ESTUDO EXPERIMENTAL DA COMBUSTÃO DO ETANOL … · O Biodiesel e o etanol são fortes candidatos para esta finalidade. No entanto, o estudo experimental da combustão de biocombustíveis

Departamento de Engenharia Mecânica

ESTUDO EXPERIMENTAL DA COMBUSTÃO DO ETANOL

ADITIVADO NA MÁQUINA DE COMPRESSÃO RÁPIDA

Aluno: Dayana Siqueira de Azevedo

Orientador: Carlos Valois Maciel Braga

Introdução

Hoje em dia, muitas pesquisas estão sendo realizadas para substituir o diesel por

combustíveis alternativos. O Biodiesel e o etanol são fortes candidatos para esta finalidade.

No entanto, o estudo experimental da combustão de biocombustíveis em motores não é uma

tarefa fácil. Devido às grandes diferenças entre as propriedades dos novos combustíveis e o

diesel convencional, alterações radicais podem ser necessárias nos motores atuais,

desenvolvidos especificamente para o combustível fóssil. Assim, o estudo experimental da

combustão por compressão para a ignição do etanol não é simples de ser obtida nos motores

convencionais. Portanto, algum aparato experimental, como uma máquina de compressão

rápida (MCR), é útil para a realização desse tipo de estudo. Este relatório descreve as

adaptações feitas na MCR, a fim de executar testes de combustão usando o combustível

etanol-aditivado (ED95), o combustível desenvolvido pela Puc-Rio (ADPUC) e o diesel (S50)

para diferentes taxas de compressão e tempo de injeção. A MCR foi equipada com um

sistema de injeção do diesel (Common-Rail), um sensor piezoeléctrico, o seu amplificador e

uma câmara de alta velocidade. A ideia é usar os resultados obtidos com este sistema no

futuro para adaptar os motores e fazer correlações com os testes do motor.

A utilização de etanol como um substituto para o gasóleo nos motores diesel requer

qualquer modificação do motor, ou a utilização de aditivos para reduzir a temperatura de

ignição do combustível álcool. Durante mais de 30 anos, o etanol tem sido utilizado como

fonte de energia química na propulsão de veículos com motor diesel [1]. Pesquisas nos

últimos anos têm mostrado resultados positivos: em 2006, a União Europeia tem incentivado

o projeto BEST - Bioetanol para o Transporte Sustentável, coordenado pela cidade de

Estocolmo, na Suécia [2]. Este projeto teve como objetivo testar o aditivo de etanol em

veículos de transporte público em várias cidades do mundo, incluindo São Paulo [3]. Em São

Paulo, o projeto foi realizado com parceria de várias empresas. Scania América Latina

importou o chassi e o motor da Suécia, Marcopolo projetou, construiu e forneceu o corpo [4],

UNICA - União da Indústria de cana de açúcar forneceu o etanol para testes e BAFF /

SEKAB fez o aditivo, enquanto a Petrobras se encarregou da importação deste aditivo [3]. O

ED95 usado em motores diesel consiste em 95% de etanol e 5% de um aditivo com

características de melhoramento de ignição [2].

O Laboratório de Engenharia Veicular da Puc-Rio utilizou os testes com o

combustível ED95 para elaborar o novo combustível (ADPUC), foi utilizado o


Polietilenoglicol (PEG), que é um tipo de polímero obtido da polimerização do óxido de

etileno, cujo peso molecular disponível comercialmente varia entre 300 e 10.000.000. Os

testes foram realizados com o PEG 400 nas concentrações de 10, 15 e 20% (m/m) em etanol

hidratado como aditivos para encontrar um resultado semelhante ao ED95.

Objetivos

O principal objetivo é desenvolver novas tecnologias para orientar a concepção de

novos motores e nova formulação do combustível, reduzindo rapidamente o tempo e os custos

do processo de desenvolvimento. Os resultados mostram o comportamento da combustão,

com a variação da taxa de compressão e o tempo de injeção. O momento de injeção associada

com taxas de compressão mais elevadas permite a otimização do processo de combustão,

aumentando a eficiência térmica, reduzindo assim as emissões de gases de escape.

Equipamentos e Metodologia

A. Máquina de Compressão Rápida (MCR)

A utilização da MCR permite estudar o comportamento dos combustíveis quando são

testados em processos de combustão por compressão e de ignição por centelha. A MCR está

instalada no Laboratório de Engenharia Veicular (LEV) na universidade PUC-Rio. Esta

máquina é capaz de operar de forma rápida e facilmente em ciclos Otto e Diesel. Figuras 1 e 2

mostram a foto da MCR e seu esquema de operação.

Figura 1. MCR instalada no LEV (PUC-Rio)

A máquina de compressão rápida executa um único processo de compressão e um

processo de expansão parcial para cada teste, desta forma possibilita os estudos mais

detalhados da injeção, vaporização, ignição, crescimento de chamas e combustão dos

combustíveis. A Tabela 1 resume as principais especificações da MCR.


A operação da MCR pode ser explicada mediante três sistemas interligados com

funções predeterminadas: pneumático, hidráulico e de injeção de combustível. O sistema

pneumático fornece e controla o sistema de ar para o acionamento da MCR e para o processo

de combustão. Basicamente, compreende de um cilindro para armazenamento de ar

comprimido, um compressor, sensores de pressão e válvulas de admissão. O sistema

hidráulico é o encarregado das funções principais da MCR, o qual permite a geração do

processo de compressão no teste. Além disso, este sistema assegura a vedação entre o

cabeçote e o corpo da MCR, tendo as partes acopladas. Basicamente, compreende de um

reservatório de óleo, uma bomba de pistão, válvulas e sensores de alta pressão.

Figura 2. Adaptação e instalação da MCR para testes a diesel

Tabela 1. Importantes especificações da MCR.

Diâmetro do pistão (mm) 84

Curso do pistão (mm) 120 - 249

Taxa de compressão (-) 5 - 25

Simulação de rotações (RPM) 1500 - 3500

Sistema de injeção direta Diesel e Otto

Max. Desempenho do tiro 30 único tiro/h

Max. Pressão de combustão (bar) 200

Max Pressão de acionamento do pistão (bar) 0-50

O teste é determinado a partir da câmara de ar pressurizada, quando se alcança a

pressão de acionamento do pistão e a pressão do ar na câmara o pistão se move (curso de

compressão) e o pistão de óleo (pistão de equilíbrio) se move em sentidos oposto, o que

minimiza a vibração do equipamento. A velocidade de condução do pistão é determinada pela

pressão da câmara de ar, a pressão de acionamento do pistão e também pela unidade de área

de óleo que flui dentro da MCR. Esta área é ajustável e permite que a MCR simule diferentes

velocidades do motor. Em relação à mesma área de fluxo, as pressões de acionamento mais

elevadas significam taxas de compressão mais elevadas. A pressão de acionamento deve ser

compatível com o curso do pistão para evitar danos mecânicos (choque entre o pistão e o


cabeçote). O sistema de injeção de combustível pode operar com injetores de alta e baixa

pressão de injeção. Este sistema está equipado com um controlador que permite controlar a

pressão de injeção de combustível e o tempo de duração da injeção, um sensor de pressão,

uma vela de ignição utilizada nos processos de ignição por centelha, um injetor de

combustível, uma bomba de alta pressão e o tanque de combustível.

B. Metodologia

A MCR foi equipada com sistema de injeção do diesel (Common-Rail). O ar foi

introduzido na câmara de combustão, antes do curso de compressão, e o combustível ED95

foi ajustado ao tempo de injeção típico. O tempo e a pressão da injeção do ED95 foram

reajustados para fornecer a mesma quantidade de energia química injetado num processo de

combustão diesel. As características do motor utilizado como referência estão apresentados na

Tabela 2. O valor do poder colorífico inferior (PCI) do diesel S50 é de aproximadamente 44,5

MJ / kg [5], para o ED95 é de 24,7 MJ / kg [6], já para o ADPUC ainda não foi encontrado o

valor real do PCI. Para cada processo de combustão, cerca de 80% a mais de massa de ED95

foi injetado em relação à quantidade de combustível injetado quando se opera com diesel S50.

As adaptações e instalação experimental na MCR foram mostradas na figura. 2. Aquecedores

elétricos foram adaptados tanto na parte superior do revestimento do cilindro quanto na

cabeça do pistão para o condicionamento térmico adequado da câmara de combustão durante

as experiências. A temperatura da parede e da cabeça do pistão foi estabelecida a cerca de 90

° C.

Tabela 2. Características do motor diesel.

Diâmetro interno 85 mm

Curso 88 mm

Comprimento do biela 145 mm

Tolerância 0,4 mm

Cilindrada 1997 cm3

Número de cilindros / Arquitetura 4 cilindros em linha

Número de válvulas / cilindros 4 válvulas

Taxa de compressão nominal 16

Potência máxima 120 kW CEE (163 ch CEE)

Torque máximo 340 Nm

Regime de marcha lenta fria 800 tr/mn (± 20 tr/min) à 20°C

Regime de marcha lenta quente 750 tr/mn (± 10 tr/min) à 80°C

Regime máximo vazio 5100 tr/Mn (+/- 150)

Regime de torque máximo 2000 tr/mn

Velocidade máxima 3750 tr/mn

Valor do torque na máxima potência 301 Nm

Regime máximo de potência 5000 tr/mn

O fabricante da MCR forneceu a caracterização do bico injetor do diesel. Durante os

ensaios, esta caracterização foi usada como referência para determinar o tempo e a pressão de

injeção, uma vez que o laboratório não possui um conjunto de equipamentos para caracterizar

um injetor diesel utilizando ED95 e/ou ADPUC. No entanto, a situação ideal para minimizar


as incertezas associadas com os resultados é fazer a caracterização do bico injetor diesel

usando o ED95 e o ADPUC.

C. Resultados

Os testes foram realizados utilizando os combustíveis, Diesel S50, etanol ED95 e

ADPUC (com aditivos PEG400 com diferentes percentagens, 10, 15 e 20%). No teste

realizado com o Diesel S50 se manteve as condições de tempo de injeção, o ponto da injeção

e a pressão no common-rail. Este teste serviu de referência para os testes com ED95 e os

ADPUC. Os testes com com os combustíveis com etanol foram feitas com diferentes taxas de

compressão e diferentes pontos de injeção. Os processos de combustão foram feitos com taxas

de compressão 16, 20 e 25, com pontos de injeção a partir de 13 ° a 27 ° antes do PMS. As

Tabelas 7 e 8 mostram um resumo de todos os resultados obtidos nos diferentes ensaios

efetuados.

Tabela 3. Resultado dos testes na MCR

Ponto de

injeção Situação

Diesel

TC = 16

ED95

TC = 16

ED95

TC = 20

ED95

TC = 25

13° Combustão - Não Não Sim

P_Max (bar) - 37.99 50.99 98.00

15 Combustão Sim - - -

P_Max (bar) 83.32 - - -

17° Combustão - Não Não Sim

P_Max (bar) - 37.14 47.58 116.75

20° Combustão - Não Sim Sim

P_Max (bar) - 36.57 105.50 121.72

22° Combustão - - Sim Sim

P_Max (bar) - - 114.27 133.50


P_Max (bar) - - 112.62 136.23


P_Max (bar) - - 112.96 140.73


P_Max (bar) - - 120.96 140.04

27° Combustão - - Não -

P_Max (bar) - - 47.33 -

Tabela 8. Resultado dos testes na MCR

Ponto de

injeção Situação

PEG400

(10%)

PEG400

(15%)

PEG400

(15%)

PEG400

(20%)


TC=20 TC=20 TC=25 TC=20

13° Combustão Não Não Sim Não

P_Max (bar) 50,70 50,64 97,29 50,33

15° Combustão - - - -

P_Max (bar) - - - -

17° Combustão Não Sim Sim Sim

P_Max (bar) 50,76 100,56 112,23 100,98


P_Max (bar) 51,60 106,07 124,39 105,98


P_Max (bar) 51,30 115,06 130,37 115,78


P_Max (bar) 51,55 119,28 135,74 118,62


P_Max (bar) 50,79 122,46 142,26 123,13


P_Max (bar) 51,54 129,62 153,50 123,67


P_Max (bar) 51,10 129,60 164,29 130,77

Figura 3. Pressão no cilindro para o teste com o diesel S50. Avanço = 15° antes do PMS, a

duração de injeção = 1,75 ms, pressão de injeção = 1070 bar.

A Figura 3 mostra o comportamento da pressão no ensaio feito usando diesel S50. O

pico de pressão ocorre cerca de 6,12° depois do PMS. As figuras seguintes apresentam as


melhores curvas de pressão nos processos de combustão com o ED95 e os ADPUC quando

utilizando as relações de compressão de 20:1 e 25:1.

Os resultados dos testes conduzidos com ED95 e uma razão de compressão de 16:1,

não são apresentados, devido ao fato de não ter ocorrido combustão. . Cabe mencionar que

este combustível é utilizado num motor de ciclo diesel com TC = 28:1

1. A comparação das curvas de pressão para diferentes pontos de injeção.

Através da Figura 4, observa-se o comportamento da pressão máxima do Diesel S50

(referência), D95 e das misturas de etanol hidratado com PEG400 quando se trabalha com

taxas de compressão de 16:1 (utilizada só no teste com Diesel S50), 20:1 e 25:1. O avanço da

injeção para este conjunto de testes foi mantido em 23° antes do PMS. Observa-se que para os

testes com TC = 20:1, o aumento da pressão máxima na combustão foi de 6%, para as

misturas de etanol com PEG400 (15% e 20%), em comparação ao valor da pressão máxima

na combustão com ED95. A combustão com ED95 para TC = 25:1 eleva em 21% a pressão

máxima na combustão com relação ao teste realizado com TC = 20:1. A combustão com

PEG400(15%) para TC = 25:1 eleva em 14% a pressão máxima na combustão com relação ao

teste realizado com uma TC = 20:1.

Na Figura 5 observa-se o comportamento da pressão máxima do Diesel S50

(referência), ED95 e as misturas de etanol hidratado com PEG400. As taxas de compressão

utilizadas são 16:1, 20:1 e 25:1. O avanço da injeção foi mantido em 27° antes do PMS.

Observa-se que para os testes com TC = 20:1, o aumento da pressão máxima na combustão de

5%, para as misturas de etanol com PEG400 (15% e 20%), em comparação ao valor da

pressão máxima na combustão com ED95. A combustão com ED95 para TC = 25:1 eleva em

16% a pressão máxima na combustão com relação ao teste realizado com uma TC = 20:1. A

combustão com PEG400(15%) para TC = 25:1 eleva em 18% a pressão máxima na

combustão com relação ao teste realizado com uma TC = 20:1.

Na Figura 6 observa-se o comportamento da pressão máxima do Diesel S50

(referência), ED95 e as misturas de etanol hidratado com PEG400. As taxas de compressão

utilizadas são 16:1, 20:1 e 25:1. O avanço da injeção foi mantido em 27° antes do PMS.

Observa-se que para os testes com TC = 20:1, ocorreu combustão para as misturas de etanol

com PEG400 (15% e 20%). A combustão com PEG400(15%) para TC = 25:1 eleva em 27% a

pressão máxima na combustão com relação ao teste realizado com uma TC = 20:1.


Figura 4. Ponto de injeção de 23°


0

20

40

60

80

100

120

140

160

-150 -100 -50 0 50 100 150

Pre

ssã

o n

o i

nte

rio

r d

o c

ilin

dro

(b

ar)

Ângulo de virabrequim relativo ao PMS (graus)

Diesel TC = 16

ED95 TC = 20

ED95 TC = 25

PEG400 (20%) TC = 20

PEG400 (15%) TC = 20

PEG400 (15%) TC = 25

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

-150 -100 -50 0 50 100 150

Pre

ssã

o n

o i

nte

rio

r d

o c

ilin

dro

(b

ar)


ED95 TC = 20

Diesel TC = 16

ED95 TC = 25

PEG400 (20%) TC = 20

PEG400 (15%) TC = 20

PEG400 (15%) TC = 25



2. A comparação das pressões máximas para diferentes tipos TC.

Figura 7. Pressão máxima no cilindro para o teste com TC = 20.

Na Figura 7, pode ser visto que a diferença na pressão máxima do combustível

ADPUC PEG400 (15%) e PEG400 (20%) é praticamente nula, já em relação ao ED95 o

aumento foi de aproximadamente 1,5%

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

-150 -100 -50 0 50 100 150

Pre

ssã

o n

o i

nte

rio

r d

o c

ilin

dro

(b

ar)


Diesel TC = 16

ED95 TC = 20

PEG400 (20%) TC = 20

PEG400 (15%) TC = 20

PEG400 (15%) TC = 25

0

2

4

6

8

10

12

14

-150 -100 -50 0 50 100 150

Pre

ssã

o n

o i

nte

rio

r d

o c

ilin

dro

(M

Pa

)


PEG400 (15%) - 25°

PEG400 (20%) - 27°

ED95 - 25°

Diesel


Figura 8. Pressão máxima no cilindro para o teste com TC = 25.

Na Figura 8, pode ser visto que a diferença entre os combustíveis PEG400 (15%) e

ED95 é de aproximadamente 2,5%.

A combustão com PEG400(15%) para TC = 25:1 eleva em 3,14% a pressão máxima

na combustão com relação ao teste realizado com uma TC = 20:1. Já a combustão com ED95

eleva em 1,8%.

Conclusões

Durante os testes, foi possível observar que o etanol-aditivado (ED95) não pode

trabalhar em ciclo diesel sem se alterar a taxa de compressão. Portanto, a fim de tornar

possível a substituição do diesel por ED95 e ADPUC em motores a diesel, a primeira

alteração mecânica, é de aumentar a taxa de compressão.

O ponto de injeção estabelecido pela unidade de comando eletrônico do motor de

referência, quando operando com óleo diesel para a condição de 1500 rpm em plena carga é

de cerca de 15 graus. Utilizando este valor de referência do ponto de injeção e uma taxa de

compressão de 16 nos testes da MCR com o combustível ED95 não houve combustão. Para o

ponto de injeção de 15 graus, a única taxa de compressão que apresentou combustão, entre

aqueles que foram testados, foi a de 25. Para obter a combustão com uma taxa de compressão

intermediária foi necessário variar o ponto de injeção do combustível. Com um maior avanço

do ponto de injeção, os testes apresentaram combustão. O ponto de injeção observado nos

testes foram maiores do que os observados em testes a diesel. Portanto, é possível concluir

que, a fim de se obter combustão do etanol-aditivado em ciclo diesel, é necessário mudar o

tempo de injeção, além da taxa de compressão.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

-150 -100 -50 0 50 100 150

Pre

ssã

o n

o i

nte

rio

r d

o c

ilin

dro

(M

Pa

)


PEG400 (15%) - 27°

ED95 - 24°

Diesel


Referências

1. CADDET IEA OECD, “Ethanol – Powered Buses in Skaraborg”, Technical Brochure

N° 91, Oxfordshire – England, 1998.

2. CENBIO – Centro Nacional de referencia em Biomassa, “Projeto Best – Bioetanol

Para um Transporte Sustentável”, São Paulo – Brazil, 2008.

3. BEST, “The BEST Experiences with bioethanol buses”, Stockholm - Sweden, 2010.

4. Strömberg, J., “CVF 2009 - Scania’s Experience on biofuels”; São Paulo - Brazil,

2009.

5. Petrobras Distribuidora S.A., “Ficha de Informação de Segurança de Produto Químico

– FISPQ, Óleo Diesel S50”, Rio de Janeiro – Brasil, 2011.

6. Olofsson, M., “SEKAB – Polish Bioethanol as Clean Alternative for urban Heavy

Transport”, Warsaw – Poland, 2009.

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