ANÁLISE DE DESEMPENHO E EMISSÕES DE UM MOTOR …
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ANÁLISE DE DESEMPENHO E EMISSÕES DE UM MOTOR GERADOR OPERANDO COM
BIOGÁS
Victor Vasconcelos Barreto
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte
dos requisitos necessários à obtenção do título de
Engenheiro Mecânico.
Orientador: Prof. Sílvio Carlos Aníbal de Almeida,
D.Sc.
Rio de Janeiro
Março de 2016
2
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
ANÁLISE DE DESEMPENHO E EMISSÕES DE UM MOTOR GERADOR OPERANDO COM
BIOGÁS
Victor Vasconcelos Barreto
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE
ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL
DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A
OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
______________________________________
Prof. Sílvio Carlos Aníbal de Almeida, D.Sc
______________________________________
Prof. Carlos Rodrigues Pereira Belchior, D.Sc
______________________________________
Prof. Gustavo Cesar Rachid Bodstein, D. Sc
RIO DE JANEIRO, RJ – BRASIL
MARÇO DE 2016
3
Barreto, Victor Vasconcelos
Análise de Desempenho e Emissões de um Motor Gerador
Operando com Biogás/ Victor Vasconcelos Barreto. – Rio de
Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2016.
VI, 58 p.: il.; 29,7 cm.
Orientadores: Silvio Carlos Aníbal de Almeida.
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso
de Engenharia Mecânica, 2016.
Referências Bibliográficas: p. 51-52.
1. Uso de biogás em motor ciclo Otto. 2.
Biocombustíveis. 3. Biogás. 4. Análise de Desempenho. 5.
Análise de Emissões. I. De Almeida, Sílvio Carlos Anibal. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola Politécnica,
Curso de Engenharia Mecânica. III. Análise de Desempenho
e Emissões de um Motor Gerador Operando com Biogás.
4
AGRADECIMENTOS
Aos meus familiares, em especial os meus pais e minhas duas irmãs, pelo carinho,
compreensão e apoio incondicional.
Ao meu orientador Silvio Carlos pelo permanente apoio, e sobretudo, pela inteligência e
sabedoria com que encaminhou a execução deste trabalho.
Aos meus amigos que sempre estiveram presentes nessa recente jornada.
5
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte dos requisitos
necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
Análise de Desempenho e Emissões de um Motor Gerador Operando com Biogás
Victor Vasconcelos Barreto
Março/2016
Orientadores: Sílvio Carlos Anibal de Almeida
Curso: Engenharia Mecânica
O presente trabalho tem como objetivo otimizar o desempenho de um motor de combustão
interna alimentado com biogás gerado numa Estação de Tratamento de Esgotos. Foram feitos
ensaios em um grupo motor-gerador ciclo Otto modelo B4T 5000 Bio 4 kW, operando inicialmente
com três combustíveis distintos: gasolina, GNV e biogás. As medições de emissões e consumo
foram feitas para o grupo motor-gerador operando em quatro cargas distintas, que correspondem a
25%, 50%, 75% e 100% da potência nominal do motor. As emissões de CO2, CO, HC e NOx do
motor foram feitas utilizando-se um analisador de gases NAPRO.
Para diminuir a concentração de H2S presente no biogás gerado na ETE foi utilizado
um utilizado um filtro de limalha de ferro.
Numa segunda fase, ensaios mais detalhados, operando apenas com biogás. Uma vez que o
biogás apresenta características específicas, foram alterados alguns parâmetros de forma a
determinar a sua influência no desempenho e emissões. Os parâmetros estudados, além da carga,
foram a relação ar-combustível e o avanço de ignição do motor.
Palavras-chave: Motor Otto, Biocombustível, Biogás, Análise de Desempenho
6
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Mechanical Engineer.
Performance and Emission Analysis of Motor Generator Operating with Biogas
Victor Vasconcelos Barreto
March/2016
Advisor: Sílvio Carlos Anibal de Almeida
Course: Mechanical Engineering
This work aims to optimize the performance of an internal combustion engine fueled with
biogas generated in Sewage Treatment Plant. Tests were performed on an engine-generator set Otto
cycle model B4T 5000 Bio 4 kW, operating initially with three different fuels: gasoline, CNG and
biogas. Measurements of emissions and consumption were made to the engine-generator set
operating on four separate charges, which correspond to 25%, 50%, 75% and 100% of the nominal
motor power. A NaPro gas analyzer took the emissions of CO2, CO, HC and NOx from the engine.
To reduce the concentration of H2S present in the biogas generated in the sewage it was
used an iron powder filter.
In a second stage, more detailed tests were performed, operating only with biogas. Once
the biogas has specific characteristics, some parameters were changed in order to determine their
influence on performance and emissions. The parameters studied in addition to the load, were the
air-fuel ratio and the engine ignition advance.
Key-words: Otto Engine, Biofuel, Biogas, Performance Analysis
7
ÍNDICE
LISTA DE FIGURAS .......................................................................................................................... 8
NOMENCLATURA .......................................................................................................................... 10
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................................... 11
1.1. O BIOGÁS .......................................................................................................................... 11
1.2. OBJETIVOS ........................................................................................................................ 11
2. REVISÃO DE LITERATURA ................................................................................................... 12
2.1. TRABALHOS ..................................................................................................................... 12
2.2. EMISSÕES .......................................................................................................................... 12
2.3. RESUMO BIBLIOGRÁFICO ............................................................................................ 13
3. APARATO EXPERIMENTAL E METODOLOGIA DOS TESTES ........................................ 20
3.1. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO ALEGRIA .............................................. 20
3.2. APARATO EXPERIMENTAL .......................................................................................... 22
3.3. COMBUSTÍVEIS UTILIZADOS ....................................................................................... 26
3.4. CÁLCULO DA MASSA ESPECÍFICA ............................................................................. 26
3.5. CÁLCULO DA RAZÃO A/C ............................................................................................. 27
3.6. CÁLCULO DO CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA DE
CONVERSÃO ENERGÉTICA ..................................................................................................... 30
4. ENSAIOS E MODIFICAÇÕES ................................................................................................. 31
4.1. ENSAIOS ............................................................................................................................ 31
4.2. VARIAÇÃO DO AVANÇO DE IGNIÇÃO ....................................................................... 32
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES .............................................................................................. 34
5.1. ENSAIOS COM GASOLINA, GNV E BIOGÁS............................................................... 34
5.1.1. EMISSÕES DE CO2 .................................................................................................... 34
5.1.2. EMISSÕES DE CO ..................................................................................................... 35
5.1.3. EMISSÕES DE HC ..................................................................................................... 36
5.1.4. EMISSÕES DE NOₓ .................................................................................................... 37
5.1.5. CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA GLOBAL........... 38
5.2. ENSAIOS COM BIOGÁS – INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DA RELAÇÃO AR-
COMBUSTÍVEL............................................................................................................................ 40
5.2.1. EMISSÕES DE CO2 .................................................................................................... 40
5.2.2. EMISSÕES DE CO ..................................................................................................... 41
5.2.3. EMISSÕES DE HC ..................................................................................................... 42
5.2.4. EMISSÕES DE NOₓ .................................................................................................... 43
8
5.2.5. CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA GLOBAL........... 44
5.3. ENSAIOS COM BIOGÁS – INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DO AVANÇO DE
IGNIÇÃO ....................................................................................................................................... 45
5.3.1. EMISSÕES DE CO2 .................................................................................................... 45
5.3.2. EMISSÕES DE CO ..................................................................................................... 46
5.3.3. EMISSÕES DE HC ..................................................................................................... 47
5.3.4. EMISSÕES DE NOₓ .................................................................................................... 48
5.3.5. CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA GLOBAL........... 48
6. CONCLUSÕES .......................................................................................................................... 50
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ....................................................................................... 51
APÊNDICE A – TABELA gasolina .................................................................................................. 53
APÊNDICE B – TABELA gnv ......................................................................................................... 54
APÊNDICE C – TABELA biogás ..................................................................................................... 55
APÊNDICE D – TABELA variação da razão a/c .............................................................................. 56
APÊNDICE E – TABELA avanço de ignição ................................................................................... 58
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Potência gerada em função da eficiência para todos os ensaios [5] .................................. 14
Figura 2 - Potência em função da razão de equivalência e diferentes concentrações de CO2 [6] ...... 14
Figura 3 - Emissões em função da razão de equivalência [4] ............................................................ 15
Figura 4 - Potência e Eficiência térmica em função da fração de CO2 adicionada [11] .................... 16
Figura 5 - Potência em função da razão de equivalência e diferentes concentrações de H2 [7] ........ 17
Figura 6 - Emissões de HC em função da razão de equivalência e diferentes concentrações de H2 [7]
............................................................................................................................................................ 17
Figura 7 - Eficiência em função da razão de equivalência e diferentes taxas de compressão [10] ... 18
Figura 8 - Temperatura dos gases de exaustão em função da razão de equivalência [10] ................. 19
Figura 9 - Fluxograma do tratamento primário realizado na ETE Alegria (Fonte: CEDAE) ............ 20
Figura 10 - Fluxograma do tratamento secundário (Fonte: CEDAE) ................................................ 21
Figura 11 - Fluxograma Projeto Biogás ETE Alegria ........................................................................ 21
Figura 12 - Aparato experimental ...................................................................................................... 22
9
Figura 13 - Grupo motor-gerador ....................................................................................................... 23
Figura 14 - Banco de resistência para simulação de carga ................................................................ 24
Figura 15 - Consumo de gasolina ...................................................................................................... 24
Figura 16 Medidor de vazão de gás natural e biogás ......................................................................... 25
Figura 17 - Analisador de gases NAPRO .......................................................................................... 25
Figura 18 - Pressão do cilindro versus avanço de ignição [1] ........................................................... 32
Figura 19 - Modificação do ponto de ignição - detalhe da chaveta ................................................... 33
Figura 20 - Emissões de CO2 para os combustíveis utilizados .......................................................... 34
Figura 21 - Emissões de CO para os combustíveis utilizados ........................................................... 35
Figura 22 - Emissões de HC para os combustíveis utilizados ........................................................... 36
Figura 23 - Influência da relação ar-combustível na geração de gases poluentes [16] ...................... 37
Figura 24 - Emissões de NOₓ para os combustíveis utilizados .......................................................... 38
Figura 25 - Consumo específico para os combustíveis utilizados ..................................................... 39
Figura 26 - Eficiência global para os combustíveis utilizados........................................................... 39
Figura 27 - Emissões de CO2 em função da relação ar-combustível (λ) ........................................... 40
Figura 28 - Emissões de CO em função da relação ar-combustível (λ) ............................................. 41
Figura 29 - Emissões de HC em função da relação ar-combustível (λ) ............................................. 42
Figura 30 - Emissões de NOx em função da relação ar-combustível (λ) ........................................... 43
Figura 31 - Consumo específico em função da relação ar-combustível (λ) ....................................... 44
Figura 32 - Eficiência global em função da relação ar-combustível (λ) ............................................ 44
Figura 33 - Emissões de CO2 em função do avanço de ignição ........................................................ 45
Figura 34 - Emissões de CO em função do avanço de ignição .......................................................... 46
Figura 35 - Emissões de HC em função do avanço de ignição .......................................................... 47
Figura 36 - Emissões de NOx em função do avanço de ignição ........................................................ 48
Figura 37 - Consumo específico em função do avanço de ignição .................................................... 49
Figura 38 - Eficiência global em função do avanço de ignição ......................................................... 49
10
NOMENCLATURA
GNV Gás Natural Veicular
𝐶𝐸𝐶 Consumo Específico de Combustível. [g / kWh]
𝑃𝐶𝐼 Poder Calorífico Inferior. [MJ/kg]
𝑃𝑖 Potência indicada do motor. [kW]
�̇�𝑐𝑜𝑚𝑏. Vazão mássica de combustível. [g/h]
�̇�𝑣 Vazão volumétrica de combustível. [cm3/h]
(𝐴
𝐶)𝑒𝑠𝑡.
Razão ar-combustível estequiométrica.
(𝐴
𝐶)𝑟𝑒𝑎𝑙
Razão ar-combustível real.
° apms Graus antes do ponto morto superior.
𝜆 Razão de equivalência.
𝜂𝑔 Eficiência global do motor.
𝜌 Massa específica. [Kg/m³]
𝑛𝐶𝑂2 Número de moles de CO2. [kmol]
𝑛𝐶𝑂 Número de moles de CO. [kmol]
𝑛𝑂2 Número de moles de O2. [kmol]
𝑛𝐻𝐶 Número de moles de HC. [kmol]
𝑛𝑁𝑂𝑥 Número de moles de NOx. [kmol]
𝑛𝑁2 Número de moles de N2. [kmol]
𝑛𝐻2𝑂 Número de moles de H2O. [kmol]
𝑛𝐵𝐼𝑂𝐺Á𝑆 Número de moles de biogás. [kmol]
𝑛𝐴𝑅 Número de moles de ar. [kmol]
11
1. INTRODUÇÃO
A busca de novas fontes energéticas, bem como a diminuição da poluição ambiental e a
sustentabilidade nos sistemas de produção, fornece uma nova visão sobre a produção de energia
elétrica a partir do biogás.
A vantagem do biogás em relação ao gás natural é o fato de ser renovável e poder ser produzido
em diferentes locais onde haja biomassa. A desvantagem seria seu menor poder calorífico e a
presenças de sulfeto de hidrogênio e umidade [17].
1.1. O BIOGÁS
O biogás é um dos biocombustíveis que pode ser utilizado em motores de ignição por centelha.
Composto basicamente por metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2). Entretanto, o biogás pode ser
utilizado como uma forma de gerar energia e contribuir para redução da quantidade de biogás sem
uso direcionado aos queimadores.
A presença de substâncias não combustíveis no biogás, como água e o dióxido de carbono,
prejudicam o processo de queima, tornando-o menos eficiente. A presença de CO2 em grandes
concentrações resulta em um baixo poder calorífico do biogás. Além destas impurezas, destaca-se o
sulfeto de hidrogênio (H2S), gás altamente corrosivo e que confere um odor característico ao biogás.
Para que o seu uso seja viável é necessário reduzir a concentração de H2S, através da utilização de
um filtro de limalha de ferro.
Por ser proveniente de uma matriz energética renovável cuja produção está atrelada a processos
contínuos, como no caso de tratamento de esgoto, o biogás é uma alternativa aos combustíveis
fósseis. Entretanto é necessário modificar o motor para que o mesmo possa operar de forma
eficiente e apresente níveis de emissões e consumo específico adequados.
1.2. OBJETIVOS
O presente trabalho teve como objetivo analisar a viabilidade de se utilizar o biogás em um
motor gerador. Esta análise foi realizada através de um ensaio, no qual foi comparado o
desempenho e emissões de um motor gerador ignição por centelha operando com três combustíveis
distintos: gasolina, GNV e biogás, e outros dois ensaios onde o mesmo motor, operando apenas
com biogás, para analisar a influência de parâmetros operacionais (razão ar-combustível e avanço
de ignição) na combustão do biogás.
O trabalho foi organizado em mais cinco capítulos, nos quais serão apresentados outros
trabalhos relacionados, o aparato experimental detalhado, metodologia dos testes, os experimentos
que foram conduzidos e por fim as conclusões.
12
2. REVISÃO DE LITERATURA
O presente capítulo apresentará alguns trabalhos que serviram de referência para a realização
dos ensaios, análise dos resultados, e também como fonte de consulta para reste projeto de
graduação.
2.1. TRABALHOS
Diversos autores tem estudado o emprego de biogás em motores de combustão interna.
Porpatham et. al. [6] e [7] utilizaram um motor de ignição por centelha operando à biogás simulado,
ou seja, reduzindo a concentração de gás carbônico (CO2) ou adicionando hidrogênio (H2) ao
combustível. Porpatham et. al. [10] utilizou um motor diesel adaptado para operar como ciclo otto
usando biogás variando a taxa de compressão. Huang and Crookes [11] e Crookes [4] utilizaram
também um motor de ignição por centelha e uma mistura simulada de biogás, formada pela mistura
de gás natural com CO2.
Coelho et. al. [9] analisaram as impurezas presentes no biogás, o sistema de purificação
necessário e Souza et. al. [5] utilizaram um motor gerador original a gasolina, realizando
modificações no carburador e avanço de ignição para operar com biogás.
Em todos os trabalhos foi observado uma diminuição do rendimento devido ao baixo PCI do
biogás e alteração das emissões devido a presença de CO2 na composição do biogás e alteração da
temperatura da câmara.
2.2. EMISSÕES
O monóxido de carbono (CO) é um gás inodoro e incolor que pode ser proveniente de fontes
naturais ou da combustão incompleta de combustíveis que possuem carbono em sua formulação,
seguindo a reação apresentada pela equação 1. É um gás extremamente tóxico e no organismo
humano reage com a hemoglobina presente no sangue causando redução dos níveis de O2
transportado para as células. A formação deste tipo de poluente é influenciada pela turbulência na
câmara de combustão, a temperatura e o excesso de oxigênio existente na mistura [18]. O CO é o
resultado de um baixo tempo de residência do combustível em altas temperaturas, deste modo, a sua
oxidação para dióxido de carbono é impedida.
1) (Eq. 22 2 COOC
O dióxido de carbono (CO2) é um gás inodoro e pouco mais denso que o ar. Emissões deste gás
contaminam o ar, contribuindo para o aumento do efeito estufa e do aquecimento global.
13
2) (Eq. 22 COOC
Os hidrocarbonetos (HC) são constituídos de carbono e hidrogênio. Em motores de combustão
interna, grande parte dos hidrocarbonetos emitidos na exaustão dos veículos é resultado da queima
parcial e da não queima dos combustíveis fósseis que foram admitidos na câmara de combustão [1].
Diferentes cadeias de hidrocarbonetos podem ser formadas.
Óxidos de nitrogênio (NOx) encontram-se em porcentagem relativamente pequena e são
produzidos na câmara de combustão devido à reação química entre o nitrogênio presente no
combustível e no ar atmosférico, apresentada na equação 3. É uma reação que ocorre com absorção
do calor, (são endotérmicas) por isso, o fator principal que influi sobre a intensidade dessas reações
é a temperatura interna da câmara de combustão [1].
3) (Eq. 2 NNONO
2.3. RESUMO BIBLIOGRÁFICO
Coelho et al. [9] utilizaram um grupo motor-gerador operando a biogás para geração de
energia elétrica. O biogás foi produzido através do processo de digestão anaeróbia do esgoto
proveniente do conjunto residencial da USP, bem como do principal restaurante universitário do
campus. O gás produzido no biodigestor era encaminhado a um sistema de purificação, cujo
principal objetivo era remover o ácido sulfídrico (H₂S) presente no combustível, além de diminuir o
teor de água no mesmo. O sistema de purificação possibilitou a diminuição da concentração de H₂S.
O grupo gerador consistiu num motor de ignição por centelha de 18 kW que alimentou um painel de
teste de potência requerida de 2,4 kW. Constatou-se um nível elevado de hidrocarbonetos não
queimados na análise dos gases de descarga, o que pode ser explicado pela baixa carga a que o
motor estava submetido (15% de sua potência nominal).
Souza et. al. [5] realizaram ensaios num conjunto motor gerador operando originalmente à
gasolina e, posteriormente a biogás com carburador dimensionado, adaptado e com avanço de
ignição. Os resultados mostraram aumento de potência média gerada, porém houve diminuição da
eficiência do conjunto quando comparado ao uso da gasolina.
14
Figura 1 - Potência gerada em função da eficiência para todos os ensaios [5]
Porpatham et. al. [6] utilizaram um motor de ignição por centelha acoplado a um dinamômetro
para analisar a influência da concentração de CO2 no desempenho e nas emissões do motor
operando com biogás. O CO2 é retirado do biogás utilizando-se uma solução de Hidróxido de cálcio
(Ca(OH)2). Assim, o CO2 presente no gás reage com hidróxido de cálcio formando carbonato de
cálcio (CaCO3) e diminuindo deste modo sua concentração no combustível.
Figura 2 - Potência em função da razão de equivalência e diferentes concentrações de CO2 [6]
Potê
nci
a [k
W]
Relação Ar/Combustível (λ)
15
Foi constatado um aumento do PCI do biogás e da potência gerada pelo motor com a
diminuição dos níveis de CO₂, bem como o aumento da faixa de operação para misturas ricas de ar-
combustível (excesso de ar). Houve também aumento da eficiência térmica com o decréscimo da
concentração de CO₂, porém fez-se necessário retardar a ignição na câmara de combustão para se
evitar a detonação. No que diz respeito às emissões, houve diminuição dos níveis de HC, atingindo
o valor mínimo na razão ar-combustível de 0.95 e concentração de CO₂ de 20%. Para misturas
muito pobres, como era de se esperar, houve acréscimo nas emissões de HC, já que o efeito da
combustão incompleta é predominante. Os níveis de NOₓ aumentaram para níveis menores de CO₂,
o que pode ser explicado pela maior admissão de CH4 e O₂, o que leva a combustão a atingir
maiores temperaturas.
Crookes [4] realizou testes em motores de ignição por centelha e por compressão (ambos com
velocidade e carga variáveis, tendo ainda o primeiro taxa de compressão variável) utilizando biogás
simulado (houve variação na concentração de CO₂ no mesmo) e óleos vegetais, monitorando o
desempenho do motor (potência e consumo específico) e as emissões.
Figura 3 - Emissões em função da razão de equivalência [4]
Os resultados obtidos com o motor de ignição por centelha indicaram diminuição das emissões
específicas (massa do componente emitida por unidade de potência) de NOₓ para maiores frações de
CO₂ no biogás, enquanto houve aumento das emissões específicas de HC. Para o monóxido de
carbono, as emissões se mostraram governadas principalmente pela variação da relação A/C,
havendo pouca influência da concentração de dióxido de carbono no combustível. Os resultados
mostraram diminuição das emissões de CO com o afastamento do ponto de operação da zona de
mistura pobre (escassez de ar na mistura), o que se deve à combustão incompleta que ocorre nessa
região. Aumentos na taxa de compressão elevaram as emissões de NOₓ e HC, já que maiores
temperaturas de combustão são alcançadas nessa condição.
Relação Ar/Combustível (λ)
Em
issõ
es [
ppm
]
Em
issõ
es [
%]
16
Huang and Crookes [11] utilizaram um motor de ignição por centelha operando com biogás
simulado (uma mistura de gás natural doméstico e dióxido de carbono) para analisar a influência da
concentração de CO₂ neste combustível no que diz respeito às emissões de CO, HC, NOₓ, bem
como em dados de performance como eficiência térmica e potência medida no eixo (brake power).
Primeiramente os testes foram conduzidos para dois tipos de misturas ar-combustível: pobres, com
razão A/C relativa (λ) de 0.98, e ricas, com razão λ de 1.05, enquanto a taxa de compressão foi
fixada em 13:1. Foi constatada, para ambas as misturas, a diminuição da potência obtida com o
aumento da concentração de CO₂ adicionado ao gás natural, fato explicado pela diminuição da
entalpia de combustão do biogás, e ainda a diminuição da eficiência térmica, justificado pela
diminuição da velocidade de chama na câmara de combustão e consequentemente, maior tempo de
combustão e menores pressões atingidas no cilindro do motor.
Figura 4 - Potência e Eficiência térmica em função da fração de CO2 adicionada [11]
No que diz respeito às emissões de NOₓ, houve diminuição com o acréscimo de CO₂, já que as
temperaturas de combustão atingidas são inversamente proporcionais a concentração de dióxido de
carbono. Quanto ao CO e HC, ocorre aumento de emissão para misturas pobres, já que uma maior
concentração de CO₂ ocasiona menor velocidade de chama, que somado a baixa disponibilidade de
oxigênio neste tipo de mistura leva a uma combustão incompleta.
Porpatham et al. [7] investigaram o efeito da adição de H₂ ao biogás utilizado para alimentar um
motor de ignição por centelha com diferentes razões λ. O biogás apresenta algumas propriedades
desfavoráveis à utilização em motores de combustão interna, como seu baixo PCI e baixa
velocidade de chama. Sendo assim, foram utilizadas 4 misturas, a primeira contendo somente
biogás e as três restantes com diferentes concentrações em volume de H₂ como combustível.
Fração de CO2 [%]
Potê
nci
a [k
W]
Efi
ciên
cia
Tér
mic
a
17
Figura 5 - Potência em função da razão de equivalência e diferentes concentrações de H2 [7]
Os resultados apontaram o aumento da faixa de operação do motor devido as melhores
propriedades do H₂ enquanto combustível, permitindo a combustão numa faixa de λ abaixo do lean
limit (mistura com a quantidade mínima de ar necessária para que ocorra combustão), o que se
refletiu ainda no aumento progressivo da potência no eixo acompanhando o aumento da
concentração de hidrogênio no biogás.
Figura 6 - Emissões de HC em função da razão de equivalência e diferentes concentrações de H2 [7]
Relação Ar/Combustível (λ)
Relação Ar/Combustível (λ)
Em
issõ
es d
e H
C [
ppm
] P
otê
nci
a [k
W]
18
Para as emissões de HC observou-se a diminuição dos níveis para todas as razões λ, o que pode
ser explicado tanto pela menor admissão de hidrocarbonetos na mistura, mas, principalmente pela
melhora da combustão nas regiões de mistura com escassez de ar.
Porpatham et al. [10] adaptaram um motor original a diesel para operar como motor de ciclo
Otto utilizando biogás. O estudo foi realizado para analisar a influência da taxa de compressão no
desempenho do motor. Usualmente, o biogás apresenta altas temperaturas de auto-ignição, o que
aumenta o seu poder anti-detonante e, por consequência, permite a sua utilização em maiores taxas
de compressão. Os resultados apresentaram aumento da potência indicada para maiores taxas de
compressão, o que pode ser explicado pela melhor eficiência térmica alcançada.
Figura 7 - Eficiência em função da razão de equivalência e diferentes taxas de compressão [10]
Para a carga correspondente a 25% da carga máxima do motor, foi constatada uma sensível
diminuição na potência para misturas muito pobres (próximas ao lean limit), o que pode ser
explicado pela diminuição da quantidade de combustível queimado (aumento nas emissões de HC)
como também pela diminuição da eficiência térmica da combustão. Para esta situação, o efeito do
aumento da taxa de compressão não se mostrou significativo.
Relação Ar/Combustível (λ)
Efi
ciên
cia
[%]
19
Figura 8 - Temperatura dos gases de exaustão em função da razão de equivalência [10]
Pode se observar a diminuição da temperatura dos gases de exaustão com o aumento das taxas
de compressão, além do aumento da massa de hidrocarbonetos não queimados. Este comportamento
foi potencializado para o motor operando com 100% da carga máxima, já que baixas temperaturas
de combustão e cargas altas levam a um declínio da qualidade do processo. Este fato se refletiu no
aumento nos níveis de emissão de HC.
Relação Ar/Combustível (λ)
Tem
per
atura
dos
gas
es d
e ex
aust
ão [
ºC]
20
3. APARATO EXPERIMENTAL E METODOLOGIA DOS TESTES
Neste capítulo será feita a descrição de todo aparato experimental utilizado para realização dos
ensaios, bem como os cálculos necessários para processar os dados adquiridos pelo analisador de
gases e obter os resultados de desempenho e emissões.
3.1. ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ESGOTO ALEGRIA
A Estação de Tratamento de Esgoto Alegria (ETE Alegria) é um dos projetos mais importantes
do Programa de Despoluição da Baia de Guanabara. Projetada para receber e tratar até 5.000 litros
de esgoto por segundo. A ETE Alegria possui unidades de tratamento preliminar, primário e
secundário. Um processo completo de tratamento de esgoto.
O tratamento preliminar é composto por grades mecanizadas de sólidos grosseiros, elevatória de
esgotos brutos, grades de sólidos finos e desarenadores.
Figura 9 - Fluxograma do tratamento primário realizado na ETE Alegria (Fonte: CEDAE)
21
No total são cinco biodigestores, cada um com capacidade volumétrica de 7.400 m³. Nestes
equipamentos acontece a digestão anaeróbica do lodo, gerando biogás, água e lodo estabilizado
(sem compostos orgânicos voláteis).
O lodo usado nos biodigestores tem origem no fundo dos tanques de decantação, onde acontece
o tratamento primário. Esse lodo, que repousa no fundo do tanque, é bombeado para um adensador,
onde ocorre o aumento da concentração de sólidos da mistura antes da admissão ao biodigestor.
Figura 10 - Fluxograma do tratamento secundário (Fonte: CEDAE)
Inicialmente, todo o biogás gerado era destinado aos queimadores de gás, sem uso. Atualmente
29% do biogás gerado ainda é mandado para os queimadores e o restante passou a ser aproveitado
pela usina de biogás desenvolvida na ETE Alegria.
A usina de biogás possui um sistema composto pelo processo de filtragem de biogás, conforme
figura 11.
Figura 11 - Fluxograma Projeto Biogás ETE Alegria
22
3.2. APARATO EXPERIMENTAL
O grupo motor gerador foi instalado em uma sala apropriada ao lado da planta produtora de
biogás na ETE Alegria, para que o motor fosse abastecido direto pela fonte, sem a necessidade de
armazenar e transportar o biogás para outro local. Na figura abaixo será apresentado o conjunto
motor-gerador e todo o aparato utilizado.
Figura 12 - Aparato experimental
O aparato experimental consiste em:
Medidor de vazão;
Um motor gerador;
Analisador de gases;
Banco de resistência.
Antes de ser admitido pelo motor, o biogás utilizado nos testes era direcionado para um
sistema de filtragem de H2S, composto por um filtro de limalha de ferro, e ainda um
desumidificador, a fim de diminuir a umidade do combustível. Foi utilizado um redutor de pressão
para que a admissão do combustível fosse feita à pressão atmosférica e um medidor de vazão
23
volumétrica, que foi convertida em vazão mássica multiplicando-se pela densidade dos
combustíveis, cujos valores serão calculados mais adiante.
Figura 13 - Grupo motor-gerador
Utilizou-se o grupo motor-gerador ciclo Otto modelo B4T 5000 Bio, fabricado pela empresa
Branco. A Tabela 1 abaixo contém as suas principais características:
Tabela 1 - Características do motor [12]
Potência Máxima (kW) 4 Cilindrada (cc) 389
Potência Nominal (kW) 3,6 Comprimento (mm) 695
Voltagem (V) 110/220 Largura (mm) 555
Frequência (Hz) 60 Altura (mm) 580
Voltagem de carga (V) 12 Peso líquido (kg) 80
Corrente de carga (A) 8,3 Tipo Monofásico
As medições de emissões e consumo foram feitas para o grupo motor gerador operando em
quatro cargas distintas, que correspondem a 25%, 50%, 75% e 100% da potência nominal do motor.
A fim de medirem-se as cargas elétricas do conjunto em operação, foi utilizado um banco de
resistor simples composto de um chuveiro eletrônico com resistência variável (LORENZETTI,
5500 W).
24
Figura 14 - Banco de resistência para simulação de carga
Como a rotação do grupo permanece constante ao longo de sua operação, varia-se somente a
carga elétrica e o torque do motor. O controlador de potência utiliza um TRIAC como componente
principal, o que torna sua operação trivial.
Quando operado com gasolina, o abastecimento do motor é realizado por um tanque colocado
sobre uma balança digital, a fim de medir-se o consumo de combustível em diferentes cargas. A
vazão em massa foi obtida pela diferença na medição da balança, descontando-se o peso do
recipiente.
Figura 15 - Consumo de gasolina
25
Para o gás natural e o biogás foi utilizado um medidor de gás diafragma, do fabricante LAO,
para monitorar o consumo, conforme figura 16.
Figura 16 Medidor de vazão de gás natural e biogás
Os gases de descarga do motor estão ligados a um analisador de gases NAPRO PC-
MULTIGÁS, a fim de medir as emissões de CO2, CO, HC (hidrocarbonetos totais não queimados)
e NOₓ. Todos os dados foram obtidos de [19].
Figura 17 - Analisador de gases NAPRO
26
3.3. COMBUSTÍVEIS UTILIZADOS
Foram utilizados ao todo três combustíveis: Gasolina, GNV e biogás. Na tabela 2 é apresentado
a composição do biogás produzido na ETE Alegria em três pontos de amostragem:
Tabela 2 - Laudo Biogás produzido na ETE Alegria [19]
Biogás: Laudo Biogás
Entrada Gerador
Saída do 2° Leito Limalha deFerro
Tubulação GNV
CH4 [%] 67,5 72,1 88
CO2 [%] 24,1 26 7,8
N2 [%] 6,7 1,6 4,2
O2 [%] 1,68 0,35 0
Massa Específica (Calculada) [kg/m3] 1,0633 1,0507 0,6481
PCImássico [MJ/Kg] 24,59 22,69 37,69
Sendo utilizado para os cálculos a composição da entrada do gerador. A tabela 2 aponta somente
os componentes com maior participação na composição do gás, porém há ainda alguns
componentes minoritários, como o H2S, extremamente nocivo ao motor, que é filtrado antes da
entrada do biogás no misturador.
3.4. CÁLCULO DA MASSA ESPECÍFICA
A massa específica ( ) do biogás foi calculada a partir dos valores encontrados para cada
componente do biogás [8]:
volume
massaespecíficaMassa
Calculando com base molar:
4) (Eq. ] /³4,22[
% %% % 2224 2224
CNTPkmolm
MMOMMNMMCOMMCH oNcoCH
Foi utilizado a composição do biogás na entrada do gerador, tabela 2, e os valores das massas
molares são apresentados na tabela 3:
27
Tabela 3 - Massa Molar dos principais componentes do biogás
Massa Molar [g/mol]
CH4 16
CO2 44
N2 28
O2 32
Desta forma temos,
kg/m³ 1,0633
A massa específica calculada e poder calorífico da Gasolina, GNV e biogás são apresentados na
tabela 4:
Tabela 4 - Propriedades da Gasolina, Biogás e GNV [19]
Combustível Massa específica [kg/m³] PCI [mJ/kg]
Gasolina 0,7200 45,00
GNV 0,6481 37,69
Biogás 1,0633 24,59
3.5. CÁLCULO DA RAZÃO A/C
A razão A/C é um parâmetro importante para estudar o desempenho e as emissões de motores
de combustão interna, turbinas a gás. Este indica a quantidade de ar utilizada por unidade de massa
ou por unidade molar de combustível. Outro parâmetro utilizado é a razão de equivalência λ, que é
a razão entre a relação A/C real e a estequiométrica: A razão de equivalência é definida por:
5) (Eq.
.esteq
real
C
A
C
A
Temos que:
=1: Temos uma mistura estequiométrica;
>1: Temos uma mistura pobre, ou seja, com alta concentração de O2;
<1: Temos uma mistura rica, ou seja, com baixa concentração de O2;
28
Korakianatis et al. [13] descreveu a seguinte fórmula de combustão estequiométrica de
hidrocarbonetos:
6) (Eq. 4
773,3) 773,3(4
22222 Nb
aObHaCONOb
aHC ba
Esta equação permite o balanceamento da combustão de um hidrocarboneto qualquer,
considerando a composição do ar de 21% de O2 e 79% de N2. Chegamos à razão A/C
estequiométrica pela seguinte equação [13]:
7) (Eq. 008,1011,12
)4(559,34
. y
y
C
A
est
Sendo a
by . Consideraram-se as seguintes massas molares para a equação acima:
- C: 12,011 g/mol
- H2: 2,016 g/mol
- O2: 31,998 g/mol
- N2: 28,157 g/mol
De maneira análoga podemos chegar à razão A/Cest. para o combustível especificado [14]
através da seguinte equação de balanceamento:
8) (Eq. )76,3()68,17,61,245,67( 222222224 222NnOHnCOnNOnONCOCH NOHcoar
Onde n é o número de moles. Pelo cálculo da massa do biogás e da massa molar do ar
chegamos à seguinte fórmula para a razão A/C:
9) (Eq. 0,2386
9,137
.
ar
est
n
C
A
Balanceando a equação (8) chegamos ao valor de 133,32 kmol de ar para a combustão
estequiométrica do combustível utilizado nos ensaios. Esse valor nos dá a seguinte razão A/C:
29
biogás de kg
ar de kg7,7
.
estC
A
Para o biogás com 60% CH4 , Bedoya et. al [15] calcularam em seu estudo a razão A/C de 6,1,
enquanto Porpatham et. al [6] calcularam a razão de 5,7 para o biogás contendo 57% de metano. O
valor encontrado nesse estudo se mostrou coerente, já que uma maior quantidade de metano
necessita de maior quantidade de ar para que ocorra a combustão completa [11].
Para o cálculo da razão A/C real seguimos o caminho inverso. Partimos da concentração dos
gases de descarga medida pelo analisador de gases NAPRO, e balanceamos a seguinte equação:
)76,3()68,17,61,245,67( 222224 NOnONCOCHn arbiogás
10) (Eq. CO 2222 2222HCnNOnOHnnOnNnCOn HCxNOOHCOONco x
A combustão de hidrocarbonetos a baixas temperaturas tem como principais gases de descarga
N2, H2O, CO2 e O2, ou ainda CO e H2 [1]. O biogás, por ser um gás de baixo PCI, apresenta
menores temperaturas e pressões na câmara de combustão, o que pode ser comprovado pela
composição dos gases de exaustão apresentada pelo analisador de gases NAPRO. Os valores de
HCn e xNOn [ver Eq. 10] correspondem a menos de 100ppm (0,01%) e 900ppm (0,09%)
respectivamente. Sendo assim, para efeitos de balanceamento da equação de combustão real, e
consequentemente para o cálculo da razão A/C, os mesmos foram desprezados.
Temos abaixo as equações para o balanceamento da quantidade de combustível, de ar e para a
razão A/Creal, respectivamente:
11) (Eq. 6,91
2 COCO
BIOGÁS
nnn
12) (Eq. 95,045,122 OCOCOAR nnnn
13) (Eq. 95,045,1
3,5
2
22
COCO
OCOCO
real nn
nnn
C
A
30
Sendo assim, podemos chegar à razão A/Creal inserindo-se as concentrações dos gases de
descarga medidos pelo analisador NAPRO, na equação 13.
3.6. CÁLCULO DO CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA DE
CONVERSÃO ENERGÉTICA
O consumo específico de combustível (CEC), é a medida da eficiência de um motor [1]. Pode
ser definido como o consumo de combustível por unidade de potência, conforme a seguinte
equação:
14) (Eq. ][
]/[]/[ .
kWP
hkgmkWhkgCEC
n
comb
Como a medição da vazão de biogás foi realizada em base volumétrica, fez-se necessário o uso
da seguinte equação para a conversão em vazão mássica:
15) (Eq. ³]/[*[m³/h]]/[. mkgmhkgm vcomb
Durante a operação do motor, é desejável que se obtenha baixos valores de CEC , tendo em
vista que estes resultarão em ganho de eficiência. A eficiência de conversão energética, ou
eficiência global, é definida como a razão entre a quantidade de energia produzida por ciclo do
motor e a quantidade de energia fornecida, medida pelo PCI do combustível [1]. A eficiência
global, de agora em diante g , é definida pela seguinte equação:
16) (Eq. ]/[ *]/[
3600
kgmJPCIkWhkgCECg
31
4. ENSAIOS E MODIFICAÇÕES
Neste presente capítulo será explicado cada um dos três ensaios, bem como a modificação
necessária para realizar o avanço de ignição.
4.1. ENSAIOS
Como mencionado anteriormente, os testes foram realizados em 3 etapas, sendo elas:
1. Testes de desempenho e emissões para o motor operando com Gasolina, GNV e Biogás;
2. Testes de desempenho e emissões para o motor operando somente com biogás, variando-se a
razão A/Creal;
3. Testes de desempenho e emissões para o motor operando somente com biogás, variando-se
o avanço de ignição.
Em cada etapa realizada, o motor era submetido a quatro cargas diferentes, impostas pelo banco
de resistência mostrado anteriormente. As cargas correspondem a 25, 50, 75 e 100% da potência
nominal do motor de 3,6 kW. Para cada uma das cargas foram realizadas cinco medições.
Na segunda etapa de testes, o motor operou apenas com biogás e além da variação de carga,
variou-se também a razão λ, tendo percorrido valores de 0,95 (mistura rica) até 1,07 (mistura
pobre).
Na terceira etapa houve ainda a mudança no ponto de ignição. Os testes foram conduzidos para
quatro avanços diferentes de ignição, sendo eles 21º apms (atraso da ignição), 31º apms (avanço
original), 42º apms e 53º apms.
Vale ainda ressaltar que para um avanço de 21° apms, a operação do motor quando submetido a
100% da carga máxima se mostrou extremamente instável, o que tornou impossível a tomada de
qualquer dado de emissões e consumo.
32
4.2. VARIAÇÃO DO AVANÇO DE IGNIÇÃO
A qualidade da combustão depende também do avanço de ignição. Este consiste em adiantar o
ponto de ignição do motor, para que o pico de pressão seja atingido na posição do pistão desejada.
A modificação do ponto de ignição pode ser utilizada também como ferramenta para evitar a
detonação nos cilindros dos motores, como pode ser visto no estudo de Porpatham et al. [10], onde
o aumento da taxa de compressão para a combustão com misturas ricas foi associado a um maior
atraso na ignição do motor, para que o mesmo pudesse operar sem problemas relacionados a
detonação.
A figura 18 a seguir demonstra a variação do avanço da ignição com as máximas pressões
resultantes no cilindro, para um motor típico.
Figura 18 - Pressão do cilindro versus avanço de ignição [1]
A figura 19 mostra a adaptação realizada no motor para que o mesmo pudesse operar com
diferentes avanços de ignição:
33
Figura 19 - Modificação do ponto de ignição - detalhe da chaveta
Pode-se observar que foi realizada uma intervenção mecânica no motor. Foram fabricadas
chavetas adicionais, que acopladas ao virabrequim, posicionavam os pistões em diferentes ângulos
no momento em que era disparada a centelha. O avanço original deste motor é de 31º apms.
34
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os dados medidos pelo analisador de gases NAPRO foram convertidos em um arquivo para
leitura no software EXCEL, onde também foram inseridas as equações obtidas no capítulo 3. Os
gráficos apresentados neste capítulo foram gerados no mesmo software. As tabelas com os dados de
emissões e consumo são apresentadas nos apêndices A, B e C.
5.1. ENSAIOS COM GASOLINA, GNV E BIOGÁS
Foram medidas as emissões e o consumo do motor operando com três combustíveis diferentes:
gasolina, GNV e biogás. Foram realizados ensaios de desempenho e emissões do grupo motor
gerador operando com estes três combustíveis.
5.1.1. EMISSÕES DE CO2
As emissões de CO2 obtidas pelo analisador de gases NAPRO são apresentadas na tabela 5:
Tabela 5 - Comparação das emissões de CO2
Emissões CO₂ [%]
Carga [%] Biogás Gasolina GNV
25 13,96 8,9 9,28
50 14 9,44 10,32
75 13,86 9,56 10,56
100 13,92 9,12 10,14
Figura 20 - Emissões de CO2 para os combustíveis utilizados
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 20 40 60 80 100 120
CO₂
[%]
Carga [%]
Emissões CO₂ [%]
Biogás
Gasolina
GNV
35
Quando operando com biogás, o motor apresentou emissões de CO2 superiores, resultado já
esperado. Sua explicação está principalmente no fato de que o biogás já possui em sua composição
valores de aproximadamente 25% deste gás, o que irá refletir também nas emissões
5.1.2. EMISSÕES DE CO
Segundo Korakianitis et al. [13], motores operando com gás natural geralmente apresentam
redução de 50 a 90% das emissões de CO quando operam com gasolina. Este fato se deve
principalmente a menor razão de equivalência com que o primeiro motor funciona. Na tabela 6 é
apresentado os valores obtidos para os diferentes combustíveis utilizados neste experimento:
Tabela 6 - Comparação das emissões de CO
Emissões CO [%]
Carga [%] Biogás Gasolina GNV
25 2,056 8,502 2,688
50 2,408 9,152 1,99
75 2,724 9,118 1,64
100 2,674 9,81 2,136
Figura 21 - Emissões de CO para os combustíveis utilizados
0
2
4
6
8
10
12
0 20 40 60 80 100 120
CO
[%
]
Carga [%]
Emissões CO [%]
Biogás
Gasolina
GNV
36
Os resultados indicam que com o motor funcionando tanto com GNV quanto com biogás, as
emissões de CO foram inferiores às do motor com gasolina. Isso pode ser explicado pelo fato do
GNV e o biogás apresentarem uma mistura mais homogênea com o ar que a gasolina, propiciando
uma queima mais eficiente.
5.1.3. EMISSÕES DE HC
Assim como o CO, uma combustão mais completa leva a menores níveis de emissão de
hidrocarbonetos. Porpatham et al. [6] mostraram em seu estudo a relação das emissões de HC com a
razão A/C.
A tabela 7 apresenta os valores obtidos pelo analisador de gases NAPRO para as emissões
de HC para os diferentes combustíveis utilizados neste ensaio. Os mesmos resultados são
apresentados na figura 22.
Tabela 7 - Comparação das emissões de HC
Emissões HC [ppm]
Carga [%] Biogás Gasolina GNV
25 43 152,6 92,2
50 45 183,4 62,2
75 44,4 166,6 59,6
100 77,8 176,6 55,8
Figura 22 - Emissões de HC para os combustíveis utilizados
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 20 40 60 80 100 120
HC
[p
pm
]
Carga [%]
Emissões HC [ppm]
Biogás
Gasolina
GNV
37
Note-se que, quando o motor está operando com gasolina, as emissões de HC são mais
elevadas. Isso pode ser explicado pelo fato da gasolina apresentar uma mistura menos homogênea
com o ar, causando o afastamento da razão A/C estequiométrica para este combustível.
5.1.4. EMISSÕES DE NOₓ
As emissões de óxidos de nitrogênio estão relacionadas à concentração de oxigênio no
combustível, bem como a altas temperaturas e pressões atingidas durante o processo de combustão,
conforme figura 23.
A figura 23 mostra a influência da relação A/C na geração de gases poluentes em um motor.
Figura 23 - Influência da relação ar-combustível na geração de gases poluentes [16]
A tabela 8 apresenta as taxas de emissões de NOx obtidas nesse ensaio:
Tabela 8 - Comparação das emissões de NOₓ
Emissões NOₓ [ppm]
Carga [%] Biogás Gasolina GNV
25 120,6 119,6 191
50 197,8 175,4 500,4
75 258,2 218,2 801,6
100 424,2 221,4 984
38
Figura 24 - Emissões de NOₓ para os combustíveis utilizados
Temperaturas elevadas na câmara de combustão aumentam a formação de NOx. No caso,
motores operando com GNV possuem maior temperatura de câmara de combustão, o que explica a
formação de maiores concentrações de NOx. Para o biogás, o fato de apresentar alta concentração
de CO2 e, portanto, baixo poder calorífico, a temperatura de combustão na câmara é menor, o que
explica os menores níveis de emissões de NOx [4].
5.1.5. CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA GLOBAL
O consumo específico obtido para os combustíveis utilizados através das equações (14) e
(15), são apresentados na tabela 9.
Tabela 9 - Comparação de consumo específico para os combustíveis utilizados
Consumo Específico [m³/kWh]
Carga [%] Biogás Gasolina GNV
25 2,45 2,08 1,75
50 1,61 1,31 0,93
75 1,24 0,98 0,75
100 1,15 0,88 0,71
0
200
400
600
800
1000
1200
0 20 40 60 80 100 120
NOₓ
[pp
m]
Carga [%]
Emissões NOₓ [ppm]
Biogás
Gasolina
GNV
39
Figura 25 - Consumo específico para os combustíveis utilizados
A eficiência global é calculada pela Eq. 16 e é apresentada na figura 26.
Figura 26 - Eficiência global para os combustíveis utilizados
As figuras 25 e 26 mostram que, operando com GNV, o motor apresenta valores inferiores de
consumo específico, e superiores de eficiência, em relação ao motor utilizando gasolina. Já
operando com biogás o motor apresentou maior consumo. Isto é devido ao baixo poder calorífico
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 20 40 60 80 100 120
Co
nsu
mo
Esp
ecíf
ico
[m
³/kW
h]
Carga [%]
Consumo Específico [m³/kWh]
Biogás
Gasolina
GNV
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
0 20 40 60 80 100 120
Efi
ciê
ncia
[%
]
Carga [%]
Eficiência Global
Biogás
Gasolina
GNV
40
deste combustível em relação aos demais. Os resultados se mostraram semelhantes aos obtidos em
Crookes [4], o que pode ser explicado pela melhor relação consumo/potência obtida pelo gás
natural.
5.2. ENSAIOS COM BIOGÁS – INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DA RELAÇÃO AR-
COMBUSTÍVEL
As figuras a seguir mostram as variações das emissões e do consumo específico de combustível
apresentadas pelo motor operando com biogás em função da razão de equivalência (λ). Os dados
ilustrados nos ensaios apresentados neste capítulo mostram os resultados em função da carga do
motor e com a razão de equivalência variando numa faixa de 0,95 a 1,07.
5.2.1. EMISSÕES DE CO2
A figura 27 mostra um aumento das emissões de CO2 com o aumento da razão de
equivalência (λ) até valores próximos a 1. A partir desse valor (para misturas levemente pobres), a
tendência observada foi de decréscimo nas emissões de CO2, devido à alta concentração de
oxigênio, o que coincide com os resultados encontrados na literatura [1].
Figura 27 - Emissões de CO2 em função da relação ar-combustível (λ)
Pode-se afirmar também que as emissões de CO2 aumentaram com o aumento da carga.
14,0
14,2
14,4
14,6
14,8
15,0
15,2
15,4
0,90 0,95 1,00 1,05 1,10
%C
O2
λ
Emissões de CO2
Carga 100%
Carga 75%
Carga 50%
Carga 25%
41
5.2.2. EMISSÕES DE CO
A figura 28 mostra que há uma redução das emissões de CO nos gases de descarga com o
aumento da razão ar-combustível e, consequentemente, da razão de equivalência (λ).
Figura 28 - Emissões de CO em função da relação ar-combustível (λ)
A diminuição das emissões de CO em função do empobrecimento da mistura era esperada e
está de acordo com os dados reportados na literatura [1]. Em misturas ricas (λ<1) não há ar
suficiente para queima completa da mistura, o que explica a elevada concentração de CO. Ao
contrário, o excesso de ar (mistura pobre), facilita a combustão de uma maior massa de
combustível e a consequente diminuição da concentração de CO.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
0,90 0,95 1,00 1,05 1,10
%C
O
λ
Emissões de CO
Carga 100%
Carga 75%
Carga 50%
Carga 25%
42
5.2.3. EMISSÕES DE HC
O mesmo comportamento das emissões de CO acontece com a de HC, como será
apresentado na figura 29. Embora os dados estejam sobrepostos, pode-se dizer que as emissões
de hidrocarbonetos aumentam com o aumento da carga.
Figura 29 - Emissões de HC em função da relação ar-combustível (λ)
A figura 29 apresenta o decréscimo nas emissões de HC com o aumento da razão de
equivalência (λ). Comportamento idêntico pode ser observado no estudo desenvolvido por Crookes
[4].
0
10
20
30
40
50
60
70
0,90 0,95 1,00 1,05 1,10
HC
[p
pm
]
λ
Emissões de HC
Carga 100%
Carga 75%
Carga 50%
Carga 25%
43
5.2.4. EMISSÕES DE NOₓ
A figura 30 apresenta as emissões de NOx em função de λ para diferentes cargas de
operação.
Figura 30 - Emissões de NOx em função da relação ar-combustível (λ)
A figura 30 mostra o aumento nas emissões de NOx com o aumento da razão de
equivalência. Isso se deve a maior quantidade de oxigênio livre (O2) que irá se combinar com o
nitrogênio (N2) presente no ar devido ao excesso de ar (consequência da diminuição da vazão de
combustível).
De acordo com os dados da figura 30, pode-se afirmar que as emissões de NOx aumentam
com o aumento da carga.
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0,90 0,95 1,00 1,05 1,10
NO
x [p
pm
]
λ
Emissões de NOx
Carga 100%
Carga 75%
Carga 50%
Carga 25%
44
5.2.5. CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA GLOBAL
O consumo específico obtido para o biogás através das equações (14) e (15), é apresentado
na figura 31.
Figura 31 - Consumo específico em função da relação ar-combustível (λ)
A eficiência global é calculada pela Eq. 16 e é apresentada na figura 32.
Figura 32 - Eficiência global em função da relação ar-combustível (λ)
As figuras 31 e 32 mostram, respectivamente, a diminuição do consumo específico, e
consequentemente, o aumento da eficiência do motor, com o aumento da razão de equivalência (λ).
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
0,90 0,95 1,00 1,05 1,10
m³/
kWh
λ
Consumo Específico
Carga 100%
Carga 75%
Carga 50%
Carga 25%
0,000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
12,000
14,000
16,000
0,90 0,95 1,00 1,05 1,10
Efic
iên
cia
[%]
λ
Eficiência Global
Carga 100%
Carga 75%
Carga 50%
Carga 25%
45
Embora o consumo de combustível aumente com o aumento da carga, o consumo específico de
combustível (m³/kWh) diminui com o aumento da carga. Isso se deve ao fato de que o aumento da
potência é maior do que o aumento do consumo de combustível [6].
A tendência mostrada na figura 31 é de diminuir o consumo de combustível à medida que
empobrecemos a mistura. Como a vazão de ar é fixa, o empobrecimento da mistura ocorre através
da diminuição da vazão de combustível.
5.3. ENSAIOS COM BIOGÁS – INFLUÊNCIA DA VARIAÇÃO DO AVANÇO DE
IGNIÇÃO
O presente capítulo tem como objetivo analisar a influência do avanço de ignição nas emissões
de CO2, CO, HC e NOx e desempenho do motor quando operando com biogás, em diferentes cargas
e λ constante.
5.3.1. EMISSÕES DE CO2
A figura 33 apresenta as emissões de CO2 em função do avanço de ignição, e para diferentes
cargas de operação.
Figura 33 - Emissões de CO2 em função do avanço de ignição
Podemos perceber que para o motor operando em 25, 50 e 75% da carga máxima, as maiores
emissões de CO2 se encontram no avanço de ignição de 31° apms, indicando a melhor combustão
do biogás para esse ponto.
14,6
14,7
14,8
14,9
15,0
15,1
15,2
15,3
15,4
15,5
15,6
15,7
0 10 20 30 40 50 60
CO₂
[%]
Avanço de Ignição
Emissões CO2 [%]
25%
50%
75%
100%
46
5.3.2. EMISSÕES DE CO
Como já mencionado anteriormente, as emissões de CO2 e CO seguem tendências inversas,
sendo que ambas indicam o quão completa está sendo a queima do combustível. Percebemos na
figura 34 que para todas as cargas, com exceção da carga máxima (100%), os menores níveis de
emissões de CO são encontrados para o avanço de 31° apms.
Figura 34 - Emissões de CO em função do avanço de ignição
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
2,00
0 10 20 30 40 50 60
CO
[%
]
Avanço de Ignição
Emissões CO [%]
25%
50%
75%
100%
47
5.3.3. EMISSÕES DE HC
A figura 35 apresenta a evolução das emissões de HC conforme aumentamos o avanço de
ignição. Podemos observar que os maiores níveis de HC são encontrados para o ponto de ignição de
53°.
Figura 35 - Emissões de HC em função do avanço de ignição
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
140,00
0 10 20 30 40 50 60
HC
[%
]
Avanço de Ignição
Emissões HC [%]
25%
50%
75%
100%
48
5.3.4. EMISSÕES DE NOₓ
Podemos observar na figura 36 o aumento das emissões de NOx para maiores avanços de
ignição. Por ser um gás com baixa velocidade de propagação de chama [10], o biogás usualmente
apresenta maiores temperaturas de combustão para pontos de ignição adiantados, o que causará o
aumento nos níveis de NOx.
Figura 36 - Emissões de NOx em função do avanço de ignição
5.3.5. CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL E EFICIÊNCIA GLOBAL
O biogás apresenta baixa velocidade de propagação de chama, logo, maiores avanços tendem a
minimizar os efeitos dessa propriedade, levando a ganhos no desempenho do motor.
0,00
200,00
400,00
600,00
800,00
1000,00
1200,00
1400,00
1600,00
1800,00
2000,00
0 10 20 30 40 50 60
NO
x [
pp
m]
Avanço de Ignição
Emissões NOx [%]
25%
50%
75%
100%
49
Figura 37 - Consumo específico em função do avanço de ignição
A eficiência global é calculada pela Eq. 16 e é apresentada na figura 38.
Figura 38 - Eficiência global em função do avanço de ignição
As figuras 37 e 38 apresentam a variação do consumo específico para diferentes cargas do
motor variando-se o avanço de ignição. Pode-se afirmar que o consumo específico mínimo e
eficiência máxima são apresentados para o motor operando com o avanço de 53° apms, com
exceção para a operação em carga máxima.
0,00
0,50
1,00
1,50
2,00
2,50
3,00
3,50
0 10 20 30 40 50 60
Co
ns
um
o E
sp
ecíf
ico
[m
³/kW
h]
Avanço de Ignição
Consumo Específico
25%
50%
75%
100%
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
18,00
0 10 20 30 40 50 60
Efi
ciê
nc
ia [
%]
Avanço de Ignição
Eficiência Global
25%
50%
75%
100%
50
6. CONCLUSÕES
O presente estudo, de modo geral, mostra que o biogás pode ser utilizado em um motor de
combustão interna para geração de energia, desde que percentagem de H2S em volume não exceda a
0,05 % (limite superior).
Foram feitos estudos para otimizar a performance do motor de combustão interna e as emissões,
por meio de alterações nos parâmetros operacionais do mesmo. Os parâmetros estudados foram a
relação ar/combustível e avanço de ignição.
Quando comparado com gasolina e GNV, os valores de emissões nos gases de exaustão nos
testes realizados com biogás foram inferiores aos do mesmo motor operando com gasolina e
semelhantes aos resultados obtidos com o gás natural. A exceção é o caso das emissões de CO2,
explicado pelas grandes concentrações já presentes no biogás. No caso do NOx, o gás natural
apresenta valores mais elevados devido as temperaturas mais altas atingidas durante seu processo de
queima, enquanto que se mantem praticamente constante para a gasolina e o biogás, uma vez que o
CO2 presente no gás de esgoto tem um efeito diluente, diminuindo a intensidade de sua combustão.
O biogás apresentou maior consumo de combustível em relação ao mesmo motor operando com
gasolina ou gás natural. O que já era esperado devido ao seu baixo poder calorífico (PCI) quando
comparado com os outros combustíveis.
Variando a relação A/C, as emissões de HC e de CO diminuem com a restrição à entrada de
combustível no misturador, ou seja, aumentando-se a razão λ. O fato pode ser explicado pela
melhora na qualidade da combustão, já que nessas condições o motor opera mais próximo da região
estequiométrica. As taxas de CO2 e NOx seguem tendência inversa, aumentando de valor.
Entretanto a taxa de CO2 diminui após λ=1.
Com relação ao avanço de ignição, o menor consumo específico de combustível é encontrado
para o maior avanço de ignição (53° apms), o que significa que para uma determinada potência, este
avanço implica em menor consumo. Já as emissões de CO e HC são otimizadas no ponto de avanço
original do motor, de 31° apms. Os valores mínimos de NOx são encontrados em 21° apms, onde a
combustão se apresenta ainda bastante incipiente, enquanto os níveis mais baixos de CO2 são
encontrados no avanço de 53° apms.
51
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] J. B. HEYWOOD, Internal Combustion Engine Fundamentals, 1ª ed., New York: McGraw-
Hill, Inc., 1988.
[2] B. GÖKALP, H. SOYHAN, I. H. SARAÇ, D. BOSTAN e Y. SENGÜN, “Biodiesel Addition
to Standard Diesel Fuels and Marine Fuels Used in a Diesel Engine: Effects on Emission
Characteristics and First and Second-Law Efficiencies,” Energy & Fuels, vol. 23, p. 1849–
1857, 2009.
[3] C. D. RAKOPOULOS, K. A. ANTONOPOULOS, D. C. RAKOPOULOS, D. T.
HOUNTALAS e E. G. GIAKOUMIS, “Comparative performance and emissions study of a
direct injection diesel engine using blends of diesel fuel with vegetable oils or bio-diesels of
various origins,” Energy Conversion and Management, vol. 47, p. 3272–3287, 2006.
[4] R. CROOKES, “Comparative bio-fuel performance in internal combustion engines,” Biomass
and Bioenergy, vol. 30, pp. 461-468, 2006.
[5] R. G. SOUZA, F. M. SILVA e A. C. BASTOS, “Desempenho de um conjunto motogerador
adaptado a biogás,” Ciência e Agrotecnologia, vol. 34, pp. 190-195, jan./fev. 2010.
[6] E. PORPATHAM, A. RAMESH e B. NAGALINGAM, “Investigation on the eff ect of
concentration of methane in biogas when used as a fuel for a spark ignition engine,” Fuel, vol.
87, pp. 1651-1659, 2008.
[7] E. PORPATHAM, A. RAMESH e B. NAGALINGAM, “Effect of hydrogen addition on the
performance of a biogas fuelled spark ignition engine,” International Journal of Hydrogen
Energy, vol. 32, pp. 2057-2065, 2007.
[8] MOTTA, KENIA UNFER, “Avaliação da geração de biogás de um biodigestor de dejetos
bovinos e suínos” – Curitiba: Universidade Federal do Paraná, 2012.
[9] S. T. COELHO, S. M. VELÁZQUEZ, V. PECORA e F. C. DE ABREU, “Geração de energia
elétrica a partir do biogás proveniente do tratamento de esgoto,” em XI Congresso Brasileiro
de Energia, Rio de Janeiro, 2006.
[10] E. PORPATHAM, A. RAMESH e B. NAGALINGAM, “Effect of compression ratio on the
performance and combustion of a biogas fuelled spark ignition engine,” Fuel, vol. 95, pp. 247-
256, 2012.
[11] J. HUANG e R. CROOKES, “Assessment of simulated biogas as a fuel for the spark ignition
engine,” Fuel, vol. 77, pp. 1793-1801, 1998.
52
[12] Manual do motor Branco - B4T - 5000 BIO.
[13] T. KORAKIANITIS, A. NAMASIVAYAM e R. CROOKES, “Natural-gas fueled spark-
ignition (SI) and compression-ignition (CI) engine performance and emissions,” Progress in
Energy and Combustion Science, vol. 37, pp. 89-112, 2011.
[14] F. DANTAS e E. DE OLIVEIRA, “Relatório de ensaio Nº 345,” Instituto Nacional de
Tecnologia, Rio de Janeiro, 2011.
[15] I. D. BEDOYA, S. SAXENA, F. J. CADAVID, R. W. DIBBLE and M. WISSINK,
"Experimental study of biogas combustion in a HCCI engine for power generation with high
indicated efficiency and ultra-low NOx emissions," Energy Conversion and Management, vol.
53, pp. 154-162, 2012.
[16] OLANYK, LUCIANO ZART, “Avaliação das emissões gasosas de um motor monocilindro
ciclo otto utilizando diferentes misturas de gasolina com etanol e adulterante” – Guarapuava:
Universidade Estadual do Centro-Oeste, 2013.
[17] SALOMON, K. R. “Avaliação Técnico-econômica e ambiental da utilização do biogás
proveniente da vinhaça em tecnologias para geração de eletricidade” – Itajubá: Universidade
Federal de Itajubá, 2007.
[18] ONURSAL, B., GAUTAM. S. P., “Vehicular air pollution: Experience from seven latin
american” World Bank Technical Paper, no. 373, 1997.
[19] LEMOS, M. V. D. “Uso eficiente de biogás de esgoto em motores geradores” – Rio de Janeiro:
Universidade Federal do Rio de Janeiro 2013.
53
APÊNDICE A – TABELA gasolina
GASOLINA carga tempo Tensão corrente freq emissões p inicial p final consumo
minutos volts amperes Hz CO%
CO2%
HC ppm
Nox ppm
O2%
gramas gramas g/min
25% 1000 watts
1 122 7,6 60,2 8,23 9,1 150 112 1,5 769,28 747 23
2 122 7,5 59,8 8,48 9,0 153 122 1,5 739,87 717 22
3 122 7,5 59,9 8,46 8,9 154 123 1,5 712,02 690 22
4 122 7,5 60,0 8,79 8,8 151 120 1,4 684,51 662 22
5 122 7,5 59,8 8,55 8,7 155 121 1,5 657,71 635 22
50% 2000 watts
1 120 18,3 59,3 8,82 9,4 196 154 0,5 601,85 575 27
2 120 18,3 59,2 9,19 9,5 190 183 0,2 563,82 535 28
3 120 18,3 59,2 9,13 9,5 175 184 0,2 531,69 503 28
4 120 18,3 59,2 9,31 9,4 181 181 0,2 499,3 471 28
5 120 18,3 59,5 9,31 9,4 175 175 0,2 465,06 436 29
75% 3000 watts
1 121 25,3 59,0 8,90 9,7 172 227 0,1 415,9 384 32
2 121 25,4 58,8 9,07 9,6 177 229 0,1 380,44 349 31
3 121 25 58,9 9,18 9,5 164 212 0,1 343,91 312 32
4 121 25,4 58,8 9,27 9,5 158 213 0,1 303,91 272 32
5 121 25,4 58,9 9,17 9,5 162 210 0,1 268,03 236 32
100% 4000 watts
1 121 33,3 58,6 9,29 9,4 197 229 0,2 818,06 779 39
2 121 33,3 58,5 9,74 9,2 176 232 0,1 761,43 723 39
3 121 33,1 58,6 9,93 9,1 170 220 0,1 717,31 678 39
4 121 33,3 58,7 10,0
1 9,0 167 217 0,1 665,1 629 36
5 121 33,3 58,7 10,0
8 8,9 173 209 0,1 624,49 587 37
54
APÊNDICE B – TABELA gnv
GNV carga tempo Tensão corrente freq emissões p inicial p final consumo
minutos volts amperes Hz CO%
CO2%
HC ppm
Nox ppm
O2%
dm³ dm³ dm³/min
25% 1000 watts
1 122 7,6 59,5 3,89 8,3 249 145 1,4 200 228 28
2 122 7,6 59,5 1,24 9,9 48 207 2 570 592 22
3 122 7,5 59,9 3,20 9,2 62 186 1,1 835 870 35
4 122 7,5 60,0 2,93 9,4 56 210 1,1 75 98 23
5 122 7,5 59,9 2,18 9,6 46 207 1,6 335 358 23
50% 2000 watts
1 120 18,2 58,9 3,17 9,6 117 356 0,3 250 273 23
2 120 18,2 59,1 0,74 11,0 44 663 0,8 610 638 28
3 120 18,2 59,3 2,44 10,1 52 440 0,3 875 905 30
4 120 18,2 59,4 2,05 10,3 51 470 0,4 120 149 29
5 120 18,2 59,4 1,55 10,6 47 573 0,5 380 409 29
75% 3000 watts
1 122 25,2 58,6 2,20 10,2 77 590 0,3 300 335 35
2 121 25,1 58,8 1,48 10,6 57 830 0,4 665 698 33
3 121 25,1 58,9 1,50 10,6 53 850 0,5 925 958 33
4 121 25,2 59,0 1,27 10,8 48 920 0,5 180 213 33
5 121 25 59,0 1,75 10,6 63 818 0,4 440 474 34
100% 4000 watts
1 121 33,2 57,8 2,26 9,9 65 870 0,4 400 443 43
2 121 33,3 57,7 2,26 10,1 56 980 0,2 750 793 43
3 121 33,3 57,9 2,48 10,0 55 970 0,5 1 44 43
4 121 33,3 58,0 1,86 10,4 53 105
0 0,6 245 286 41
5 121 33,4 57,8 1,82 10,3 50 105
0 0,6 560 602 42
55
APÊNDICE C – TABELA biogás
BIOGÁS carga tempo Tensão corrente freq emissões v inicial v final consumo
minutos volts amperes Hz CO% CO2
% HC ppm
Nox ppm
O2%
dm³ dm³ dm³/min
25% 1000 watts
1 122 7,5 59,1 2,49 13,5 54 113 0,6 750 787 37
2 122 7,5 59,4 1,89 14,1 45 120 0,6 485 521 36
3 122 7,5 59,2 2,01 14,1 43 123 0,6 530 567 37
4 122 7,5 59,4 2,02 14,0 36 120 0,6 575 612 37
5 122 7,5 59,5 1,87 14,1 37 127 0,6 620 657 37
50% 2000 watts
1 120 18,2 58,4 2,11 14,2 40 209 0,2 900 946 46
2 120 18,2 58,8 2,39 13,9 50 193 0,2 870 919 49
3 120 18,2 59,1 2,56 14,0 47 195 0,2 940 989 49
4 120 18,2 59,2 2,48 14,0 44 199 0,2 0 49 49
5 120 18,2 59,3 2,50 13,9 44 193 0,2 65 114 49
75% 3000 watts
1 121 25,3 58,1 2,22 14,1 29 286 0,2 20 73 53
2 121 25,4 58,6 2,76 13,8 47 230 0,2 200 256 56
3 121 25,4 58,3 2,85 13,8 48 259 0,2 270 326 56
4 121 25,3 58,5 2,88 13,8 49 260 0,2 340 396 56
5 121 25,4 58,3 2,91 13,8 49 256 0,2 410 467 57
100% 4000 watts
1 121 33,5 56,8 2,48 13,9 42 414 0,2 200 276 76
2 121 33,5 56,9 2,70 13,9 106 435 0,2 40 107 67
3 121 33,5 57,0 2,73 13,9 93 422 0,2 135 203 68
4 121 33,5 57,1 2,67 14,0 76 424 0,2 215 282 67
5 121 33,5 57,3 2,79 13,9 72 426 0,2 300 367 67
56
APÊNDICE D – TABELA variação da razão a/c
- Emissões de CO2
carga - 25%
carga - 50% λ CO₂ [%]
λ CO₂ [%]
1,07 14,6
1,04 14,8
1,04 14,8
1,00 15,1
1,01 14,4
0,99 14,9
0,99 14,5
0,98 14,6
0,97 14,3
0,96 14,3
0,96 14,1
0,96 14,1
carga - 75%
carga - 100% λ CO₂ [%]
λ CO₂ [%]
1,06 14,5
1,02 15,2
1,00 15,1
1,00 15,3
0,99 14,9
0,99 15,1
0,97 14,7
0,98 14,9
0,96 14,4
0,97 14,6
0,95 14,2
0,95 14,4
- Emissões de CO
carga - 25%
carga - 50% λ CO [%]
λ CO [%]
1,07 0,11
1,04 0,15
1,04 0,39
1,00 0,55
1,01 1,07
0,99 0,95
0,99 1,51
0,98 1,57
0,97 2,00
0,96 2,09
0,96 2,53
0,96 2,54
carga - 75%
carga - 100% λ CO [%]
λ CO [%]
1,06 0,09
1,02 0,13
1,00 0,53
1,00 0,56
0,99 1,06
0,99 0,96
0,97 1,60
0,98 1,50
0,96 2,06
0,97 1,98
0,95 2,66
0,95 2,47
57
- Emissões de HC
carga - 25%
carga - 50% λ HC [ppm]
λ HC [ppm]
1,07 14,8
1,04 24,6
1,04 15,8
1,00 34,0
1,01 31,4
0,99 38,6
0,99 37,2
0,98 43,8
0,97 43,2
0,96 48,8
0,96 52,2
0,96 51,2
carga - 75%
carga - 100% λ HC [ppm]
λ HC [ppm]
1,06 19,4
1,02 43,0
1,00 30,6
1,00 53,8
0,99 54,4
0,99 60,0
0,97 54,6
0,98 64,8
0,96 56,0 0,97 66,6
0,95 58,6
0,95 66,0
- Emissões de NOx
carga - 25%
carga - 50% λ NOx [ppm]
λ NOx [ppm]
1,07 135,0
1,04 306,6
1,04 139,0
1,00 284,6
1,01 125,0
0,99 261,6
0,99 114,4
0,98 204,6
0,97 106,2
0,96 177,2
0,96 99,4
0,96 155,8
carga - 75%
carga - 100% λ NOx [ppm]
λ NOx [ppm]
1,06 427,4
1,02 717,6
1,00 397,2
1,00 578,2
0,99 313,0
0,99 492,8
0,97 248,0
0,98 388,0
0,96 199,8
0,97 333,2
0,95 155,2
0,95 251,2
58
APÊNDICE E – TABELA avanço de ignição
Emissões CO2 [%]
Ponto de Ignição [°]
Cargas [%]
25 50 75 100
21 15,1 15,1 15,3 -
31 15,1 15,2 15,6 15,0
42 14,7 15,0 15,2 15,5
53 14,8 15,0 15,0 15,4
Emissões CO [%]
Ponto de Ignição [°]
Cargas [%]
25 50 75 100
21 1,48 1,63 1,28 -
31 1,43 1,41 0,80 0,59
42 1,71 1,90 1,59 0,16
53 1,60 1,77 1,66 0,71
Emissões HC [ppm]
Ponto de Ignição [°]
Cargas [%]
25 50 75 100
21 30,40 29,40 29,00 -
31 32,33 39,33 28,67 37
42 91,20 78,80 70,60 52,20
53 120,40 83,20 80,40 67,20
Emissões NOx [ppm]
Ponto de Ignição [°]
Cargas [%]
25 50 75 100
21 98,40 131,60 171,40 -
31 117,33 179,67 285,33 376,00
42 144,60 295,60 910,80 1060,60
53 211,80 550,20 910,80 1826,00