumo Específico (g/kWh)
132
Taxa Comp. 13.86 (dendê)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
44.88
44.96
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
370
370
Atraso de Ignição (graus)
10
11.3
Potência (kW)
2.624
2.52
Consumo Específico (g/kWh)
278.93
290.42
Temp. Ar Admissão 45 C (dendê)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
40.85
40.67
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
372
373
Atraso de Ignição (graus)
15.5
19.6
Potência (kW)
2.64
2.78
277.25
263.06
Consumo Específico (g/kWh)
Temp. Ar Admissão 30C (dendê)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
37.16
37.50
376
376
Atraso de Ignição (graus)
16.25
24.8
Potência (kW)
2.56
2.53
286.44
289.27
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
Consumo Específico (g/kWh)
Avanço de Ignição 11 (dendê)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
34.66
34.62
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
374
373
Atraso de Ignição (graus)
12.5
14.7
Potência (kW)
2.53
2.32
290.08
313.40
Consumo Específico (g/kWh)
Avanço de Ignição 15 (dendê)
Pressão Máxima (bar)
Resultado Experimental Resultado Modelo
38.20
38.00
371
370
Atraso de Ignição (graus)
13.25
14.7
Potência (kW)
2.58
2.62
283.88
278.53
Ângulo da Pressão Máxima (graus)
Consumo Específico (g/kWh)
133
É possível observar, através das figuras e tabelas acima, que o modelo
simplificado utilizado apresentou uma boa correlação dos dados das curvas de
pressão entre o modelo e o experimento.
Os valores calculados de potência
diferiram em média 5% dos valores medidos, o que representa um resultado
satisfatório, quando se considera que erros da ordem de 1o de virabrequim no
posicionamento do indicador de PMS provocam diferenças superiores a essa [84].
O atraso de ignição também teve uma boa correlação dos dados do modelo
com os dados experimentais, exceto quando foi variada a temperatura do ar de
admissão. O ajuste para este motor proposto no modelo do atraso ignição de
Haedenberg e Hase [64], teve um ajuste melhor para variações maiores da taxa de
compressão. Entretanto, para melhorar o ajuste do modelo de simulação utilizado, o
ângulo de início da combustão foi fornecido como dado de entrada para a simulação,
o que tornou o cálculo termodinâmico independente dos valores calculados de
atraso de ignição.
Observa-se através dos dados da tabela V.5 que a duração da combustão
descontrolada do óleo de dendê é, em média, 36% maior que a do óleo diesel,
devido ao maior atraso de ignição do óleo de dendê.
134
VI – CONCLUSÕES E SUGESTÕES
Ao final do trabalho é possível concluir que a utilização do óleo vegetal, em
particular o óleo dendê que foi objeto da pesquisa, apresenta-se como uma das
soluções viáveis em substituição aos derivados de petróleo como combustíveis para
diesel-geradores em comunidades isoladas. O óleo vegetal mostra-se vantajoso
principalmente pelo aspecto do impacto ambiental, apesar da questão operacional
em que são necessárias adaptações de projeto no motor para um funcionamento
regular e compatível com o motor operando com óleo diesel.
A viscosidade do óleo de dendê “in natura” à temperatura ambiente é muito
alta para que seja possível a sua utilização como combustível sem maiores danos
ao motor. Para atingir um valor de viscosidade próximo ao do óleo diesel é
necessário aquecer o óleo de dendê a uma temperatura próxima dos 85o C, o que
resulta em melhores condições de operação do motor.
Com a viscosidade do óleo de dendê com valores próximos aos do diesel, a
formação de depósitos fica bastante reduzida e em condições de durabilidade
compatível com as do motor operando com óleo diesel. Entretanto, observou-se que
a coloração do depósito formado pela combustão do óleo de dendê próximo às
válvulas é alaranjada, diferente da do diesel que tem coloração acinzentada.
Quanto à questão da análise comparativa de potência no motor de injeção
direta, entre os dois combustíveis, diesel e dendê, verificou-se uma perda de
potência de 4% ao final das 350 horas de teste com óleo de dendê, e queda de 8%
em relação ao diesel.
As emissões de CO, com o motor operando com óleo de dendê a 85o C,
apresentam valores próximos aos do diesel sob carga de 75 e 100%. Nas cargas de
25 e 50% as emissões de CO são menores que as do diesel.
As emissões de hidrocarbonetos (HC), apresentam uma queda progressiva
com o aumento de carga e com o motor operando com óleo de dendê a 85o C (350
h) apresentam valores inferiores do que as do diesel.
As emissões de NOx com o motor operando com diesel foram maiores do que
quando operando com óleo de dendê.
Os percentuais de opacidade foram menores com o óleo de dendê aquecido
a 85o C do que com dendê a 50o e a 100o C, confirmando o melhor desempenho do
motor operando com o óleo aquecido a essa temperatura.
135
Os testes no motor ASTM-CFR Cetano, realizados com o óleo de dendê a
85oC, foram muito importantes para indicar algumas modificações de projeto e
operação do motor necessários a um desempenho similar ao do diesel.
O aumento da temperatura do ar de admissão, teve maior influência sobre o
atraso de ignição do óleo diesel do que no atraso do óleo de dendê. Este fato levou
a menores variações na potência do motor operando com este combustível, com o
aumento da temperatura do ar de admissão, com poucas variações nas emissões.
O aumento da taxa de compressão, do avanço de injeção e do débito de
combustível promoveram um aumento na potência do motor. Entretanto, baseado
nos fatores de correlação encontrados, as variáveis que tiveram maior influência no
desempenho do motor, operando com óleo de dendê “in natura” foram o avanço de
injeção e o débito de combustível, sendo esta última com alta correlação.
Algumas das alterações de projeto e operação implementadas no trabalho
experimental não só afetaram o desempenho do motor mas também modificaram
alguns dos valores de emissões esperados, muitas vezes confirmando a vantagem
em se utilizar o óleo vegetal em relação ao óleo diesel.
O aumento do avanço de injeção neste motor ASTM CFR Cetano, devido às
sua características de operação, promove um aumento na potência na utilização dos
dois combustíveis, sendo mais linear com o óleo de dendê. As emissões de NOx
CO2 aumentam e a de CO diminuem com o aumento do avanço.
O aumento na taxa de compressão fez aumentar o desempenho do motor no
que se refere a potência e eficiência térmica e diminuir as emissões de CO2, HC,
CO, aumentando-se a emissão de NOx, para os dois combustíveis.
A análise comparativa dos dados experimentais com o modelo simplificado
de simulação desenvolvido para o ciclo diesel, mostra que a curva de pressão
simulada apresenta uma boa correlação com os dados experimentais. Os dados de
pressão máxima, ângulo de pressão máxima e atraso de ignição, tiveram uma boa
correlação com os dados experimentais (média 5% de desvio).
Quanto ao aspecto de manutenção pode-se prever que uma análise
periódica do óleo lubrificante mostra-se necessária. Ficou caracterizada a
necessidade de uma rotina de troca do óleo com espaço de tempo a cada 100 horas
de funcionamento ao invés de 200 horas como previsto no manual, devido a sua
contaminação acentuada.
De acordo os resultados dos testes, o prazo de troca dos bicos injetores deve
ser de 350 horas quando começaram a apresentar problemas.
136
Uma sugestão para trabalhos futuros, visando melhorar o modelo de
simulação termodinâmica, seria utilizar outros modelos de evolução da combustão
que descrevessem melhor a combustão desse combustível.
O estudo de outras variáveis, como pressão do ar de admissão
(turbocarregamento) e pressão de injeção de combustível sobre o atraso de ignição
e conseqüentemente sobre o desempenho do motor, aumentaria a pressão da
combustão desse óleo vegetal em diesel-geradores.
E ainda, com o intuito de melhorar o conhecimento da combustão de óleos
vegetais em motores diesel, deveria ser realizado um estudo do efeito combinado
das variáveis estudas sobre o desempenho do motor e sobre as emissões.
137
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ANEXO 1- DENDÊ
1 - Fruto
O fruto do dendezeiro, o dendê (no Brasil) (Silva, O. C.,1997) é um
drupáceo (fruto carnoso provido de um núcleo muito duro, como o pêssego e
a manga), de forma ovóide e comprimento raramente superior a 5 cm. Seu
tamanho e peso varia, dependendo da localização do mesmo no cachos e da
variedade do dendezeiro, e sua coloração varia entre amarelo ou alaranjado
O número de frutos no cacho varia normalmente entre 1.000 a 1.500, e
em alguns casos excepcionais, podem atingir até 4.000. O aproveitamento
não é total pois 20 a 30% dos frutos tendem a ser partenocárpicos, isto é,
completamente maduros, portanto inaptos para a extração de óleo.
2 - Aspectos Ecológicos
O cultivo extensivo do dendezeiro exige algumas condições especiais
de solo, temperatura ambiente, pluviosidade, umidade relativa do ar e
insolação, condições essas, que influem diretamente na produtividade da
planta e no rendimento do óleo (Silva, O. C.,1997). Dentre estas exigências, a
mais importante é a pluviosidade. Segundo informações obtidas da empresa
Dendê do Pará S. A .(DENPASA), a intensidade pluviométrica exigida é em
torno de 1.800 a 2.200 mm anuais. Incidências de chuvas inferiores à estes
níveis
influem
de
forma
negativa
no
rendimento
do
fruto,
e
conseqüentemente, do óleo.
• A temperatura ambiente exigida oscila em torno de 24 a 30 C.
• A umidade relativa do ar ideal se situa na faixa de 75 - 80%. Esta
umidade é muito alta e é encontrada, por longo período, somente em
regiões equatoriais e tropicais úmidos.
• o dendezeiro é considerado uma planta heliófila, ou seja apresenta
uma exigência de exposição à luz solar de 1.500 a 2000 horas anuais.
• A insolação desempenha uma importante função na proporção de
flores femininas emitidas, sobre a taxa de fotossíntese, maturidade
dos cachos, no teor do óleo na polpa, e conseqëentemente na
produção (BARCELOS et al., l989).
• A cultura extensiva do dendezeiro demanda, de um modo geral, é de
terrenos topograficamente baixos, porque dificultam a erosão do solo,
facilitam a mecanização e reduzem os custos.
• Em termos de solo, a dendecultura se desenvolve melhor em solos
profundos, com no mínimo 90 cm, permeáveis, sem obstáculos para o
desenvolvimento das raízes
e PH entre 4,5 e 6,0. A composição
textural básica exigida é de um solo arenoso: 85% de areia, 8%de silte
e 7%de argila.
3 - Plantio
Em plantações comerciais, com espécies geneticamente melhoradas,
as plantas se tornam produtivas a partir do terceiro ou quarto ano de plantio.
Atingem a maturidade aos oito anos e mantém-se produtiva durante vinte e
cinco anos. As plantas produzem o ano inteiro, requerendo mão de obra
intensiva e contínua. Dados revelam (Revista Imagem da Amazônia, 1997)
que cada hectare plantado de dendê produz em média 21 toneladas de fruto
por ano, que chegam a render em torno de 22% de óleo bruto,
aproximadamente 4,8 toneladas. Da semente, que constitui 5% do peso da
fruta, extrai-se aproximadamente 400 kg de óleo de palmiste por hectare/ano,
utilizado em produtos de beleza.
4 - Extração
A) Sistema Artesanal
Refere-se como sistema artesanal de extração do óleo de palma, o
sistema tradicionalmente usado na África pelas populações nativas (Silva, O.
C., 1997) e nas pequenas plantações no interior do norte e nordeste do
Brasil, por exemplo, e que envolve os processos de esterilização, digestão,
recuperação e clarificação do óleo.
A esterilização é feita normalmente usando-se como esterilizador um
tonel com água, onde são colocados os frutos, já destacados do cacho, para
ferver ao fogo gerado pela lenha, podendo ser usado também o próprio cacho
vazio para gerar calor.
Esta etapa demora entre uma e duas horas. Após a esterilização e
com os frutos ainda quentes, inicia-se a etapa de digestão ou esmagamento
da polpa . A digestão pode ser feita em um pilão
de madeira de forma
tradicional, ou num recipiente em forma de canoa, usando-se um pistilo (mãode-pilão) para pilar os frutos esterilizados e obter-se desta forma um
macerado constituído de nozes inteiras e das fibras da polpa ricas em óleo.
Dependendo do tamanho do digestor, o pilamento (digestão) pode ser
feito por uma ou mais pessoas. Em alguns casos a digestão é feita também
por pisoteamento.
Em seguida são separadas as sementes e as fibras e, separadamente,
são imersas em tanques de água quente para extrair uma quantidade maior
de óleo. As sementes, são retiradas e secas ao sol para serem quebradas
para a extração do palmiste e as fibras, para possível queima para gerar calor
. A última etapa é a clarificação que consiste em aquecer o óleo num
recipiente aberto para eliminar o excesso de umidade e decantar as
impurezas.
B) Sistema Industrial
A produção em larga escala do óleo de palma exige processos de
extração mais elaborados, rápidos e eficientes que aqueles empregados no
sistema artesanal.
No sistema industrial de extração, os processos descritos no sistema
artesanal se sucedem de modo semi-contínuo em unidades industriais,
envolvendo a esterilização, a separação dos frutos , a extração do óleo, a
purificação e a clarificação (Silva, O. C.,1997).
A esterilização tem por objetivo desativar as enzimas responsáveis
pelo desdobramento do óleo em ácidos graxos livres, permitir a separação
dos frutos dos cachos e a coagulação das substâncias mucilaginosas, com o
objetivo de evitar a formação de emulsões no óleo.
O processo de esterilização consiste em submeter os cachos a ação
de vapor de água durante 40 a 60 minutos, a uma pressão de 3 atmosfera
por polegada quadrada. A destruição das enzimas se dá aos 65 oC.
Na fase de separação, após a esterilização, os frutos são arrancados e
separados dos cachos, através de sistemas mecânicos giratórios que forçam
a separação das frutas do cacho.
Após separadas, as frutas são levadas para os digestores onde são
amassadas (digeridas) até se transformarem numa massa homogênea
composta por uma mistura de fibras da polpa ,óleo e sementes. O tempo de
digestão é de aproximadamente 20 minutos.
A extração do óleo pode ser feita através de uma prensa hidráulica ou
pelo processo de centrifugação.
O óleo cru obtido da prensagem ou da centrifugação apresenta
impurezas, que consistem em mistura de óleo, água e substâncias sólidas ,
tornando imprescindível sua purificação. . Este processo consiste no aquecer
o óleo num tambor até 100 C. Passa-se o óleo depois por um tanque de
contínua clarificação, no qual é separado de as impurezas e finalmente a
umidade é reduzida a um teor de cerca de 1%.
5 - Refino
O refino tem por objetivo remover as impurezas presentes no óleo,
após os processos industriais de extração, dentre as quais podem constar
traços de metais ,pigmentos, material odorífero e ácidos graxos livres. Estas
impurezas conferem ao óleo coloração, gosto e odor desagradáveis, além de
baixo poder de conservação, o que é indesejável, sobretudo quando o óleo é
requerido para fins alimentares.
Dois métodos são possíveis de serem utilizados no processo de refino
do óleo de palma : o Método Físico e o Método Químico.
O Método Físico ou Refino por Vapor - consiste na remoção
dos
ácidos graxos livres e odores pelo processo de distilação a vapor .
O Método Químico ou Refino por Alcalinização - comporta três
estágios: degomização, branqueamento e desodorização.
6 - Estocagem e Transporte de Óleo de Dendê e Derivados
O óleo de palma, em forma bruta ou processada, é objeto de inúmeras
transações comerciais, que resultam em necessidade de transporte e
estocagem; o controle dessas operações é de extrema importância, para que
sejam
evitadas
contaminações
e/ou
degradações
de
qualidade,
especialmente, quando se trata de produtos destinados à alimentação
humana
As causas de deterioração mais freqüentes são:
− contato com materiais inadequados, especialmente com cobre e suas
ligas
− aeração e dissolução de oxigênio
− temperaturas impróprias de transporte e/ou estocagem
− presença de umidade
7 - Ação do Óleo de Dendê na Presença de Metais
O contato do óleo com cobre a 50 C, durante 0 a 20 minutos, resulta
na presença 0,12 a 1,43 ppm de cobre no mesmo, o que é suficiente para
elevar o índice de anisidina de 4,6 para 20, em 5 dias, reduzir o teor de
caroteno de 656 para 70 ppm e o teor de tocoferois a zero; assim é desejável
evitar-se qualquer contato entre o óleo e ferramentas, instrumentos ou
equipamento, que contenham cobre ou suas ligas
Ante os inconvenientes da ação do oxigênio na qualidade do óleo é
recomendável evitar-se, ao máximo, o contato entre ar e óleo, mediante
procedimentos diversos, tais como:
• entrada e saída de óleo em tanques deve ser feita sempre pelo fundo,
para evitar-se a dispersão e aumento de contato com ar
• quando a entrada for feita pelo topo, a tubulação de entrada deve se
estender pelo interior do tanque, com tubo flexível e bóia, o que vai
limitar a dispersão e turbulência do fluido
• a existência de isolamento térmico em tanques estacionários, reduz a
formação de correntes internas de convecção que aumentam o contato
do óleo com a superfície e o ar
• a geometria dos tanques de armazenagem deve ser apropriada para
reduzir a superfície de contato do óleo com a atmosfera, ou seja ;e
desejável uma relação elevada entre a altura e o diâmetro
• a capacidade dos tanques de armazenagem deve ser limitada, para
evitar períodos muito prolongados de estocagem
A temperatura de transporte e estocagem é muito importante para a
qualidade do óleo, uma vez que sua elevação favorece as reações de
oxidação e outras (em 25 dias de estocagem a cerca de 50oC, o índice de
peróxido de um óleo de palma pode subir de 4,3 para 9,8) de modo que,
recomenda-se:
• as temperaturas de estocagem, transporte e descarga devem ser tão
baixas quanto possível
• essas temperaturas deverão ser expressas como valores médios, medidos
no topo, no meio e no fundo dos tanques sempre a uma distância não
inferior a 12 polegadas de eventuais serpentinas ou outras fontes de
aquecimento.
• o aquecimento de tanques, por circulação de água quente ( 80 a 90 oC) é
preferível ao uso de vapor.
• as serpentinas de aquecimento em tanques podem ser de aço carbono em
tanques de aço carbono, devendo ser necessariamente de inox em
tanques de inox ou fibra de vidro.
8 - Conservação do Óleo de Palma e Derivados
Os Óleos Vegetais Brutos contém, usualmente, anti-oxidantes naturais
Nos óleos de palma processados a maior parte de anti-oxidantes
naturais é destruída ou reduzida
ANEXO 2- PROPRIEDADES FÍSICAS
As propriedades físicas do óleo de palma bruto e processado são similares às dos
demais óleos vegetais; em virtude de sua composição peculiar, rica em ácidos graxos
saturados, destaca-se o comportamento do óleo nas transições e coexistência de fases
sólidas e liquidas, que constituem a base da utilização de óleos em muitos produtos finais
[25].
a) Densidade
A densidade do óleo de palma depende das seguintes variáveis:
• peso molecular e, conseqüentemente,
• índice de saponificação (+ 0,3 kg/m3 para cada unidade de índice de saponificação),
• índice de iodo (+ 0,14kg/m3 para cada unidade de índice de iodo),
• acidez livre (- 0,2kg/m3 para cada 1% de acidez livre),
• teor de água (+ 0,8kg/m3 para cada 1% de água) e, principalmente,
• da temperatura (- 0,68 kg/m3 para 1 oC de elevação).
A variação da densidade em função da temperatura pode ser expressa por:
d = 0,9244 - 0,00067 T
onde
d = densidade em gramas por mililitro
T = temperatura em oC na faixa de 25-75 oC
A densidade do óleo, no estado sólido, é cerca de 10% maior do que no estado
líquido, como ocorre com praticamente todos os óleos vegetais.
b) Calor específico
O calor específico do óleo de palma pode ser expresso pela relação abaixo, que é
considerada válida para quaisquer óleos vegetais:
c = 0,47 + 0,00073 T
onde:
c = calor específico em kcal/kg oC
T= temperatura em = oC
c) Viscosidade
A viscosidade de óleo de palma bruto e óleo de palma processado, consta do
quadro abaixo; em termos práticos, a viscosidade do óleo diminui cerca de 30% a cada
elevação de 10 oC em sua temperatura.
Em misturas de óleos de palma e seus derivados, entre si ou com outros óleos
vegetais, é preciso considerar-se a eventual formação de misturas eutéticas e a influência
das mesmas na viscosidade da mistura; como regra geral, uma mistura de óleos vegetais
não apresenta viscosidades linearmente proporcionais às dos componentes.
Viscosidade do Óleo de Palma (centipoises)
temperatura oC
20
25
30
35
40
45
50
óleo bruto
>100
>100
>100
94.3
40.4
33.3
27.0
oleína de palma
85.3
69.2
56.3
43.4
38.6
32.6
26.5
óleo de palmiste
>100
>100
44.0
35.6
30.0
25.4
21.0
óleo de soja
63.6
51.6
43.1
36.8
31.7
26.8
22.5
Viscosidade de óleo de palma
100
óleo de palma
80
oleina de palma
60
óleo de palmiste
40
óleo de soja
20
tem peratura (C)
50
45
40
35
30
25
0
20
Viscosidade (centipoise)
120
d) Ponto de fusão
O ponto de fusão de matérias graxas é um índice empírico, uma vez que esses
materiais não apresentam um ponto de fusão definido, por serem constituídos por
misturas de diversos componentes e não por um composto quimicamente definido.
O ponto de fusão usualmente adotado é o chamado “slip point”, que
correspondente a uma temperatura na qual a matéria graxa, colocada em um tubo capilar,
torna-se suficientemente fluida para subir ou descer no mesmo; o procedimento é descrito
no método de análise CC-3-25 da AOCS (American Oil Chemists`Society).
O chamado ponto de fusão Wiley, utilizado em alguns países, corresponde à
temperatura na qual um disco solidificado de matéria graxa torna-se esférico, quando
aquecido em uma mistura de álcool e água; o procedimento é descrito no método de
análise CC-2-38 da AOCS (American Oil Chemists`Society) e os resultados nele obtidos
no método do ponto de deslizamento em capilar.
Os valores usuais de ponto de fusão (slip) para óleos de palma bruto e processado
constam do quadro abaixo.
Note-se que a refinação do óleo de palma ou seus derivados resulta em elevação
do ponto de fusão do produto refinado resultante.
Ponto de Fusão (SLIP) de Óleos de Palma
faixa de variação (oC)
média (oC)
óleo de palma bruto
32.2 - 37.9
35.2
oleína de óleo bruto e
19.4 - 23.5
21.6
oleína de óleo bruto**
17.2 - 26.1
20.3
estearina de óleo bruto e
44.5 - 56.2
50.2
estearina de óleo bruto**
51.2 - 54.2
52.6
óleo de palmiste bruto
25.9 - 28.0
27.3
Óleo
refinado*
refinado
* obtida em processo de fracionamento direto seco
** obtida por fracionamento líquido com surfactantes
e) Teor de gorduras sólidas (SFC = solid fat content)
O teor de gorduras sólidas (SFC) de uma matéria graxa expressa qual a
quantidade de glicerídeos sólidos presentes na mesma, em uma determinada
temperatura; desde que a matéria graxa é uma mistura de glicerídeos, com diferentes
pontos de fusão e com solubilidade mútua, a cada temperatura a presença de sólidos e
líquidos poderá ser diferente.
f) Mudança de fase (cristalização) e polimorfismo
O óleo de palma se diferencia dos óleos vegetais usuais por apresentar um teor
alto de ácidos graxos saturados (cerca de 50%) e também ter uma quantidade apreciável
desses ácidos graxos saturados (10 -16%) na posição central (2) da molécula dos
triglicerideos.
O óleo de palma não fracionado encontra-se 3 formas polimórficas, que se
equilibram entre si.
g) Poder Calorífico
O óleo de palma bruto, para efeitos práticos, pode ser considerado como
composto por:
Carbono
75,93%
hidrogênio
12,16%
oxigênio
11,91%
Em base a essa composição elementar, pode-se calcular o poder calorífico
superior como sendo de 9.784 kcal/kg. O poder calorífico inferior, utilizável no óleo de
palma como combustível, será da ordem de 8.825 kcal/kg
h) Acidez do Óleo de Palma
Os fatores mais importantes que afetam essa acidez são:
− estado dos frutos na colheita
− condições de manipulação e estocagem dos frutos
− ação de enzimas e micro-organismos
− condições de processamento
− condições de estocagem do óleo
− impurezas no óleo
h.1) Influência dos Frutos
No seu ponto ideal de maturação, os frutos apresentam o teor máximo de óleo no
seu mesocarpo, o qual se situa, tipicamente, em cerca de 50% do peso do mesmo; 5 dias
antes desse ponto ideal, o teor de óleo acha-se em cerca de 43% e 10 dias antes o óleo
representa apenas 34% da polpa.
− quanto maior a quantidade de frutos maduros destacados do cacho, maior a acidez
livre do óleo a ser obtido.
− o óleo, obtido de frutos sub-maduros, tem um ponto de fusão mais elevado e uma
maior presença de ácidos graxos saturados nos triglicerídeos que o compõe.
− o óleo extraído de frutos sub-maduros apresenta menor acidez
− frutos super-maduros produzem óleo de acidez elevada e cor acentuada de difícil
remoção
h.2) Ação Enzimática
A ação das enzimas sobre a acidez do óleo extraído é a grande responsável pela
degradação de qualidade do mesmo, em virtude da velocidade bastante elevada de sua
ação.
h.5) Influência de micro-organismos
A estocagem prolongada no campo favorece o desenvolvimento de fungos, que
podem afetar não somente a acidez livre do óleo, mas também outras características de
qualidade.
h.6) Influência de Impurezas
A presença de impurezas e sujeira no óleo estocado pode contribuir para a
elevação da acidez livre, desde que ocorram contaminações com alguns tipos de microorganismos
No caso, a sujeira e impurezas podem constituir-se em um meio de
desenvolvimento dos micro-organismos, desde que ocorra uma contaminação e a
temperatura de estocagem seja inferior a 50 C.
A elevação de acidez na estocagem do óleo é perfeitamente controlável, mediante
estocagem em níveis de umidade baixos e temperaturas adequados, com o cuidado
adicional de estocar-se óleo limpo e proceder à limpeza periódica de tanques de
armazenagem, para prevenir possíveis infestações de micro-organismos.
ANEXO 3 - ANÁLISE DE INCERTEZAS
Quando se relata o resultado de medição de uma grandeza física, é obrigatório
que seja dada alguma indicação quantitativa da qualidade do resultado, de forma tal que
aqueles que o utilizam possam avaliar sua confiabilidade. Sem essa indicação, resultados
de medição não podem ser comparados, seja entre eles ou com valores de referência ou
com normas. Dessa forma, para avaliar a qualidade de medição é necessário expressar
sua incerteza.
A estimativa dos resultados de medição leva em consideração a resolução do
instrumento, as incertezas fornecidas pelo fabricante e erros das estimativas obtidos em
ajustes de curvas aos dados de aferição e as incertezas dos padrões utilizados na
aferição.
Devido a tempo e recursos limitados, a incerteza de um resultado de medição é,
geralmente, avaliada, utilizando-se um modelo matemático da medição e a lei da
propagação da incerteza.
Erros grosseiros no registro ou na análise dos dados podem introduzir um erro
desconhecido significativo no resultado de uma medição.
A qualidade e utilidade da incerteza indicada para o resultado de uma medição,
dependem, portanto ,e em última análise, da compreensão, análise crítica e integridade
daqueles que contribuem para o estabelecimento do seu valor.
O método utilizado para cálculo das incertezas foi o dos mínimos quadrados, que
apresenta as equações abaixo como procedimento básico:
Seja uma expressão do tipo:
x = f(y,z,w)
o erro no valor calculado de x será:
∂x ∂f ( y, z , w)
=
∂y
∂y
∂x ∂f ( y, z, w)
=
∂z
∂z
∂x ∂f ( y, z , w)
=
∂w
∂w
2
⎡ ∂x ⎤
⎡ ∂x ⎤
⎡ ∂x ⎤
∂x = ⎢ ⎥ + ⎢ ⎥ + ⎢ ⎥
⎣ ∂z ⎦
⎣ ∂w ⎦
⎣ ∂y ⎦
2
A seguir será dado o valor da incerteza para cada par6ametro medido nos testes
realizados:
a)Pressão atmosférica
∂Patm =
101325
P
760
b)Temperatura
∂T = ±1C
c)Vazão de ar
∂mar = 1.55032∂∆P − 0.05486∆P.∂∆P
∂∆P = ±0.5
∂mar = 0.77516 − 0.02753∆P
d)Vazão de combustível
3600 ⎛ Vρ∂t ⎞
2
2
=
⎟ + ( ρ∂V ) + (V∂ρ )
⎜
t ⎝ t ⎠
2
∂mcomb
e) Avanço de Injeção
O avanço de injeção tem uma incerteza estimada de 0.5 graus que é a metade da
menor divisão de sua escala de leitura existente no CFR cetano.
f) Atraso de Ignição
O atraso de ignição tem uma incerteza estimada de 0.5 graus que é a metade da
menor divisão de sua escala de leitura existente no CFR cetano.
g) Medição de Pressão
A calibração do sistema de medição de pressão utilizou as informações do motor
ASTM CFR cetano, que fornece as pressões de referência para cada valor do volante do
pistão da pré-câmara. Com o auxílio de um medidor de compressão calibrado, foi
verificado os pontos de medição através de uma medição dinâmica, e o sensor
apresentou boa correlação igual a 0.99985.
Segundo o manual da Kistler, o erro de medição do sensor de pressão é de ±
0.2%FS, que para o sensor utilizado corresponde a ± 0.5 bar este valor foi utilizado como
incerteza da medição.