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Departamento de Engenharia Mecânica
COMBUSTÃO DIESEL - ETANOL
Alunos: João Paulo Coutinho Cardoso
Adahyl de Paula Garcez Rodrigues
Orientador: Sergio Leal Braga
Introdução
O meio ambiente começou a ser discutido internacionalmente por volta da década
de 60, mais especificamente em 1968, durante o clube de Roma e mais tarde em 1972,
com a realização da Conferência das Nações Unidas sobre Ambiente, em Estocolmo [1].
Devido a grande utilização de óleo nos últimos 70 anos, projeções mostraram um
possível esgotamento das reservas internacionais, o que contribuiria para um grande
aumento no preço desse recurso [2]. Tal aumento de preço tem criado grande apreensão
nas balanças comerciais de países não produtores de petróleo e também representa uma
ameaça ao crescimento de países em desenvolvimento [3]. O medo de que energia
oriunda de combustíveis fósseis não esteja disponível no futuro aumentou o interesse
na possibilidade de se encontrar um substituto para o petróleo. Um dos países que
possui clima e geografia ideais para a substituição de petróleo por combustíveis
baseados em biomassa é o Brasil. Ciente dessa possibilidade, o governo brasileiro criou,
em 1975, o Programa Nacional do Álcool, ou Pró-Álcool, que objetivava substituir os
combustíveis fosseis, tais como a gasolina, por etanol oriundo da cana de açúcar [4].
Óleo diesel é a opção mais comum quando se trata de transporte público, um
combustível que não pode ser renovado sendo produzido do petróleo. Atualmente o
diesel é o combustível mais usado no Brasil, correspondendo a 51% de todo
combustível consumido no país,Figura 1. Combustíveis alternativos não são utilizados
atualmente no transporte público devido a baixa eficiência.
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Figura 1. Consumo de combustível no Brasil.
Bioetanol é a melhor alternativa de combustível para dispositivos que operam
em ciclo Otto enquanto biodiesel é utilizado para dispositivos que operam em ciclo
Diesel. O maior problema ambiental decorrente do uso de Álcool em um dispositivo a
Diesel é o aumento na taxa de combustível não-queimado ou queimado apenas
parcialmente. As primeiras tentativas de utilizar álcool em um motor de compressão por
ignição simplesmente não geraram ignição. Um dos maiores problemas que deve ser
superado é o baixo poder de ignição do álcool diante das condições de uma maquina a
diesel [5]. Isso geralmente é atribuído a alta entalpia de vaporização do álcool e uma
maior temperatura de auto-ignição quando comparada ao diesel.
Objetivos
O objetivo principal desse trabalho é estudar diferentes métodos de converter a
energia contida nos combustíveis presentes em maquinas de combustão interna. Dois
fluidos, com diferentes características de auto-ignição são injetados na câmara de
combustão[6] em instantes diferentes com o propósito de queimar o combustível com
menos poder de auto-ignição. A quantidade de combustível e o tempo de injeção ( Start
of Injection, SOI) são parâmetros que influenciam a combustão. O atraso de ignição é o
parâmetro mais importante da ignição e da combustão de motores a diesel e vai
influenciar diretamente a performance, emissão, barulho entre outros.. Os resultados
mostram diferentes atrasos de ignição para diferentes técnicas de injeção de
combustível, sob taxas de compressão de 16:1 e 20:1
O atraso de ignição é definido como intervalo entre a injeção de combustível e o
inicio da combustão. Portanto, o inicio da injeção e o inicio da combustão devem ser
determinados para que se conheça o atraso na ignição [7]. O momento de injeção pode
ser definido como o momento em que a agulha injetora se desloca. Entretando, é mais
dificil definir o inicio da combustão. Muitos métodos foram sugeridos para se encontrar
o inicio da combustão, esses métodos são classificados em duas categorias: métodos
diretos e indiretos [8]
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O método direto é baseado em medições da posição da chama com relação ao
tempo, esse método exige uma grande modificação na câmara de combustão, visto que é
necessária a instalação de uma janela de quartzo para visualizar a chama. Além disso,
uma camera de alta velocidade e necessaria para que seja possivel gravar o fenomeno de
combustao. O método indireto por sua vez é baseado nos dados relacionados a pressão-
tempo do ciclo. Com um sensor de pressão instalado no cilindro, é possivel capturar,
com precisão, a variação de pressão com relação ao tempo. Entretanto, curvas P-T não
são suficientes para fornecer diretamente os parametros de combustão, seria necessario
também um pouco de intuição para definir o atraso de ignição e o tempo de duração, o
que torna o método não tão preciso.
A primeira e a segunda derivada da curva de pressão com relação ao tempo (dp
and d²p) permitem a avaliação do atraso de ignição com uma margem de erro aceitável.
Aparato Experimental
O dispositivo utilizado para esse estudo é mostrado na figura 2. A Máquina de
Compressão Rápida (MCR) está instalada no Laboratório de Engenharia Veicular
(LEV) na PUC-Rio. Essa máquina consegue operar de maneira rápida e fácil no ciclos
Otto e Diesel. A MCR simula um processo simples de compressão e um processo
parcial de expansão, permitindo um estudo detalhado de injeção, mistura, vaporização,
ignição e combustão. Isso inclui um diagnostivo visual, deslocamento do pistão e
pressão na camara de combustão. A tabela 1 resume as principais especificações da
MCR.
Figura 2: MCR instalada no Laboratório de Engenharia Veicular da PUC-Rio
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Tabela1 : Principais especificações da MCR
Diâmetro do pistão (mm) 84
Curso do pistão (mm) 120 - 249
Taxa de compressão (-) 5 - 25
Rotação (rpm) 1500 - 3500
Sistema de injeção Diesel e Otto
Max. pressão de combustão (bar) 200
Temperatura máxima do Cilindro /
pistão 120°C
Para os testes foram instaladas na MCR dois injetores e um medidor de pressão,
como mostrado nas figuras 3 e 4
Figura 3: Disposição geométrica da camara de combustão da MCR
O sistema de injeção de Diesel foi feito utilizando um sistema de injeção comum
que suporta uma pressão máxima de injeção de 1800 bar. O sistema de injeção de etanol
foi feito com um injetor de uma maquina de ignição por centelha, que suporta pressões
acima de 100 bar.
Figura 4: Adaptações feitas na MCR
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Metodologia
O ar foi injetado na camara de combustão antes da compressão e o Etanol H100
e Diesel S10 foram injetados. O tempo de injeção e a pressão dos combustíveis foram
reajustados com o objetivo de se obter a mesma quantidade de energia quimica injetada
em um processo de combustão a diesel. As caracteristicas do motor utilizado como
referencia são mostradas na tabela 2.
Tabela 2: Caracteristicas da máquina diesel
Diâmetro 85 mm
Extensão da haste de
conexão
145 mm
Desalinhamento 0,4 mm
Deslocamento 1997 cm3
Número de cilindros /
Geometria
4 cilindros enfileirados
Número de válvulas 4 valves
Taxa de compressão 16
Energia máxima 120 kW CEE (163 ch
CEE)
Torque máximo 340 Nm
Inércia fria 800 tr/mn (± 20
tr/min) à 20°C
Inércia quente 750 tr/mn (± 10
tr/min) à 80°C
Inércia 5100 tr/Mn (+/- 150)
Rotaçãomáxima 5000 tr/mn
O poder calorifico inferior do Diesel S10 é de aproximadamente 45 MJ/kg [9] e
para o Etanol H100 é 24.9 MJ/kg [10]. Aquecedores elétricos foram adaptados na parte
superior do cilindro e no pistão para se obter as condições termicas apropriadas durante
os experimentos. As condições para os testes são mostradas nas tabelas 3,4,5,6 e 7. Para
os testes realizados com etanol H100, a porcentagem de carga utilizada é equivalente a
porcentagem de carga de Diesel S10 substituido.
Tabela 3: Condições de teste para Diesel S10
Taxa de compressão (-) 16:1/ 20:1
Velocidade do motor
(rpm) 1500 / 1750
Deslocamento máximo
do pistão (mm) 217
Pressão (bar) 21.8 / 23.3
Temperatura na parede
do cilindro (°C) 55
Pressão do ar de
combustão (mbar) 1100
Combustivel Diesel S10
PCI (MJ/kg) 45
Inicio da injeção (mm) 209 / 212.6
Pressão de injeção do 1070
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Diesel S10 (bar)
Carga para taxa = 16:1
(%) 100, 75, 60, 50, 45 e 25
Carga para taxa = 20:1
(%)
100, 75, 65, 55, 45, 35 e
25
Tempo de injeção (ms)
para taxa = 16:1
0.917, 0.716, 0.596,
0.516, 0.476 e 0.315
Tempo de injeção (ms)
para taxa = 20:1
1.318, 1.017, 0.897,
0.776, 0.656, 0.536 e
0.416
Tabela 4: Condições para o primeiro teste com mistura de combustíveis (60% de carga)
Taxa de compressão (-) 16:1
Velocidade do motor
(rpm) 1500
Deslocamento máximo do
pistão (mm) 217
Pressão (bar) 21.8
Temperatura na parede do
cilindro (°C) 55
Pressão do ar de
combustão (mbar) 1100
Combustível
Diesel S10 / Etanol
H100
PCI (MJ/kg) 45 / 24.9
Carga (%) e início da
injeção (mm) para o teste
1 25 / 0 e 209 / 0
Carga (%) e início da
injeção (mm) para o teste
2 60 / 0 e 209 / 0
Carga (%) e início da
injeção (mm) para o teste
3 25 / 35 e 209 / 108.7
Carga (%) e início da
injeção (mm) para o teste
4 25 / 35 e 209 / 0
Pressão de injeção do
combustível(bar) 1070 / 100
Tempo de injeção para o
teste 1 0.315 / 0
Tempo de injeção para o
teste 2 0.596 / 0
Tempo de injeção para o
teste 3 0.315 / 3.507
Tempo de injeção para o
teste 4 0.315 / 3.507
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Tabela 5: Condições para o segundo teste com mistura de combustíveis (75% de carga)
Taxa de compressão (-) 16:1
Velocidade do motor
(rpm) 1500
Deslocamento máximo do
pistão (mm) 217
Pressão (bar) 21.8
Temperatura na parede do
cilindro (°C) 55
Pressão do ar de
combustão (mbar) 1100
Combustível
Diesel S10 / Etanol
H100
PCI (MJ/kg) 45 / 24.9
Carga (%) e início da
injeção (mm) para o teste
1 45 / 0 e 209 / 0
Carga (%) e início da
injeção (mm) para o teste
2 75 / 0 e 209 / 0
Carga (%) e início da
injeção (mm) para o teste
3 45 / 30 e 209 / 108.7
Carga (%) e início da
injeção (mm) para o teste
4 45 / 30 e 209 / 0
Pressão de injeção do
combustível(bar) 1070 / 100
Tempo de injeção para o
teste 1 0.476 / 0
Tempo de injeção para o
teste 2 0.716 / 0
Tempo de injeção para o
teste 3 0.476 / 3.087
Tempo de injeção para o
teste 4 0.476 / 3.087
Tabela 6: Condições para o terceiro teste com mistura de combustíveis (100% de carga)
Taxa de compressão (-) 20:1
Velocidade do motor (rpm) 1750
Deslocamento máximo do
pistão (mm) 217
Pressão (bar) 23.3
Temperatura na parede do
cilindro (°C) 55
Pressão do ar de combustão
(mbar) 1100
Combustível Diesel S10 / Etanol
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H100
PCI (MJ/kg) 45 / 24.9
Carga (%) e início da
injeção (mm) para o teste 1 212.6 / 0
Carga (%) e início da
injeção (mm) para o teste 2 1070 / 100
Carga (%) e início da
injeção (mm) para o teste 3 100 / 0 e 1.318 / 0
Carga (%) e início da
injeção (mm) para o teste 4
10 / 90 e 0.235 /
11.909
Pressão de injeção do
combustível(bar)
15 / 85 e 0.295 /
11.279
Tempo de injeção para o
teste 1
20 / 80 e 0.355 /
10.649
Tempo de injeção para o
teste 2
25 / 75 e 0.416 /
10.019
Tempo de injeção para o
teste 3
30 / 70 e 0.476 /
9.389
Tempo de injeção para o
teste 4
50 / 50 e 0.716 /
6.868
Resultados
Os testes foram conduzidos com Diesel S10 e Etanol H100. O teste realizado
com Diesel S10, nas condições originais de injeção e pressão serviram como referencia
para os testes com H100. Os resultados obtidos são apresentados para taxas de
compressão 16:1 e 20:1.
Os testes com Diesel S10 foram feitos mudando a taxa de compressão e a
quantidade de combustivel injetado. Para uma taxa de 16:1 o inicio da injeção se deu em
209 mm e para os testes com taxa 20:1, o inicio da injeção ocorreu em 212.6 mm.
A figura 5 mostra o comportamento da pressão nos testes utilizando Diesel s10 e
uma taxa de 16:1. O pico de pressão para os testec com 25%, 50% e 100% ocorre por
volta de 0.83 ms, 0,47 ms e 0.15 ms após o ponto morto superior.
Figura 5: Comportamento da pressão no teste com Diesel s10 e TC 16:1
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Tabela 7:Atraso da ignição utilizando o metodo indireto das derivadas
Teste Carga
(%)
Atraso na ignição
dp d²p
�̅�(ms) 𝑠2 (ms)
�̅�(ms) 𝑠2 (ms)
D-TC16-
1 25 1.20 0.10 0.86 0.11
D-TC16-
2 45 1.21 0.25 0.83 0.33
D-TC16-
3 50 1.21 0.15 0.61 0.09
D-TC16-
4 60 1.16 0.02 0.57 0.03
D-TC16-
5 75 1.13 0.03 0.48 0.11
D-TC16-
6 100 1.07 0.07 0.81 0.12
A figura 6 mostra o comportamento do atraso na ignição determinado pelo
metodo da primeira derivada com relação a pressão. O valor máximo encontrado nos
testes foi 1.21 ms e o valor mínimo foi 1.07 ms.
Figura 6: Atraso na ignição pelo método da primeira derivada
A figura 7 mostra o comportamento da pressão nos testes realizados com Diesel
s10 e taxa de compressão 20:1. O máximo de pressão para os testes com 25%, 55% e
100% ocorreram por volta de 0.83 ms, 0.47 ms e 0.15 ms após o ponto morto superior.
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Figura7: Comportamento da pressão no teste com Diesel s10 e TC 20:1
A figura 8 mostra o comportamento do atraso na ignição determinado pelo
metodo da primeira derivada com relação a pressão. O valor máximo encontrado nos
testes foi 0.62 ms e o valor mínimo foi 0.43 ms.
Figura 8: Atraso na ignição pelo método da primeira derivada
Os testes foram feitos com Diesel S10 e Etanol H100, 60% de carga and TC = 16:1
(DF1).
Os testes com Diesel S10 e etanol H100 foram feitos mudando a taxa de
substituição e a quantidade de combustivel injetado.
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Figura 9: Pressão no cilindro para os testes com Diesel S10 e etanol H100, TC = 16:1 e
60% de carga
A pressão máxima para os testes 1,2, 3 e 4 ocorre por volta de 0.96 ms, 0.24 ms,
0.33 ms e 0.15 ms respectivamente
A tabela 10 mostra o comportamento do atraso na ignição do processo de
combustão com carga de 60%. Nesse caso, a injeção de etanol no ponto morto inferior
diminui o atraso de ignição se comparado a injeção quando o pistão está na metade do
seu movimento
Tabela 10:Atraso da ignição utilizando o metodo indireto das derivadas
Teste Número
Atraso na ignição
dp d²p
�̅�(ms) 𝑠2 (ms)
�̅�(ms) 𝑠2 (ms)
DF1
1 1.20 0.10 0.86 0.11
2 1.16 0.02 0.57 0.03
3 0.97 0.09 0.60 0.23
4 0.95 0.10 0.49 0.13
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Os testes a seguir foram feitos com Diesel S10 e Etanol H100, 75% de carga and
TC = 16:1 (DF2)
Figura 10. Pressão no cilindro para os testes com Diesel S10 e etanol H100, TC = 16:1 e
75% de carga.
A pressão máxima para os testes 1,2,3 e 4 ocorreu por volta de 0.48 ms, 0.29 ms,
0.19 ms e 0.24 respectivamente
Tabela 11:Atraso da ignição utilizando o metodo indireto das derivadas
Teste Numero
Atraso na ignição
dp d²p
�̅�(ms) 𝑠2 (ms)
�̅�(ms) 𝑠2 (ms)
DF2
1 1.21 0.25 0.83 0.33
2 1.13 0.03 0.48 0.11
3 1.23 0.10 0.70 0.19
4 1.16 0.19 0.67 0.09
A tabela 11 mostra o comportamento do atraso na ignição do processo de
combustaõ com uma carga de 75%. Semelhantemente ao caso anterior, a injeção do
etanol no ponto morto inferior diminui o atraso da ignição se comparado a uma injeção
quando o pistão está na metade do seu movimento
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Os Testes foram feitos com Diesel S10 e Etanol H100, 100% de carga e TC =
20:1 (DF3)
Figura 11. Pressão no cilindro para os testes com Diesel S10 e etanol H100, TC = 20:1 e
100% de carga.
A figura 11 mostra o comportamento da pressão nos testes 1,3,5 e 7. A pressão
máxima para esses testes ocorreu por volta de 0.49 ms, 1.1 ms, 1.12 ms e 1.11 ms
respectivamente.
Tabela 12: Atraso da ignição utilizando o metodo indireto das derivadas
Teste Numero
Atraso na Ignição
dp d²p
�̅�(ms) 𝑠2 (ms)
�̅�(ms) 𝑠2 (ms)
DF3
1 0.43 0.08 0.26 0.09
2 0.94 0.01 0.43 0.13
3 0.89 0.07 0.48 0.05
4 0.93 0.05 0.52 0.03
5 1.19 0.10 0.54 0.05
6 1.22 0.11 0.58 0.13
7 1.29 0.19 0.81 0.21
Conclusões
O tempo de atraso diminui enquanto a taxa de compressão aumenta durante o
processo de combustão por compressão. Foi observado que, se a compressão do Diesel
muda de 16:1 para 20:1, o atraso da combustão decai cerca de 55%.
Para os testes com mistura de combustivel e uma taxa de compressão de 16:1, o tempo
de atraso na combustão aumenta cerca de 10% quando a carga aumenta de 60% para
75%.
Para a substituição de diesel por etanol no processo de combustão é
recomendado o aumento da taxa de compressão e a adição de um aditivo ao etanol. Tal
aditivo deve aumentar a lubricidade e inibir a corrosão.
Quando a taxa de compressão aumenta, a combustão de etanol h100 com diesel
s10 causa altos pontos de pressão. Pôde ser observado uma máxima de cerca de 111 bar
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durantes o teste DF3-7 (TC 20:1). Portanto, o engenheiro deve escolher a melhor opção
de custo-beneficio para a adaptação do mecanismo.
Referências
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doi:10.4271/952512
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Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro, RJ – Brazil, 2005, 123p.
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8 - Reddy, P., Krishna, D., Mallan, K. and Ganesan, V., “Evaluation of Combustion
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Technical Paper 930605, (1993), doi:10.4271/930605.
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10 - Villela, A. and Machado, G., "Multifuel Engine Performance, Emissions and
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