SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DE UM MOTOR AUXILIAR …w2.files.scire.net.br/atrio/ufrj-pem_upl/THESIS/1836/pemufrj2106... · LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA

SIMULAÇÃO COMPUTACIONAL DE UM MOTOR AUXILIAR MARÍTIMO

UTILIZANDO MISTURAS DIESEL/BIODIESEL

Vander Vieira Borges Apollinario

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa

de Pós-graduação em Engenharia Mecânica,

COPPE, da Universidade Federal do Rio de

Janeiro, como parte dos requisitos necessários à

obtenção do título de Mestre em Engenharia

Mecânica.

Orientadores: Albino José Kalab Leiroz

M Marcelo José Colaço

Rio de Janeiro

Outubro de 2016




DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO

LUIZ COIMBRA DE PÓS-GRADUAÇÃO E PESQUISA DE ENGENHARIA (COPPE)

DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO, COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM

CIÊNCIAS EM ENGENHARIA MECÂNICA.

Examinada por:

________________________________________________

Prof. Albino José Kalab Leiroz, PhD

________________________________________________

Prof. Marcelo José Colaço, DSc

________________________________________________

Prof. Aldélio Bueno Caldeira, DSc

________________________________________________

Prof. Tadeu Cavalcante Cordeiro de Melo, DSc

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

OUTUBRO DE 2016

iii

Apollinario, Vander Vieira Borges

Simulação Computacional de um Motor Auxiliar

Marítimo Utilizando Misturas de Diesel/Biodiesel / Vander

Vieira Borges Apollinario – Rio de Janeiro: UFRJ/COPPE,

2016.

XV, 87 p.: Il.; 29,7cm.


Marcelo José Colaço

Dissertação (mestrado) – UFRJ/COPPE/ Programa de

Engenharia Mecânica, 2016.

Referências Bibliográficas: p. 67-73.

1. Motor Marítimo Ciclo Diesel. 2. Biodiesel. 3. Mistura

de Combustível. I. Leiroz, Albino José Kalab et al. II.

Universidade Federal do Rio de Janeiro, COPPE, Programa de

Engenharia Mecânica. III. Título.

iv

Dedicatória

À minha amada Gabriela Melo, pelo apoio incondicional, carinho, amor e

dedicação.

Aos meus pais, Cesar Apollinario e Maria de Fátima Borges, pelo apoio, carinho

e amor.

Aos meus familiares.

DEDICO.

v

Agradecimentos

À Universidade Federal do Rio de Janeiro, em especial ao Departamento de

Engenharia Mecânica, ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica e à

COPPE, pelo apoio e pela oportunidade de realizar este curso.

Aos professores Albino José Kalab Leiróz; PhD, Irvine, 1996, e Marcelo José

Colaço; DSc, UFRJ, 2001, pela amizade, pela orientação, pelos valiosos ensinamentos

durante o curso e pela valiosa colaboração na execução deste trabalho, cedendo, também,

o Laboratório de Máquinas Térmicas e seus softwares.

Ao professor Renato Machado Cotta; PhD, North Caroline, 1985, pela amizade e

incentivo a reiniciar os estudos acadêmicos, e pelas proveitosas contribuições na área

térmica.

Ao professor Gustavo César Rachid Bodstein; PhD, Cornell, 1993, pela orientação

na graduação, pela amizade e pelas orientações precisas.

Ao professor Hélcio Rangel Barreto Orlande; PhD, North Caroline, 1993, pela

amizade e pelas diretrizes de suma importância na área térmica.

Ao professor Flávio de Marco Filho; DSc, UFRJ, 2002, então Coordenador

quando do meu ingresso no Mestrado, pela amizade, pela compreensão, pelo estímulo e

pela grande colaboração.

Ao Engenheiro Ricardo de Almeida e Silva, gerente do Arsenal de Marinha do

Rio de Janeiro, pela amizade, pela atenção, pelo encorajamento e pela enorme

colaboração.

Ao Contra-almirante Mario Ferreira Botelho, diretor do Arsenal de Marinha do

Rio de Janeiro, pela amizade, pela consideração, pelo ânimo e pela grande colaboração.

À Secretária da Pós-Graduação, personificada pela Vera Lúcia P.S. Noronha e

pelo Tito Lívio José Barbosa, pela amizade, pela gentileza, pela simpatia e pelos

excelentes trabalhos prestados.

Aos amigos Gunther Felicio de Moraes e Augusto de Barros Rodrigues, pelo

apoio e agradável convívio na árdua tarefa de trabalhar e estudar em paralelo.

À minha amada Gabriela Melo, pela enorme paciência com minha carreira

acadêmica.

A todos que, direta ou indiretamente, colaboraram na execução deste trabalho.

A Deus.

vi

Resumo da Dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos

necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M. Sc.)




Outubro/2016



Programa: Engenharia Mecânica

O uso em larga escala de motores marítimos alimentados por combustíveis de

origem fóssil vem atendendo, por gerações, demandas econômicas e de logística. Por seu

emprego em grandes quantidades, restrições econômicas da produção da matéria-prima e

consequências ambientais são uma política adequada à prospecção de alternativas viáveis.

Este estudo se propõe a avaliar a mistura do óleo diesel marítimo, commodity

caracterizada como de elevado custo e alto teor de enxofre, com o Biodiesel. Por meio de

análise computacional simulada e consulta de dado experimental, este projeto tem por

objetivo mostrar a viabilidade do emprego em motores marítimos desta mistura de

combustíveis com relação ao comportamento de pressão dentro do cilindro durante a

combustão.

vii

Abstract of Dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (M. Sc.)

COMPUTER SIMULATION OF AN AUXILIARY MARINE ENGINE USING

BLENDS DIESEL / BIODIESEL


October/2016

Advisors: Albino José Kalab Leiroz


Department: Mechanical Engineering

The large-scale use of marine engines powered by fossil fuels for generations met

the economic and logistics demands. Because of its large-scale use, economic constraints

of the raw material production and environmental consequences it is an appropriate policy

prospecting for viable alternatives. This study aims to analyze the mixture of marine

diesel oil, commodity characterized as high-cost and high sulfur content, with Biodiesel.

Through simulated computational analysis and experimental data query this project aims

to show the viability of the use in marine engines of this mixture of fuel with respect to

the pressure behavior in the cylinder during combustion.

viii

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO........................................................................................... 1

1.1 Motivação......................................................................................... 1

1.2 Objetivo............................................................................................ 2

1.2.1 Geral..................................................................................... 2

1.2.2 Específicos........................................................................... 2

1.3 Pesquisa............................................................................................ 3

1.3.1 Importância........................................................................... 3

1.3.2 Metodologia......................................................................... 3

1.4 Limites............................................................................................. 3

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.................................................................... 5

2.1 Motor de ciclo diesel........................................................................ 5

2.2 Motor marítimo................................................................................ 6

2.3 Ciclo termodinâmico........................................................................ 7

2.4 Diesel............................................................................................... 8

2.5 Diesel marítimo................................................................................ 9

2.6 Biodiesel........................................................................................... 10

2.6.1 Biodiesel de soja................................................................... 12

2.7 Estudo de combustão....................................................................... 12

2.8 Modelo de combustão...................................................................... 16

2.9 Contribuição..................................................................................... 17

3 CÁLCULOS PRELIMINARES.................................................................. 18

3.1 Modelo para simulação.................................................................... 18

3.2 Termodinâmica do motor................................................................. 19

3.3 Modelagem de combustão............................................................... 20

3.4 Modelagem da curva de liberação de energia.................................. 22

3.5 Modelagem da geometria do cilindro.............................................. 29

3.6 Modelagem de transferência de calor.............................................. 31

3.7 Modelagem de reação e combustão................................................. 33

3.8 Modelagem de emissões NOx.......................................................... 36

4 METODOLOGIA........................................................................................ 37

4.1 Avl boost®....................................................................................... 37

4.2 Simulação......................................................................................... 37

ix

4.3 Bancada de testes............................................................................. 39

4.4 Instrumentos de medição................................................................. 40

4.5 Motor empregado............................................................................. 41

4.6 Combustíveis.................................................................................... 44

4.6.1 Óleo diesel............................................................................ 45

4.6.2 Biodiesel............................................................................... 45

5 SIMULAÇÃO E RESULTADOS............................................................... 49

5.1 Objetivo............................................................................................ 49

5.2 Óleo diesel........................................................................................ 50

5.2.1 Modelo Wiebe...................................................................... 50

5.2.2 Modelo Fractal..................................................................... 52

5.2.3 NOx...................................................................................... 54

5.3 Biodiesel........................................................................................... 55

5.4 Misturas............................................................................................ 57

5.5 NOx.................................................................................................. 63

6 CONCLUSÕES........................................................................................... 65

7 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS......................................... 66

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................ 67

9 ANEXOS..................................................................................................... 73

9.1 Anexo I: Dados resultados medição x simulação wiebe diesel

por carga P[Pa]xθ[°]................................................................................................ 73

9.2 Anexo II: Dados resultados medição x simulação fractal diesel

por carga P[Pa]xθ[°]................................................................................................ 78

9.3 Anexo III: Dados resultados simulação biodiesel (B100D0) por

carga P[Pa]xθ[°]....................................................................................................... 82

9.4 Anexo IV: Dados resultados simulação biodiesel (B10D90) por

carga P[Pa]xθ[°]....................................................................................................... 84

9.5 Anexo V: Dados resultados simulação biodiesel (B20D80) por

carga P[Pa]xθ[°]....................................................................................................... 86

x

LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1 – Esquema de balanço de energia no cilindro (adaptado de

HEYWOOD, 1988)................................................................................................. 20

Figura 3.2 – Modelo geral da fração mássica de combustível queimado

de Wiebe (adaptado de HEYWOOD, 1988)............................................................ 21

Figura 3.3 – Modelo de curva de liberação de energia (adaptado de

HEYWOOD, 1988)................................................................................................. 22

Figura 3.4 – Aproximação de curva de liberação de energia de Diesel

(adaptado de AVL, 2009)........................................................................................ 24

Figura 3.5 – Influência do parâmetro de forma "m" na função Wiebe

(adaptado de AVL, 2009)........................................................................................ 25

Figura 3.6 – Propagação da frente de chama do modelo Fractal (adaptado

de AVL, 2009)........................................................................................................ 26

Figura 3.7 – Geometria do cilindro.......................................................................... 29

Figura 4.1 – Entrada do bunker I............................................................................. 39

Figura 4.2 – Sala de controle da bancada Bunker I................................................. 40

Figura 4.3 – Motor Innovator - 4C instalado no banco de provas do LMT............ 42

Figura 4.4 – Ângulo de abertura e fechamento das válvulas (adaptado

de MAN, 2010)........................................................................................................ 43

Figura 4.5 – Modelo Innovator 4C em AVL BOOST. ........................................... 44

Figura 4.6 – Calor específico para diesel e biodiesel.............................................. 47

Figura 5.1 – Pressão dentro do cilindro x Ângulo (com e sem combustão)

(adaptado de SHAHABUDDIN, 2013)................................................................... 49

Figura 5.2 – Atuação da combustão, detalhe ID (Pressão x Ângulo)

(adaptado de SHAHABUDDIN, 2013)................................................................... 50

Figura 5.3 – Resultados Medição x Simulação Diesel (B0D100) Wiebe................ 51

Figura 5.4 – Resultados Medição x Simulação Diesel (B0D100) Fractal............... 53

Figura 5.5 – Emissões NOx (B0D100).................................................................... 55

Figura 5.6 – Resultados Simulação Biodiesel (B100D0) por carga........................ 56

Figura 5.7 – Comparativo B100D0 por carga......................................................... 56

Figura 5.8 – Atraso de ignição (ID) por carga para combustíveis e misturas)

(adaptado de SAHOO, 2008)................................................................................... 56

Figura 5.9 – Resultados Simulação Biodiesel (B10D90) por carga...................... 60

xi

Figura 5.10 – Comparativo B10D90 por carga....................................................... 60

Figura 5.11 – Resultados Simulação Biodiesel (B20D80) por carga...................... 61

Figura 5.12 – Comparativo B20D80 por carga....................................................... 62

xii

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 – Valores padrão para os parâmetros do modelo Fractal

(BOOST, 2009)........................................................................................................28

Tabela 3.2 – Especificação de composições típicas dos combustíveis

(VLASSOV, 2008).................................................................................................. 34

Tabela 3.3 – Modelo de ar atmosférico (AVL, 2009)............................................. 35

Tabela 4.1 – Características do Motor (MAN, 2010)............................................. 41

Tabela 4.2 – Ângulos das válvula de admissão e de exaustão

(MAN, 2010)........................................................................................................... 43

Tabela 4.3 – Consumo específico de combustível (!"#) por carga

(MAN, 2010)........................................................................................................... 44

Tabela 4.4 – Parâmetros para Diesel Marítimo (FILHO, 2008).............................. 45

Tabela 4.5 – Índices equações de $%, &'( (Diesel) (AVL, 2013)............................ 45

Tabela 4.6 – Parâmetros para Biodiesel de Soja (LIN, 2006)................................. 46

Tabela 4.7 – Composição de Biodiesel percentagem mássica

(LIU, 2010).............................................................................................................. 46

Tabela 4.8 – Parâmetros para Biodiesel Soja (LIN,2006)....................................... 46

Tabela 4.9 – Índices equações de $%, &)')( (Biodiesel)........................................... 47

Tabela 5.1 – Parâmetros Curva Liberação de Energia Diesel

(PASQUALETTE, 2015)........................................................................................ 51

Tabela 5.2 – Pico de Pressão Diesel Wiebe............................................................. 52

Tabela 5.3 – Pico de Pressão Diesel Fractal............................................................ 54

Tabela 5.4 – Parâmetros de Ajuste de NOx............................................................. 54

Tabela 5.5 – Emissões de NOx................................................................................ 54

Tabela 5.6 – Parâmetros Curva de Liberação de Energia Biodiesel

(MATIAS, 2014)..................................................................................................... 55

Tabela 5.7 – P*+- B100D0...................................................................................... 57

Tabela 5.8 – Atraso de ignição (ID) por carga combustíveis e misturas

(SAHOO, 2008)....................................................................................................... 57

Tabela 5.9 – Efeito médio do Biodiesel no atraso de ignição (ID)

(SAHOO, 2008)....................................................................................................... 58

Tabela 5.10 – Interpolação por Sahoo do ./01 (°).................................................. 59

xiii

Tabela 5.11 – Interpolação por Sahoo do ∆2(°)...................................................... 59

Tabela 5.12 – Interpolação por Sahoo do a............................................................. 59

Tabela 5.13 – 3456 B10D90................................................................................... 61

Tabela 5.14 – 3456 B20D80................................................................................... 62

Tabela 5.15 – Comparativo PCP simulado.............................................................. 62

Tabela 5.16 – Comparativo PCP............................................................................. 62

Tabela 5.17 - Parâmetros modelo AVL para NOx................................................. 63

Tabela 5.18 - Resultados modelo AVL para NOx.................................................. 64

xiv

LISTA DE SIGLAS

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas.

ANP Agência Nacional de Petróleo, Gás e Biocombustíveis.

ASTM American Society for Testing and Materials. Associação Americana para

Testes e Materiais.

B0D100 Diesel 100% em volume.

B10D90 Mistura de Diesel 90% e Biodiesel 10%.




B100D0 Biodiesel 100% em volume.

BE Mistura de Biodiesel e Etanol.

BE5 Mistura de Biodiesel 95% e Etanol 5%.



BSFC Brake Specific Fuel Consumption.Consumo específico de combustível.

CNE Comité Européen de Normalisation. Comite Europeu de Normalização.

CNPE Conselho Nacional de Política Energética.

CO Monóxido de Carbono.

CO2 Dióxido de Carbono.

COPPE Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de

Engenharia.

DM Diesel Marítimo.

DNC Departamento Nacional de Combustíveis.

EMBRAPA Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária.

HC Hidrocarboneto.

ICO Ignição por Compressão.

ID Ignition Delay. Atraso de ignição.

ISO International Organization for Standardization. Organização

Internacional para Padronização.

LMT Laboratório de Máquinas Térmicas.

MCI Motor a Combustão Interna.

MDO Maritime Diesel Oil. Óleo Diesel Marítimo.

xv

MIC Motores de Ignição por Centelha.

NOx Óxidos de Nitrogênio.

PCP Peak Cilinder Pressure. Pressão de Pico no Cilindro.

PIF Port Fuel Injection. Porta de Injeção de Combustível.

PNPB Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel.

PMI Ponto Morto Inferior.

PMS Ponto Morto Superior.

POLI Escola Politécnica da UFRJ.

SOC Start of Combustion. Início da Combustão.

SOI Start of Injection. Início da Injeção.

TLC Taxa de Liberação de Calor.

UFRJ Universidade Federal do Rio de Janeiro.

vv Válvula.

1

1 INTRODUÇÃO

1.1 MOTIVAÇÃO

As recentes mudanças das características climáticas do planeta ganharam

notoriedade. Para operar dentro de uma razoabilidade ecológica, diversos países adotaram

políticas para lidar com as consequências da atividade humana. O aumento de eventos

como tsunamis, as longas estiagens, o derretimento das calotas polares, o crescimento do

número de espécies ameaçadas de extinção e a observação do aquecimento global

sugerem a necessidade de medidas para o controle do impacto das práticas desenvolvidas

pelos seres humanos sobre o meio em que se inserem. (STEININGER, 1994)

O protocolo de Kyoto, assinado em 1997 por 55 países, propôs metas como

promover o uso de energias renováveis e reavaliar os setores de energia e transporte. O

Brasil, signatário, é reconhecidamente um dos pioneiros em tecnologia de

biocombustíveis com a produção do etanol originado da cana-de-açúcar. Apesar desse

histórico, o uso de diesel marítimo é de grande porte e este apresenta teor de enxofre

elevado e custo significante para sua economia. País de origem agrícola e de uso

abundante de energia proveniente de usinas hidroelétricas, o Brasil possui frentes em

desenvolvimento no campo das tecnologias renováveis, como o uso dos motores “flex”,

capazes de utilizar misturas de gasolina e etanol. Pela legislação, são utilizados 27.5% do

produto na gasolina automotiva e 5% de biodiesel nos motores ciclo diesel, excetuando-

se o combustível alimentador da frota marítima. (VICTOR, 2001, PARENTE, 2003)

Em 2010, a Agência Nacional de Petróleo e Gás (ANP), por sua resolução nº42,

reconhece que os combustíveis com fim aquaviário possuem particularidades e

necessitam de condições específicas para viabilizar a adição do Biodiesel. A resolução de

nº30 de 12/08/2013 disciplina a atividade de produção de Biodiesel, abrangendo

construção, ampliação de capacidade, modificação e operação de planta produtora e

comercialização de biodiesel. Em seguida, a resolução nº 45 publicada no DOU

26/8/2014 estabelece a especificação do biodiesel e as obrigações quanto ao controle da

qualidade a serem atendidas pelos diversos agentes econômicos que comercializam o

produto em todo o território nacional. Este documento ainda menciona que o país tem

interesse em apresentar sucedâneos para o óleo diesel. A resolução da ANP nº 51 de

25/11/2015 acrescenta normas técnicas a serem atendidas, como o teor de enxofre total

máximo de 10 mg/kg. (ANP, 2015)

2

Tendo em foco o aspecto social, a matriz brasileira produtora de matéria prima do

biodiesel possui parcela importante da agricultura familiar, dando assim acesso a

trabalho, renda, alimentação, saúde e educação de populações carentes destes benefícios.

(PARENTE, 2003)

Do ponto de vista econômico, apesar de o país contar com suas reservas

atualmente exploráveis e de outras que o serão em futuro próximo, o Brasil ainda está

exposto ao mercado internacional e às variações do petróleo como commodity. Portanto,

o emprego de outro combustível ou a redução do diesel marítimo via mistura com um

biodiesel produzido em escala no mercado interno, empregando uma agricultura que é de

domínio tecnológico nacional, defenderia a economia das cada vez mais frequentes ondas

de crise do setor.

A principal motivação técnica deste estudo está na redução dos níveis de poluentes

gerados durante a queima de combustível. As características emissões de fuligem (fumaça

negra), material particulado e níveis de óxidos de nitrogênio gerados pelos motores a

diesel sugerem a necessidade de investigação e tratamento. O biodiesel de soja, por ter

origem vegetal, possui certo balanço com relação às emissões de óxidos de carbono em

virtude do crescimento da matéria prima aprisionar carbono. Estes fatos nortearam

estudos voltados para a análise da combustão do diesel e do biodiesel. Portanto, é meta

desta pesquisa dar mais um passo nessa linha de raciocínio e analisar o emprego do

biocombustível misturado ao diesel marítimo, tanto nas emissões quanto nas curvas de

pressão.

1.2 OBJETIVO

1.2.1 GERAL

O objetivo geral da presente pesquisa foi a avaliação do desempenho de um motor

marítimo quando se utilizam misturas de óleo diesel marítimo, e biodiesel como

combustível através de incrementos em sua mistura ao óleo diesel marítimo.

1.2.2 ESPECÍFICOS

· Revisão de literatura referente à performance de motores diesel com emprego de

combustíveis alternativos, simulações realizadas e avaliação de alguns

experimentos conduzidos;

· Simulação do motor com as diversas misturas utilizando o software AVL

BOOST® para simulação de motores de combustão interna. O modelo de

3

escoamento do programa utiliza a solução das equações de conservação da

continuidade, energia e momento, que são resolvidas em uma dimensão;

1.3 PESQUISA

1.3.1 IMPORTÂNCIA

A escassez de dados e histórico na literatura sobre adição de biodiesel ao diesel

marítimo motivou, nos últimos anos, os recentes levantamentos sobre o tópico. As

pesquisas e estudos relacionados à modelagem de motores avançaram muito, porém,

existe a necessidade de se aprofundador estudos com foco nas misturas de combustíveis.

1.3.2 METODOLOGIA

Para desenvolvimento desta pesquisa foram levantados trabalhos comparativos de

ensaios em motor de combustão interna de ciclo diesel, avaliações de pressão interna no

cilindro com diferentes tipos e origens de biodiesel se comparado ao MDO, óleo diesel

marítimo, e suas misturas, de modo a analisar a substituição parcial.

As etapas da realização foram:

- Levantamento de pesquisas sobre o MDO;

- Levantamento de pesquisas sobre misturas de combustíveis;

- Levantamento de pesquisas comparativas;

- Análise e seleção dos estudos;

- Simulação de MDO e comparação aos dados experimentais;

- Simulação do biodiesel;

- Simulação das misturas entre biodiesel e diesel;

- Conclusões.

1.4 LIMITES

Apresentamos como principal tema desta pesquisa a simulação das curvas de

pressão interna no cilindro durante a combustão. A proposta do emprego do biodiesel no

meio aquaviário precisa de mais estudos como os testes de longa duração, desgaste,

acúmulo de fuligem e outros testes experimentais. Por este motivo a produção destas

curvas motivará e orientará estes futuros estudos.

Nesta dissertação será objeto de estudo o motor instalado na bancada de motores

do Laboratório de Máquinas Térmicas (LMT) da Universidade Federal do Rio de Janeiro

4

(UFRJ) para utilização de dados experimentais previamente obtidos das curvas de pressão

e os resultados de pesquisas anteriores sobre as misturas para a formação do modelo

teórico. Chamado de Bunker I, a fonte dos dados experimentais utilizados é o laboratório

para ensaios experimentais de motores à combustão interna da COPPE/UFRJ/POLI, que

foi equipado com o motor diesel de 500 kW Innovator 4C do fabricante MAN. Este

equipamento trabalha em rotação constante, típico de motores com o objetivo de geração

de energia elétrica (motores auxiliares) e, portanto, sua carga varia de acordo com a

solicitação de energia do operador do grupo motor-gerador. O equipamento opera com

óleos diesel e óleos conhecidos como Bunker. Estes últimos, mais pesados, são

decantados, centrifugados e aquecidos antes da injeção no motor. Este motor ainda é

equipado com três circuitos independentes de óleo sendo um de referência e dois para

teste. A bancada conta ainda com sistema de controle, monitoramento das etapas e

analisador de gases.

5

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 MOTOR DE CICLO DIESEL

O motor de combustão interna é um equipamento que opera como fonte de

potência mecânica, no qual a mistura admitida de ar e combustível é queimada no interior

de um cilindro e o calor liberado provoca a expansão dos gases. A pressão originada dessa

expansão é recebida pelo êmbolo ou pistão contido no interior do cilindro e conectado,

através da biela, à árvore de manivelas ou virabrequim. O chamado deslocamento

alternativo do êmbolo ao longo do cilindro transforma-se em movimento de rotação por

meio do mecanismo biela/manivela (HEYWOOD, 1988).

Nos motores do ciclo diesel, o combustível é misturado com o ar ao fim do tempo

de compressão, através do bico injetor, atomizando o óleo diesel no interior da câmara de

combustão. As gotículas de diesel em contato com o ar comprimido e aquecido entram

em processo de combustão (SILVA, 1995).

Os motores de ignição por compressão (ICO) são motores que admitem, para o

interior do cilindro, ar e o início do processo de combustão acontece por ignição

espontânea. Assim, o combustível é injetado no interior da massa de ar que foi altamente

comprimida anteriormente e que atingiu uma temperatura superior à temperatura de

ignição do combustível. Geralmente, esses motores usam como combustível o óleo diesel

ou óleos vegetais (SILVA, 2003). Os eventos acontecem de maneira orquestrada: em um

primeiro momento, a válvula de admissão se abre, movida pelo came do eixo comando

de válvulas, e o pistão desce do ponto morto superior (PMS) até o ponto morto inferior

(PMI) aspirando apenas ar, com o giro do eixo de manivelas completando seus primeiros

180º.

No segundo momento do ciclo, o pistão objetiva a compressão fazendo o caminho

inverso subindo dentro do cilindro, fazendo 360º do eixo de manivelas, comprimindo

apenas ar e o elevando a temperaturas próximas a 600-700 graus Cº.

Na terceira etapa, com a compressão, o ar fica aquecido quando o pistão chega ao

PMS (Ponto morto superior), o combustível é injetado e inflama dentro da câmara, por

motivo de entrar em contato com um ar extremamente quente, e a geração de força

acontece na expansão com o deslocamento do pistão e do eixo de manivelas fazendo o

trajeto até 540º. Os ângulos supracitados são médias aproximadas e podem variar.

6

Para encerrar o ciclo, o comando de válvulas executa a abertura da válvula de

escape e o pistão sobe, expulsando os gases de descarga. O ciclo se completa com duas

voltas totalizando 720º no eixo de Manivelas ou Virabrequim (KNOTHE, 2007).

Os motores de ciclo diesel tem sido utilizados para experimentos com

combustíveis renováveis com sucesso relevante. Conforme mostra NIEMI (2016)

utilizando um combustível obtido por um inovador processo de produção de petróleo

bruto, através da transformação de resíduos à base de madeira, para diesel renovável. Para

além da redução significativa das emissões de gases com efeito de estufa, outros

benefícios podem ser obtidos quando combustíveis renováveis de alta qualidade são

utilizados como componentes de mistura, uma vez que as emissões de gases poluentes,

tais como hidrocarbonetos não queimados (HC), monóxido de carbono (CO) e número de

partículas (PN) também podem diminuir.

2.2 MOTOR MARÍTIMO

Os motores a combustão marítimos são projetados para possuir elevados níveis de

confiabilidade, tecnologia, resistência à corrosão e performance adequada às mais

diversas embarcações. São motores que se destacam pela manutenção simples e

econômica, podendo inclusive ser reparados sem a necessidade de sua remoção da

embarcação.

Os projetados para fins de geração de energia elétrica são denominados Motor de

Combustão Auxiliar (MCA). Em geral, são motores de rotação constante acoplados a um

gerador. Seu torque varia de acordo com a carga solicitada pelos utilizadores do navio.

Por outro lado, existem os projetados para fins de locomoção da embarcação,

denominados Motor de Combustão Principal (MCP). Elas devem possuir alta capacidade

de manobra e seus motores devem possuir dimensões que permitam o desenvolver –

através da redutora, embreagens e linha de eixo – a potência necessária para prover a

propulsão do navio. Esses motores podem variar sua rotação e o torque exercido. Para

atingir seu objetivo de locomoção, esses equipamentos são auxiliados por lemes e hélices

independentes, permitindo maior mobilidade da embarcação, tanto em deslocamento,

quanto em aproximação para descarga. Outros recursos para melhorar a mobilidade destas

embarcações são impelidores laterais de popa (Stern Thruster) e de Proa (Bow Thruster).

Ambos, porém, são considerados como motores auxiliares e não apresentam o mesmo

7

nível de criticidade para as embarcações comparativamente aos motores de combustão

principais. (NOGUEIRA, 2011)

Para melhor entender as diferenças de um motor marítimo TASKAR (2016)

estuda o comportamento do sistema de propulsão sob o efeito das ondas do mar. Mostra

que foram observadas alterações significativas no desempenho da propulsão na presença

de ondas em comparação com a operação em estado estacionário. Portanto, ao estimar a

queda na eficiência da propulsão devido ao efeito das ondas deve ser levada em conta a

modelagem do motor, a variação de amplitude em ondas e as perdas de impulso e de

torque devido à submersão variável da hélice. Todas estas variáveis são cruciais para

predizer o desempenho dos navios em termos de eficiência de propulsão. A direção da

ondulação também tem forte influência na queda de desempenho, afetando o desempenho

da propulsão.

2.3 CICLO TERMODINÂMICO

O Ciclo Diesel é formado por seis processos térmicos, descritos a seguir

(HEYWOOD, 1988):

a) Processo isobárico ou admissão: a válvula de admissão esta aberta e o cilindro

se desloca do PMS para o PMI, admitindo o ar;

b) Processo adiabático ou compressão: as válvulas estão fechadas e êmbolo se

desloca do PMI para o PMS, comprimindo o ar;

c) Processo isobárico ou combustão: acontece a pulverização do óleo diesel na

câmara de compressão. A queima do óleo diesel se dá espontaneamente, a pressão se

eleva e o êmbolo se desloca no sentido do PMI;

d) Processo adiabático ou expansão: se dá a continuidade do deslocamento do

êmbolo para o PMI, depois de terminada a combustão;

e) Processo isovolumétrico ou descarga: comanda a abertura da válvula de

escapamento e acontece queda da pressão;

f) Processo isobárico, ou exaustão: realiza-se o deslocamento do êmbolo do PMI

para o PMS, expulsando os gases queimados.

O ciclo conhecido como quatro tempos se aplica ao diesel fazendo referência aos

quatro cursos do pistão, ou seja, a duas voltas do virabrequim:

• primeiro tempo, do PMS ao PMI, admissão de ar;

• segundo tempo, do PMI ao PMS, compressão do ar;

8

• terceiro tempo, do PMS ao PMI, injeção do combustível, combustão e repouso;

• quarto tempo, do PMI ao PMS, escapamento dos gases produto de combustão.

Uma aplicação importante do ciclo termodinâmico é o estudo de tais processos

independentemente da natureza exata das interações microscópicas, que ocorrem dentro

do sistema. (LI, 2016)

2.4 DIESEL

O óleo diesel é composto de hidrocarbonetos parafínicos, olefínicos, aromáticos

e, em menor escala, por substâncias que possuem em sua formulação átomos de enxofre,

nitrogênio, metais, oxigênio e outros. Os hidrocarbonetos são formados por moléculas

compostas de 8 a 40 átomos de carbono, mais pesadas do que aquelas que formam a

gasolina. O óleo combustível em questão é uma fração destilada do petróleo. Pode-se

dizer que está localizado entre o querosene e os óleos lubrificantes. Sua composição

média pode ser caracterizada por carbono em 86,3%; hidrogênio em 12,8% e enxofre com

0,9% (SOUZA, 2005).

O óleo diesel é obtido pelo fracionamento do petróleo, na faixa de destilação do

óleo cru de 250 a 370ºC. Geralmente é composto por hidrocarbonetos como parafinas,

naftalenos, olefinas e aromáticos podendo chegar a 20 átomos de carbono (GUARIEIRO,

2008).

O diesel brasileiro possui uma elevada taxa de enxofre em sua composição quando

comparada à utilizada nos Estados Unidos e Europa. A adição de frações de biodiesel ao

diesel tem sido uma alternativa para a redução do teor de enxofre. Além disso, pode

propiciar o uso de um combustível menos dependente do processo de refino para redução

de enxofre. Assim, pode-se assumir que quanto maior a proporção de biodiesel

adicionado no diesel, menor será o teor de enxofre presente no combustível como um

todo (CORONADO, 2009).

Muitos países tem prazos estipulados para utilizar as normas do regulamento do

Parlamento Europeu, relativo à homologação dos veículos a motor no que respeita às

emissões dos veículos ligeiros de passageiros e comerciais. A Euro 5 de 2009 e a Euro 6

de 2014 tem como objetivo limitar a poluição causada pelos veículos. Estas diretrizes se

tornaram populares entre defensores do meio ambiente e em países com problemas de

poluição do ar. Na Malásia, por exemplo, a implementação de um padrão de emissões

mais elevado, a norma Euro 5, esta prevista para ser aplicada até 2020. No interesse de

9

superar o impacto negativo dos motores diesel sobre a qualidade do ar a Malásia aplicou

um regulamento destinado a reduzir as emissões dos motores diesel. Com base nesta

regra, um motor diesel com um peso bruto do veículo inferior a 3,5 toneladas deve estar

em conformidade com a emissão padrão dos gases poluentes. (RAMLAN, 2016)

2.5 DIESEL MARÍTIMO

O óleo diesel marítimo comercial tem como objetivo ser utilizado em motores

diesel de embarcações marítimas. A principal característica que se destaca com relação

ao óleo diesel automotivo é a necessidade de ter especificado um ponto de fulgor mais

elevado para atender às demandas de maior segurança desse produto em embarcações

marítimas. O ponto de fulgor pode ser descrito como a menor temperatura em que o óleo

diesel vaporiza em taxa e quantidade suficiente para formar com o ar uma mistura

inflamável, causando risco de se inflamar, quando sobre ele incidir uma chama atuando

como fonte de ignição. Para o óleo diesel marítimo, o ponto de fulgor é fixado em um

valor de 60°C.

Além disso, há normas rígidas estabelecidas para baixo teor de enxofre, aspecto,

acidez, massa específica, viscosidade, ponto de entupimento, ponto de fluidez e outros

itens normalizados. Existem variações desse tipo de óleo como, por exemplo o que é

produzido especialmente para a Marinha do Brasil. Estes são produzidos para atender às

necessidades militares e apresentam grande rigidez quanto às características de ignição,

de volatilidade, de escoamento a baixas temperaturas e de teor de enxofre. Isso se deve

às condições adversas de sua utilização em embarcações militares que demandam rapidez

e desempenho a baixas temperaturas (Oceano Ártico, por exemplo). (ANP, 2007)

No que diz respeito ao diesel marítimo, são utilizadas as seguintes classificações:

óleo diesel marítimo A (DMA), que é um combustível destilado médio para uso

aquaviário e o óleo diesel marítimo B (DMB), que é um combustível predominantemente

composto de destilados médios, podendo conter pequenas quantidades de óleos de

processo do refino, para uso aquaviário. Em ambos os casos o teor de enxofre é de 5.000

ppm ou 0,5% em massa. (ANP, 2010)

A água do mar tem ações nocivas ao diesel e por isso o combustível voltado para

uso marítimo deve ser resistente a estes efeitos. Para a remoção de água do mar de diesel

contaminado, a biorremediação através da imobilização celular tem sido frequentemente

proposta como uma estratégia útil devido às suas vantagens de serem eficazes,

10

económicas e respeitadoras do ambiente. Para atingir este objetivo um aditivo é colocado

no diesel. A inclusão de carbonos ativados pela substância Polyvinyl alcohol (PVA), que

é um polimero sintético solúvel em água, melhorou a eficiência de degradação de total

petroleum hydrocarbon-diesel degradability (TPHd), que é um índice que mede o grau

de degradação do diesel, para 47%. (LIU, 2016)

2.6 BIODIESEL

Apesar de ser uma tecnologia moderna, o emprego de óleos vegetais como

matéria-prima para combustível não é recente. Ruldolf Diesel que apresentou seu invento

empregando óleos de amendoim (WANG, 2000) previa esta fonte de energia.

O biodiesel pode ter origem em diferentes fontes: mamona, soja, girassol, algodão,

amendoim, coco, palma e babaçu. No Brasil, a maior parte do biocombustível produzido

é proveniente da soja, abundante na agricultura local. Existe ainda no Brasil o óleo de

algodão e de gordura animal em menor escala. Outra fonte de matéria para produção do

biodiesel é o óleo de cozinha residual. O principal processo de produção do biodiesel é

feito através de uma transesterificação, em que a matéria prima em questão reage

quimicamente com um álcool de cadeia curta como o metanol ou o etanol, na presença

de um catalisador. Os produtos rejeitados são a glicerina e o biodiesel com uma

viscosidade reduzida e tolerável. Porém, o poder calorífico e o número de cetano se

mantêm interessantes para o uso do combustível (CHRISTOFF, 2007).

No Brasil, o óleo vegetal de soja é comumente misturado ao diesel derivado de

petróleo e essa mistura é popularmente chamada de biodiesel. O governo federal, em

2004, criou um Programa Nacional de Produção e Uso do Biodiesel (PNPB) e em 2005

foi promulgada a lei número 11.098, que dispõe sobre a introdução do biodiesel na matriz

energética brasileira.

Sendo um biocombustível derivado do monoalquil éster de ácidos graxos de

cadeia longa e proveniente de fontes renováveis (ABREU, 2004), o biodiesel possui

propriedades análogas as do derivado de petróleo. Entretanto, alguns estudos concluem

que o uso de biodiesel pode apresentar certas desvantagens como afinidade com a água,

desgastes em peças e componentes dos motores, deficiências de estabilidade e baixa

viscosidade a baixas temperaturas de operação (AMBROZIN, 2009).

As maiores desvantagens enfrentadas quando levado em conta o biodiesel como

combustível é a reatividade do combustível não queimado residual no cilindro e cárter.

11

Ele bruto ou parcialmente não queimado, é a causa do envernizamento e da formação de

crostas no bico injetor, nas parede dos cilindros e de ressecamento de borrachas.

(HASSETT, 1982).

Caso possua uma viscosidade elevada, o biodiesel como combustíveis causa

problemas. Entre eles, possui o efeito de aumentar o tamanho da gota na injeção dentro

do cilindro resultando em combustão pobre. Por fim, acaba causando formação de

depósitos na câmara de combustão e de combustível não queimado no óleo lubrificante

(KUSY, 1982).

O biodiesel junto ao etanol têm sido responsáveis pela maior parte dos

combustíveis renováveis utilizados na frota de transporte global. No Brasil, assim como

nos Estados Unidos e em alguns países europeus, ambos os biocombustíveis representam

participação de mercado crescente. Em 2013, a produção e o consumo mundiais de

biocombustíveis nos transportes aumentaram 7%, sendo a maior parte do mercado

europeu. Durante anos, a União Européia foi responsável pelo maior produtor regional de

biodiesel. Em 2013, representou cerca de 10,5 bilhões de litros de produção de ésteres

metílicos de ácidos graxos, embora sua participação no mercado global, de cerca de 42%,

tenha permanecido a mesma nos últimos anos. (OLIVEIRA, 2016)

Por outro lado, a produção de biodiesel nos Estados Unidos aumentou

rapidamente, representando 17% do total mundial, para uma produção de 4,8 bilhões de

litros em 2013. Na Ásia também houve crescimento. A Indonésia, por exemplo, aumentou

consideravelmente a sua produção de biodiesel desde 2013 como resultado de novas

políticas nacionais de biocombustíveis, colocando o país entre os maiores produtores

mundiais de biodiese. A Tailândia realizou um aumento de 30% na produção de etanol e

biodiesel em 2013. Na China, a demanda por biocombustíveis foi impulsionada em parte

por incentivos fiscais e empresariais, já que o país complementa sua pequena produção

nacional anual de menos de 0,2 bilhões de litros de biodiesel com cerca de 1,9 bilhões de

litros de combustível importado. Na Tailândia, o biodiesel para gerar eletricidade está

sendo produzido a partir de óleo de cozinha usado, enquanto em Londres o óleo de fritura

foi aceito para abastecer a frota de ônibus urbanos, enquanto em Joanesburgo, África do

Sul, biogás e biodiesel foram os biocombustíveis considerados para alimentar o mesmo

Tipo de transporte público. (OLIVEIRA, 2016)

12

2.6.1 BIODIESEL DE SOJA

A soja, oleaginosa, empregada em larga escala no Brasil, pode se tornar rentável

à pequena agricultura em muitas regiões, promovendo desenvolvimento e inclusão social.

Além disso, o Brasil pode converter-se em um grande exportador de combustíveis

renováveis.

Segundo EMBRAPA (2005), na safra 2005, a produção de soja no mundo foi de

216,3 milhões de toneladas, numa área cultivada de 92,8 milhões de hectares,

movimentando, no complexo agroindustrial, a quantia de aproximadamente US$215

bilhões/ano.

Por força da lei nº11.097/05, também conhecida como Lei do Biodiesel, foi

liberada a adição voluntária de 2% de biodiesel ao diesel distribuído em todo Brasil, até

o ano de 2008, quando esse percentual se tornou obrigatório. Tal demanda necessária a

atender a esse percentual é aproximada por 800 milhões de litro por ano e segundo

especialistas do governo, equivale a 1,5 milhão de hectares de área cultivada de

oleaginosas – cerca de 1% da área produtiva usada pela agricultura brasileira. A mesma

lei estabeleceu o percentual obrigatório de 5% de biodiesel a partir do ano de 2013. Em

março de 2016, a lei nº13.263 atualizou os valores para 8% por 12 meses, prevendo, ainda,

9% em até 24 meses e 10% em até 36 meses da data de promulgação.

Com a implementação dos 7%, a expectativa do mercado é que a produção das

misturas combinadas de biodiesel passará de 3,3 bilhões de litros em 2014 para 4,4

bilhões de litros em 2015. De fato, a previsão de produção de 2014 foi confirmada pela

ANP, então esses números transformariam o Brasil, agora, no segundo maior produtor de

biodiesel do mundo, apenas atrás dos Estados Unidos. (OLIVEIRA, 2016)

2.7 ESTUDO DE COMBUSTÃO

Um estudo de motores diesel com mistura de combustíveis foi o de BAMBILA

(2006), que pretendia mostrar a dificuldade do emprego de combustíveis alternativos,

como o biodiesel em motores a ignição por compressão pelo modelo de RAKOPOULOS

(2008). O estudo conclui que há queda de rendimento do motor devido à perda de poder

calorífico inferior (PCI) do combustível. Neste estudo, há uma conclusão que faz

referência ao experimento realizado de que o consumo é no mínimo 71% maior, enquanto

13

seu modelo numérico esperava alta de 63%. Essa diferença é atribuída a turbulências na

câmara de combustão e dissipação nas paredes do cilindro.

Outro autor, MELO (2007), utilizou um modelo computacional do tipo

termodinâmico zero-dimensional para a análise dos processos de compressão, combustão

e expansão da gasolina, álcool e GNV, operando em mistura estequiométrica. Os

resultados para os perfis de pressão atestam, conforme esperado, a validade da utilização

da equação de Wiebe para modelagem do processo de combustão dos diferentes

combustíveis, atribuindo um caráter gradual à liberação de energia para motores a ignição

por centelha em pesquisa de motor automotivo.

Na mesma linha, MURALIDHARAN (2011), estudou de forma experimental as

características de desempenho, emissões e de combustão de um motor de compressão

com combustível biodiesel de óleo de cozinha usado misturado ao óleo diesel. Os

resultados experimentais sugerem que a temperatura do gás de escape, a eficiência e a

razão de compressão do motor são uma função da mistura biodiesel, carga e taxa de

compressão. A temperatura dos gases de escape diminui com o aumento da taxa de

compressão. Já as emissões de hidrocarbonetos nos gases de descarga são maiores em

taxas de compressão mais elevadas. Além disso, a descarga de NOx do combustível

mistura B40 é mais elevada do que o de diesel e a descarga de CO do B40 está mais perto

do diesel padrão. A emissão de CO2 é também menor nas mesmas condições.

LEI (2011) propôs um estudo para investigar a combustão, o desempenho e as

emissões em um motor diesel operando em misturas de etanol e biodiesel para comparar

esses resultados com os operando com biodiesel puro e diesel. Com base nos resultados

experimentais, as conclusões são que, em comparação com o diesel, a pressão máxima

dentro do cilindro com o biodiesel é maior em cargas elevadas do motor. A taxa máxima

de libertação de calor da fase pré-misturada da combustão é mais baixa em todos os testes

e ocorre mais cedo. A combustão começa mais cedo e a duração de combustão é mais

curta. Comparado com o biodiesel, a pressão máxima e a taxa de libertação de calor da

mistura têm elevação com o aumento da fração de etanol no combustível misturado, e

ocorre mais longe do ponto morto superior; o início da combustão é retardada e a duração

de combustão é reduzida.

O biodiesel produz após sua combustão menos emissões de CO e de HC, e ao

mesmo tempo maiores emissões NO! e NO", se comparado com o óleo diesel. Em geral,

as misturas de biodiesel com Etanol têm menores emissões, em comparação com

biodiesel. Com o aumento do etanol no combustível misturado, as emissões NO!

14

diminuem e aumentam as emissões NO" em cargas menores sobre o motor, enquanto que

não há diferença significativa a cargas elevadas do motor.

YANG (2012) conduziu experimentos em um motor diesel com injeção de óleo

diesel marítimo (MDO) de ultra-baixo enxofre, biodiesel (B100D0) e em mistura de 10%,

20%, 50% (indicado como B10D90, B20D80 e B50D50, respectivamente) sob várias

cargas. O estudo define ultra-baixo enxofre como o óleo diesel com menos que 50ppm,

ou 0.005 %. Devido ao menor poder calorífico do biodiesel, o consumo específico de

combustível (BSFC) aumenta quando se eleva a porcentagem de biodiesel na mistura em

todas as cargas do motor. No que diz respeito ao impacto das cargas parciais, verificou-

se que existe aumento no BSFC, fator que mede a sua eficiência no consumo, de B100D0,

em comparação com B0D100, com a diminuição da carga do motor. O maior aumento no

BSFC é encontrado na carga de 10%, onde se observa um aumento de 28,1% no BSFC.

Os resultados experimentais mostram que a utilização de biodiesel possui uma menor

eficiência térmica com cargas mais baixas do motor e uma maior eficiência térmica em

cargas mais elevadas do motor. A carga tem influências significativas nas emissões de

CO. Em cargas menores, a emissão de CO aumenta com o aumento do teor de biodiesel

na mistura, enquanto em cargas mais altas, a tendência oposta se observa e as emissões

de CO aumentam com a diminuição do teor de biodiesel na mistura.

ORKUN (2012) comparou experimentalmente as características dos combustíveis

diesel e biodiesel produzido a partir de óleo de soja e suas misturas (B10D90, B20D80,

B50D50), avaliando a combustão, o desempenho e as emissões. Com biodiesel houve

uma diminuição de 1-4% no torque e um aumento de 2-9% no consumo específico de

combustível devido ao seu menor poder calorífico.Com o biodiesel houve reduções

significativas nas emissões de CO e HC não queimado, mas com relação as emissões de

NOx e CO2 houve aumento. As análises da combustão mostraram que o biodiesel

adicionado ao diesel diminuiu o atraso da ignição e redução do pico de pressão. Esses

resultados indicam que o biodiesel pode ser usado sem qualquer modificação do motor

como alternativa de combustível.

LIN (2013) fez um estudo investigativo sobre as influências de biodiesel em

mistura com MDO. As principais conclusões são que a mistura de Biodiesel poderia

melhorar as propriedades do MDO de várias formas. Primeiramente, o biodiesel possui

um atraso de ignição menor que o MDO. Em segundo lugar, o limite de enxofre do MDO

chega a 4,5% em peso com base na especificação do combustível naval ISO 8217,

enquanto o biodiesel contém valores menores. Além disso, uma mistura B20D80 reduz o

15

teor de enxofre para menos de 3,5% em peso e aumenta a viscosidade cinemática. Por

outro lado, os gases de descarga apresentam menos HC após a queima com biodiesel em

comparação ao MDO. Por fim, o resíduo de carbono foi reduzido em 23,6% e a adição de

biodiesel ao diesel em mistura B20D80 causa de redução em até 1,9% no poder calorífico

inferior.

GÖKHAN (2014) estudou experimentalmente a emissão e o desempenho em um

motor diesel de quatro cilindros de diferentes misturas de combustível. Os efeitos da

adição de butanol na mistura diesel/biodiesel de microalgas se revelam no desempenho

do motor, nas emissões de monóxido de carbono e valores de opacidade de fumaça. As

propriedades físicas medidas de misturas, como o índice de cetano, densidade,

viscosidade e ponto de fluidez, foram encontradas comparáveis com os do gasóleo de

acordo com o teste de propriedades do combustível.

As análises de emissões dos gases de escape revelaram que a emissão de CO ,

NOx e os valores de opacidade da fumaça melhoraram com a adição butanol. Finalmente,

pode-se concluir que o butanol pode ser usado como um aditivo muito promissor para

misturas de biodiesel-diesel de microalgas nos motores diesel convencionais.

MATIAS (2014) utilizou um modelo computacional para o Motor marítimo da

Fabricante MAN Diesel, o Innovator 4C. Foi utilizado o modelo de combustão Wiebe

duas zonas e o modelo de transferência de calor baseado em WOSCHNI (1967) com o

combustível em pesquisa relacionada a biodiesel. Foram simuladas diferentes misturas de

diesel adicionadas de biodiesel e etanol. Neste trabalho, não foi considerado o atraso de

ignição. Foi constatado que o aumento do percentual de biodiesel na mistura com o diesel

eleva o consumo para uma mesma potência, independente da carga aplicada no motor

(MATIAS, 2014, GÖKALP, 2009).

PASQUALETTE (2015) realizou uma estimativa inversa bayesiana para a taxa de

liberação de calor durante a combustão de um motor marítimo diesel da Fabricante MAN

Diesel, o Innovator 4C, com o combustível Diesel. Foi analisada a influência de diversos

parâmetros do desenvolver da metodologia e foram obtidos diversos dados, como a

pressão interna do cilindro, a taxa de liberação de calor, coeficientes de Wiebe para o

combustível e a constatação de quais métodos forneceram os melhores resultados.

16

2.8 MODELO DE COMBUSTÃO

Existem bastantes e diferentes modelos de combustão e estes agrupam-se de

diversas maneiras. A classificação proposta (STONE, 1999) utiliza três grupos:

Algébrico, Zero dimensional e Quase dimensional. Sendo o Algébrico aquele que utiliza

um sistema de equações algébricas baseadas em relações termodinâmicas clássicas e

assim servem-se de eficiências para corrigir os resultados solicitando o menor tempo

computacional. O Zero dimensional, por sua vez, utiliza sistemas de equações diferenciais

ordinárias e as associa a dados empíricos para ajustá-las. Por outro lado, o Quase

dimensional apresenta sistema de equações diferenciais parciais somadas a modelos semi-

empíricos, como os modelos de turbulência usados pelo modelo de combustão Fractal.

O trabalho de MELO (2007) detalha os modelos de combustão Zero dimensionais

citando os quatro subgrupos (LANZAFAME, 2003): O primeiro, no qual o fator k (razão

de calores específicos) é constante, mas não há avaliação da troca de calor entre gases

no cilindro ou com as paredes da câmara de combustão. O segundo modelo, em que o

fator k é considerado constante e é avaliada esta troca de calor entre gases e as paredes da

câmara. Na sequência, o subgrupo em que o fator k varia em função da temperatura, mas

não há troca de calor entre gases e a câmara. E por fim, os que o fator k varia com a

temperatura e há a troca de calor entre os gases e as paredes.

SOUZA JUNIOR (2009) segue a metodologia de MELO (2007), com enfoque em

um motor de ignição por compressão. Como combustíveis são utilizados o diesel

comercial e o biodiesel. A modelagem da combustão foi realizada pela função dupla de

Wiebe, que explicita a taxa de liberação de energia pelo combustível durante as fases da

combustão pré-misturada e da combustão difusiva. Os resultados apontam erros entre

valores de pressão simulados e experimentais de até 8%.

RIVAS (2011) detalha uma avaliação pelo modelo de duas zonas Fractal, para

simular a interação chama/parede do processo de combustão. Sua publicação apresenta a

fenomenologia do modelo Fractal em conjunto com um sistema de equações diferencias

a ser resolvido com um submodelo da interação chama/parede. O modelo foi validado

com resultados experimentais. Os resultados mostram que, quando o modelo

chama/parede é desconsiderado, a curva de liberação de energia fica superestimada assim

como a curva de pressão.

CARVALHO (2011) realiza em seu trabalho uma ferramenta de análise de plantas

de geração de energia que utilizam MCI. Sua proposta é composta de um modelo

integrando o AVL Boost® e um simulador de processos, resultando em uma estimativa

17

da atuação do MCI na planta. A fim de reproduzir a combustão, foi utilizado um modelo

de duas zonas Fractal. Os resultados sugerem que não aconteceram restrições com relação

ao emprego do modelo Fractal.

MELO (2012) se propõe a estudar a influência da adição de teores de etanol

hidratado à gasolina. O alvo de suas avaliações são o desempenho e emissões em um MCI

de ignição por centelha. Foi utilizado o modelo Wiebe Duas Zonas. Além da simulação,

foram realizados experimentos de medição de desempenho e emissões. Por fim, foram

traçadas as curvas de pressão para condições de operação variadas. O modelo

computacional do programa AVL Boost® foi validado com os dados experimentais. A

cada mistura de gasolina e etanol, foram necessários ajustes dos parâmetros do modelo

de combustão Wiebe Duas Zonas, a fim de se obter proximidade com os valores

experimentais de emissões. Observou-se que o modelo Wiebe Duas Zonas não foi

preditivo referente às emissões em motor veicular quando se varia a composição do

combustível.

KUMAR (2016) apresenta uma análise comparativa da combustão e das emissões

de misturas de álcool e diesel em um motor diesel de injeção direta. Para tanto ele

emprega o modelo de Wiebe. As curvas de pressão dentro do cilindro encontraram erros

de menos de 5% entre experimento e simulação.

HIRAOKA (2016) propõe um modelo de combustão com base no modelo de

Fractal para simulação de grandes turbilhões de chamas pré-misturadas. Em seu estudo

são utilizados três dados experimentais que corroboram seu modelo.

2.9 CONTRIBUIÇÃO

Essa revisão bibliográfica tem como propósito a delimitação do problema a ser

estudado adiante e realizar a coleta de dados para delimitar o estado atual dos

conhecimentos sobre esse tema, suas lacunas e o subsídio da investigação para o

desenvolvimento da ciência de motores a combustão interna e seus combustíveis.

Este trabalho visa dar seguimento nesse campo e ajudar a melhor entender o

processo de combustão dentro do cilindro de um motor marítimo alimentado a óleo diesel

e seu comportamento quando é elevado o teor de biodiesel na mistura.

Por isso, através da escolha do motor Innovator 4C da Fabricante MAN Diesel,

disponível no LMT, as simulações efetuadas neste texto gerarão dados que abrirão a

oportunidade e auxiliarão no planejamento de novos experimentos.

18

3 CÁLCULOS PRELIMINARES

O intuito deste capítulo é propor a simulação termodinâmica do desempenho de

um motor de combustão interna de ignição por compressão, utilizando óleo Diesel e suas

misturas ao Biodiesel. Serão apresentadas definições e conceitos relacionados a motores

de combustão interna. Na sequência, serão descritos o problema, os objetivos almejados

e, posteriormente, uma simulação.

A simulação computacional tem contribuído enormemente no sentido de realizar

uma nova avaliação no campo dos motores de combustão. As ferramentas matemáticas

tornaram-se muito populares nos últimos anos devido ao aumento no poder

computacional tanto no avanço da tecnologia quanto na disponibilidade dos

equipamentos.

3.1 MODELO PARA SIMULAÇÃO

Foi utilizado, através do software AVL Boost®, um modelo que pode prever o

desempenho de motores de combustão com diferentes combustíveis e, capaz de simular

motores com as opções selecionadas da EGR (Exhaust Gas Recirculation) e

sobrealimentação. O programa permite previsão do desempenho do motor, as emissões

pelo tubo de escape e até da acústica de seu funcionamento. O simulador de motores

oferece as seguintes opções de modelagem de liberação de energia na combustão: Wiebe,

Double Wiebe, Table, Constant Volume, Constant Pressure, Fractal, Target Pressure

Curve.

Além das informações do motor, o software requer alguns dados para caracterizar

os combustíveis e executar sua simulação: a massa molar, o poder calorífico inferior

(PCI), a razão ar/combustível estequiométrica, a razão de massa de Carbono/massa total,

a razão de massa de oxigênio/massa total, a razão de massa de nitrogênio/massa total e o

calor específico molar a pressão constante em função da temperatura.

Os modelos de HEYWOOD (1988) e RAMOS (1989) tem sido usados para

encontrar a pressão do cilindro, a taxa de liberação de calor, melhorar a eficiência térmica

e com modelagem do tipo de fenomenos meteorológicos possivelmente predizer o atraso

da ignição, a formação de fuligem e a formação de NOx.

19

3.2 TERMODINÂMICA DO MOTOR

A termodinâmica clássica nos leva a Eq. (3.2) pela primeira lei da termodinâmica,

exposta pela Eq. (3.1), descreve a variação da energia interna do cilindro em função do

ângulo do virabrequim.

#$ = %& + ' (3.1)

()*. ,-(/ = %01 (2(/ + ('1345(/ %6('7(/ % 899 (*99(/ +6(*:(/ 8:%6(*;(/ 8; % <:>? (*:>(/

(3.2)

onde,

/ = Ângulo do virabrequim.

@)4.A-@B = Taxa de variação de energia interna do cilindro em função de θ.

01 @C@B = Trabalho realizado pelo pistão em função de θ.

@DEFGH@B = Taxa de liberação de calor pelo combustível em função de θ.

I @DJ@B = Taxa de calor perdido pela parede do cilindro em função de θ.

899 @4KK@B = Fluxo de entalpia devido ao blow-by em função de θ.

(*: = Elemento de massa entrando no cilindro.

8: = Entalpia do elemento de massa entrando no cilindro.

(*; = Elemento de massa saindo do cilindro.

8; = Entalpia do elemento de massa saindo do cilindro.

<:> = Calor de vaporização do combustível.

? = Fator de vaporização do combustível.

*:> = Massa de combustível evaporada.

Sendo a taxa de variação de energia interna no cilindro em função do ângulo do

virabrequim igual a soma do trabalho realizado pelo pistão em função de /, a taxa de

20

liberação de calor pelo combustível (em função de /), a taxa de calor perdido pela parede

em f(/) e do fluxo de entalpia devido ao blow-by em função de /. Ainda (*L é o

elemento de massa entrando no cilindro, 8L é a entalpia do elemento de massa entrando

no cilindro, (*M é o elemento de massa saindo no cilindro, 8M é a entalpia do elemento

de massa saindo no cilindro, <LP é o calor de vaporização do combustível, ? é o fator de

vaporização do combustível e *LP é a massa de combustível evaporada. Conforme

explicita a Figura 3.1.

Figura 3.1: Esquema de balanço de energia no cilindro (adaptado de

HEYWOOD, 1988).

3.3 MODELAGEM DE COMBUSTÃO

O modelo de combustão de Wiebe (CHALLEN, 1999) faz uso da Eq. (3.3) para

descrever a fração de massa x(/) de combustível consumida ou queimada em função do

ângulo do virabrequim /. /Q se refere ao ângulo no qual se inicia a combustão e também

é conhecido como SOC (start of combustion). Δ/ representa a duração da combustão e

os coeficientes R e * são parâmetros a serem ajustáveis pela da curva experimental de

liberação de calor. A Figura 3.2 mostra o comportamento da curva.

21

S)/- = T % LSU V%R W/ % /Q#/ X4YZ[ (3.3)

ML\/ = /Q \L]^ã_\S)/- = T % LSU`ab = a (3.4)

ML\/ % /Q =\#/\L]^ã_\S)/- = T % LSU`%Rb (3.5)

_](Lc!S = Fração mássica queimada.

/ = Ângulo de manivela.

/Q = Início da combustão (SOC).!

#/ = Duração de combustão.

* = Parâmetro de forma.

R = Parâmetro Wiebe relativa a combustão.

Figura 3.2 – Modelo geral da fração mássica de combustível queimado de Wiebe

(adaptado de HEYWOOD, 1988).

Nesta modelagem foram assumidas outras propostas como não haver nenhum

vazamento de gás através das válvulas e anéis de seguimento do pistão, de modo que a

massa permaneça constante; a velocidade da manivela seja uniforme, fazendo referência

ao fato de que o motor modelado é de rotação constante; o gás no cilindro se mova através

de estados em equilíbrio e, dentro do cilindro, a mistura se comporte como um gás perfeito

e as condições de escoamento de fluido zero dimensionais. Assumiu-se também que os

calores específicos das misturas de gases sejam calculados como uma função de

temperatura, a pressão e a temperatura no cilindro sejam uniformes e variem de acordo

com o ângulo de manivela.

22

3.4 MODELAGEM DA CURVA DE LIBERAÇÃO DE ENERGIA

A liberação de energia neste modelo será norteada pelo modelo de injeção e

combustão proposto para motores diesel por HEYWOOD (1988). O processo de

combustão e consequente liberação de energia através de calor em motores diesel com

injeção direta pode ser idealizado através da curva da taxa de liberação de calor pelo

combustível em função do ângulo do virabrequim, conforme visto na Figura 3.3.

Por sua simplicidade e ajuste dos parâmetros, o modelo de Wiebe é encontrado

em trabalhos na área de motores com frequência. Por outro lado, este modelo possui uma

notória limitação. Uma vez ajustados os parâmetros da equação, a curva da taxa de

queima do combustível e a curva de liberação de calor tornam-se definidas. Por

conseguinte, essas curvas não podem ser alteradas a cada nova condição de operação do

motor, tornando necessários novos ajustes para diferentes condições de trabalho.

Existem nessa modelagem quatro grandes fases conforme evidencia a Figura 3.3.

A primeira é o atraso de ignição que vai de a até b, seguido da Combustão pré-misturada

ou rápida (rapid combustion) até c; depois a Combustão difusiva ou controlada pela taxa

de mistura (mixing-controlled combustion) até d e por fim a Combustão terminal ou

residual.

Figura 3.3 – Modelo de curva de liberação de energia (adaptado de HEYWOOD,

1988).

O atraso de ignição ou Ignition Delay (ID), primeira fase, é definido por

HEYWOOD (1988) como o intervalo de tempo de a até b, que está contido entre o início

23

da injeção – SOI (Start of Injection) – e o início da combustão, SOC (Start of

Combustion). Este atraso é consequência de processos físico-químicos que acontecem

anteriormente à queima do combustível. Na parte cinemática e física, destacamos a

atomização do jato de combustível que forma suas gotículas, o aquecimento das mesmas

para sua vaporização e a mistura com o ar na câmara (GUPTA, 2013). Por outro lado, os

processos químicos consistem nas reações de pré-combustão e, no caso dos combustíveis

fósseis, a decomposição dos hidrocarbonetos mais pesados em componentes mais leves

(GUPTA, 2013). Há diversas causas que incidem durante a operação do motor que

modificam o atraso de ignição: o avanço de injeção, a carga do motor, a rotação de

funcionamento e a taxa de injeção (HEYWOOD, 1988). A estrutura molecular dos

combustíveis é protagonista no atraso de ignição. Componentes formados por cadeias

parafínicas lineares, os alcanos, entram em ignição mais facilmente que os com cadeias

aromáticas e de modo mais fácil que aqueles que possuem cadeias ramificadas por

necessitar menos energia para quebrar suas ligações intermoleculares (HEYWOOD,

1988).

A combustão pré-misturada, segunda fase, consiste no intervalo de tempo de b até

c e se trata da queima rápida e espontânea. O combustível misturado com o ar no atraso

de ignição queima e quanto maior o ID, mais combustível terá se misturado com o ar e

mais intensa será essa fase (HEYWOOD, 1988, GUPTA, 2013). Nessa etapa, fica

caracterizada uma taxa de variação da pressão acentuada em função do ângulo do

virabrequim. É digno de nota que um elevado valor de pressão e, portanto, da temperatura,

provoca aumento nos níveis de emissão de NOx e dilatação térmica dos componentes do

motor, existindo a possibilidade de tensões térmicas aparecerem. Devido a este fato,

combustíveis caracterizados por um grande atraso de ignição e combustão pré-misturada

mais intensa durante sua queima são rotulados com má qualidade de ignição (GUPTA,

2013).

A terceira fase acontece na sequência às porções de combustível misturadas ao ar

no atraso de ignição terem queimado na segunda fase. A chama formada irá avançar sobre

qualquer nova quantidade de combustível que se misturar com o ar num processo

denominado combustão difusiva (HEYWOOD, 1988). A queima do combustível nesta

etapa é governada pela caracterização de como o combustível se mistura com o ar,

tornando-a mais lenta e menos intensa do que a anterior (HEYWOOD, 1988). A taxa de

mistura é característica do combustível e pode ser afetada pela turbulência na câmara de

combustão (HEYWOOD, 1988) e pela taxa de injeção de combustível (GUPTA, 2013).

24

Por último acontece a quarta fase, conhecida como “cauda da combustão”, tendo

lugar ao fim da expansão e é definida pela queima das últimas parcelas de combustível,

que acontece a uma proporção menor que as etapas anteriores (HEYWOOD, 1988).

Neste modelo é utilizado o modelo de Wiebe para aproximar a curva de liberação

de energia conforme as Eqs. (3.3), (3.6), (3.7) e (3.8).

S = d(S(/ (/ = T % LSU`%R e )f-4YZb (3.6)

f = W/ % /Q#/ X (3.7)

(S = ('' (3.8)

onde,

S = Fração mássica queimada.

' = Total da entrada de calor fornecido pelo combustível.

/ = Ângulo de manivela.!

/Q = Início da combustão (SOC).!

A figura 3.4 evidencia a aproximação de uma curva de liberação de calor real de

um motor diesel de injeção direta por uma função de Wiebe. O início da combustão, a

duração de combustão e parâmetro de forma foram obtidos por um ajuste de mínimos

quadrados da curva de liberação de calor medido.

Figura 3.4 – Aproximação de curva de liberação de energia de diesel (adaptado de AVL,

2009).

25

Na figura 3.5 mostra a influência do parâmetro "m" de forma na função de Wiebe.

Figura 3.5 – Influência do parâmetro de forma "m" na função Wiebe (adaptado de AVL,

2009).

Dentre as demais opções expostas acima de modelos de combustão disponíveis

para a análise, adotou-se neste trabalho também o modelo de combustão Fractal.

O termo fractal é usado para denominação da classe especial de curvas definidas

recursivamente que produziam imagens descontínuas. A origem vem do termo latino

fractus, do verbo frangere, que significa quebrar. A partir disso, foi desenvolvida a

geometria fractal, que visa o estudo dos subconjuntos complexos de espaços métricos.

Esse ramo da matemática é responsável por estudar as propriedades e

comportamentos dos fractais, descrevendo situações que, só com a geometria clássica,

não poderiam ser explicadas. Estas situações foram aplicadas na ciência, tecnologia e arte,

geradas por meio de computador.

No objetivo de modelar uma frente de queima descontínua e turbulenta a

ferramenta matemática conhecida como Fractal é útil. Este modelo é conhecido como

quasi-dimensional e divide a mistura de ar/combustível em duas zonas, zona queimada e

zona não queimada, separadas pela frente de chama conforme observado na figura 3.6,

onde “a” indica a frente da chama, “b” a zona queimada, “c” a zona virtual da chama e

“d” a zona não queimada.

26

Figura 3.6 – Propagação da frente de chama do modelo Fractal (adaptado de

AVL, 2009).

A escolha do modelo Fractal como segundo processo para simular a combustão é

baseada no fato de que, uma vez ajustados os parâmetros para um determinado

combustível e condição de operação, não é preciso reajuste dos parâmetros se um novo

combustível for selecionado. Outra característica desejável do modelo Fractal é ele ser

capaz de prever o atraso de ignição e a duração da combustão, dados necessários quando

se deseja comparar o comportamento da queima de diferentes combustíveis em um MCI.

Apesar de garantir simplicidade a principal desvantagem deste modelo de

combustão é que ele define o atraso de ignição com base em certos fenômenos físicos a

fim de calcular o desenvolvimento da chama turbulenta. Este dado deve ser confirmado

experimentalmente. Além disso o modelo de turbulência implementado tem como

desvantagem a especificação das condições iniciais para a energia cinética turbulenta e

sua taxa de dissipação no início do ciclo de alta pressão.

O modelo Fractal propõe que a frente de chama é superfície irregular que se

propaga com velocidade de chama laminar, cuja área pode ser descrita por uma geometria

fractal como exposto por CARVALHO (2011). Esse fato é corroborado por experimentos

de visualização da combustão de DOBER (2000).

Neste modelo se leva em conta a influência de parâmetros como a geometria da

câmara de combustão, localização do ponto de início da combustão, composição do gás

no cilindro e turbulência do fluido. A modelagem considera que a frente de chama se

inicia como uma pequena esfera de superfície lisa e esbelta. A medida que a combustão

prossegue essa superfície é enrugada devido à turbulência. Como consequência disso o

27

modelo de queima é melhor aplicado para velocidades de rotação do motor não muito

elevadas. Caso contrário, a frente de chama modelada por uma esfera enrugada deixa de

ser uma boa aproximação.

A taxa de queima do combustível é guiada pela propagação de chama, sendo esta

proporcional à densidade da mistura não queimada, dada pela Eq. (3.9).

(*5(^ = gAhijk (3.9)

Onde o primeiro tempo representa a taxa de combustível queimada com relação

ao tempo, gA é a massa específica da mistura, hi é a área da frente de chama laminar

sendo considerada a área esférica, e jk é a sua velocidade turbulenta característica da

chama. A relação com a velocidade laminar é dada pela Eq. (3.10).

jk = jil (3.10)

Onde ji é função de parâmetros das características do combustível, e l é o fator

de escala do enrugamento da superfície da frente da chama turbulenta (RIVAS, 2011).

O modelo Fractal, quasi-dimensional, emprega a seguinte técnica para determinar

o fator de escala (AVL, 2009), conforme a Eq. (3.11).

l = Wm4nom4QpXqrs"

(3.11)

Onde tu é a dimensão fractal e m4no m4Qpv é a escala fractal, com m4no e m4Qp

sendo as irregularidades locais máxima e mínima. Segundo AVL (2009), a escala fractal

é calculada através das Eqs. (3.12) e (3.13).

m4nom4Qp = m4no WPm4no,ku XZwx

(3.12)

m4no = yi z 2{x |"}

Zwx

(3.13)

Onde ,k é a velocidade de escoamento turbulenta, P é a viscosidade cinemática,

2 é o volume instantâneo do cilindro, | é o seu diâmetro e a constante yi é o fator de

escala da turbulência.

A dimensão fractal tu é dependente da razão entre a velocidade de escoamento

turbulenta ,k e a velocidade da chama laminar ji (AVL, 2009), regida pela Eq. (3.14).

28

tu = ~c��\,k + ~ca�\ji,k + ji (3.14)

Considerando o modelo Fractal, há sete parâmetros a serem ajustados

empiricamente. Os valores recomendados pelo desenvolvedor do simulador de motores

AVL BOOST® (AVL, 2009) estão expostos na Tabela 3.1.

Tabela 3.1 – Valores padrão para os parâmetros do modelo Fractal (BOOST,

2009).

Parâmetro Valor Padrão Fator de atraso de ignição (yQ�p) 1 Raio de referência da chama (��c�:�) 0,01 Fração mássica para ativação do modelo de combustão próxima à parede (�")

0,2

Fator de influência do gás residual (() 2 Fator de interação da combustão turbulenta (y4) -0,33 Constante de Produção de turbulência (y�) 0,5 Fator de escala da turbulência (yi) 0,5

Segundo AVL (2009), os parâmetros ��c�:�, �" e ( devem ser mantidos com os

seus valores padrões e não precisam ser ajustados. Já para os parâmetros y� e yi o manual

instrui como ajustar aos valores maior correlação entre os resultados de simulação com

os dados experimentais de pressão. Enfim, são apresentas por AVL (2009) instruções para

o ajuste de y4, sendo este um parâmetro de ajuste fino. A recomendação é que seu ajuste

seja executado somente após os demais parâmetros. Neste trabalho optou-se por seguir as

recomendações sugeridas por AVL (2009), sendo ajustados somente os parâmetros y4,

y�, yi e o fator de atraso yQ�p.

O software BOOST inclui o parâmetro (yQ�p), incumbido de parametrizar a

evolução da chama. No início, a velocidade de propagação da chama é elevada, até chegar

a 2 mm de diâmetro. Este estágio da chama é incluído no calculo do software

computacional. O parâmetro (yQ�p) começa a influenciar apenas após essa etapa. Como

condição inicial, é considerada uma superfície esférica esbelta e lisa de 2 mm de diâmetro.

O enrugamento da frente de chama é tratado como proporcional ao raio da frente de

chama, em relação ao seu ponto de origem e à turbulência do escoamento. A taxa de

enrugamento é tratada pelo modelo como uma equação adimensional que tem como

29

referência 1000 rpm e o motor com 1200 rpm, assim como um raio instantâneo de frente

de chama e uma referência de 1 cm. De acordo com AVL (2009), estes parâmetros, em

sua experiência em modelagem computacional de motores, de 1000 rpm e 1 cm, são bons

valores de referência para a maioria dos motores.

O modelo Fractal nesse trabalho tem como finalidade modelar a taxa de queima

da massa no interior do cilindro. Esse cálculo é então utilizado no modelo de queima

duas-zonas explicitado na figura 3.6. Dentre as diferenças do modelo Fractal para o

modelo Wiebe destaca-se que o modelo Fractal busca calcular a taxa de calor liberado a

partir da teoria de superfície fractal e escoamento turbulento. Por isso, não são necessários

os dados das curvas de pressão experimentais para cada caso que se deseja simular. Ao

contrário do modelo Wiebe, que para cada taxa de calor liberado na combustão em cada

condição de operação do motor e misturas de combustíveis são necessários ajustes dos

parâmetros a e m.

3.5 MODELAGEM DA GEOMETRIA DO CILINDRO

Com o objetivo de obter a área total, o volume da câmara de combustão foi

equacionado em função do ângulo de posição do virabrequim e variáveis geométricas

obtidas com o fabricante do motor conforme ilustra a Figura 3.7.

Figura 3.7 – Geometria do cilindro.

30

onde,

| = Diâmetro do cilindro,

� = Raio do virabrequim,

� = Comprimento da biela.

/ = Ângulo do virabrequim.

M)/- =\Curso instantâneo do pistão.

0�� = Ponto morto inferior.

0�j = Ponto morto superior.

Para detalhamento explícito da Eq. que será a regente do curso empregado pelo

pistão M(/) é utilizada a Lei dos Cossenos, Eq.(3.15), no triângulo do curso, raio do

virabrequim e biela.

M)/- = � �� / + ��" % �" ��" / (3.15)

E por consequente, o volume interno da câmara de combustão é formulado pelas

Eqs. (3.16), (3.17) e (3.18).

2)/- = �|"� `� + � % M)/-b + 24)Ta- (3.16)

�1 = 24 + 2@24 (3.17)

2@ = �|"� j (3.18)

onde,

24 = Volume morto do cilindro. (Entre PMS e o Cabeçote)!

�1 = Razão de compressão.

2@ = Volume deslocado.

Para calcular o 24 utiliza-se ~� como curso total j4no e se explicita pela Eq.

(3.19).

24 = �|"� W ~�� % TX (3.19)

Por fim, fazendo-se uso das Eqs. (3.15) e (3.19) na Eq. (3.16) temos por produto

a Eq. (3.20) para o volume da câmara de combustão.

31

2)/- = �|"� W� + � % � �� / % ��" % �" ��" / + ~�� % TX (3.20)

Para iniciar os cálculos de transferência de calor outra variável a ser computada é

a superfície interna da câmara de combustão. A área total, h)/-, será a soma da área

lateral do cilindro h�n�)/-, da área do cabeçote h;A� e da área da face superior do pistão

h�Q;�ã3. Conforme mostrado pelas Eqs. (3.21), (3.22) e (3.23).

h)/- = h�n�)/- + h�Q;�ã3 + h;A� (3.21)

h�Q;�ã3 � h;A� = �|"� (3.22)

h�n�)/- = �|`� + � % � �� / % M)/-b + h4 (3.23)

Então, busca-se a área lateral do volume morto, empregando-se a Eq. (3.19) para

obter a Eq. (3.24).

h4 = �| W ~�� % TX (3.24)

Finalmente obtém-se a Eq. (3.25) através de (3.15), (3.23) e (3.24).

h�n�)/- = �| �|~ + � + � % � �� / % ��" % �" ��" / + ~�� % T� (3.25)

3.6 MODELAGEM DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR

O modelo de transferência empregado para a troca de energia entre os gases e a

parede no interior da câmara de combustão para cada posição do cilindro será o da Eq.

(3.26) (AVL, 2009) e (HEYWOOD, 1988).

'Q = 8hQ)�1 % �Q- (3.26)

Para modelar\8 foi utilizado WOSCHNI (1967) e WOSCHNI (1990) explicitado

nas Eqs. (3.27) e (3.28).

�7c�� = �.~�ts�."01�. ��s�.¡¡ ��Zy4 + �")01 % 0�- 2@�Z0Z�Z��.

(3.27)

32

�7c¢� = �.~�ts�."01�. ��s�.¡¡ £�Zy4 VT + ~¤212" ��¥0s�."¦[§�.

(3.28)

caso\�Zy4 ¨T + ~ ©CEC " ��¥0s�."ª« ¬ �")01 % 0�- Ck®®̄k® então,

�7 = �7c¢�c\ caso contrário, �7 = �7c��

O modelo empregado na simulação é tal que se utiliza para �933;� para compressão e expansão �7. Para admissão e exaustão �933;� será �7 caso \�7 ¬ �7\43@ ou \�7\43@ se \�7\43@ ¬ �7 sendo,

�7\43@ = �.~�ts�."01�. ��s�.¡¡ £T� W(Qpt X" °2Qp°§

�.

(3.29)

onde, t = Diâmetro do cilindro. 0� =\Pressão média dos gases. �� =Temperatura média dos gases. �Z = �.T± + a.�T± 1²1G\, durante trânsito de fluidos ou �Z = ~.~± + a.�a± 1²1G nos demais

períodos.

yA = t³� ~´ . ³� =\Velocidade angular. y4 = Velocidade média do pistão. �" = a.aa�~�, durante expansão e combustão ou �" = a durante compressão e trânsito de fluidos. 0� = Pressão na câmara sem ocorrência de combustão. 2@ = Volume deslocado. �Z = Temperatura no ângulo de fechamento da válvula de admissão. 0Z = Pressão no ângulo de fechamento da válvula de admissão. 2Z = Volume no ângulo de fechamento da válvula de admissão. 21 = Volume morto. 2 = Volume instantâneo no cilindro. ��¥0 = Pressão média efetiva indicada. (Qp = Diâmetro do duto conectado a válvula de admissão. 2Qp = Velocidade do gás na válvula de entrada.

33

3.7 MODELAGEM DE REAÇÃO E COMBUSTÃO

Os combustíveis usados em Motores de Combustão Interna (MCI) são

majoritariamente hidrocarbonetos que têm grandes poderes caloríficos. Vapores dos

hidrocarbonetos de combustíveis facilmente misturam-se com o ar formando uma mistura

combustível. A composição de combustíveis geralmente é apresentada por massa

elementar de trabalho: C + H + O + N + S + A + W = 100%, onde C, H, O, N, S, A, e W

são porcentagens de carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre, cinzas e umidade

do combustível (VLASSOV, 2008)

A particularidade mais relevante de um combustível no que tange a esta simulação

é seu poder calorífico que essencialmente é a quantidade do calor que se liberta durante

a combustão completa do combustível. O poder calorífico pode ser medido em Joule (J,

kJ, MJ) por quilograma de combustíveis líquidos ou por metro cúbico de combustíveis

gasosos. Seu valor depende da composição química do combustível. O poder calorífico

pode ser determinado experimentalmente em um banco especial denominado bomba

calorimétrica, em que o combustível é queimado no meio do oxigênio puro de

combustíveis gasosos em um calorímetro. Na bomba calorimétrica é determinado o

chamado poder calorífico superior 8µ¶¯. O valor inclui um calor de condensação do vapor

da água formado pela combustão do hidrogênio e pela umidade contida no combustível.

Por outro lado, em MCI, os gases de escape têm a temperatura maior do que a de

condensação do vapor da água e por isso esse calor não se aproveita. Em cálculos térmicos

dos MCI é usado o poder calorífico inferior 8·¸, que não inclui o calor de condensação

de vapor da água. Entre poder calorífico superior e inferior há uma correlação, conforme

explicitado na Eq. (3.30) (VLASSOV, 2008).

8·¸ = 8µ¶¯ % ~~�¹ % ~�& (3.30)

onde,

8·¸ = Poder calorífico inferior.(PCI) `º»º�b!8µ¶¯ = Poder calorífico superior.

¹ = Porcentagem massica do hidrogênio.

& = Porcentagem mássica da umidade no combustível líquido.

34

Um combustível é composto em geral de carbono C, hidrogênio H e pequenas

quantidades de enxofre S, oxigênio O e nitrogênio N. A Tabela 3.2 abaixo apresenta

composições típicas e alguns parâmetros de combustíveis derivados do petróleo e do

álcool.

Tabela 3.2 – Especificação de composições típicas dos combustíveis (VLASSOV, 2008).

Combustível Porcentagem em massa de

elementos Massa molecular PCI

C H O kg/kmol MJ/kg Gasolina (pura) 85,5 14,5 - 110/120 43,93

Óleo diesel 87 12,6 0,4 180/220 42,44 Etanol 50,05 13,05 36,9 43,37 25,078

A combustão pode ser completa ou incompleta. A completa acontece quando na

câmara de combustão há o oxigênio do ar na quantidade suficiente para oxidação

completa de todos os elementos combustíveis. Os elementos químicos do combustível

(carbono - C; hidrogênio - H; enxofre - S) reagem com o oxigênio do ar formando os

produtos de combustão completa.

No caso de a câmara de combustão receber uma quantidade menor de ar que a

necessária, a combustão será incompleta. Trata-se o hidrogênio e o enxofre como

elementos mais ativos que o carbono e a falta do ar influi geralmente sobre a reação da

queima do carbono e nos produtos de combustão aparecerá CO (monóxido de carbono).

Sendo um gás combustível, o monóxido do carbono reage com o oxigênio do ar e

libera o calor. A combustão incompleta é indesejável; quando motor funciona

regularmente, na câmara de combustão existe o ar suficiente ou em excesso para garantir

a combustão completa.

Neste modelo, utilizou-se a formulação mais ampla de combustão com ar padrão

conforme descrito pela Eq. (3.31) (HEYWOOD, 1988).

��¹4¼p + ½¾¿)¼" + �cÀÀ�Á"- + ½Â¿¾cÃ¹"¼Ä ½�¾¿�¼" + ½Â¿¾c¯¹"¼ + ½¸¿Á"

(3.31)

!

35

onde,

½¾¿ = m + *� % ]~!½�¾¿ = m!½Â¿¾c¯ = *~ + ½Â¿¾cÃ!½¸¿ = �cÀÀ�½¾¿

E ainda considerando os conceitos de peso molecular e razão ar/combustível

temos as Eqs. (3.32) e (3.33).

*1345ÅÅÅÅÅÅÅÅ = m*�ÅÅÅÅ + **ÂÅÅÅÅÅ + ]*¾ÅÅÅÅ (3.32)

)h �v -:;� = ½¾¿)T + �cÀÀ�-*Æ�ÅÅÅÅÅ*1345ÅÅÅÅÅÅÅÅ (3.33)

onde,

*Æ�ÅÅÅÅÅ = ~±cÇ�~ ½È½*_m .!*�ÅÅÅÅ = T~caTaÀ ½È½*_m .!*ÂÅÅÅÅÅ = TcaaÀÇ�\ ½È½*_m .!*¾ÅÅÅÅ = T�cÇÇÇ�\ ½È½*_m.

O ar atmosférico foi modelado conforme a Tabela 3.3.

Tabela 3.3 – Modelo de ar atmosférico (AVL, 2009).

ppm/Volume Massa

Molecular Fração Molar

Razão Molar ¼" 209500 31,998 0,2095 1 Á" 780900 28,012 0,7905 3,773

Ar 9300 39,348 �¼" 300 44,009 1000000 1 4,773

36

Enquanto para modelagem das reações e mecanismos de calor específico (y�É -, entalpia (8Å) e entropia (MÊ) foram empregadas as Eqs. (3.34), (3.35) e (3.36) (JANAF,

1917).

y�É = �)RZ + R"� + Ru�" + Rx�u + R¡�x- (3.34)

8Å = � ©RZ� + R"~ �" + Ru� �u + Rx� �x + R¡� �¡ + R�ª (3.35)

MÊ = �)RZ + m]� + R"� + Ru~ �" + Rx� �u + R¡� �x + R�- (3.36)

3.8 MODELAGEM DE EMISSÕES NOx

Ambos os modelos de Wiebe e Fractal utilizam as mesmas equações para as

emissões estimadas pelo programa BOOST. A formação de NOx é equacionada para

calcular através do modelo de formação de NO de acordo com as equações abaixo. Este

modelo inclui a equação do mecanismo de produção/destruição de NO, pela Eq. (3.37) e

as equações dos seus parâmetros, pelas Eqs. (3.38), (3.39) e (3.40).

(`Á¼b(^ = Á¼¯¾µk e Á¼Ë¶ik e ~ca e )T % Ì"- �ZT + ÍhÎZ (3.37)

Í = `Á¼b`Á¼b:Ï eTÁ¼¯¾µk

(3.38)

hÎZ = �Z�" + �u (3.40)

hÎ" = �x�¡ + �� (3.41)

O tratamento computacional do software necessita de dois parâmetros ajustáveis

pelo usuário para acertar as emissões de NOx. Estes são o Á¼¯¾µk e o Á¼Ë¶ik. O

primeiro afeta a formação e a oxidação após o período de combustão durante a expansão

e exaustão, enquanto o segundo ajusta a formação de NO no período de combustão.

37

4 METODOLOGIA

O método empregado neste projeto é de solução matemática, simulação e

corroboração experimental por dados preexistentes das curvas de pressão por ângulo de

giro do virabrequim para o diesel, a fim de validar os modelos e na sequência utilizar

biodiesel de soja e obter novos resultados.

4.1 AVL BOOST®

O AVL BOOST® é um software que pode simular uma variedade de motores, de

2 ou 4 tempos, por centelha ou de autoignição; desde motores de pequena capacidade

para motos até emprego de motores industriais de grande porte ou propulsão de

embarcações.

O modelo de cálculo é projetado empregando os dados a partir de uma árvore de

elementos conectados por elementos de tubo. A proposta é que desta forma as

configurações de motores complexos possam ser modeladas. O programa faz a

otimização de algoritmos de simulação para todos os elementos disponíveis e o fluxo nos

tubos é tratado como unidimensional.

O AVL BOOST® foi usado como uma ferramenta de simulação para analisar as

características de desempenho e para diferentes misturas de biodiesel e diesel (em

volume). Os resultados obtidos a partir da simulação de diferentes misturas de

combustível serão comparados.

4.2 SIMULAÇÃO

O modelo de simulação foi desenvolvido usando o software AVL BOOST® e tem

sido utilizado para estudar o desempenho de motores trabalhando com mistura diesel-

biodiesel. A etapa de pré-processamento permite ao usuário modelar uma configuração

de banco de ensaio do motor usando os elementos predefinidos fornecidos na caixa de

ferramentas do software. Os vários elementos foram unidos pelos conectores desejados

para estabelecer o modelo completo para o motor utilizado.

Em um motor de ignição por centelha os hidrocarbonetos não queimados têm

diferentes fontes. Uma descrição completa de seu processo de formação ainda não pode

ser explicitado, e definitivamente, a concretização de um modelo preditivo confiável

38

dentro de uma abordagem termodinâmica é impedida pelos pressupostos fundamentais e

a exigência de redução de tempo computacional. No entanto, um modelo fenomenológico

que representa os principais mecanismos de formação e é capaz de capturar as tendências

HC como função dos parâmetros de funcionamento do motor pode ser proposto. As

seguintes fontes de hidrocarbonetos não queimados podem ser identificadas em motores

de ignição de MONTENEGRO (2007).

1. Uma fração da carga de combustível entra nas fendas entre os volumes dos anéis

de segmento e não é queimada, dado que a chama se extingue no cilindro.

2. Os vapores de combustível são absorvidos na camada de óleo e depósitos na parede

do cilindro durante o consumo e compressão. A seguir tem lugar a dessorção, quando a

pressão do cilindro diminui durante o curso de expansão e a combustão completa não

pode se dar mais.

3. As camadas na parede da câmara de combustão, que são tratadas de forma que a

chama se extingue antes de atingir as paredes.

4. A queima parcial ocasional ou falha de ignição completa, ocorre quando a

qualidade de combustão é pobre.

5. O fluxo direto de vapores de combustível no sistema de escape durante a

sobreposição das válvulas nos motores de PIF (Port Fuel Injection).

Os dois primeiros mecanismos e, em particular, a formação de depósito de fenda

são considerados como sendo os mais importantes e devem ser contabilizados de um

modelo termodinâmico.

O processo de formação de hidrocarbonetos não queimados nas fendas é descrito

presumindo-se que a pressão no cilindro e nas fendas é a mesma e que a temperatura da

massa nos volumes de fenda é igual à temperatura do pistão (AVL, 2009).

Para o modelo de estudo atual foi empregado o modelo de Wiebe, que é uma

modelagem fenomenológica. Ele divide a câmara de combustão em regiões de gases não

queimados e queimados. As propriedades do gás durante a compressão e expansão foram

calculados com base em relações isentrópicas (AVL, 2009).

A previsão de libertação de calor e de propriedades de gás são formas modificadas

da Eq. de energia. A taxa de libertação de calor das paredes do cilindro é calculada usando

a Eq. de transferência de calor. E a taxa de libertação de calor é modelada a partir do

modelo de libertação de calor de HEYWOOD (1988).

39

O atraso da ignição pode ser definido como o intervalo de tempo entre o início da

injeção do combustível e o início da combustão. Muitos pesquisadores têm dado

correlações para prever o atraso da ignição do início da primeira era WOLFER (1938).

A potência de atrito é simulada por relações empíricas usadas para predizer as

perdas por fricção (GANESAN, 2002). Calcular a perda de potência de atrito é

importante, pois não só afeta o desempenho, mas também aumenta o tamanho do sistema

de refrigeração. Há a perda para superar o atrito devido à pressão do gás por trás dos

anéis, a absorvida em atrito devido à tensão da parede com os anéis e a absorvida em

atrito devido ao pistão e anéis (AVL, 2009).

A pressão e as temperaturas em cada passo do ângulo de manivela no ciclo são

obtidas resolvendo a Eq. de energia, tomando a Eq. dos gases perfeitos por unidade do

ângulo do eixo de manivela.

4.3 BANCADA DE TESTES

A bancada fornecedora de dados utilizados foi adquirida pela Universidade Federal

do Rio de Janeiro, juntamente com a Petrobras, para a realização de testes e pesquisas

com óleos combustíveis pesados e lubrificantes. O equipamento fica situado no

Laboratório de Máquinas Térmicas (LMT) no banco de provas BUNKER I, Figuras 4.1

e 4.2.

Figura 4.1 – Entrada do BUNKER I

40

Figura 4.2 – Sala de controle da bancada Bunker I

4.4 INSTRUMENTOS DE MEDIÇÃO

A bancada conta com instrumentos de medição IndiModul AVL, um sistema

flexível e compacto para medição de pressão no cilindro do motor. As oito entradas

analógicas de velocidade podem ser usadas para uma variedade de aplicações na área de

desenvolvimento de combustão. Possui fácil manuseio devido à interface de usuário

intuitiva, aquisição de dados baseados no ângulo do virabrequim, transmissão em tempo

real do ângulo de manivela, dados brutos (streaming) à memória do PC para todas as

tarefas de aquisição.

Para análise de medições de emissões foi usado o equipamento Horiba MEXA-

7100, que é um sistema de análise de resposta rápida. Ele mede em porcentagem de

volume gás oxigênio, hidrocarbonetos não queimados, óxidos de nitrogênio, óxidos de

enxofre e óxidos de carbono. Como seu alvo tem as emissões de motores diesel ou

gasolina (4 tempos). Ideal para aplicações tais como medição das emissões de massa e

monitoramento da geração de gases em sistemas de avaliação de catalisador.

Para medição de consumo nos dados experimentais foi usado o método

gravimétrico, que consiste em usar uma balança para medir o fluxo de combustível e um

dinamômetro para medir a potência de saída do eixo, além de um tanque diário de óleo

diesel marítimo.

41

4.5 MOTOR EMPREGADO

Foi utilizado como referência o motor MAN modelo Innovator – 4C (Figura 4.3),

que tanto opera com óleo diesel, bem como com combustíveis mais pesados, sendo

necessário para esse caso um prévio tratamento composto de decantação, centrifugação e

aquecimento do combustível a fim de reduzir sua viscosidade. Na bancada o motor possui

sistema de turbo compressão com a finalidade de aumentar a massa de ar injetada nos

cilindros através de uma maior massa específica resultante da compressão no dispositivo.

Assim, mais combustível é queimado, aumentando a potência do motor para um mesmo

volume admitido nos cilindros. Sua turbina alimentadora do turbo compressor é acionada

pelos gases de exaustão do motor e seu rotor aciona o compressor, que está montado em

um eixo comum.O motor também utiliza um intercooler para resfriamento de ar reduzindo

a temperatura do ar oriundo do compressor, aumentando sua massa específica. Alguns

detalhes do motor MAN, Figura 4.3, estão explicitados na tabela 4.1.

Tabela 4.1 - Características do Motor (MAN, 2010). Cilindros 5 em linha

Válvulas por Cilindro 4 válvulas Diâmetro do Cilindro 160mm

Curso do Pistão 240mm Comprimento da Biela 480mm

Cilindrada Total 4800 cm3 Taxa de Compressão 15,2:1

Regime Estacionário Rotação 1200 RPM

Firing Order 1-2-4-5-3 Potência 500 kW

Diâmetro das Válvulas de Admissão 57 mm Folga das Válvulas de Admissão 0,4 mm

Diâmetro das Válvulas de Exaustão 54 mm Folga das Válvulas de Exaustão 0,5 mm

42

Figura 4.3 – Motor Innovator - 4C instalado no banco de provas do LMT

Durante a simulação de óleo diesel marítimo no motor é importante a elaboração

de metodologias de estudo e análise dos parâmetros de interesse. Como este combustível

será usado como base para as misturas com biodiesel, é relevante para ensaios iniciais

que o óleo diesel seja avaliado para que após as misturas sirva como base de comparação

das curvas de pressão e até de emissões.

O motor marítimo diesel é um motor de quatro tempos que possui 5 cilindros

dispostos em linha e opera em regime estacionário a 1200 rpm. Ele possui ponto de

injeção fixo e é capaz de produzir 500 ½& de potência. O motor possui um intercooler

que resfria o ar antes de ser admitido pelo cilindro para aumentar sua massa específica e,

como faz o turbocompressor, também aumenta sua eficiência volumétrica.

O motor está equipado com importantes sensores para medir a variação do ângulo

do virabrequim e a pressão na câmara de combustão. Existem ainda sensores para medir

a pressão na linha de combustível, o levantamento da agulha do bico injetor e os níveis

de emissões.

A medição do ângulo do virabrequim é captada por um sensor eletromagnético de

modelo Honeywell 3010AN. Para a pressão na câmara de combustão é feita a medição

43

pelo sensor da AVL modelo GU21D, que utiliza o método de piezoeletricidade. O

acoplamento para a medição da pressão na câmara de combustão em função do ângulo

obtém dados a cada 0,25° e / = 0° representa o pistão no PMS ao final do tempo da

compressão e no início do tempo de expansão (PASQUALETE, 2015).

As válvulas possuem os ângulos de abertura e fechamento de admissão e de

exaustão conforme extraído da Figura 4.4 e apresentado na Tabela 4.2. Em um documento

fornecido pelo fabricante do motor, tais ângulos estão especificados para quando há ou

não há folgas entre o cilindro e as válvulas, conforme mostra a Tabela 4.2.

Figura 4.4 – Ângulo de abertura e fechamento das válvulas (adaptado de MAN, 2010).

Tabela 4.2 - Ângulos das válvula de admissão e de exaustão (MAN, 2010).

Cilindro/vv Fechamento da vv de

admissão Abertura da vv de exaustão

Com folgas -146.5° 126.5° Sem folgas -126.0° 86°

Levando em conta o poder calorífico inferior do MDO, foi usado o valor do

manual de projeto do motor (MAN Diesel & Turbo, 2010): PCI = 42.7 �Ð/½È. A

temperatura nas paredes da câmara de combustão e cilindro foi assumida como a da água

do sistema de arrefecimento sai das camisas do cilindro: ÑÒ = 90°� (MAN, 2010).

Quanto à operação, a frequência de rotação é em regime estacionário Á = 1200

�U*. A vazão mássica de combustível injetada na câmara de combustão pode ser

determinada através do consumo específico de combustível (Specific Fuel Consumption

- jÓ�), cujos valores por carga estão listados na Tabela 4.3.

44

Tabela 4.3 – Consumo específico de combustível (jÓ�) por carga (MAN, 2010).

Carga jÓ�

(È/½&8) 25% 230 50% 199 75% 187 100% 188

A partir do esquema do motor descrito no manual e observado no LMT, o modelo

do motor foi construído no AVL BOOST® e é apresentado na Figura 4.5.

Figura 4.5 – Modelo Innovator 4C em AVL BOOST®

4.6 COMBUSTÍVEIS

Nesta pesquisa foram empregados dois combustíveis para as misturas dando

origem a todas as misturas de combustíveis nesta simulação. Estas foram feitas com óleo

diesel e biodiesel. Para caracterização dos combustíveis, os seguintes passos são

necessários: informar a Massa molar [kg/mol], o Poder Calorífico Inferior (PCI) [J/kg], a

Razão ar/combustível estequiométrica, a Razão de massa de Carbono/massa total, a

Razão de massa de Oxigênio/massa total, a Razão de massa de Nitrogênio/massa total, o

Calor específico molar, a pressão constante em função da temperatura conforme a Eq.

(3.34), a Entalpia específica molar em função da temperatura (8 ̅) [kJ/kmol] conforme a

Eq. (3.35) e a Entropia específica molar em função da temperatura (M ̅) [kJ/kmol] conforme

a Eq. (3.36).

45

4.6.1 ÓLEO DIESEL

Para as propriedades do óleo diesel marítimo comercializado no Brasil foram

utilizados os parâmetros de forma explicitada na tabela 4.4 para os dados de óleo diesel

(sem biodiesel) (FILHO, 2008).

Tabela 4.4 - Parâmetros para Diesel Marítimo (FILHO, 2008).

Parâmetros Diesel Razão de Carbono/massa total 0,839

Razão de Hidrogênio/massa total 0,080 Razão de Oxigênio/massa total 0,081

Massa molar [kg/mol] 0,100 Poder Calorífico Inferior (PCI) [MJ/kg] 42,839

Razão ar/combustível est. 15,169

Os valores constantes para as Eqs. (28-30) de Calor específico, Entalpia e Entropia

são apresentados na Tabela 4.5 e são fornecidos pela AVL (2009).

Tabela 4.5 – Índices Eqs. de y�c 8\L\M (Diesel) (AVL, 2009). a Baixas Temperaturas Altas Temperaturas 1 -2,77E+00 1,89E+01 2 9,83E-02 4,88E-02 3 -3,50E-05 -1,68E-05 4 -2,30E-08 2,70E-09 5 1,59E-11 -1,66E-13 6 -3,20E+03 -9,39E+12 7 3,52E+01 -7,88E+01

4.6.2 BIODIESEL

Com o intuito de completar a entrada de dados com as propriedades do biodiesel

produzido no Brasil, foram utilizados os dados de biodiesel à base de soja de LIN (2006),

expostos pela Tabela 4.6. Os mesmos dados foram utilizados por MATIAS (2014) em

sua simulação tendo obtido êxito.

46

Tabela 4.6 - Parâmetros para Biodiesel de Soja (LIN, 2006). Parâmetros Biodiesel

Razão de Carbono/massa total 0,7681 Razão de Hidrogênio/massa total 0,1182 Razão de Oxigênio/massa total 0,1137



Para determinar molécula padrão do biodiesel de soja, LIU (2010) fez uma análise

de amostra de biodiesel a base de óleo de soja. Foi encontrada a porcentagem mássica de

moléculas presentes nesse combustível. Os resultados para a quantidade de moléculas

pelo número de carbonos em sua estrutura são apresentados na tabela 4.7.

Tabela 4.7 – Composição de Biodiesel percentagem mássica (LIU, 2010).

Nº C % m 14 0,42 16 10,92 18 87,43 20 0,69 22 0,42 24 0,12

Foi observado que a maioria das moléculas são compostas por 18 carbonos. Deste

modo esta foi selecionada como a molécula padrão e assim foi definida a tabela 4.8 para

o ÔZ ÕuuO".

Tabela 4.8 - Parâmetros para Biodiesel Soja (LIN,2006). Parâmetros Biodiesel

Razão de Carbono/massa total 0,7681 Razão de Hidrogênio/massa total 0,1182 Razão de Oxigênio/massa total 0,1137



Com relação aos valores das constantes para as Eqs. (3.34-3.36) para o biodiesel,

eles não se encontram na base de dados do AVL BOOST®. Os comportamentos das

propriedades termodinâmicas do biodiesel serão aproximadas, assim como as do diesel

47

pelas Eqs. (3.34-3.36). Segundo JUNIOR (2011), que confirmou embasado por ZHOU

(2005), o biodiesel apresenta calor específico à pressão constante 40% maior que o do

óleo diesel convencional. No mesmo ano CARNEIRO (2011) publicou que o biodiesel

apresenta o calor específico à pressão constante, com um valor cerca de 40% maior do

valor para o óleo diesel. Este fato é revisitado por MENDONÇA (2015), que também

confirma o dado e publicou que o calor específico do biodiesel de soja, na temperatura

ambiente, é cerca de 40% maior que o do óleo diesel.

Como �Òc �\Ö\�\estão na base molar, e ××ØÙÚÛÚÜ ××ÝÙÞØÙÚÛÚÜv � ac�, será

empregado para os coeficientes RZc R"c Ruc Rx\L\R¡ do biodiesel nas Eqs. (3.34-3.36) a Eq.

(4.1). Espera-se encontrar um resultado semelhante aos citados anteriormente com

y�c9Q3@Q:;:�wy�cqQ:;:� � 1,4.

RpcqQ:;:� = Rpc9Q3@Q:;:� W*9ß3@ß:;:�ÅÅÅÅÅÅÅÅÅÅÅÅÅ*qß:;:�ÅÅÅÅÅÅÅÅÅ X (4.1)

Portanto as constantes para as Eqs. (3.34-3.36) são apresentadas pela tabela 4.9.

Tabela 4.9 - Índices Eqs. de y�c 8\L\M (Biodiesel) a Baixas Temperaturas Altas Temperaturas 1 -7,77E+00 5,32E+01 2 2,76E-01 1,37E-01 3 -9,82E-05 -4,72E-05 4 -6,46E-08 7,57E-09 5 4,45E-11 -4,66E-13 6 -2,82E+05 -8,98E+09 7 9,89E+01 -2,21E+02

48

Figura 4.6 – Calor específico para diesel e biodiesel.

Com estas escolhas para os coeficientes RZc R"c Ruc Rx\L\R¡ do biodiesel, os valores

máximo e mínimo de y�c9Q3@Q:;:�wy�cqQ:;:� foram respectivamente de 1,43 e 1,38,

conforme mostra a figura 4.6. Esta aproximação limita o comportamento do biodiesel ao

do diesel com variação apenas de módulo. Então poderá incorrer em erro no diagrama

pressão por posição do ângulo do eixo de manivelas a ser avaliado. Além disso o

comportamento do calor específico com o aumento da temperatura do biodiesel pode ser

diferente do diesel na prática. Isto pode acarretar em erros na pressão interna no cilindro,

na quantidade das emissões e na curva da energia liberada. É necessário executar um teste

experimental para confirmação ou correção desta escolha.

49

5 SIMULAÇÃO E RESULTADOS

A seguir, são apresentados os cálculos realizados pela simulação obtida através

dos dados descritos nos capítulos anteriores. Os resultados da metodologia para a pressão

interna na câmara de combustão do motor marítimo para as quatro cargas simuladas

(25%, 50%, 75% e 100%) estão apresentados a seguir. Primeiro, foi feita a simulação

para o combustível diesel e comparado com os dados reais extraídos em ensaio na referida

bancada com o supracitado motor para fins de validação do modelo. Na sequência foram

empregados os dados para o biodiesel de soja e feita a mesma simulação. Desta forma,

foi realizada a mistura volumétrica para 10% e 20% de biodiesel em diesel.

5.1 OBJETIVO

A principal finalidade desta simulação é obter a curva Pressão dentro do cilindro do

motor x Ângulo de Manivela considerando as etapas da curva de liberação de calor, o

atraso de ignição, a combustão rápida, a combustão controlada e a combustão final,

conforme mostrado a figura 5.1.

Figura 5.1 – Pressão dentro do cilindro x Ângulo (com e sem combustão) (adaptado de

SHAHABUDDIN, 2013).

A figura 5.1 mostra o intervalo AB que é denominado atraso de ignição. Este é o

tempo contido entre o início da injeção SOI (Start of Injection), e o início da combustão

50

SOC (Start of Combustion) e é decorrente de processos físico-químicos que acontecem

anteriormente à queima do combustível.

A figura 5.2 detalha que o ponto “a” é o SOI (Start of Injection) ou início da

injeção, “b” é o SOC (Start of Combustion) ou início da combustão, “c” é o ID (Ignition

Delay) ou atraso de ignição, “d” é o período de mistura e, por fim, “e” é o período de

interação.

Figura 5.2 – Atuação da combustão, detalhe ID (Pressão x Ângulo) (adaptado de

SHAHABUDDIN, 2013).

O intervalo seguinte, na figura 5.1, é BC, a combustão rápida ou pré-misturada

que se trata de uma queima rápida e espontânea, onde o combustível misturado com o ar

no atraso de ignição queima. O terceiro intervalo é o CD, a combustão controlada onde

acontece que a chama formada irá avançar sobre qualquer nova quantidade de

combustível que se misturar com o ar que é a combustão difusiva. E a partir de D, a

combustão final ou “cauda da combustão”, é a queima das últimas parcelas de

combustível.

5.2 ÓLEO DIESEL

5.2.1 MODELO WIEBE

A função de Wiebe necessita de que as constantes R e * sejam ajustadas. Para

estimar os valores foram empregados os resultados de PASQUALETTE (2015), que

51

utilizou o mesmo motor/gerador, a mesma bancada de teste e o mesmo combustível para

determinar esses valores. A tabela 5.1 resume os parâmetros necessários para cada carga,

para o uso da função de Wiebe simples.

Tabela 5.1 - Parâmetros Curva Liberação de Energia Diesel (PASQUALETTE, 2015). Carga /àáâ (°) ∆/(°) R * 25% 0,61 33,58 7,0 0,8 50% -0,45 35,55 4,1 0,8 75% -0,98 34,15 2,7 0,8

100% -1,56 36,72 2,1 0,8

A figura 5.3 mostra a comparação entre os dados reais obtidos em bancada de

medição por PASQUALETTE (2015) e denominados “medidos” e a experiência

computacional simulada conforme acima descrito em 0`0RbS/`äb.

Figura 5.3 – Resultados Medição x Simulação Diesel (B0D100) Wiebe.

52

É possível inferir da comparação dos dados explicitados pela figura 5.3 que o

método empregado apresenta resultados válidos com erros limitados, conforme mostra a

tabela 5.2.

Tabela 5.2 - Pico de Pressão Diesel Wiebe

Carga Medido Simulado Variação 04no`0Rb /`äb 04no`0Rb /`äb 04no`0Rb /`äb

25% 7,10E+06 8,5 7,16E+06 8,6 0,9% 1,2% 50% 1,01E+07 11,4 1,02E+07 11,6 1,0% 1,8% 75% 1,31E+07 10,9 1,33E+07 11,2 1,5% 2,8% 100% 1,59E+07 15,9 1,56E+07 16,5 1,9% 3,8%

A tabela com os dados dos resultados de medição contra simulação com o modelo

Wiebe do diesel por carga em 0`0RbS/`äb é apresentada no Anexo I.

5.2.2 MODELO FRACTAL

O modelo Fractal necessita de que as constantes ��c�:�, �" e ( devem ser mantidos

com os seus valores padrão, exibidos na Tabela 3.1, não precisando ser ajustados. Já para

os parâmetros y4, y� e yi o manual instrui como ajustar aos valores maior correlação

entre os resultados de simulação com os dados experimentais de pressão.

O yQ�p refere-se a um atraso na ignição e controla quanto tempo (ou quantos graus

do virabrequim) leva desde o momento da ignição até o início efetivo da combustão. O

erro na determinação nesse parâmetro implicará num deslocamento dos resultados em

função dos ângulos de avanço, podendo ser comparada à curva experimental.

Os parâmetros restantes, y4, y�, yi e yQ�p foram ajustados em um procedimento

interativo em três tentativas de y4= -0,33, y� = 0,5, yi = 0,5 e yQ�p = 1 para y4= -0,28, y� = 0,4, yi = 0,4 e yQ�p = 0.9. A partir dos valores recomendados na Tabela 3.1 obtém-se

um resultado preliminar da curva de pressão, no próprio simulador de motores AVL

BOOST®. Os parâmetros são ajustados para que o pico de pressão ocorra de acordo com

o dado experimental. A figura 5.4 mostra a comparação entre os dados reais obtidos em

bancada de medição por PASQUALETTE (2015) e denominados “medidos” e a

experiência computacional simulada conforme acima descrito em 0`0RbS/`äb.

53

Figura 5.4 – Resultados Medição x Simulação Diesel (B0D100) Fractal.

É possível inferir da comparação dos dados explicitados pela figura 5.4 que o

método empregado apresenta resultados válidos com erros limitados, conforme mostra a

tabela 5.3. Entretanto, o perfil da curva difere do esperado e do experimental após o atraso

de ignição. Este fato pode ser consequência de o modelo Fractal ser desenhado para uma

fonte de ignição como uma vela e esse motor não possuir esse equipamento.

54

Tabela 5.3 - Pico de Pressão Diesel Fractal

Carga Medido Simulado Variação

25% 7,10E+06 8,5 7,08E+06 8,7 0,28% 2,35%

50% 1,01E+07 11,4 1,01E+07 11,3 0,00% 0,88%

75% 1,31E+07 10,9 1,32E+07 11,1 0,76% 1,83%

100% 1,59E+07 15,9 1,56E+07 16,2 1,89% 1,89%

A tabela com os dados dos resultados de medição contra simulação com o modelo

Fractal do diesel por carga em 0`0RbS/`äb é apresentada no Anexo II.

5.2.3 NOx

As figuras 5.3 e 5.4 mostram que o modelo de Wiebe e o modelo Fractal

descrevem a curva de pressão experimental com erros inferiores a 5%. Para o

funcionamento do motor a 1200 rpm e em suas diferentes cargas, os resultados de

emissões de NOx para os dados experimentais de PASQUALETTE (2015) para ambos

modelos e as diferenças são apresentados nas tabelas 5.4, 5.5 e na figura 5.5.

Tabela 5.4 – Parâmetros de Ajuste de NOx 25% 50% 75% 100%

NOX_MULT (Wiebe) 1 1 1 1 NOX_POST (Wiebe) 0,6 0,7 0,8 1,1 NOX_MULT (Fractal) 1 1 1 1 NOX_POST (Fractal) 2,5 2,7 2,9 3,15

Tabela 5.5 – Emissões de NOx 25% 50% 75% 100%

NOX EXP [ppm] 833 991 1022 932 NOX SIM (Wiebe) [ppm] 814 953 995 1008 NOX SIM (Fractal) [ppm] 841 953 998 1043 Diferença (Wiebe) -2,2% -3,8% -2,7% 8,2% Diferença (Fractal) 1,0% -3,8% -2,4% 11,9%

55

Figura 5.5 – Emissões NOx (B0D100).

A tabela 5.4 sugere que as simulações de NOx para o modelo Wiebe apresentaram

resultados com erro abaixo de 5% com relação aos dados experimentais. Por sua vez, nas

simulações de ambos os modelos a 100% de carga apresentaram erros superiores em

relação aos dados experimentais (máximo de 11,9%).

5.3 BIODIESEL

Para o biodiesel, a função de Wiebe utilizará constantes R e * diferentes do diesel

e ajustadas de forma distinta. Foram empregados os resultados de MATIAS (2014), onde

foi utilizado o mesmo motor/gerador, a mesma bancada de teste e o mesmo combustível,

o biodiesel a base de soja para determinar esses dados. A tabela 5.6 resume os parâmetros

necessários para cada carga para o uso da função de Wiebe simples.

Tabela 5.6 - Parâmetros Curva de Liberação de Energia Biodiesel (MATIAS, 2014) Carga /àáâ (°) ∆/(°) R * 25% 0,02 33,2 4,6 0,8 50% -0,82 37,99 4,6 0,8 75% -1,05 37,23 4,6 0,8 100% -1,39 44,15 4,6 0,8

56

A figura 5.4 mostra a experiência computacional simulada com os dados de

entrada reais obtidos nos trabalhos supracitados, apresentando os gráficos 0`0RbS/`äb. A

figura 5.6 mostra o comparativo entre eles e a tabela 5.7 mostra o comparativo dos picos

de pressão.

Figura 5.6 – Resultados Simulação Biodiesel (B100D0) por carga.

Figura 5.7 – Comparativo B100D0 por carga.

57

A tabela com os dados dos resultados de simulação do biodiesel por carga em

0`0RbS/`äb é apresentada no Anexo III.

5.4 MISTURAS

Para a interação entre o biodiesel e o diesel durante as misturas existe um processo

de evolução no atraso de ignição. Este comportamento foi estudado por SAHOO (2008)

em biodiesel proveniente de Jartropha, Karanja e Polanga. Conforme mostrado na figura

5.6, ao extrair as curvas de HRR (Heat Release Rate), taxa de liberação de calor, em J/CA

(joules por crank angle - joules por ângulo de virabrequim), ele explicita o atraso de

ignição nas tabela 5.8 e 5.9 além das figuras 5.8, levando em consideração a quantidade

de biodiesel e a carga sobre o motor.

Tabela 5.8 - Atraso de ignição (ID) por carga, combustíveis e misturas (SAHOO, 2008).

ID)ä- Carga Carga 0 50% 100% 0 50% 100%

Diesel 16 11,7 8,9 - - - JB20 14,3 10,9 7,5 11% 7% 16% JB50 14 9,8 6,1 13% 16% 31% JB100 10 7,2 4,3 38% 38% 52% KB20 15,7 10,9 8,1 2% 7% 9% KB50 14,2 9,9 6,2 11% 15% 30% KB100 9,7 6,8 4 39% 42% 55% PB20 14,2 9,9 7,2 11% 15% 19% PB50 12,6 8,2 6,1 21% 30% 31% PB100 9,6 6,7 6,2 40% 43% 30%

Tabela 5.7 - 0ËÆå B100D0. B100D0 Pmax

25% 7,65E+06

50% 1,10E+07

75% 1,42E+07

100% 1,72E+07

58

Figura 5.8 – Atraso de ignição (ID) por carga para combustíveis e misturas (adaptado de

SAHOO, 2008).

Tabela 5.9 - Efeito médio do Biodiesel no atraso de ignição (ID) (SAHOO, 2008).

Biodiesel Média ID

Carga 0% 50% 100%

20% 11% 7% 16% 50% 13% 16% 31% 100% 39% 42% 52%

Com os resultados para diesel (B0D100) validados e a simulação para biodiesel

de soja puro (B100D0) concluída, foi realizada a mistura volumétrica aplicando os

resultados das tabelas 5.8 e 5.9 nos resultados apresentados pelas tabelas 5.6 e 5.7, a fim

de obter os dados de entrada para curva de liberação de energia para o ângulo do início

da combustão, a duração da combustão e o parâmetro para as misturas, conforme

mostrado nas tabelas 5.10, 5.11 e 5.12. O parâmetro m foi constante para o diesel e para

o biodiesel em todas as cargas e portanto será considerado constante nas misturas

executadas entre ambos.

59

Tabela 5.10 - Interpolação por Sahoo do æàáâ (°). /SOC (°) Carga Combustível 0 25% 50% 75% 100%

B0D100 1,15 0,61 -0,45 -0,98 -1,56 B10D90 1,07 0,55 -0,49 -0,99 -1,54 B20D80 1,00 0,49 -0,52 -0,99 -1,53 B100D0 0,37 0,02 -0,82 -1,05 -1,39

Tabela 5.11 - Interpolação por Sahoo do ∆/(°).

∆/(°) Carga Combustível 0 25% 50% 75% 100%

B0D100 30,46 33,20 37,99 37,23 44,15 B10D90 30,70 33,24 37,75 36,92 43,41 B20D80 30,93 33,28 37,50 36,61 42,66 B100D0 32,80 33,58 35,55 34,15 36,72

Tabela 5.12 - Interpolação por Sahoo do a.

a Carga Combustível 0 25% 50% 75% 100%

B0D100 4,6 4,6 4,6 4,6 4,6 B10D90 5,0 4,8 4,6 4,4 4,4 B20D80 5,3 5,1 4,5 4,2 4,1 B100D0 8,2 7,0 4,1 2,7 2,1

Para a primeira mistura foram utilizados 10% de biodiesel e 90% diesel (B10D90).

A figura 5.9 mostra a experiência computacional simulada com os dados de entrada

obtidos nas tabelas 5.10, 5.11 e 5.12 com gráficos 0`0RbS/`äb. A figura 5.10 mostra o

comparativo e a tabela 5.13 mostra o comparativo dos picos de pressão (Anexo III).

60



61

Para a segunda mistura foram utilizados 20% de biodiesel e 80% diesel (B20D80).

A figura 5.11 mostra a experiência computacional simulada com os dados de entrada

obtidos nas tabelas 5.10, 5.11 e 5.12 com gráficos 0`0RbS/`äb. A figura 5.12 mostra o

comparativo entre eles e a tabela 5.14 mostra o comparativo dos picos de pressão (Anexo

IV).



25% 7,21E+06

50% 1,02E+07

75% 1,33E+07

100% 1,61E+07

62


A tabela 5.15 mostra um comparativo das pressões de pico no cilindro durante a

combustão dos diferentes combustíveis e misturas aplicados a diferentes cargas. Este

resultado é semelhante ao encontrado por SAHOO (2008) e exposto pela tabela 5.16

(Anexo V).

Tabela 5.15 - Comparativo PCP simulado. Pressão Carga

Pa 25% 50% 75% 100% B0D100 7,12E+06 1,01E+07 1,31E+07 1,59E+07 B10D90 7,21E+06 1,3% 1,02E+07 1,3% 1,33E+07 1,5% 1,61E+07 1,3% B20D80 7,42E+06 4,3% 1,06E+07 4,7% 1,35E+07 3,1% 1,66E+07 4,5% B100D0 7,65E+06 7,5% 1,10E+07 8,4% 1,42E+07 8,4% 1,72E+07 8,2%

Tabela 5.16 - Comparativo PCP (SAHOO, 2009).

Pressão Carga Bar 100%

B0D100 78,7 B0D100 78,7 B0D100 78,7 JB20D80 80,7 2,5% KB20D80 80,4 2,2% PB20D80 80,9 2,8% JB50D50 83,7 6,4% KB50D50 83,3 5,8% PB50D50 84,1 6,9% JB100D0 84,7 7,6% KB100D0 84,2 7,0% PB100D0 85,3 8,4%


25% 7,42E+06

50% 1,06E+07

75% 1,35E+07

100% 1,66E+07

63

5.5 NOx

Para executar a calibração do modelo, quatro parâmetros têm os valores mantidos

segundo a recomendação do fabricante do software de forma descrita anteriormente. O

/(°), atraso de ignição, foi calculado conforme a metodologia aplicada nas misturas

baseadas no resultado de SAHOO (2008).

O parâmetro que se refere ao atraso de ignição foi mantido como valor padrão,

entretanto seria desejável obtê-lo experimentalmente para as misturas de biodiesel assim

como foi feito com os dados obtidos por PASQUALETTE (2015) para o óleo diesel.

O parâmetro yQ�p é responsável pelo ajuste do tempo de atraso entre a centelha e

o real início da combustão. Para ajustar seria adequado utilizar a curva experimental.

Neste caso, se manteriam os outros dois, y� e y�, como padrões e apenas eles como

variáveis até adequar a curva experimental. Uma vez ajustados se passa aos outros dois

parâmetros, y� e y�, que são usados para ajustar a turbulência da combustão. O primeiro é

responsável pela taxa de crescimento da intensidade da turbulência nos estágios iniciais

de abertura da válvula de admissão. O segundo é responsável pela taxa de decaimento da

intensidade de turbulência na fase de compressão. Os parâmetros para a simulação que

foram utilizados estão expostos na tabela 5.17, enquanto os resultados na tabela 5.18.

Tabela 5.17 - Parâmetros modelo AVL para NOx. /(°) yQ�p ��c�:� �" ( y4 y� yi

Carga Padrão 1 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5

25%

B0D100 0,61 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5 B10D90 0,55 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5 B20D80 0,49 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5 B100D0 0,02 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5

50%

B0D100 -0,45 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5 B10D90 -0,49 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5 B20D80 -0,52 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5 B100D0 -0,82 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5

75%

B0D100 -0,98 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5 B10D90 -0,99 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5 B20D80 -0,99 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5 B100D0 -1,05 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5

100%

B0D100 -1,56 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5 B10D90 -1,54 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5 B20D80 -1,53 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5 B100D0 -1,39 1 0,01 0,2 2 -0,33 0,5 0,5

64

Tabela 5.18 - Resultados modelo AVL para NOx. Carga Mistura Wiebe [ppm] Fractal [ppm]

25%

B0D100 814 841 B10D90 819 847 B20D80 830 858 B100D0 854 884

50%

B0D100 953 953 B10D90 960 958 B20D80 974 971 B100D0 996 1001

75%

B0D100 995 998 B10D90 1000 1004 B20D80 1014 1017 B100D0 1043 1047

100%

B0D100 1008 1043 B10D90 1014 1051 B20D80 1030 1064 B100D0 1055 1095

Para executar a calibração do modelo fractal, na ausência de dados experimentais,

os parâmetros tiveram os valores mantidos segundo a recomendação do fabricante do

software.

65

6 CONCLUSÕES

Este trabalho apresentou o completo desenvolvimento do modelo computacional

de um motor marítimo do tipo diesel operando com óleo diesel, biodiesel e as misturas

B10D90 e B20D80 através do software AVL BOOST®, utilizando o modelo de combustão

Wiebe, Fractal e o modelo de transferência de calor desenvolvidos pela empresa AVL

nestas simulações.

Os resultados para óleo diesel foram comparados com os dados reais obtidos em

bancada de medição por PASQUALETTE (2015) e as simulações foram realizadas para

25%, 50%, 75% e 100%. Verificou-se pequena variação quando comparados os dados de

pressão simulada pelos modelos Wiebe, Fractal e dados experimentais. Para a simulação

com o modelo Fractal houve também resultados dentro das grandezas esperadas, mas há

diferença após o atraso de ignição, onde o crescimento aqui é mais linear do que o

encontrado nas medições experimentais disponíveis. Portanto, foi possível validar o

modelo computacional para as quatro condições de operação para o modelo de Wiebe.

O biodiesel pode proporcionar um balanço de emissões no processo de plantação,

que captura carbono da atmosfera aprisionando parte do que libera a posteriori na queima.

Outrossim, seu uso ou mistura adequada também pode proporcionar maior pressão interna

no cilindro no processo de combustão. Foi encontrado nas simulações de NOx que há

elevação nas emissões em ambos os modelos.

O biodiesel tem maior viscosidade, mas menor compressibilidade em comparação

ao diesel.

Nesta simulação, os atrasos de ignição (ID) entre o início da injeção (SOI) e o

início da combustão (SOC) são consistentemente mais curtos chegando a uma variação

de 4ä do ângulo de manivela a 100% de carga entre o biodiesel e o diesel. Ou seja, ao

elevar o teor de biodiesel na mistura o ID fica mais curto. O principal motivo da

diminuição do ID do biodiesel é a sua compressibilidade inferior e maior viscosidade.

Concluiu-se neste modelo que a combustão do biodiesel puro (B100D0) neste

motor resulta uma pressão de pico no cilindro mais alta do que o diesel, representando,

portanto, a mistura ótima levando em consideração apenas a pressão de pico no cilindro

(PCP). A curva de liberação de energia do diesel e seu PCP é menor do que o biodiesel.

O resultado se assemelha à publicação de SAHOO (2009), conforme as tabelas 5.12 e

5.13. Logo, a presente análise revela que o biodiesel é bastante adequado como uma

alternativa ao diesel neste sentido.

66

7 SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS

Maior investigação e pesquisa se fazem necessárias para as propriedades do

combustível, teste de longa duração e análise de desgaste dos componentes alimentados

pelo biodiesel.

Estudos de avaliação experimental com equipamentos de medição com precisão

têm como característica a confiabilidade acadêmica que agrega a qualquer trabalho. Neste

sentido sugere-se a implementação de teste em bancada com o mesmo motor MAN

Innovator 4C alimentado com as misturas B10D90 e B20D80 para melhor avaliação e

possível prova do efeito do tempo de injeção, atraso de ignição, tempo de início e duração

da combustão para uma mais significativa análise do biodiesel de soja em motores a

diesel.

Com relação às emissões, um estudo experimental das misturas, bem como do

biodiesel puro, corroboraria ou enriqueceria as constantes que foram empregadas como

padrão, mas que podem variar. Principalmente os parâmetros yQ�p, y� e y�. Outros

parâmetros a revisar seriam Á¼¯¾µk e o Á¼Ë¶ik.

O experimento também contribuiría para a avaliação do combustível biodiesel no

que diz respeito à redução da emissão de gases, como óxidos de carbono, hidrocarbonetos

não queimados e aumento das emissões de óxidos de nitrogênio prováveis que na

literatura são atribuídos ao menor atraso de ignição e avanço de injeção, em comparação

ao óleo diesel de petróleo.

Portanto como sugestão para trabalhos futuros segue:

• Teste experimental da combustão, considerando o atraso de ignição como função

dos combustíveis;

• Simulação utilizando o modelo de combustão de duas zonas de Wiebe;

• Investigar experimentalmente emissões em função das misturas;

• Validação das curvas de pressão simuladas para as diferentes misturas.

67

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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74

9 ANEXOS

9.1 ANEXO I: DADOS RESULTADOS MEDIÇÃO X SIMULAÇÃO WIEBE

DIESEL POR CARGA ç`çèbéê`äb

25% 50% 75% 100% ê`äb Med Sim ê`äb Med Sim ê`äb Med Sim ê`äb Med Sim -

59 3,09E+05

2,30E+05

-

57 4,38E+05

3,58E+05

-

59 6,16E+05

4,93E+05

-

54 7,96E+05

6,58E+05

-57

3,28E+05

2,45E+05

-

55 4,66E+05

3,81E+05

-

57 6,55E+05

5,24E+05

-

52 8,46E+05

7,00E+05

-55

3,50E+05

2,61E+05

-

53 4,97E+05

4,06E+05

-

55 6,98E+05

5,59E+05

-

50 9,01E+05

7,47E+05

-53

3,74E+05

2,80E+05

-

51 5,30E+05

4,35E+05

-

53 7,46E+05

5,98E+05

-

48 9,62E+05

7,99E+05

-51

4,01E+05

3,00E+05

-

49 5,69E+05

4,67E+05

-

51 7,99E+05

6,43E+05

-

46 1,03E+06

8,59E+05

-49

4,32E+05

3,24E+05

-

47 6,12E+05

5,04E+05

-

49 8,59E+05

6,93E+05

-

44 1,11E+06

9,26E+05

-47

4,65E+05

3,51E+05

-

45 6,60E+05

5,46E+05

-

47 9,28E+05

7,50E+05

-

42 1,20E+06

1,00E+06

-45

5,04E+05

3,81E+05

-

43 7,15E+05

5,93E+05

-

45 1,00E+06

8,16E+05

-

40 1,30E+06

1,09E+06

-43

5,48E+05

4,16E+05

-

41 7,77E+05

6,48E+05

-

43 1,09E+06

8,91E+05

-

38 1,41E+06

1,19E+06

-41

5,99E+05

4,57E+05

-

39 8,48E+05

7,11E+05

-

41 1,19E+06

9,77E+05

-

36 1,54E+06

1,31E+06

-39

6,57E+05

5,03E+05

-

37 9,29E+05

7,83E+05

-

39 1,30E+06

1,08E+06

-

34 1,68E+06

1,44E+06

-37

7,23E+05

5,58E+05

-

35 1,02E+06

8,67E+05

-

37 1,44E+06

1,19E+06

-

32 1,85E+06

1,59E+06

-35

7,99E+05

6,20E+05

-

33 1,13E+06

9,65E+05

-

35 1,58E+06

1,33E+06

-

30 2,05E+06

1,77E+06

-33

8,87E+05

6,94E+05

-

31 1,25E+06

1,08E+06

-

33 1,76E+06

1,48E+06

-

28 2,27E+06

1,98E+06

-31

9,88E+05

7,80E+05

-

29 1,40E+06

1,21E+06

-

31 1,96E+06

1,67E+06

-

26 2,53E+06

2,23E+06

-29

1,11E+06

8,81E+05

-

27 1,56E+06

1,37E+06

-

29 2,19E+06

1,89E+06

-

24 2,84E+06

2,52E+06

-27

1,24E+06

1,00E+06

-

25 1,76E+06

1,56E+06

-

27 2,47E+06

2,14E+06

-

22 3,19E+06

2,86E+06

-25

1,40E+06

1,14E+06

-

23 1,98E+06

1,77E+06

-

25 2,79E+06

2,43E+06

-

20 3,60E+06

3,25E+06

-23

1,59E+06

1,30E+06

-

21 2,25E+06

2,02E+06

-

23 3,16E+06

2,78E+06

-

18 4,09E+06

3,72E+06

-21

1,80E+06

1,49E+06

-

19 2,56E+06

2,32E+06

-

21 3,59E+06

3,19E+06

-

16 4,65E+06

4,26E+06

-19

2,05E+06

1,72E+06

-

17 2,91E+06

2,67E+06

-

19 4,09E+06

3,67E+06

-

14 5,30E+06

4,90E+06

75

-17

2,33E+06

1,97E+06

-

15 3,32E+06

3,07E+06

-

17 4,67E+06

4,22E+06

-

12 6,05E+06

5,64E+06

-15

2,65E+06

2,27E+06

-

13 3,78E+06

3,53E+06

-

15 5,33E+06

4,85E+06

-

10 6,91E+06

6,48E+06

-13

3,00E+06

2,60E+06

-

11 4,29E+06

4,04E+06

-

13 6,05E+06

5,55E+06

-8

7,85E+06

7,42E+06

-11

3,39E+06

2,95E+06

-9 4,85E+06

4,58E+06

-

11 6,84E+06

6,30E+06

-6

8,88E+06

8,42E+06

-9 3,79E+06

3,30E+06

-7 5,43E+06

5,13E+06

-9 7,66E+06

7,05E+06

-4

9,96E+06

9,42E+06

-7 4,19E+06

3,62E+06

-5 6,01E+06

5,64E+06

-7 8,48E+06

7,75E+06

-2

1,10E+07

9,96E+06

-5 4,56E+06

4,09E+06

-3 6,54E+06

6,06E+06

-5 9,22E+06

8,33E+06

0

1,20E+07

1,03E+07

-3 4,86E+06

4,67E+06

-1 6,97E+06

6,61E+06

-3 9,85E+06

9,09E+06

2

1,28E+07

1,07E+07

-1 5,05E+06

4,79E+06

1 7,25E+06

6,88E+06

-1 1,03E+07

9,37E+06

4

1,34E+07

1,27E+07

1 5,11E+06

5,43E+06

3 7,54E+06

7,79E+06

1 1,07E+07

9,60E+06

6

1,39E+07

1,37E+07

3 6,16E+06

6,06E+06

5 8,41E+06

8,69E+06

3 1,13E+07

1,07E+07

8

1,45E+07

1,47E+07

5 6,64E+06

6,58E+06

7 8,93E+06

9,44E+06

5 1,18E+07

1,16E+07

10

1,51E+07

1,52E+07

7 7,01E+06

6,93E+06

9 9,61E+06

9,94E+06

7 1,24E+07

1,22E+07

12

1,55E+07

1,52E+07

9 7,10E+06

7,16E+06

11 1,01E+07

1,02E+07

9 1,29E+07

1,32E+07

14

1,58E+07

1,56E+07

11 6,87E+06

7,07E+06

13 1,00E+07

1,01E+07

11 1,31E+07

1,33E+07

16

1,59E+07

1,55E+07

13 6,44E+06

6,76E+06

15 9,55E+06

9,89E+06

13 1,28E+07

1,30E+07

18

1,56E+07

1,52E+07

15 5,90E+06

6,28E+06

17 8,94E+06

9,30E+06

15 1,22E+07

1,24E+07

20

1,49E+07

1,45E+07

17 5,37E+06

5,80E+06

19 8,18E+06

8,69E+06

17 1,13E+07

1,17E+07

22

1,41E+07

1,37E+07

19 4,85E+06

5,12E+06

21 7,40E+06

7,95E+06

19 1,04E+07

1,09E+07

24

1,30E+07

1,28E+07

21 4,31E+06

4,44E+06

23 6,64E+06

7,28E+06

21 9,39E+06

1,01E+07

26

1,19E+07

1,18E+07

23 3,84E+06

3,87E+06

25 5,96E+06

6,02E+06

23 8,47E+06

8,27E+06

28

1,08E+07

1,09E+07

25 3,44E+06

3,50E+06

27 5,32E+06

5,51E+06

25 7,59E+06

7,57E+06

30

9,76E+06

9,94E+06

27 3,08E+06

3,16E+06

29 4,76E+06

5,02E+06

27 6,83E+06

6,91E+06

32

8,81E+06

9,07E+06

29 2,76E+06

2,88E+06

31 4,28E+06

4,58E+06

29 6,15E+06

6,30E+06

34

7,94E+06

8,27E+06

76

31 2,48E+06

2,60E+06

33 3,86E+06

4,18E+06

31 5,52E+06

5,74E+06

36

7,18E+06

7,54E+06

33 2,23E+06

2,34E+06

35 3,48E+06

3,81E+06

33 4,99E+06

4,66E+06

38

6,49E+06

6,89E+06

35 2,02E+06

2,14E+06

37 3,16E+06

3,49E+06

35 4,53E+06

4,26E+06

40

5,88E+06

6,30E+06

37 1,83E+06

1,94E+06

39 2,87E+06

3,20E+06

37 4,12E+06

3,91E+06

42

5,35E+06

5,77E+06

39 1,67E+06

1,77E+06

41 2,61E+06

2,94E+06

39 3,75E+06

3,59E+06

44

4,88E+06

5,31E+06

41 1,52E+06

1,61E+06

43 2,39E+06

2,71E+06

41 3,43E+06

3,31E+06

46

4,47E+06

4,41E+06

43 1,39E+06

1,47E+06

45 2,19E+06

2,51E+06

43 3,14E+06

3,07E+06

48

4,10E+06

4,08E+06

45 1,28E+06

1,35E+06

47 2,02E+06

2,33E+06

45 2,90E+06

2,85E+06

50

3,78E+06

3,79E+06

47 1,18E+06

1,26E+06

49 1,86E+06

2,17E+06

47 2,67E+06

2,65E+06

52

3,49E+06

3,53E+06

49 1,10E+06

1,17E+06

51 1,72E+06

2,03E+06

49 2,48E+06

2,48E+06

54

3,23E+06

3,29E+06

51 1,02E+06

1,10E+06

53 1,60E+06

1,90E+06

51 2,30E+06

2,32E+06

56

3,01E+06

3,09E+06

53 9,50E+05

1,03E+06

55 1,50E+06

1,79E+06

53 2,15E+06

2,18E+06

58

2,80E+06

2,90E+06

55 8,88E+05

9,75E+05

57 1,40E+06

1,68E+06

55 2,01E+06

2,06E+06

60

2,62E+06

2,74E+06

57 8,33E+05

9,22E+05

59 1,32E+06

1,59E+06

57 1,89E+06

1,95E+06

62

2,46E+06

2,59E+06

59 7,83E+05

8,75E+05

61 1,24E+06

1,51E+06

59 1,78E+06

1,85E+06

64

2,32E+06

2,46E+06

61 7,38E+05

8,32E+05

63 1,17E+06

1,44E+06

61 1,68E+06

1,76E+06

66

2,19E+06

2,34E+06

63 6,98E+05

7,93E+05

65 1,11E+06

1,37E+06

63 1,59E+06

1,67E+06

68

2,07E+06

2,23E+06

65 6,61E+05

7,58E+05

67 1,05E+06

1,31E+06

65 1,51E+06

1,60E+06

70

1,97E+06

2,13E+06

67 6,28E+05

7,27E+05

69 1,00E+06

1,26E+06

67 1,43E+06

1,53E+06

72

1,87E+06

2,04E+06

69 5,97E+05

6,98E+05

71 9,55E+05

1,21E+06

69 1,37E+06

1,47E+06

74

1,78E+06

1,96E+06

71 5,71E+05

6,71E+05

73 9,12E+05

1,16E+06

71 1,31E+06

1,42E+06

76

1,71E+06

1,88E+06

73 5,47E+05

6,48E+05

75 8,74E+05

1,12E+06

73 1,25E+06

1,37E+06

78

1,63E+06

1,82E+06

75 5,26E+05

6,26E+05

77 8,39E+05

1,08E+06

75 1,20E+06

1,32E+06

80

1,57E+06

1,76E+06

77 5,06E+05

6,06E+05

79 8,07E+05

1,05E+06

77 1,16E+06

1,28E+06

82

1,51E+06

1,70E+06

77

79 4,87E+05

5,88E+05

81 7,77E+05

1,02E+06

79 1,11E+06

1,24E+06

84

1,45E+06

1,65E+06

81 4,69E+05

5,71E+05

83 7,49E+05

9,87E+05

81 1,07E+06

1,21E+06

86

1,40E+06

1,60E+06

83 4,53E+05

5,56E+05

85 7,24E+05

9,61E+05

83 1,04E+06

1,17E+06

88

1,36E+06

1,56E+06

85 4,38E+05

5,42E+05

87 7,02E+05

9,36E+05

85 1,01E+06

1,14E+06

90

1,31E+06

1,52E+06

87 4,25E+05

5,28E+05

89 6,81E+05

9,12E+05

87 9,77E+05

1,11E+06

92

1,28E+06

1,48E+06

89 4,14E+05

5,14E+05

91 6,62E+05

8,88E+05

89 9,49E+05

1,09E+06

94

1,24E+06

1,44E+06

91 4,04E+05

5,00E+05

93 6,45E+05

8,64E+05

91 9,25E+05

1,06E+06

96

1,21E+06

1,40E+06

93 3,94E+05

4,86E+05

95 6,30E+05

8,39E+05

93 9,03E+05

1,03E+06

98

1,18E+06

1,36E+06

95 3,84E+05

4,71E+05

97 6,16E+05

8,14E+05

95 8,82E+05

9,95E+05

10

0 1,15E+06

1,32E+06

78

9.2 ANEXO II: DADOS RESULTADOS MEDIÇÃO X SIMULAÇÃO FRACTAL

DIESEL POR CARGA ç`çèbéê`äb

25% 50% 75% 100% ê`äb Med Sim ê`äb Med Sim ê`äb Med Sim ê`äb Med Sim

-59 3,09E+

05

2,31E+

05 -57

4,38E+

05

3,60E+

05 -59

6,16E+

05

4,95E+

05

-54

7,96E+

05

6,61E+

05

-57 3,28E+

05

2,53E+

05 -55

4,66E+

05

3,94E+

05 -57

6,55E+

05

5,41E+

05

-52

8,46E+

05

7,23E+

05

-55 3,50E+

05

2,64E+

05 -53

4,97E+

05

4,11E+

05 -55

6,98E+

05

5,65E+

05

-50

9,01E+

05

7,55E+

05

-53 3,74E+

05

2,90E+

05 -51

5,30E+

05

4,51E+

05 -53

7,46E+

05

6,20E+

05

-48

9,62E+

05

8,28E+

05

-51 4,01E+

05

3,03E+

05 -49

5,69E+

05

4,71E+

05 -51

7,99E+

05

6,48E+

05

-46

1,03E+

06

8,65E+

05

-49 4,32E+

05

3,36E+

05 -47

6,12E+

05

5,23E+

05 -49

8,59E+

05

7,19E+

05

-44

1,11E+

06

9,60E+

05

-47 4,65E+

05

3,55E+

05 -45

6,60E+

05

5,52E+

05 -47

9,28E+

05

7,59E+

05

-42

1,20E+

06

1,01E+

06

-45 5,04E+

05

3,93E+

05 -43

7,15E+

05

6,12E+

05 -45

1,00E+

06

8,41E+

05

-40

1,30E+

06

1,12E+

06

-43 5,48E+

05

4,19E+

05 -41

7,77E+

05

6,52E+

05 -43

1,09E+

06

8,97E+

05

-38

1,41E+

06

1,20E+

06

-41 5,99E+

05

4,75E+

05 -39

8,48E+

05

7,39E+

05 -41

1,19E+

06

1,02E+

06

-36

1,54E+

06

1,36E+

06

-39 6,57E+

05

5,04E+

05 -37

9,29E+

05

7,84E+

05 -39

1,30E+

06

1,08E+

06

-34

1,68E+

06

1,44E+

06

-37 7,23E+

05

5,69E+

05 -35

1,02E+

06

8,86E+

05 -37

1,44E+

06

1,22E+

06

-32

1,85E+

06

1,63E+

06

-35 7,99E+

05

6,20E+

05 -33

1,13E+

06

9,65E+

05 -35

1,58E+

06

1,33E+

06

-30

2,05E+

06

1,77E+

06

-33 8,87E+

05

7,19E+

05 -31

1,25E+

06

1,12E+

06 -33

1,76E+

06

1,54E+

06

-28

2,27E+

06

2,05E+

06

-31 9,88E+

05

7,88E+

05 -29

1,40E+

06

1,23E+

06 -31

1,96E+

06

1,69E+

06

-26

2,53E+

06

2,25E+

06

-29 1,11E+

06

9,07E+

05 -27

1,56E+

06

1,41E+

06 -29

2,19E+

06

1,94E+

06

-24

2,84E+

06

2,59E+

06

-27 1,24E+

06

1,01E+

06 -25

1,76E+

06

1,57E+

06 -27

2,47E+

06

2,16E+

06

-22

3,19E+

06

2,89E+

06

-25 1,40E+

06

1,17E+

06 -23

1,98E+

06

1,83E+

06 -25

2,79E+

06

2,51E+

06

-20

3,60E+

06

3,36E+

06

-23 1,59E+

06

1,30E+

06 -21

2,25E+

06

2,03E+

06 -23

3,16E+

06

2,79E+

06

-18

4,09E+

06

3,73E+

06

-21 1,80E+

06

1,54E+

06 -19

2,56E+

06

2,40E+

06 -21

3,59E+

06

3,30E+

06

-16

4,65E+

06

4,41E+

06

-19 2,05E+

06

1,69E+

06 -17

2,91E+

06

2,63E+

06 -19

4,09E+

06

3,61E+

06

-14

5,30E+

06

4,82E+

06

-17 2,33E+

06

2,02E+

06 -15

3,32E+

06

3,14E+

06 -17

4,67E+

06

4,32E+

06

-12

6,05E+

06

5,77E+

06

79

-15 2,65E+

06

2,25E+

06 -13

3,78E+

06

3,50E+

06 -15

5,33E+

06

4,82E+

06

-10

6,91E+

06

6,44E+

06

-13 3,00E+

06

2,63E+

06 -11

4,29E+

06

4,10E+

06 -13

6,05E+

06

5,64E+

06

-8

7,85E+

06

7,53E+

06

-11 3,39E+

06

2,89E+

06 -9

4,85E+

06

4,50E+

06 -11

6,84E+

06

6,19E+

06

-6

8,88E+

06

8,27E+

06

-9 3,79E+

06

3,36E+

06 -7

5,43E+

06

5,22E+

06 -9

7,66E+

06

7,18E+

06

-4

9,96E+

06

9,59E+

06

-7 4,19E+

06

3,58E+

06 -5

6,01E+

06

5,57E+

06 -7

8,48E+

06

7,67E+

06

-2

1,10E+

07

1,01E+

07

-5 4,56E+

06

4,14E+

06 -3

6,54E+

06

6,13E+

06 -5

9,22E+

06

8,43E+

06

0

1,20E+

07

1,09E+

07

-3 4,86E+

06

4,62E+

06 -1

6,97E+

06

6,54E+

06 -3

9,85E+

06

8,99E+

06

2

1,28E+

07

1,17E+

07

-1 5,05E+

06

4,93E+

06 1

7,25E+

06

7,08E+

06 -1

1,03E+

07

9,64E+

06

4

1,34E+

07

1,30E+

07

1 5,11E+

06

5,42E+

06 3

7,54E+

06

7,78E+

06 1

1,07E+

07

1,02E+

07

6

1,39E+

07

1,45E+

07

3 6,16E+

06

6,19E+

06 5

8,41E+

06

8,88E+

06 3

1,13E+

07

1,09E+

07

8

1,45E+

07

1,50E+

07

5 6,64E+

06

6,53E+

06 7

8,93E+

06

9,36E+

06 5

1,18E+

07

1,15E+

07

10

1,51E+

07

1,52E+

07

7 7,01E+

06

7,03E+

06 9

9,61E+

06

1,01E+

07 7

1,24E+

07

1,24E+

07

12

1,55E+

07

1,55E+

07

9 7,10E+

06

7,08E+

06 11

1,01E+

07

1,01E+

07 9

1,29E+

07

1,30E+

07

14

1,58E+

07

1,56E+

07

11 6,87E+

06

7,03E+

06 13

1,00E+

07

1,01E+

07 11

1,31E+

07

1,32E+

07

16

1,59E+

07

1,55E+

07

13 6,44E+

06

6,71E+

06 15

9,55E+

06

9,82E+

06 13

1,28E+

07

1,29E+

07

18

1,56E+

07

1,51E+

07

15 5,90E+

06

6,35E+

06 17

8,94E+

06

9,40E+

06 15

1,22E+

07

1,26E+

07

20

1,49E+

07

1,47E+

07

17 5,37E+

06

5,78E+

06 19

8,18E+

06

8,66E+

06 17

1,13E+

07

1,17E+

07

22

1,41E+

07

1,37E+

07

19 4,85E+

06

5,20E+

06 21

7,40E+

06

8,08E+

06 19

1,04E+

07

1,11E+

07

24

1,30E+

07

1,30E+

07

21 4,31E+

06

4,47E+

06 23

6,64E+

06

7,32E+

06 21

9,39E+

06

1,02E+

07

26

1,19E+

07

1,19E+

07

23 3,84E+

06

3,93E+

06 25

5,96E+

06

6,11E+

06 23

8,47E+

06

8,40E+

06

28

1,08E+

07

1,10E+

07

25 3,44E+

06

3,52E+

06 27

5,32E+

06

5,54E+

06 25

7,59E+

06

7,62E+

06

30

9,76E+

06

1,00E+

07

27 3,08E+

06

3,20E+

06 29

4,76E+

06

5,09E+

06 27

6,83E+

06

7,00E+

06

32

8,81E+

06

9,19E+

06

29 2,76E+

06

2,87E+

06 31

4,28E+

06

4,57E+

06 29

6,15E+

06

6,29E+

06

34

7,94E+

06

8,25E+

06

31 2,48E+

06

2,64E+

06 33

3,86E+

06

4,25E+

06 31

5,52E+

06

5,85E+

06

36

7,18E+

06

7,68E+

06

33 2,23E+

06

2,37E+

06 35

3,48E+

06

3,85E+

06 33

4,99E+

06

4,71E+

06

38

6,49E+

06

6,95E+

06

80

35 2,02E+

06

2,20E+

06 37

3,16E+

06

3,59E+

06 35

4,53E+

06

4,38E+

06

40

5,88E+

06

6,48E+

06

37 1,83E+

06

1,93E+

06 39

2,87E+

06

3,18E+

06 37

4,12E+

06

3,88E+

06

42

5,35E+

06

5,74E+

06

39 1,67E+

06

1,80E+

06 41

2,61E+

06

3,00E+

06 39

3,75E+

06

3,67E+

06

44

4,88E+

06

4,83E+

06

41 1,52E+

06

1,60E+

06 43

2,39E+

06

2,69E+

06 41

3,43E+

06

3,28E+

06

46

4,47E+

06

4,37E+

06

43 1,39E+

06

1,50E+

06 45

2,19E+

06

2,56E+

06 43

3,14E+

06

3,13E+

06

48

4,10E+

06

4,16E+

06

45 1,28E+

06

1,34E+

06 47

2,02E+

06

2,31E+

06 45

2,90E+

06

2,83E+

06

50

3,78E+

06

3,76E+

06

47 1,18E+

06

1,29E+

06 49

1,86E+

06

2,23E+

06 47

2,67E+

06

2,73E+

06

52

3,49E+

06

3,63E+

06

49 1,10E+

06

1,17E+

06 51

1,72E+

06

2,02E+

06 49

2,48E+

06

2,47E+

06

54

3,23E+

06

3,28E+

06

51 1,02E+

06

1,12E+

06 53

1,60E+

06

1,93E+

06 51

2,30E+

06

2,36E+

06

56

3,01E+

06

3,14E+

06

53 9,50E+

05

1,04E+

06 55

1,50E+

06

1,79E+

06 53

2,15E+

06

2,19E+

06

58

2,80E+

06

2,91E+

06

55 8,88E+

05

1,00E+

06 57

1,40E+

06

1,73E+

06 55

2,01E+

06

2,11E+

06

60

2,62E+

06

2,81E+

06

57 8,33E+

05

9,27E+

05 59

1,32E+

06

1,60E+

06 57

1,89E+

06

1,96E+

06

62

2,46E+

06

2,60E+

06

59 7,83E+

05

8,88E+

05 61

1,24E+

06

1,53E+

06 59

1,78E+

06

1,87E+

06

64

2,32E+

06

2,49E+

06

61 7,38E+

05

8,29E+

05 63

1,17E+

06

1,43E+

06 61

1,68E+

06

1,75E+

06

66

2,19E+

06

2,33E+

06

63 6,98E+

05

8,11E+

05 65

1,11E+

06

1,40E+

06 63

1,59E+

06

1,71E+

06

68

2,07E+

06

2,28E+

06

65 6,61E+

05

7,62E+

05 67

1,05E+

06

1,32E+

06 65

1,51E+

06

1,61E+

06

70

1,97E+

06

2,14E+

06

67 6,28E+

05

7,35E+

05 69

1,00E+

06

1,27E+

06 67

1,43E+

06

1,55E+

06

72

1,87E+

06

2,06E+

06

69 5,97E+

05

7,01E+

05 71

9,55E+

05

1,21E+

06 69

1,37E+

06

1,48E+

06

74

1,78E+

06

1,97E+

06

71 5,71E+

05

6,85E+

05 73

9,12E+

05

1,18E+

06 71

1,31E+

06

1,45E+

06

76

1,71E+

06

1,92E+

06

73 5,47E+

05

6,45E+

05 75

8,74E+

05

1,11E+

06 73

1,25E+

06

1,36E+

06

78

1,63E+

06

1,81E+

06

75 5,26E+

05

6,44E+

05 77

8,39E+

05

1,11E+

06 75

1,20E+

06

1,36E+

06

80

1,57E+

06

1,81E+

06

77 5,06E+

05

6,03E+

05 79

8,07E+

05

1,04E+

06 77

1,16E+

06

1,27E+

06

82

1,51E+

06

1,69E+

06

79 4,87E+

05

6,04E+

05 81

7,77E+

05

1,04E+

06 79

1,11E+

06

1,28E+

06

84

1,45E+

06

1,70E+

06

81 4,69E+

05

5,69E+

05 83

7,49E+

05

9,82E+

05 81

1,07E+

06

1,20E+

06

86

1,40E+

06

1,60E+

06

83 4,53E+

05

5,73E+

05 85

7,24E+

05

9,89E+

05 83

1,04E+

06

1,21E+

06

88

1,36E+

06

1,61E+

06

81

85 4,38E+

05

5,46E+

05 87

7,02E+

05

9,42E+

05 85

1,01E+

06

1,15E+

06

90

1,31E+

06

1,53E+

06

87 4,25E+

05

5,37E+

05 89

6,81E+

05

9,27E+

05 87

9,77E+

05

1,13E+

06

92

1,28E+

06

1,51E+

06

89 4,14E+

05

5,18E+

05 91

6,62E+

05

8,95E+

05 89

9,49E+

05

1,09E+

06

94

1,24E+

06

1,45E+

06

91 4,04E+

05

5,07E+

05 93

6,45E+

05

8,76E+

05 91

9,25E+

05

1,07E+

06

96

1,21E+

06

1,42E+

06

93 3,94E+

05

4,87E+

05 95

6,30E+

05

8,41E+

05 93

9,03E+

05

1,03E+

06

98

1,18E+

06

1,37E+

06

95 3,84E+

05

4,77E+

05 97

6,16E+

05

8,25E+

05 95

8,82E+

05

1,01E+

06

10

0

1,15E+

06

1,34E+

06

82

9.3 ANEXO III: DADOS RESULTADOS SIMULAÇÃO BIODIESEL (B100D0)

POR CARGA ç`çèbéê`äb. B100D0 ê`äb 25% 50% 75% 100%

-61 3,17E+05 4,54E+05 5,97E+05 7,91E+05 -59 3,28E+05 4,70E+05 6,20E+05 8,24E+05 -57 3,58E+05 5,16E+05 6,69E+05 8,87E+05 -55 3,83E+05 5,53E+05 7,17E+05 9,51E+05 -53 4,11E+05 5,89E+05 7,63E+05 1,02E+06 -51 4,43E+05 6,30E+05 8,20E+05 1,09E+06 -49 4,77E+05 6,86E+05 8,83E+05 1,18E+06 -47 5,14E+05 7,38E+05 9,48E+05 1,26E+06 -45 5,54E+05 7,98E+05 1,03E+06 1,37E+06 -43 6,02E+05 8,72E+05 1,10E+06 1,49E+06 -41 6,63E+05 9,50E+05 1,20E+06 1,63E+06 -39 7,34E+05 1,05E+06 1,32E+06 1,79E+06 -37 8,05E+05 1,17E+06 1,46E+06 1,97E+06 -35 8,98E+05 1,29E+06 1,60E+06 2,16E+06 -33 9,94E+05 1,43E+06 1,78E+06 2,39E+06 -31 1,11E+06 1,60E+06 1,97E+06 2,68E+06 -29 1,24E+06 1,79E+06 2,20E+06 2,99E+06 -27 1,39E+06 2,03E+06 2,45E+06 3,36E+06 -25 1,59E+06 2,29E+06 2,77E+06 3,80E+06 -23 1,80E+06 2,60E+06 3,16E+06 4,33E+06 -21 2,07E+06 2,98E+06 3,59E+06 4,94E+06 -19 2,33E+06 3,42E+06 4,13E+06 5,66E+06 -17 2,66E+06 3,88E+06 4,67E+06 6,41E+06 -15 3,03E+06 4,43E+06 5,35E+06 7,35E+06 -13 3,42E+06 4,99E+06 6,09E+06 8,37E+06 -11 3,85E+06 5,61E+06 6,88E+06 9,51E+06 -9 4,31E+06 6,24E+06 7,77E+06 1,06E+07 -7 4,70E+06 6,87E+06 8,71E+06 1,18E+07 -5 5,05E+06 7,34E+06 9,51E+06 1,29E+07 -3 5,55E+06 7,74E+06 1,03E+07 1,38E+07 -1 5,68E+06 7,94E+06 1,09E+07 1,44E+07 1 6,03E+06 8,87E+06 1,12E+07 1,50E+07 3 7,08E+06 9,49E+06 1,19E+07 1,56E+07 5 7,39E+06 1,03E+07 1,25E+07 1,62E+07 7 7,65E+06 1,08E+07 1,30E+07 1,68E+07 9 7,43E+06 1,09E+07 1,38E+07 1,70E+07 11 7,18E+06 1,04E+07 1,40E+07 1,70E+07 13 6,68E+06 9,87E+06 1,40E+07 1,67E+07 15 6,06E+06 9,05E+06 1,35E+07 1,61E+07 17 5,42E+06 8,13E+06 1,25E+07 1,51E+07

83

19 4,82E+06 7,27E+06 1,16E+07 1,38E+07 21 4,33E+06 6,53E+06 1,05E+07 1,27E+07 23 3,86E+06 5,87E+06 9,47E+06 1,15E+07 25 3,44E+06 5,23E+06 8,49E+06 1,05E+07 27 3,07E+06 4,68E+06 7,66E+06 9,44E+06 29 2,76E+06 4,23E+06 6,87E+06 8,47E+06 31 2,48E+06 3,81E+06 6,19E+06 7,68E+06 33 2,24E+06 3,48E+06 5,58E+06 6,95E+06 35 2,01E+06 3,11E+06 5,01E+06 6,26E+06 37 1,84E+06 2,86E+06 4,52E+06 5,68E+06 39 1,68E+06 2,61E+06 4,13E+06 5,16E+06 41 1,54E+06 2,38E+06 3,78E+06 4,73E+06 43 1,41E+06 2,19E+06 3,47E+06 4,38E+06 45 1,30E+06 2,02E+06 3,18E+06 3,99E+06 47 1,21E+06 1,88E+06 2,94E+06 3,70E+06 49 1,12E+06 1,74E+06 2,74E+06 3,43E+06 51 1,04E+06 1,62E+06 2,52E+06 3,17E+06 53 9,69E+05 1,51E+06 2,35E+06 2,96E+06 55 9,10E+05 1,42E+06 2,20E+06 2,77E+06 57 8,54E+05 1,33E+06 2,06E+06 2,62E+06 59 8,05E+05 1,26E+06 1,94E+06 2,45E+06 61 7,59E+05 1,20E+06 1,83E+06 2,32E+06 63 7,22E+05 1,13E+06 1,73E+06 2,20E+06 65 6,83E+05 1,08E+06 1,65E+06 2,08E+06 67 6,48E+05 1,03E+06 1,56E+06 1,98E+06 69 6,23E+05 9,85E+05 1,48E+06 1,89E+06 71 5,93E+05 9,34E+05 1,41E+06 1,82E+06 73 5,70E+05 9,03E+05 1,35E+06 1,74E+06 75 5,46E+05 8,70E+05 1,30E+06 1,66E+06 77 5,29E+05 8,40E+05 1,25E+06 1,61E+06 79 5,06E+05 8,10E+05 1,21E+06 1,54E+06 81 4,91E+05 7,76E+05 1,16E+06 1,49E+06 83 4,73E+05 7,54E+05 1,13E+06 1,44E+06 85 4,60E+05 7,34E+05 1,09E+06 1,40E+06 87 4,49E+05 7,12E+05 1,05E+06 1,36E+06 89 4,37E+05 6,94E+05 1,02E+06 1,33E+06 91 4,25E+05 6,80E+05 1,01E+06 1,30E+06

84

9.4 ANEXO IV: DADOS RESULTADOS SIMULAÇÃO BIODIESEL (B10D90)

POR CARGA ç`çèbéê`äb.

B10D90 ê`äb 25% 50% 75% 100% -60 2,79E+05 3,86E+05 5,77E+05 7,42E+05 -58 3,00E+05 4,12E+05 6,21E+05 7,97E+05 -56 3,18E+05 4,36E+05 6,59E+05 8,47E+05 -54 3,38E+05 4,64E+05 7,03E+05 9,01E+05 -52 3,61E+05 4,94E+05 7,50E+05 9,62E+05 -50 3,85E+05 5,28E+05 8,04E+05 1,03E+06 -48 4,16E+05 5,69E+05 8,70E+05 1,12E+06 -46 4,49E+05 6,12E+05 9,40E+05 1,20E+06 -44 4,85E+05 6,59E+05 1,02E+06 1,30E+06 -42 5,26E+05 7,13E+05 1,10E+06 1,42E+06 -40 5,73E+05 7,75E+05 1,21E+06 1,54E+06 -38 6,27E+05 8,45E+05 1,32E+06 1,69E+06 -36 6,88E+05 9,25E+05 1,45E+06 1,86E+06 -34 7,59E+05 1,02E+06 1,60E+06 2,05E+06 -32 8,40E+05 1,12E+06 1,78E+06 2,28E+06 -30 9,42E+05 1,26E+06 2,00E+06 2,56E+06 -28 1,05E+06 1,40E+06 2,25E+06 2,87E+06 -26 1,18E+06 1,57E+06 2,53E+06 3,23E+06 -24 1,33E+06 1,76E+06 2,85E+06 3,65E+06 -22 1,50E+06 1,99E+06 3,24E+06 4,14E+06 -20 1,70E+06 2,25E+06 3,68E+06 4,71E+06 -18 1,93E+06 2,56E+06 4,19E+06 5,37E+06 -16 2,20E+06 2,91E+06 4,79E+06 6,13E+06 -14 2,50E+06 3,32E+06 5,46E+06 6,99E+06 -12 2,87E+06 3,83E+06 6,27E+06 8,04E+06 -10 3,26E+06 4,35E+06 7,07E+06 9,09E+06 -8 3,66E+06 4,91E+06 7,91E+06 1,02E+07 -6 4,07E+06 5,50E+06 8,73E+06 1,13E+07 -4 4,45E+06 6,08E+06 9,47E+06 1,22E+07 -2 4,79E+06 6,62E+06 1,01E+07 1,30E+07 0 5,05E+06 7,06E+06 1,04E+07 1,36E+07 2 5,15E+06 7,35E+06 1,10E+07 1,41E+07 4 5,52E+06 7,64E+06 1,15E+07 1,47E+07 6 6,67E+06 8,54E+06 1,22E+07 1,54E+07 8 6,99E+06 9,10E+06 1,27E+07 1,58E+07 10 7,18E+06 9,81E+06 1,32E+07 1,60E+07 12 7,05E+06 1,02E+07 1,32E+07 1,61E+07 14 6,71E+06 1,01E+07 1,28E+07 1,57E+07 16 6,19E+06 9,65E+06 1,21E+07 1,50E+07

85


86

9.5 ANEXO V: DADOS RESULTADOS SIMULAÇÃO BIODIESEL (B20D80)

POR CARGA ç`çèbéê`äb.

B20D80 ê`äb 25% 50% 75% 100% -60 2,97E+05 4,01E+05 5,05E+05 8,17E+05 -58 3,24E+05 4,35E+05 5,44E+05 8,81E+05 -56 3,45E+05 4,61E+05 5,92E+05 9,43E+05 -54 3,74E+05 4,99E+05 6,41E+05 1,01E+06 -52 4,01E+05 5,40E+05 6,98E+05 1,09E+06 -50 4,30E+05 5,88E+05 7,53E+05 1,17E+06 -48 4,72E+05 6,32E+05 8,12E+05 1,26E+06 -46 5,08E+05 6,81E+05 9,04E+05 1,36E+06 -44 5,62E+05 7,52E+05 9,81E+05 1,48E+06 -42 6,12E+05 8,22E+05 1,09E+06 1,63E+06 -40 6,70E+05 9,01E+05 1,20E+06 1,78E+06 -38 7,50E+05 9,98E+05 1,36E+06 1,97E+06 -36 8,29E+05 1,12E+06 1,51E+06 2,20E+06 -34 9,20E+05 1,25E+06 1,72E+06 2,44E+06 -32 1,03E+06 1,39E+06 1,91E+06 2,72E+06 -30 1,16E+06 1,56E+06 2,14E+06 3,03E+06 -28 1,32E+06 1,79E+06 2,47E+06 3,42E+06 -26 1,50E+06 2,00E+06 2,78E+06 3,91E+06 -24 1,68E+06 2,30E+06 3,22E+06 4,43E+06 -22 1,93E+06 2,61E+06 3,67E+06 5,06E+06 -20 2,19E+06 2,97E+06 4,31E+06 5,73E+06 -18 2,56E+06 3,49E+06 4,97E+06 6,63E+06 -16 2,90E+06 3,93E+06 5,77E+06 7,56E+06 -14 3,30E+06 4,50E+06 6,55E+06 8,55E+06 -12 3,71E+06 5,11E+06 7,34E+06 9,65E+06 -10 4,17E+06 5,74E+06 8,36E+06 1,08E+07 -8 4,59E+06 6,36E+06 9,20E+06 1,18E+07 -6 4,91E+06 6,89E+06 9,93E+06 1,27E+07 -4 5,18E+06 7,33E+06 1,05E+07 1,36E+07 -2 5,32E+06 7,51E+06 1,07E+07 1,41E+07 0 5,48E+06 8,13E+06 1,14E+07 1,49E+07 2 6,82E+06 8,90E+06 1,19E+07 1,57E+07 4 7,00E+06 9,62E+06 1,24E+07 1,59E+07 6 7,33E+06 1,02E+07 1,30E+07 1,63E+07 8 7,26E+06 1,06E+07 1,35E+07 1,63E+07 10 6,99E+06 1,03E+07 1,35E+07 1,63E+07 12 6,47E+06 9,63E+06 1,29E+07 1,60E+07 14 5,99E+06 8,87E+06 1,22E+07 1,51E+07 16 5,39E+06 8,03E+06 1,12E+07 1,40E+07

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