25 e 26 de setembro de 2014
ANÁLISE ENERGÉTICA DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO
INTERNA OPERANDO COM MISTURAS DE DIESEL E
HIDROGÊNIO
V. R. BACH1*, H. A. dos SANTOS2, C.H. Coimbra-Araújo3, R. J. FERRACIN4 e N. D. GRAEF5
1
Universidade Federal do Paraná, Mestrado em Bioenergia
Universidade Federal do Paraná, Departamento de Engenharias e Exatas - UFPR/Setor Palotina
3
Universidade Federal do Paraná, Departamento de Engenharias e Exatas - UFPR/Setor Palotina
4
Parque Tecnológico da Itaipu
5
Parque Tecnológico da Itaipu
*Autor correspondente E-mail para contato: [email protected]
2
PALAVRAS-CHAVE: Hidrogênio, Diesel, Motores a Combustão
INTRODUÇÃO
Com a crise mundial e o aumento do preço do petróleo, bem como a crescente demanda e consumo
energético aliados a uma consciência ecológica cada vez maior, tem-se procurado utilizar novas
fontes de energia e processos de combustão mais eficientes e menos poluentes1.
Uma boa solução visando à redução de emissão de poluentes é o desenvolvimento de novas
alternativas de combinação de combustível junto ao Diesel, que é queimado na câmara2. O conceito
da tecnologia diesel-gás tem sua base na utilização do motor original do ciclo diesel e na queima
combinada de um gás com o óleo diesel. Esta alteração é obtida por meio de uma adaptação do
motor original sem modificações estruturais, mantendo-se um ciclo de funcionamento mais
eficiente3.
Nesse contexto, o hidrogênio apresenta-se como um dos mais promissores combustíveis
alternativos e uma excelente alternativa para suprir parte da demanda energética futura, uma vez
que é um dos elementos mais abundantes do universo e pode ser obtido por uma gama de fontes
primárias, incluindo os combustíveis fósseis, a energia nuclear e as fontes renováveis de energia4.
A característica distinta do motor operando a hidrogênio é que ele não produz grandes poluentes,
tais como hidrocarbonetos, monóxido de carbono), dióxido de enxofre, chumbo, material
particulado e outros compostos cancerígenos. Isto é devido a ausência de carbono e enxofre no
combustível5. No entanto, motores operando a hidrogênio sofrem a desvantagem de maior emissão
de NOx (óxidos de nitrogênio). Isso se deve à presença de nitrogênio no ar e sua formação é
variada de acordo com a temperatura da combustão, principalmente.
Devido a algumas propriedades próprias do hidrogênio e à sua disponibilidade, ele tem sido
empregado de forma satisfatória tanto em motores do ciclo Otto, onde há a possibilidade de total
substituição do combustível líquido pelo gasoso, como em motores do ciclo Diesel, onde utilizamse os dois combustíveis ao mesmo tempo6. Mesmo considerando as novas tecnologias de sistema de
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injeção eletrônica de combustível, o uso do hidrogênio em motores do ciclo Diesel está limitado a
sistemas de baixa potência, com predominância para motores alternativos. Além disso, devido a
complexidade do tema, novos estudos têm sido conduzido no intuito de melhorar a performance do
motor quando operando de forma dual (diesel e hidrogênio).
OBJETIVOS
O presente projeto tem por objetivo macro avaliar o processo de combustão da mistura do
hidrogênio ao diesel, analisando seus valores energéticos, exergéticos e ambientais.
Estudar o desempenho do motor, quando submetido a variações de carga e diferentes porcentagens
de diesel e hidrogênio na mistura;
Estudar o processo de combustão e de emissão de gases em motores do ciclo diesel utilizando
mistura de diesel e hidrogênio;
Modelar e analisar energeticamente, por meio de conceitos termodinâmicos, o sistema térmico
(motor);
Comparar os resultados teóricos obtidos com o modelo proposto com os resultados experimentais
visando a otimização do modelo e do processo.
MATERIAIS E MÉTODOS
Para a execução dos experimentos para este trabalho serão utilizados os laboratórios da Fundação
Parque Tecnológico de Itaipu, da Universidade Estadual do Oeste do Paraná – Campus Cascavel e
da Universidade Federal do Paraná – Setor Palotina.
Inicialmente, será feita a adição gradual do hidrogênio ao diesel comercial, para determinação do
limite ótimo de hidrogênio adicionado ao diesel, obtendo assim uma maior eficiência térmica e
trabalho realizado. Para cada uma das misturas serão realizados os testes de potência máxima e
média, torque e de emissões, identificando assim a variação ocorrida nas diferentes misturas. Na
Figura 1 está apresentada uma visão esquemática do procedimento experimental.
Figura 1 – Representação esquemática do experimento experimental.
Fonte: Adaptado de Saravanan et al, 2008.
Na Figura 1, têm-se que: 1- cilindro de hidrogênio; 2- regulador de pressão; 3- tanque de
hidrogênio; 4- atuador linear; 5- controlador eletrônico; 6- injetor de gás; 7- câmara de combustão;
8- tanque de diesel; 9- sonda lambda; 10- dinamômetro.
Além da necessidade dos combustíveis para os testes (diesel e hidrogênio), haverá necessidade de
utilização de pelo menos um motor ciclo diesel para identificação de eventuais desgastes de
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materiais, bem como para o estudo de geração de potência em função da energia disponível nas
misturas em diferentes proporções.
Para determinar o consumo específico do motor, será adotado o método sireto, onde o consumo de
combustível será determinado colocando-se o diesel em uma proveta instalada sobre uma balança
de precisão. Essa proveta será dotada de uma saída inferior que alimentará o motor de combustível.
Com o motor em funcionamento constante, a uma determinada rotação e para um determinado
torque, estabelecerá um intervalo de tempo cronometrado. No início desse intervalo, a balança será
zerada, e, ao final do mesmo, a pesagem será interrompida, determinando assim a quantidade de
combustível consumida em um intervalo de tempo conhecido. Quanto ao consumo de hidrogênio,
será utilizado um fluxômetro, que será aferido para ser usado com hidrogênio, utilizando um
método prático, onde será medido, sob pressão atmosférica, o volume de gás que passou pelo
fluxômetro durante um tempo conhecido. Para manter uma vazão predeterminada constante,
indicada pelo fluxômetro, será necessário a utilização de um tubo de filme de polietileno usado para
coletar o gás a ser medido, assim como a utilização de uma coluna manométrica para controlar a
pressão interna no tubo, evitando que essa ultrapasse a pressão atmosférica. O tubo será inflado
com gás durante um intervalo de tempo medido.
A unidade de controle de mistura ar-gás para o motor controlará o fluxo de gás para o motor em
função de parâmetros tais como: temperatura dos gases de escapamento e pressão no coletor de
admissão. Será constituído de uma central eletrônica, que receberá as informações de temperatura e
pressão e em função destas, enviará sinal para a válvula controladora de fluxo, que dosa a mistura
ar-hidrogênio fornecida ao motor
O atuador linear possui a função de tornar a mistura ar/combustível mais rica ou mais pobre, a
partir de um sinal que será recebido da central eletrônica. Após receber este sinal, o atuador liberará
a passagem de gás ao injetor de gás, como uma borboleta eletrônica. Os dados obtidos de torque,
potência e consumo específico, para cada percentual de hidrogênio adicionado ao diesel, assim
como dados de temperatura do motor fornecidos pelo dinamômetro.
A sonda lambda gera uma medida contínua do teor de oxigênio no gás do escape. Com esta
informação será possível saber se a mistura está com excesso de oxigênio (mistura pobre), ou falta
de oxigênio (mistura rica). Seu uso será imprescindível para manter a estequiometria da mistura.
Para identificação da diferença das emissões provenientes dos escapamentos do motor (nas
diferentes condições de formação da mistura), será necessário utilizar-se de filtros, podendo ser
confeccionados a partir de fibra de vidro ou filtro de papel/tecido próprio para este fim. Para a
detecção e quantificação das emissões será necessário utilizar-se de um equipamento para tal
finalidade, como por exemplo, o modelo existente no mercado VLT 4836/TS, assim como o uso de
cromatografia à gás para analisar os gases
Será feita uma modelagem matemática onde a eficiência de um processo de combustão será
definida seguindo as leis da termodinâmica, como a razão entre a quantidade de calor liberada
durante a combustão, potência e o poder calorífico dos combustíveis utilizados (hidrogênio e
diesel).
RESULTADOS ESPERADOS
Com a realização do trabalho espera-se comprovar a viabilidade do uso de hidrogênio em motores a
combustão interna, além de identificar o percentual de hidrogênio na mistura que se apresenta mais
eficiente em termos de rendimento, potência e trabalho, assim como na diminuição de gases
poluentes, possibilitando o uso de um combustível alternativo eficiente e sem danos maiores ao
meio ambiente.
Ainda espera-se obter respostar de eficiência térmica (energética) em função da fração de
hidrogênio misturado ao diesel, comprovando assim a boa performance da mistura, para se avaliar a
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viabilidade de misturar hidrogênio ao diesel buscando majoritariamente o menor consumo de
energia no motor.
A utilização do combustível alternativo deve oferecer respostas de eficiência térmica (energética)
em função da fração de hidrogênio misturado ao diesel, comprovando assim a boa performance da
mistura.
AGRADECIMENTOS
Agradecimento à Capes, à UFPR, à FPTI e ao Mestrado em Bioenergia pela realização.
REFERÊNCIAS
1
Gambetta, F. Análise Técnica e Econômica de Retificadores de Corrente para Produção de Hidrogênio Eletrolítico: Estudo de caso
aproveitando a EVT da UHE de Itaipú. Dissertação de Mestrado-Faculdade UNICAMP, Campinas, 2010.
2
Liu, J.; Li, Y.; Zhu, Z,; He, H.; Liu, S. Effect of Pilot Diesel Quantity and Fuel Delivery Advance Angle on the Performance and
Emission Characteristics of a Methanol-Fueled Diesel Engine. Energy Fuels, v. 24, p 1611-1616, Xian, China, 2010.
3
Yoge, J.R.C. Análise Energetica e Exergética de um Motor de Combustão Interna Operando com Mistura de Disel e Gás Natural.
Tese de Doutorado, UFCG, Campina Grande, 2007.
4
Ball, M.; Wieschel, M. The Hydrogen Economy: Opportunities and Challenges. Cambridge University, 2009.
5
Brunt, M.; Rai, H.; Emtage, A. The Calculation of Heat Release Energy from Engine Cylinder Pressure Data. SAE Technical Paper
981052, 1998.
6
Saravanan, N.; Nagarajan, G.; Sanjay, G.; Dhanasekaran, C.; Kalaiselvan K. M. An experimental investigation of hydrogen-enriched
air induction in a diesel engine system. International Journal Of Hydrogen Energy, v.33, p 1769 – 1775, 2008.