COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Nº176050

Tecnologia de motores de combustão interna utilizando GNV/Biogás/Etanol

Marco Isola Naufal Sérgio Inácio Ferreira

Palestra apresentada no WORKSHOP ESTRATÉGICO SOBRE DESAFIOS PARA O DESENVOLVIMENTO DE CAPACITAÇÃO E APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA PARA O USO DE BIOCOMBUSTÍVEIS NAS ATIVIDADES DE PRODUÇÃO NO AGRONEGÓCIO BRASILEIRO, 2019, Piracicaba.

A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________

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Tecnologia

de Motores de Combustão Interna

Utilizando GNV/Biogás/Etanol

Workshop Biogás – Piracicaba – 24/04/2019

Eng. Marco Isola Naufal

Msc. Marcos Henrique Carvalho Silva

Dr. Sergio Inacio Ferreia

Lukas Kretschmar Waeny

Gás natural GNV:

Durante 2017, 130 mil motoristas converteram seus veículos em gás natural (GNC), um

crescimento de 45% em relação a 2016. A economia explica essa evolução: entre junho e

dezembro do ano passado, os preços da gasolina e diesel aumentaram em mais de 15%.

E o GNV, 3,73%. Cerca de 2 milhões de carros no Brasil podem rodar com GNV.

(Fonte: Comgas)

Cenário Brasil

- Duas novas reservas de petróleo (pré-sal) foram descobertas na costa do Brasil, e o

gás natural foi reinjetado no fundo do mar, mas a oferta de GNL está aumentando

consideravelmente e já existem gasodutos transportando gás do pré-sal;

- As reservas de petróleo estão próximos da costa dos principais mercados consumidores

(São Paulo e Rio de Janeiro);

- O GNV tem a capacidade de diminuir consideravelmente as emissões de dióxido de

carbono;

- Fonte firme, sem a intermitência de fontes como eólica e solar;

- Potencial para preparar o caminho para fontes mais renováveis, como o biogás.

Cenário Brasileiro para Gás Natural

Biogás / Renovabio:

Criado pela Lei nº 13.576 / 2017, este programa visa ampliar a produção de

biocombustíveis no Brasil com base na previsibilidade, na sustentabilidade

ambiental, econômica e social, e na compatibilidade com o crescimento do

mercado.

Cenário Brasil

- Clima tropical benéfico para a biodigestão;

- Mais de 200 milhões de habitantes, 80% vivendo em áreas urbanas (resíduos

urbanos);

- A única fonte de energia que tem pegada de carbono negativa em seu ciclo;

- Fonte firme, sem a intermitência de fontes como a eólica e a solar.

Cenário Brasileiro para o Biogás

Legislação MAR-I

(Fonte: Resolução CONAMA Nº 403/2008.)

Legislação P7 (Veículos Pesados)

(Fonte: Resolução CONAMA Nº 403/2008.)

Diesel-gás VS Gás dedicado

Diesel-gás

- Funcionamento com dois

combustíveis simultaneamente

(óleo diesel e gás/biogás),

sendo que o diesel (combustível

piloto) iniciará a combustão do

gás/biogás (combustível

primário).

- - Ignição por compressão na

injeção combustível piloto.

Gás dedicado

Funcionamento exclusivamente a

gás/biogás, geralmente em motores

pesados/agrícolas. É usado um

motor a diesel convertido/ottolizado

com cabeçote modificado, equipado

com velas de ignição.

- Ignição dada pela centelha da vela

de ignição.

Diesel - Gás

Modificado de: Road and Track, 2018.

GÁS/BIOGÁS

Combustão em Motores Diesel-Gás

Pressão na câmara de combustão

Diesel Diesel-gás

(Fonte: FARAMAWY, S.; ZAKI, T.; SAKR, AA-E, 2016.)

Combustão em Motores Diesel-Gás

Taxa líquida de liberação de calor

Diesel Diesel-gás

(Fonte: FARAMAWY, S.; ZAKI, T.; SAKR, AA-E, 2016.)

Emissões de Hidrocarbonetos de

Motores Diesel-gás

“A toxicidade dos hidrocarbonetos provém de cadeias maiores (principalmente

benzopirenos e aldeídos, de acordo com Patrakhaltsev, 1994) sendo, portanto,

necessária uma discriminação das emissões de HC do metano e HC não

metano, a qual favoreceria aos motores Diesel-gás.” (Egúsquiza, 2006, pg. 22)

- No ETC para motores a gás natural, CH4(metano) e NMHC (hidrocarbonetos

não metanosos) são normatizados separadamente.

- Veículos pesados operando com mistura diesel-gás devem ser submetidos à

mesma normatização da operação monocombustível com diesel.

- Somente motores diesel monocombustíveis operando com gás são

reconhecidos pela norma como “motores a gás”.

(Resolução CONAMA Nº 403/2008.)

Vantagens e Desvantagens da Tecnologia Diesel-gás

Vantagens

Não é necessária modificações

complexas no motor

possibilitando o retrofit;

Na ausência do gás/biogás o

motor pode funcionar somente

com o óleo diesel;

O kit de conversão pode ser

desinstalado de um motor e

instalado em outro motor diferente

sendo necessária apenas a

calibração do mesmo.

-

Desvantagens

Baixa taxa de substituição para

motores não-estacionários;

Necessidade de dois tanques

de combustível separados;

Necessidade de local ou veículo

de reabastecimento com

tanques e sistemas separados;

Somente motores ciclo diesel

monocombustíveis operando

com gás são reconhecidos pela

norma como “motores a gás”.

Motores Gás Dedicado

Modificado de: Road and Track, 2018.

Tecnologias para Motores Gás

Dedicado

- Mistura homogênea e estequiométrica ciclo Otto com

catalisador de três vias;

- Mistura pobre ciclo Otto com SCR;

- EGR;

- Injeção direta;

- Utilização de ciclos alternativos como ciclo Miller.

Combustão em Motores Bicombustíveis

Modificado de: Road and Track, 2018.

(Combustível

Primário) (Combustível Piloto)

Diesel-etanol

Fonte: Shijun Dong, Zhaowen Wang⁎, Can Yang, Biao Ou, Hongguang Lu, Haocheng Xu, Xiaobei Cheng, 2018.

Mistura Homogênea e Estequiométrica

Ciclo Otto com Catalisador de Três Vias

- Funcionamento igual a um veículo a GNV porém sem a opção de mudar

para combustível líquido;

- O catalisador de três vias é encarregado da redução e da oxidação das

emissões e, para que funcione, é necessário um funcionamento com

mistura estequiométrica, o que reduz a eficiência térmica do motor quando

comparada a motores com queimas com mistura pobre;

VANTAGENS:

- Funcionamento simplificado, ajuda no desenvolvimento de sistemas de

controle, pois já existem para motores leves;

- Sistema de pós tratamento simplificado, não necessita de reagentes como

ureia purificada;

DESVANTAGENS:

- Menor rendimento térmico/maior consumo.

Mistura Pobre com SCR

- Funcionamento parecido com motores ciclo Diesel: mistura pobre e altas

emissões de NOx;

- O catalisador SCR é encarregado da redução das emissões de NOx.

Estas emissões são incrementadas com as altas taxas de liberação de

calor que atingem o motor Diesel, o que aumenta a eficiência térmica

quando comparada a queimas homogêneas com mistura estequiométrica;

VANTAGENS:

- Maior rendimento térmico/menor consumo;

DESVANTAGENS:

- Funcionamento mais complexo: necessita de calibração para evitar o risco

de falha de ignição;

- Sistema de pós tratamento complexo: necessita de reagentes como ureia

purificada;

EGR – Recirculação de Gases do

Escape

Sistema usado tanto em motores ciclo Otto como no ciclo Diesel. Tem

capacidade de reduzir a temperatura da combustão e, consequentemente,

evitar que o nitrogênio contido no ar sofra oxidação por altas temperaturas;

- O sistema EGR pode ser arrefecido, o que melhora a eficiência do motor;

VANTAGENS:

- Redução das emissões de NOx;

- Melhoria do rendimento térmico/redução do consumo;

DESVANTAGENS:

- Aumento da complexidade do motor;

Injeção Direta de Combustível

O sistema de injeção de gás diretamente

na câmara de combustão tem a

capacidade de estratificar a mistura do

combustível e comburente.

VANTAGENS:

- Melhoria do torque;

- Melhoria do rendimento

térmico/redução do consumo;

DESVANTAGENS:

- Aumento da complexidade do motor

(injetores especiais);

Modificado de: BOSCH-Presse

Ciclos alternativos - Miller

O ciclo Miller possui vantagens em relação

ao conhecido ciclo Otto em termos de

rendimento térmico. Porém, requer

sobrealimentação para não perder potência

em relação a um motor de mesma cilindrada

ciclo Otto. Contudo, nos atuais motores

pesados, a sobrealimentação é aplicada na

maioria dos motores, requerendo um ajuste

na pressão de trabalho do turbocompressor.

VANTAGENS:

- Melhoria do rendimento térmico/redução

do consumo;

- Redução das emissões de NOx e

consequente diminuição do consumo de

ureia;

DESVANTAGENS:

- Necessidade de projeto para comando de

válvulas;

Modificado de: Ticona, Guarato, Braga, 2015

Diesel gás no IPT

Testes Dual fuel para avaliação do potencial da tecnologia.

Parceiros: AGCO e Robert Bosch;

Sistema: Dual fuel monoponto retrofit.

rpm/mg < 900 900 - 1000 1100 - 1300 1300 - 1500 1500 - 1700 1700 - 1900 1900 - 2100 2100 - 2300

5 19147 69009 70826 68974 63116 52647 31580 10962

15 1554220 228295 129951 81970 67960 55347 40108 18228

25 331926 470902 456003 213671 130644 108647 95252 75742

35 189398 431358 406233 199273 129972 123039 254215 21664

45 50827 89334 91986 66600 68759 87318 260117 14390

55 14734 23752 26012 29318 33617 55635 176351 11421

65 33067 16248 15072 19169 23000 42361 167060 10176

75 0 23269 43366 63264 74991 84407 132798 6874

85 0 4703 6850 4935 2016 6452 41975 5474

95 0 0 0 705 6969 15936 56165 56544

105 0 0 0 1511 2781 0 0 0

115 0 0 0 9386 9143 0 0 0

TOTAL (rpm) 2.193.319,00 1.356.870,00 1.246.299,00 758.776,00 612.968,00 631.789,00 1.255.621,00 231.475,00

% do TOTAL 26,47 16,37 15,04 9,16 7,40 7,62 15,15 2,79

Dados de tempo em segundos por débito e

intervalo de rotação repassados pela AGCO.

Datalog: 2300 horas

Máquina: Trator modelo BH214

Aplicação: Preparo de solo e transbordo (cana-de-açúcar)

Temperatura de 30 a 40 graus Celcius

Localidade: Novo Horizonte interior de São Paulo

Dados de Consumo de Combustível por Ponto de Operação

rpm/mg < 900 900 - 1000 1100 - 1300 1300 - 1500 1500 - 1700 1700 - 1900 1900 - 2100 2100 - 2300

5 95.735 345.045 354.130 344.870 315.580 263.235 157.900 54.810

15 23.313.300 3.424.425 1.949.265 1.229.550 1.019.400 830.205 601.620 273.420

25 8.298.150 11.772.550 11.400.075 5.341.775 3.266.100 2.716.175 2.381.300 1.893.550

35 6.628.930 15.097.530 14.218.155 6.974.555 4.549.020 4.306.365 8.897.525 758.240

45 2.287.215 4.020.030 4.139.370 2.997.000 3.094.155 3.929.310 11.705.265 647.550

55 810.370 1.306.360 1.430.660 1.612.490 1.848.935 3.059.925 9.699.305 628.155

65 2.149.355 1.056.120 979.680 1.245.985 1.495.000 2.753.465 10.858.900 661.440

75 - 1.745.175 3.252.450 4.744.800 5.624.325 6.330.525 9.959.850 515.550

85 - 399.755 582.250 419.475 171.360 548.420 3.567.875 465.290

95 - - - 66.975 662.055 1.513.920 5.335.675 5.371.680

105 - - - 158.655 292.005 - - -

115 - - - 1.079.390 1.051.445 - - -

TOTAL (rpm) 43.583.055,00 39.166.990,00 38.306.035,00 26.215.520,00 23.389.380,00 26.251.545,00 63.165.215,00 11.269.685,00

% do TOTAL 16,06 14,43 14,12 9,66 8,62 9,67 23,28 4,15

Gráfico 3D dos Pontos de Consumo

Componentes do Kit

Kit Diesel Gás, Robert Bosch e flauta acoplada à galeria de junção com as

quatro mangueiras de união.

Adaptações realizadas

- Ponto de alimentação e difusor de gás no coletor de admissão, galeria de junção

usinada no IPT e galeria de junção, sólida e transparente com as quatro

mangueiras acopladas.

Projeto do Difusor de Gás

Simulação da velocidade de escoamento do fluido dentro do difusor de gás e

da pressão do escoamento do fluido dentro do difusor de gás.

Projeto do Difusor de Gás

05

101520253035404550

Entr

ada F1 F2 F3 F4 F5 F6

LD1

LD2

LD3

LD4

LD5

LE1

LE2

LE3

LE4

LE5

Vaz

ão M

ássi

ca [

g/s

]

Posição no difusor de GNV

Vazão mássica da entrada e saídas do difusor de GNV

Curva de vazões de GNV por furos do difusor, começando de sua entrada

(1) ao final (6) e corte do coletor de admissão com o difusor de gás em

destaque.

Resultados Obtidos

Rotação (rpm) Carga do motor Taxa de Substituição

850 8% 22%

1000 25% 28%

1000 35% 26%

1000 43% 26%

1200 33% 24%

1200 42% 24%

2000 38% 20%

2000 52% 16%

2100 48% 17%

2100 60% 10%

REFERÊNCIAS

EGÚSQUIZA, J. C. C. Redução das emissões em motores diesel-gás.

Dissertação de Mestrado. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro,

2006.

FARAMAWY, S.; ZAKI, T.; SAKR, AA-E. Natural gas origin, composition, and

processing: A review. Journal of Natural Gas Science and Engineering,

2016.

ROAD AND TRACK, 2018 Disponível em: https://www.roadandtrack.com/new-

cars/car-technology/a19909520/gas-diesel-engine-reactivity-controlled-

compression-ignition/, Acesso em: 31/10/2018.

Bosch-Presse,2015 Disponível em: https://www.bosch-

presse.de/pressportal/de/en/direct-injection-for-cng-engines-35841.html

Ticona, Guarato, Braga, MATHEMATICAL MODELING AND ANALYSIS OF

THERMODYNAMIC PROCESSES OF AN IRREVERSIBLE MILLER CYCLE

WORKING ON A PISTON ROTARY ENGINE, 2015 Acesso em: 17/01/2019

Ticona, Guarato, Braga, MATHEMATICAL MODELING AND ANALYSIS OF

THERMODYNAMIC PROCESSES OF AN IRREVERSIBLE MILLER CYCLE

WORKING ON A PISTON ROTARY ENGINE

2015 Acesso em:17/01/2019

COMGAS, 2018 Disponível em: https://www.comgas.com.br/noticias/130-mil-carros-

convertidos-para-utilizar-o-gnv-em-2017/. Acesso em 17/01/2019.

CONAMA, 2008 Disponível em:

http://www2.mma.gov.br/port/conama/legiabre.cfm?codlegi=591

Acesso em 17/01/2019

Shijun Dong, Zhaowen Wang⁎, Can Yang, Biao Ou, Hongguang Lu, Haocheng Xu,

Xiaobei Cheng, Investigations on the effects of fuel stratification on auto-

ignition and

combustion process of an ethanol/diesel dual-fuel engine, 2018.