UM ESTUDO EXPERIMENTAL DE MISTURAS TERNÁRIAS ARAP...
Transcript of UM ESTUDO EXPERIMENTAL DE MISTURAS TERNÁRIAS ARAP...
UM ESTUDO EXPERIMENTAL DE MISTURAS TERNÁRIAS PARA
MOTORES ALTERNATIVOS DO CICLO DIESEL
Rodrigo Rodrigues Machado
Projeto de Graduação apresentado ao Curso
de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientadores: Marcelo José Colaço
Nauberto Rodrigues Pinto
Rio de Janeiro
Março de 2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
UM ESTUDO EXPERIMENTAL DE MISTURAS TERNÁRIAS PARA
MOTORES ALTERNATIVOS DO CICLO DIESEL
Rodrigo Rodrigues Machado
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DODEPARTAMENTO
DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE
DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovada por:
Prof. Marcelo José Colaço, D.Sc.
Prof. Nauberto Rodrigues Pinto, Engenheiro
Prof. Albino José Kalab Leiróz, Ph.D.
Prof. Hélcio Rangel Barreto Orlande, Ph.D.
RIO DE JANEIRO, RJ � BRASIL
MARÇO DE 2019
Rodrigues Machado, Rodrigo
Um estudo experimental de misturas ternárias para
motores alternativos do ciclo Diesel/ Rodrigo Rodrigues
Machado. � Rio de Janeiro: UFRJ/Escola Politécnica,
2019.
XXI, 137 p.: il.; 29, 7cm.
Orientadores: Marcelo José Colaço
Nauberto Rodrigues Pinto
Projeto de Graduação � UFRJ/ Escola Politécnica/
Curso de Engenharia Mecânica, 2019.
Referências Bibliográ�cas: p. 133-134
1. Misturas Ternárias. 2. Motor ASTM/CFR
Cetano. 3. Poluentes. I. José Colaço, Marcelo et al..
II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Curso
de Engenharia Mecânica. III. Um estudo experimental
de misturas ternárias para motores alternativos do ciclo
Diesel.
iii
Sempre que em um estado
sombrio nós nos encontramos,
um pouco mais de conhecimento
iluminar nosso caminho pode.
(Mestre Yoda).
iv
Agradecimentos
À minha família pelo apoio e dedicação prestados no decorrer da graduação.
À minha namorada Mariana Francisquini por todo o apoio durante a graduação.
Aos amigos e companheiros da graduação: Brenda Gonçalves, Lucas Braga, Mar-
ceu Arthur Flora, Maurício Moraes, Matheus Campos, Vinicios Guilherme, Vitor
Barsotti.
À toda a equipe do Laboratório de Máquinas Térmica da Universidade Federal do
Rio de Janeiro.
Aos professores e funcionários do Departamento de Engenharia Mecânica da Uni-
versidade Federal do Rio de Janeiro.
Ao professor Albino Leiroz por ter getilmente cedido o equipamento para a realização
da medida das emissões gasosas.
Ao professor Albino José Kalab Leiróz por ter aceitado gentilmente o convite para
participar da banca.
Ao professor Hélcio Rangel Barreto Orlande por ter aceitado gentilmente o convite
para participar da banca.
Ao meu orientador Engenheiro Nauberto Pinto, por todos os ensinamentos, pela
sabedoria e ajuda durante a realização deste projeto.
Ao meu orientador Marcelo José Colaço pela sabedoria na orientação, dedicação e
ajuda durante a realização deste projeto.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como
parte dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico
UM ESTUDO EXPERIMENTAL DE MISTURAS TERNÁRIAS PARA
MOTORES ALTERNATIVOS DO CICLO DIESEL
Rodrigo Rodrigues Machado
Março/2019
Orientadores: Marcelo José Colaço
Nauberto Rodrigues Pinto
Programa: Engenharia Mecânica
Este trabalho tem por objetivo apresentar um estudo sobre a utilização de mis-
turas ternárias em motores alternativos do tipo diesel. As misturas ternárias são
constituídas de 3 componentes, a saber: óleo diesel, biodiesel e etanol. Assim, as
misturas foram avaliadas utilizando-se diferentes combinações acerca das propor-
ções, em volume, de diesel, biodiesel e etanol. Para o biodiesel foi feita a escolha das
seguintes percentagens, em volume: 8%, 20% e 60%. Já para o etanol as percen-
tagens, em volume, foram de 0%, 5% e 8%, com a programação de serem testadas
9 misturas. Após a escolha e preparação das misturas foi realizada a determinação
do Número de Cetano, seguindo a norma ASTM D613. Após essa etapa, foram
�xadas duas condições de operação para que as misturas pudessem ser avaliadas.
Uma análise termodinâmica foi feita acerca de algumas grandezas físicas de inte-
resse como trabalho líquido, pressão máxima, pressão média efetiva, taxa de calor
liberado e a quantidade de calor liberado, com o auxílio do software e do sensor da
empresa austríaca AVL bem como através de uma integração numérica das curvas
obtidas. Foram determinados, também, através de um calorímetro de bomba, da
empresa IKA, os poderes calorí�cos das misturas. Por �m, foi feita uma análise
acerca das emissões gasosas de alguns produtos de combustão para as misturas nas
duas condições experimentais mencionadas e uma análise comparativa foi feita.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial ful�llment
of the requirements for the degree of Mechanical Engineer
AN EXPERIMENTAL STUDY OF TERNARY MIXTURES FOR
ALTERNATIVE DIESEL CYCLE ENGINES
Rodrigo Rodrigues Machado
March/2019
Advisors: Marcelo José Colaço
Nauberto Rodrigues Pinto
Department: Mechanical Engineering
This work aims to present a study on the use of ternary mixtures in diesel
engines. The ternary mixtures are made out of 3 components, namely diesel oil,
biodiesel and ethanol. Thus, the blends were evaluated using di�erent proportions
of volume of diesel, biodiesel and ethanol. For biodiesel, the following percentages
of volume were selected: 8 %, 20 % and 60 % and for ethanol the percentages of
volume were 0 %, 5 and 8 %, summing up to 9 mixtures. After the selection and
preparation of the mixtures, the determination of the Cetane Number was carried
out following the ASTM D613 standard. After this step, two operating conditions
were �xed for which the mixtures could be evaluated. A thermodynamic analysis was
done on some physical quantities of interest such as liquid work, maximum pressure,
e�ective mean pressure, released heat rate and released heat quantity with the aid
of the software and the sensor of the Austrian company AVL through a numerical
integration of the curves obtained. The heating value of the mixtures were also
determined by means of a pump calorimeter from IKA. Finally, an analysis was
made of the gaseous emissions of some combustion products for the mixtures in the
two mentioned experimental conditions and a comparative analysis was made.
vii
Sumário
Agradecimentos v
Lista de Figuras xiii
Lista de Tabelas xx
1 Introdução 1
2 Revisão Teórica do Ciclo Diesel 4
2.1 Ciclo diesel e a ignição por compressão . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1.2 Parâmetros geométricos e cinemáticos . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2.1 Razão de compressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2.2 Rotação do motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2.3 Velocidade média do pistão . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2.4 Motor 4 tempos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3 Injeção direta e injeção indireta . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.4 Diagramas PxV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.4.1 Ciclo Diesel Ideal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.4.2 Ciclo Diesel Real . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1.4.3 Pressão Média Efetiva Indicada (IMEP) . . . . . . . 12
2.1.4.4 Potência líquida por ciclo (Pliq) . . . . . . . . . . . . 13
2.1.5 Avanço de injeção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1.6 Atraso de ignição (Delay) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.7 Combustão nos motores Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1.8 Número de cetano (NC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
viii
3 Motor CFR Cetano com atualizações 19
3.1 Motor CFR Waukesha . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Método CFR ASTM D613 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.3 Controle dos Parâmetros Operacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.1 Rotação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.3.2 Vazão de combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3.3 Atraso de ignição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3.4 Avanço de injeção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.5 Razão de compressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.6 Temperatura de admissão do ar . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.7 Temperatura da água de arrefecimento do bico injetor . . . . . 30
3.3.8 Temperatura da água de arrefecimento do motor . . . . . . . . 31
3.3.9 Pressão do óleo lubri�cante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.10 Temperatura do óleo lubri�cante . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.4 Quadro comparativo Motor CFR Versão Original e Versão Modi�cada 32
4 Combustíveis 34
4.1 Diesel, Biodiesel e Etanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.0.1 Diesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.1.0.2 Biodiesel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1.0.3 Etanol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 Misturas Ternárias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2.1 Procedimento para preparação das amostras . . . . . . . . . . 39
4.2.1.1 1o Etapa - Determinação Experimental da massa es-
pecí�ca dos componentes. . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.2.1.2 2o Etapa - Conversão da base volumétrica para a
base mássica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.2.1.3 3o Etapa - Separação dos materiais . . . . . . . . . . 42
4.2.1.4 4o Etapa - Inserção dos componentes da mistura . . 42
4.2.1.5 5o Etapa - Homogeneização das misturas . . . . . . . 43
4.2.1.6 6o Etapa - Identi�cação das misturas . . . . . . . . . 44
4.2.1.7 Mistura DS10B8E8 descartada dos testes . . . . . . 44
ix
4.2.1.8 Diagrama esquemático das etapas de preparação das
misturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5 Resultados experimentais e análise 46
5.1 Poderes Calorí�cos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.2 Número de Cetano utilizando a norma ASTM D613 com o sensor
original de pressão do motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.3 Análise com sensor AVL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.3.1 Misturas testadas na condição de determinação do NC para
cada mistura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.3.2 Misturas testadas nas condições operacionais �xas do número
de cetano do combustível DS10B8E0 - Condição padrão B8. . 53
5.3.2.1 Mistura DS10B8E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.3.2.2 Mistura DS10B8E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3.2.3 Mistura DS10B20E8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3.2.4 Mistura DS10B20E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3.2.5 Mistura DS10B20E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3.2.6 Mistura DS10B20E8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3.2.7 Mistura DS10B60E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3.2.8 Mistura DS10B60E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.3.2.9 Mistura DS10B60E8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.3.2.10 Análise em Conjunto misturas padrão B8 . . . . . . 57
5.3.3 Misturas testadas nas condições operacionais do número de
cetano do combustível DS10B8E0 com 15% de aumento na
razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.3.3.1 Mistura DS10B8E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.3.3.2 Mistura DS10B8E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.3.3.3 Mistura DS10B20E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.3.3.4 Mistura DS10B20E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.3.3.5 Mistura DS10B20E8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3.3.6 Mistura DS10B60E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
5.3.3.7 Mistura DS10B60E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3.3.8 Mistura DS10B60E8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
x
5.3.3.9 Análise em Conjunto misturas padrão B8 com 15%
no aumento da razão de compressão. . . . . . . . . . 65
5.3.3.10 Comparação entre os trabalhos líquidos para a con-
dição padrão B8 e para a condição padrão B8 com
15% de aumento da razão de compressão . . . . . . . 66
5.3.4 Atraso de ignição, pressão máxima e pressão média efetiva . . 67
5.3.4.1 Condição Padrão B8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.3.4.2 Condição padrão B8 com 15 % de aumento da razão
de compressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.3.5 Análise da Combustão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3.5.1 Condição Padrão B8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3.5.2 Condição Padrão B8 com 15% de aumento na razão
de compressão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6 Emissões de Gases Poluentes 82
6.1 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2 Teoria de Poluentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.1 Óxidos de nitrogênio (NOx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2.2 Monóxido de carbono (CO) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.2.3 Dióxido de enxofre (SO2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.2.4 Dióxido de carbono (CO2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.2.5 Hidrocarbonetos (HC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.3 Análise Experimental Emissões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.3.1 Analisador dos gases de exaustão - TESTO 350XL . . . . . . 86
6.3.2 Condições Operacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.4 Emissões - Condição 1: PADRÃO B8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4.1 Análise Global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4.1.1 Emissão de NOx - Condição 1: PADRÃO B8 . . . . 88
6.4.1.2 Emissão de CO - Condição 1: PADRÃO B8 . . . . . 90
6.4.1.3 Emissão de CO2 - Condição 1: PADRÃO B8 . . . . . 90
6.4.2 Análise por Família de combustível . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.4.2.1 Família B8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.4.2.2 Família B20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
xi
6.4.2.3 Família B60 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.4.2.4 Família E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.4.2.5 Família E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.4.2.6 Família E8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.5 Emissões - Condição 2: Padrão B8 com aumento de 15% de taxa . . . 109
6.5.1 Análise Global . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.5.1.1 Emissão de NOx - Condição 2: Padrão B8 com 15%
de aumento na razão de compressão. . . . . . . . . . 109
6.5.1.2 Emissão de CO - Condição 2: Padrão B8 com 15%
de aumento de taxa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.5.1.3 Emissão de CO2 - Condição 2: Padrão B8 com 15%
de aumento na razão de compressão . . . . . . . . . 110
6.5.2 Análise por família de combustível . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.5.2.1 Família B8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.5.2.2 Família B20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
6.5.2.3 Família B60 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.5.2.4 Família E0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.5.2.5 Família E5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.5.2.6 Família E8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
7 Conclusão 130
Referências Bibliográ�cas 134
A Conversão da Base Volumétrica para Base Mássica Misturas Ter-
nárias 135
B Análise de Incertezas 137
xii
Lista de Figuras
2.1 Representação esquemática de um motor alternativo de combustão
interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 Tempos motor de combustão. Adaptado de [7]. . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Injeção direta e injeção indireta. Adaptado de [8] . . . . . . . . . . . 10
2.4 Ciclo Diesel ideal. Fonte: [10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.5 Ciclo Diesel real para um ensaio realizado no LMT . . . . . . . . . . 11
2.6 Etapas de cálculo trabalho líquido ciclo real. Fonte: [5] . . . . . . . . 12
2.7 Representação do aumento no avanço de injeção . . . . . . . . . . . . 14
2.8 Combustão para um motor Diesel.Adaptado de [5] . . . . . . . . . . . 15
2.9 Calibração curva cetano. Fonte: Laboratório de Máquinas Térmicas
da UFRJ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1 Motor CFR Cetano ASTM D613. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2 Tela do Painel de Controle do motor CFR Versão Modi�cada . . . . . 20
3.3 Mecanismo roda dentada e pick-up magnético. . . . . . . . . . . . . . 22
3.4 Controle de vazão de combustível . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.5 Funcionamento do mecanismo de controle do débito de combustível
no motor CFR. Fonte [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.6 Mecanismo de escala Vernier responsável pelo ajuste do avanço de
injeção e da vazão de combustível. Fonte [13] . . . . . . . . . . . . . . 24
3.7 Leitura direta atraso de ignição e do avanço da injeção feita no motor
CFR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.8 Sistema AVL para a medição da pressão na câmara de combustão. . . 26
3.9 Análise em tempo real dos dados obtidos do sistema AVL, exibidos
no sistema de aquisição desenvolvido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
xiii
3.10 Vista em corte do volante do motor CFR responsável pela variação
da razão de compressão. Fonte [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.11 Conjunto volante - pistão . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.12 Relação entre a razão de compressão e a leitura da posição do volante 28
3.13 Parâmetros do motor programa AVL . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.14 Medição da temperatura de admissão do ar do Motor original . . . . 29
3.15 Controlador da temperatura de admissão do ar do Motor original . . 30
3.16 Controle e medição de temperatura de admissão do ar do Motor Mo-
di�cado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.17 Medição de temperatura do bico injetor . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.18 Medição pressão óleo lubri�cante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.19 Medição pressão óleo lubri�cante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.1 Processo de produção do biodiesel. Fonte: [16] . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 Diesel S10 Comercial, Biodiesel e Etanol Anidro. . . . . . . . . . . . . 39
4.3 Balança de precisão e proveta de precisão. . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.4 Mistura preparada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.5 Misturador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.6 Conjunto de Misturas Ternárias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.7 Mistura DS10B8E8 (Descartada dos testes). . . . . . . . . . . . . . . 44
4.8 Quadro esquemático das etapas de preparação das misturas . . . . . . 45
5.1 Calorímetro de bomba C200 da empresa IKA. . . . . . . . . . . . . . 46
5.2 Misturas ternárias dispostas em ordem crescente de número de cetano. 48
5.3 Repetibilidade para Motor CFR Cetano. Fonte: [13] . . . . . . . . . . 48
5.4 Número de Cetano das misturas ternárias separadas por família de
biodiesel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.5 Diagrama P -V separado por tempo motor. . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.6 Diagrama P -V da mistura DS10B8E0 na condição ASTM D 613. . . 52
5.7 Trabalho Líquido para as misturas operando na condição ASTM D
613. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.8 Diagrama P -V DS10B8E0 na condição Padrão B8. . . . . . . . . . . 54
5.9 Diagrama P -V DS10B20E0 na condição Padrão B8. . . . . . . . . . . 55
xiv
5.10 Diagrama P -V DS10B60E0 na condição Padrão B8. . . . . . . . . . . 56
5.11 Trabalho Líquido na condição Padrão B8. . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.12 Módulo da variação percentual do trabalho líquido para a família E5. 59
5.13 Módulo da variação percentual do trabalho líquido para a família E8. 59
5.14 Diagrama P -V DS10B8E0 na condição Padrão B8 com 15% de au-
mento na razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
5.15 Diagrama P -V DS10B20E0 na condição Padrão B8 com 15% de au-
mento na razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5.16 Diagrama P -V DS10B60E0 na condição Padrão B8 com 15% de au-
mento na razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.17 Trabalho Líquido na condição Padrão B8 com 15% de aumento de taxa. 65
5.18 Comparação para o Trabalho Líquido nas condições Padrão B8 e Pa-
drão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. . . . . . . . . 66
5.19 Aumento percentual do Trabalho Líquido comparando as condições
Padrão e Padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. . 67
5.20 Atraso de ignição para as misturas na condição padrão B8. . . . . . . 68
5.21 Pressão máxima para as misturas na condição padrão B8. . . . . . . . 68
5.22 Comparação IMEP na condição padrão B8. . . . . . . . . . . . . . . 69
5.23 Atraso de ignição para as misturas na condição padrão B8 com 15%
de aumento na razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.24 Comparação para Atraso de Ignição nas condições Padrão B8 e Pa-
drão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. . . . . . . . . 70
5.25 Redução para Atraso de Ignição nas condições Padrão B8 e Padrão
B8 com 15% de aumento na razão de compressão. . . . . . . . . . . . 71
5.26 Pressão máxima para as misturas na condição padrão B8. . . . . . . . 71
5.27 Comparação IMEP na condição padrão B8 com 15% de aumento na
razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.28 Duração da combustão para as misturas ternárias na condição padrão
B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.29 Taxa de liberação de calor máxima por unidade de volume na condição
padrão B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
xv
5.30 Quantidade de calor liberada para as misturas ternárias na condição
padrão B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.31 E�ciência de combustão na condição padrão B8. . . . . . . . . . . . . 76
5.32 E�ciência global para o ciclo real na condição padrão B8. . . . . . . . 76
5.33 E�ciência global para o ciclo diesel ideal. . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.34 Duração da combustão na condição padrão B8 com 15% de aumento
na razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.35 Taxa de liberação de calor máxima na condição padrão B8 com 15%
de aumento na razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.36 Quantidade de calor liberada para as misturas ternárias na condição
padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. . . . . . . . 79
5.37 E�ciência de combustão na condição padrão B8 com 15% de aumento
na razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.38 E�ciência de global na condição padrão B8 com 15% de aumento na
razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.39 E�ciência global para ciclos diesel ideal comparativa as misturas na
condição padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. . . 81
6.1 Produtos de combustão para combustão completa e incompleta.
Fonte:[21]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.2 Analisador de Gases TESTO 350XL. Fonte: [17] . . . . . . . . . . . . 86
6.3 Relação ppm NOx e Pressão Máxima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.4 Relação ppm NOx e Número de Cetano. . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.5 Relação ppm CO e Número de Cetano . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.6 Relação concentração de CO2 em função do Número de Cetano. . . . 91
6.7 Concentração de NOx Família B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.8 Pressão Máxima Família B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.9 Concentração de CO Família B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.10 Concentração de CO2 Família B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.11 Concentração de NOx Família B20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.12 Pressão Máxima Família B20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.13 Relação ppm NOx e Pressão Máxima na Família B20. . . . . . . . . . 95
6.14 ppm CO Família B20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
xvi
6.15 Concentração de CO2 Família B20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.16 Concentração de NOx Família B60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.17 Pressão Máxima Família B60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.18 Relação entre ppm NOx e Pressão Máxima Família B60. . . . . . . . 98
6.19 Concentração CO Família B60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.20 Concentração CO2 Família B60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.21 Concentraçao de NOx Família E0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.22 Pressão Máxima Família E0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.23 Concentração de CO Família E0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.24 Concentração de CO2 Família E0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.25 Concentração de NOx Família E5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.26 Pressão Máxima Família E5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.27 Concentração de CO Família E5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.28 Concentração de CO2 Família E5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.29 Concentração NOx Família E8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.30 Pressão Máxima Família E8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6.31 Concentração CO Família E8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.32 Concentração CO2 Família E8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.33 Relação ppm NOx e Pressão Máxima com 15 % de aumento na razão
de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6.34 Relação ppm CO e Número de Cetano com 15 % de aumento na razão
de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.35 Relação concentração CO2 e Número de Cetano com 15 % de aumento
na razão de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
6.36 Concentração de NOx Família B8 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.37 Pressão Máxima Família B8 com 15 % de aumento na razão de com-
pressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.38 Concentração de CO Família B8 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6.39 Concentração de CO2 Família B8 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
xvii
6.40 Concentração de NOx Família B20 com 15 % de aumento na razão
de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
6.41 Pressão Máxima Família B20 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
6.42 Concentração de CO Família B20 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
6.43 Concentração de CO2 Família B20 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.44 Concentração de NOx Família B60 com 15 % de aumento na razão
de compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.45 Pressão Máxima Família B60 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6.46 Concentração CO Família B60 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.47 Concentração CO2 Família B60 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.48 Concentraçao de NOx com 15% de aumento na razão de compressão. 123
6.49 Pressão Máxima Família E0 com 15 % de aumento na razão de com-
pressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
6.50 Concentraçao de CO Família E0 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.51 Concentraçao de CO2 Família E0 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.52 Concentração de NOx Família E5 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.53 Pressão Máxima Família E5 com 15 % de aumento na razão de com-
pressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.54 Concentração de CO Família E5 com 15% de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
6.55 Concentração de CO2 Família E5 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
xviii
6.56 Concentração NOx Família E8 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.57 Pressão Máxima Família E8 com 15 % de aumento na razão de com-
pressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.58 Concentração CO Família E8 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
6.59 Concentração CO2 Família E8 com 15 % de aumento na razão de
compressão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
B.1 Incertezas instrumentos LMT UFRJ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
xix
Lista de Tabelas
2.1 Número de Cetano para diferentes combinações dos combustíveis T22
e U15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1 Parâmetros geométricos básicos do motor. . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 Tabela de atualizações motor CFR Cetano. . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.1 Propriedades diesel no território brasileiro. Fonte:[15] . . . . . . . . . 35
4.2 Combinação de misturas ternárias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 Massa especí�ca do diesel comercial, biodiesel e etanol. . . . . . . . . 40
4.4 Misturas ternárias quantidades experimentais. . . . . . . . . . . . . . 42
5.1 Poder calorí�co superior misturas ternárias. . . . . . . . . . . . . . . 47
5.2 Variação percentual por família de biodiesel para o trabalho líquido
na condição Padrão B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.3 Variação percentual por família de biodiesel para o trabalho líquido
na condição Padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. 66
6.1 Misturas Ternárias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.2 Condições operacionais. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.3 Família B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.4 Família B20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.5 Família B60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.6 Família E0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.7 Família E5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.8 Família E8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.9 Família B8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.10 Família B20. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
xx
6.11 Família B60. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.12 Família E0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.13 Família E5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.14 Família E8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
xxi
Capítulo 1
Introdução
A degradação ambiental tem sido muito debatida ao longo das últimas décadas
devido ao incessante uso do petróleo como matéria prima , responsável pela produ-
ção de produtos como óleo diesel, gasolina, querosene e gás liquefeito de petróleo
(GLP). O uso dessas fontes de energias não-renováveis, como o caso do petróleo, tem
chamado a atenção do mundo pelos danos causados ao meio ambiente e, também,
pela sua dependência mundial. Assim, a possibilidade de redução e/ou esgotamento
das quantidades disponíveis de petróleo tem levado o mundo a pensar em fontes
alternativas que sejam renováveis e apresentem impactos menos danosos ao meio
ambiente quando comparados às fontes de energia de origem fóssil. Essas fontes de
energia renováveis, logicamente, devem ser estudas para que sejam economicamente
viáveis e com desempenho próximos aos dos combustíveis fósseis [1], entretanto com
o benefício de provocarem um impacto menor ao meio ambiente.
Na década de 70, durante a crise do petróleo, o Brasil desenvolveu um programa
chamado de PROÁLCOOL [2] que visava a utilização de etanol em veículos automo-
tivos com o objetivo de reduzir o consumo de combustíveis fósseis como a gasolina.
O etanol é um biocombustível utilizado como uma alternativa aos motores do ciclo
Otto (ignição por centelha). A sua utilização nesses motores mostrou uma redu-
ção signi�cativa no lançamento de poluentes na atmosfera. Além disso, a gasolina
comercializada em postos de gasolina (chamada de gasolina C) contêm, atualmente
27, 5%, em volume, de etanol anidro em sua composição, onde essa inserção de etanol
também propicia um aumento na octanagem do combustível.
Já os motores Diesel (ignição por compressão), que representam o motor efeti-
1
vamente tratado neste trabalho, utilizam óleo diesel para o seu funcionamento. O
óleo diesel é utilizado em uma gama muito ampla de aplicações em todo o territó-
rio nacional como veículos rodoviários pesados, ferróviários e, também, marítimos.
Um combustível alternativo, que pode ser utilizado em motores de ignição por com-
pressão, é o biodiesel, que é um biocombustível que pode ser obtido através de um
processo de transesteri�cação. Esse processo consiste em uma reação química de
um álcool com gordura animal ou óleo vegetal, formando um composto denominado
éster. Diversas matérias primas podem ser utilizadas na produção de biodiesel como
por exemplo: soja, girassol, canola e gordura animal. Assim, desde 2004 foi lançado
o Programa Nacional de Biodiesel para a inserção de certas quantidades de biodiesel
no diesel rodoviário comercializado. Para o ano de 2018, essa quantidade foi �xada
em 10 % em volume [3].
Diversas pesquisas tem apresentado uma possibilidade da inserção de etanol em
motores diesel com o objetivo de reduzir a quantidade de combustível fóssil e contri-
buir para a redução das emissões gasosas danosas ao meio ambiente. Dessa forma, o
presente trabalho tem como objetivo fornecer uma contribuição no estudo da utiliza-
ção de misturas ternárias, compostas por óleo diesel, biodiesel e etanol, em motores
de ignição por compressão (diesel). Assim, serão analisadas um conjunto de mis-
turas ternárias com diferentes concentrações de óleo diesel, biodiesel e etanol em
um motor em um motor padrão ASTM/CFR Cetano. O motor ASTM/CFR, usado
neste trabalho, foi instrumentado com sensores de medição de pressão em tempo real
na câmara de combustão para que fosse possível fazer uma análise termodinâmica
mais extensa. Além disso, este motor ASTM/CFR sofreu uma automatização para
o controle dos parâmetros operacionais.
A estrutura do trabalho apresenta mais 5 capítulos de desenvolvimento do tra-
balho e um capítulo �nal de conclusão. O Capítulo 2 faz uma breve revisão sobre
ciclo diesel e analisa alguns parâmetros de interesse que serão utilizados nos capí-
tulos posteriores. O Capítulo 3 faz uma análise sobre as atualizações realizadas
no motor ASTM/CFR Cetano fazendo uma comparação entre a versão original e a
versão mo�cada (instrumentada). O Capítulo 4 faz uma análise sobre as misturas
ternárias e descreve o procedimento para a produção de um conjunto de 9 misturas
utilizadas nos testes. O Capítulo 5 faz uma análise sobre a obtenção do Número
2
de Cetano (NC) das misturas e, em seguida, realiza uma análise termodinâmica,
com a introdução do sensor da empresa austríaca AVL, das misturas colocadas em
duas condições operacionais, a saber: condição padrão B8 e condição padrão B8
com 15% de aumento na razão de compressão. Por �m, o Capítulo 6 analisa as
emissões gasosas dos produtos de combustão para as duas condições de operação
mencionadas.
3
Capítulo 2
Revisão Teórica do Ciclo Diesel
2.1 Ciclo diesel e a ignição por compressão
2.1.1 Introdução
Motores de combustão interna (MCI) possuem uma gama muito ampla de aplica-
ções, podendo ser utilizados em aplicações tais como geração de energia elétrica
(grupo geradores), veículos de transporte em geral (trens, carros de passeio, cami-
nhões e ônibus) e em maquinário de uso naval (motores auxiliares e de propulsão).
Existem diversas classi�cações para caracterizar e dividir os motores bem como a
sua faixa de aplicação. Serão classi�cados aqui os motores quanto à sua ignição (está
associado a maneira pela qual inicia-se o processo de combustão de um determinado
combustível), embora outras classi�cações também existam, tais como: classi�cação
devido ao tipo de movimento do pistão, quanto ao ciclo de trabalho, número de
cilindros, quanto a disposição dos cilindros e quanto a sua utilização.
O princípio de funcionamento de um MCI consiste em utilizar a energia química
armazenada em determinado combustível (gasolina e diesel são exemplos) para pro-
duzir trabalho mecânico. Para isso, ocorre a combustão do mesmo que corresponde a
um processo em que há liberação de uma grande quantidade de energia através da re-
ação química do combustível com o oxigênio. Nesse processo de queima são liberadas
substâncias (moléculas) diferentes das originais. Um estudo dos gases provenientes
da combustão é fundamental neste tipo de análise. Microscopicamente, moléculas
(diferentes das originais) que são formadas através da queima possuem grande ener-
4
gia cinética. Por isso, macroscopicamente observamos uma elevação acentuada na
temperatura dos gases que sofreram uma reação química de combustão. Uma gran-
deza importante na análise é o poder calorí�co do combustível, que está associado a
energia liberada pelo combustível durante o processo de queima. Valores do poder
calorí�co inferior (PCI) típico de algumas substâncias [4] são mostrados a seguir :
• Óleo Diesel - PCI = 10.100 kcal/kg = 42.259 kJ/kg
• Gasolina C - PCI = 9.400 kcal/kg = 39.330 kJ/kg
• Biodiesel - PCI = 9.000 kcal/kg = 37.657 kJ/kg
• Etanol anidro - PCI = 6.750 kcal/kg = 28.243 kJ/kg
Como já mencionado, será usada a classi�cação dos motores quanto a ignição
dos mesmos. Assim, será empregada a seguinte classi�cação: motores de ignição por
centelha (também chamados de motores Otto) e motores de ignição por compressão
(também chamados de motores Diesel). Essa classi�cação se justi�ca pois o processo
de início da combustão nos motores Otto e Diesel é completamente distinto. Nos
motores Otto o inicio da combustão ocorre através de uma centelha, enquanto que
nos motores Diesel o processo de combustão se inicia quando o combustível injetado
entra em contato com o ar atmosférico a elevada pressão e temperatura e se in�ama.
Outras informações relevantes podem ser obtidas em [5] e [6]. Este trabalho se
concentrará exclusivamente em motores de combustão por compressão (Diesel).
2.1.2 Parâmetros geométricos e cinemáticos
Para �ns de representação geométrica, será considerada a con�guração mostrada na
Figura 2.1.
5
Figura 2.1: Representação esquemática de um motor alternativo de combustão in-
terna
Essa �gura representa um motor constituído por um pistão de diâmetro D, em
movimento alternativo entre o PMS (ponto morto superior) e o PMI (ponto morto
inferior), o qual transmite potência através de uma biela conectada a um eixo de
manivela. As grandezas Vd e Vc representam o volume deslocado e o volume da
câmara de combustão respectivamente, as quais somadas dão origem ao volume
total Vt. Nesta �gura, o curso do pistão (L) é de�nido como a distância linear entre
o PMS e o PMI.
2.1.2.1 Razão de compressão
De�ne-se a razão de compressão de um motor como a relação entre o volume máximo
e mínimo do cilindro:
r =Vd + VcVc
. (2.1)
De acordo com [5], valores típicos para a razão de compressão de motores Diesel
variam de r = 12 até r = 24. No próximo capítulo, serão realizados comentários
6
sobre a razão de compressão do motor ASTM/CFR Cetano, que foi utilizado neste
trabalho.
2.1.2.2 Rotação do motor
A rotação do motor está relacionada com a frequência de giro do eixo de manivelas.
Essa rotação é geralmente expressa em RPM (rotações por minuto).
Segundo [6] os MCI podem ser classi�cados em:
• Rápidos: N> 1500 RPM
• Médios: 600 < N < 1500 RPM
• Lentos: N<600 RPM
O motor ASTM/CFR cetano usado neste trabalho, e descrito no próximo capí-
tulo, apresenta uma rotação �xa de 900 RPM.
2.1.2.3 Velocidade média do pistão
Conhecendo a rotação do motor (N) e o curso (L) do pistão pode-se determinar a
velocidade média do pistão (Vp) a partir da seguinte relação
Vp = 2LN (2.2)
Para o motor ASTM/CFR, utilizado neste trabalho, tem-se N = 900 rpm e
L = 114, 3 mm. Fazendo uma conversão de unidades simples pode-se determinar a
velocidade média do pistão nas unidades do sistema internacional como
Vp = 3, 42m/s (2.3)
Valores típicos para a velocidade média de um pistão variam de 8 m/s até 15
m/s [5]. No entanto, o motor ASTM/CFR Cetano, de aplicação cientí�ca, opera
com um valor abaixo da faixa de valores dos motores comerciais.
2.1.2.4 Motor 4 tempos
Os motores podem ainda ser caracterizados pelos chamados tempos motores que
estão associados ao número de cursos do pistão até completar 1 ciclo. Assim, existem
7
motores de 2 tempos e motores de 4 tempos. Este projeto analisará um motor de 4
tempos de ignição por compressão (Diesel) - Figura 2.2. A maneira como os 4 tempos
ocorrem é diferente para motores Otto e Diesel. Dessa forma, a seguir será descrito
apenas o funcionamento de um motor quatro tempos de ignição por compressão:
• Primeiro tempo. Admissão: Nesse tempo admite-se somente ar pela válvula
de admissão, levando o pistão do ponto morto superior (PMS) até o ponto
morto inferior (PMI).
• Segundo tempo. Compressão: com as válvulas de admissão e de descarga
fechadas o ar é comprimido para que a sua temperatura e pressão se elevem.
• Terceiro tempo. Expansão (potência): o combustível é injetado na câmara
de combustão (cilindro) e, ao entrar em contato com o ar a elevada pressão
e temperatura, incia-se o processo de combustão. Através da expansão dos
gases o pistão é levado do PMS ao PMI.
• Quarto tempo. Exaustão: após o pistão chegar no ponto morto inferior,
a válvula de exaustão se abre e os gases formados durante a combustão são
expelidos com o pistão movendo-se do PMI ao PMS.
8
Figura 2.2: Tempos motor de combustão. Adaptado de [7].
2.1.3 Injeção direta e injeção indireta
Motores podem, ainda, ser divididos em relação a maneira como o combustível é
injetado. Existem motores de injeção direta e motores de injeção indireta.
Nos motores de injeção direta o combustível é injetado diretamente na câmara
de combustão. Já nos motores de injeção indireta, o combustível é injetado em
uma pré-câmara que está conectada à câmara de combustão principal. O motor
ASTM/CFR Cetano utilizado neste trabalho possui um sistema de injeção indireta.
9
Figura 2.3: Injeção direta e injeção indireta. Adaptado de [8]
.
Como destacado por [9] os motores de injeção indireta possuem algumas vanta-
gens em relação aos motores de injeção direta, tal como a necessidade de uma menor
pressão de injeção de combustível. Contudo, existem também algumas desvantagens
em motores de injeção indireta em relação a motores de injeção direta, como por
exemplo uma maior dissipação da energia durante a combustão. A Figura 2.3 ilustra
uma representação da injeção direta e indireta.
2.1.4 Diagramas PxV
2.1.4.1 Ciclo Diesel Ideal
Para a análise de motores a combustão interna, alguns grá�cos são necessários para
avaliar o seu desempenho. Um destes grá�cos é o diagrama pressão vs. volume
(P -V ) para o ciclo Diesel ideal (ciclo teórico), o qual é mostrado na Figura 2.4.
Figura 2.4: Ciclo Diesel ideal. Fonte: [10]
10
Neste grá�co, a área delimitada pela curva é um parâmetro importante a ser
avaliado, pois essa quantidade informa o trabalho líquido realizado durante o ciclo,
ou seja,
Wliq =
∮pdV = Área dentro da curva (2.4)
Cabe ressaltar que outros diagramas são importantes como o grá�co pressão vs.
ângulo do virabrequim (P -θ) ou ainda o diagrama temperatura vs. entropia (T -S)
que também podem ser utilizados nessa análise. Pode-se ainda determinar uma
expressão para a e�ciência do ciclo diesel que é dada pela seguinte expressão
η = 1 −(
1
γrγ−1
)βγ − 1
β − 1, (2.5)
onde β =(
γ−1γ P1V1
)Qhrγ−1 + 1, Qh representa a quantidade de calor fornecida durante
um ciclo, P1 representa a pressão no início da compressão, V1 representa o volume
no início da compressão e o valor de γ normalmente utilizado é 1,37.
2.1.4.2 Ciclo Diesel Real
Para um ciclo real, o diagrama anterior sofre algumas distorções e apresenta-se
diferente do ciclo diesel teórico comentado anteriormente. Pode-se ver o grá�co de
um ciclo real na Figura 2.5, o qual foi obtido experimentalmente em um ensaio feito
no Laboratório de Máquinas Térmicas (LMT) da UFRJ.
Figura 2.5: Ciclo Diesel real para um ensaio realizado no LMT
11
Para avaliar o trabalho líquido em um diagrama real é preciso levar em conta que
tanto a admissão quanto a exaustão não ocorrem necessariamente na mesma pressão
e, por isso, esse fato deve ser levado em conta no cálculo do trabalho líquido. Dessa
forma, se fosse feita uma ampliação da Figura 2.5 teríamos uma situação semelhante
àquela mostrada na Figura 2.6. Assim, para que se possa calcular o trabalho líquido
por ciclo, conforme mostrado na Eq. 2.6 deve-se levar em conta as áreas A, B e C
do diagrama da Figura 2.6.
Figura 2.6: Etapas de cálculo trabalho líquido ciclo real. Fonte: [5]
Wliq = A+ C − (B + C) = A−B, (2.6)
onde o termo A + C é chamado de trabalho bruto por ciclo (WB) e o termo B+C é
chamado de trabalho de bombeamento (Wp1). Assim,
Wliq = WB −Wp (2.7)
2.1.4.3 Pressão Média Efetiva Indicada (IMEP)
A pressão média efetiva indicada2 (IMEP) corresponde a uma pressão constante
que multiplicada pelo volume deslocado (Vd) do motor produz o mesmo valor para
o trabalho líquido (Wliq) realizado. Logo,
IMEP = Wliq/Vd (2.8)1Considera-se Wp positivo para efeitos de cálculo2Em inglês o termo referido é Indicated Mean E�ective Pressure. O termo indicated (indicada)
faz referência a uma grandeza medida dentro da câmara de combustão.
12
2.1.4.4 Potência líquida por ciclo (Pliq)
A potência líquida, por ciclo, apresenta uma relação com o trabalho líquido realizado,
sendo dada pela seguinte expressão
Pliq =WliqN
nR, (2.9)
onde N representa a rotação do motor, Wliq o trabalho líquido e nR um fator que
varia dependendo se o motor é 2 tempos ou 4 tempos. Para um motor 2 tempos
nR = 1 e para um motor 4 tempos nR = 2.
2.1.5 Avanço de injeção
Como já mencionado, no motor diesel, durante o processo de admissão, somente ar é
aspirado no primeiro tempo motor. No segundo tempo, essa mistura é comprimida
para que seja produzida uma elevação na temperatura e pressão do ar admitido.
Assim, idealmente, pode-se pensar que ao se injetar o combustível no PMS o mesmo
iniciará a combustão instantaneamente ao entrar em contato com o ar. Entretanto,
existe um intervalo de tempo entre o início da injeção do combustível e o início da
queima.
Por esta razão, nos ciclos reais, a injeção de combustível é avançada , ou seja,
o combustível é injetado alguns instantes antes do pistão chegar no PMS (medidos
através de graus do eixo de manivelas). A Figura 2.7 ilustra esse fato. Em geral,
o avanço de injeção é medido pelo ângulo α e, assim, um aumento no avanço de
injeção signi�ca um aumento do ângulo α.
13
Figura 2.7: Representação do aumento no avanço de injeção
2.1.6 Atraso de ignição (Delay)
Como já mencionado, existe um intervalo de tempo entre o início da injeção de
combustível e o início da sua queima. O intervalo de tempo entre o início da injeção
e o início da combustão é chamado de atraso de ignição (delay). Em geral, esse
intervalo é medido em graus do eixo de manivelas, ou seja, para uma velocidade an-
gular constante, ω, pode-se converter esse intervalo de tempo em termos da variação
angular como mostrado na relação abaixo
∆α = ω∆t. (2.10)
2.1.7 Combustão nos motores Diesel
A combustão em motores diesel pode ser dividida em três fases. A primeira está
associada ao atraso de ignição, pois o combustível é injetado alguns graus antes
do PMS e, após um intervalo de tempo, o mesmo se in�ama. A segunda e terceira
parte da combustão são chamadas de combustão pré-misturada e combustão difusiva.
A Figura 2.8 ilustra esses etapas descritos anteriormente traçando um grá�co que
mostra a taxa de liberação de calor (dQdθ) em função do ângulo do eixo de manivelas
14
(θ). O início da injeção inicia-se no ponto a, chamado de SOI (início de injeção3).
O ponto b do grá�co marca o início da combustão e a região comprendida entre a e
b corresponde ao valor do atraso de ignição (convertido para graus).
A região que está compreendida entre os pontos b e c representa a chamada com-
bustão pré-misturada, que se inicia a partir da queima da massa de combustível,
que ao ser injetada, entra em contanto com o ar quente evaporando e misturando-se
com ar iniciando, então, o processo de combustão após o atraso. A elevação do
pico da taxa de liberação de calor (ponto b′) aumenta quando ocorre um aumento
do atraso de ignição, pois um atraso de ignição elevado indica um grande massa
de combustível evaporado e, por consequência, uma elevada quantidade de energia
liberada provocando um aumento brusco na temperatura e pressão da câmara de
combustão. Esse pico muito elevado da taxa de liberação de calor é um fator inde-
sejável em motores diesel, pois o motor �ca submetido a variações de pressão muito
elevadas. A região compreendida entre os pontos c e d é chamada de combustão
difusiva. Nessa região o ar e o combustível se misturam a medida que a combustão
progride. Por �m, o termo EOI indica o �m da injeção4.
Figura 2.8: Combustão para um motor Diesel.Adaptado de [5]
2.1.8 Número de cetano (NC)
A qualidade de combustão dos combustíveis usados em motores Diesel é determinada
por um parâmetro de�nido em norma chamado de Número de Cetano (NC). No
3Em inglês o termo é start of injection4Em inglês o termo é end of injection
15
Brasil, existem valores mínimos para o NC determinados pela ANP5. Para o óleo
diesel S10 (contém 10 ppm de enxofre) o valor mínimo do NC é de 48 e para o diesel
S500 (contém 500 ppm de enxofre) o valor mínimo do NC é de 42 [4]. Em geral, um
maior Número de Cetano indica que o combustível apresenta um menor atraso de
ignição. Na Figura 2.8 isso corresponderia a uma diminuição do tamanho da região
a e b do grá�co.
A determinação do Número de Cetano é descrita pela norma ASTM D-613.
Para esse teste, são utilizados como referência dois combustíveis, a saber: o Cetano
(n-hexadecano), o qual apresenta uma ótima qualidade de queima, e que possui
NC = 100 por de�nição; e o heptametilnonano (HMN) que possui baixa qualidade
de queima e que possui NC= 15 por de�nição. Além disso, o motor em que o
combustível deve ser testado para a determinação do número de cetano também é
descrito em norma. O motor padronizado pela ASTM é o CFR (Cooperative Fuel
Research) Cetano. Uma descrição desse motor será apresentada no Capítulo 3.
Os combustíveis padrão mencionados anteriormente (n-hexadecano e heptame-
tilnonano) apresentam um custo elevado. Por isso, uma alternativa apresentada pela
ASTM consiste em utilizar os combustíveis padrão T22 e U15, os quais são menos
caros e possuem número de cetano pré-de�nidos. Os valores para o NC do T22 e
do U15 valem 74,8 e 18,7 respectivamente. A Tabela 2.1 informa a relação entre a
quantidade percentual de T22 contida no U15 e o valor do número de cetano para
cada composição fornecida pelo fabricante Chevron Phillips Chemical. Por exemplo,
para o valor 35 da tabela existe 35% em volume de T22 e 65% em volume de U15,
com um Número de Cetano igual a 38,3.
5Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis
16
Tabela 2.1: Número de Cetano para diferentes combinações dos combustíveis T22 e
U15.
No LMT, foram preparadas um conjunto de 11 (onze) amostras, destacadas em
azul na Tabela 2.1, com percentagens diferentes de T22 e U15. A partir dessas
11 amostras foi feita a calibração de uma curva que informa o Número de Cetano
(NC) em função da posição de um volante que desloca um êmbolo da pré-camara de
combustão, o qual é responsável por alterar a razão de compressão do motor. Tal
curva é apresentada na Figura 2.9.
17
Figura 2.9: Calibração curva cetano. Fonte: Laboratório de Máquinas Térmicas da
UFRJ.
Atualmente os padrões comercializados para a determinação do NC são T30 e
U30 [11].
18
Capítulo 3
Motor CFR Cetano com atualizações
3.1 Motor CFR Waukesha
3.1.1 Introdução
O motor CFR (Cooperative Fuel Research) Cetano ASTM D613, instalado no La-
boratório de Máquinas Térmicas (LMT) da Universidade Federal do Rio de Janeiro
(UFRJ) fabricado em 1973, tem sido utilizado para diversas pesquisas relacionadas
ao uso de combustíveis em motores alternativos do ciclo diesel. Desta forma, diver-
sos trabalhos e artigos foram produzidos por professores, engenheiros e estudantes
(graduação e pós-graduação) utilizando o CFR . Com isso, visando ampliar a gama
de possíveis aplicações, foram realizadas algumas atualizações no CFR Cetano para
que fosse possível manter um controle mais rigoroso nos parâmetros operacionais.
Assim, o motor CFR Cetano especi�cado na norma ASTM D613 teve vários ítens
modi�cados e/ou incluídos. Estas modi�cações dotaram o motor de diversos dispo-
sitivos que permitem, por exemplo, determinar a pressão na câmara de combustão
em tempo real durante o funcionamento do motor.
A seguir será detalhado o método de�nido na norma ASTM D613 para a de-
terminação do NC e serão descritas as atualizações realizadas no motor original,
estabelecendo uma comparação entre o processo de medição antes e depois das in-
tervenções realizadas. A versão sem modi�cações será chamada de versão original e
a versão que sofreu um processo de atualização de versão modi�cada. A Figura 3.1
(a) mostra o Motor CFR Cetano versão original e a Figura 3.1 (b) correspondente
19
a versão modi�cada.
(a) Motor CFR Cetano Versão Ori-
ginal
(b) Motor CFR Cetano Versão Mo-
di�cada
Figura 3.1: Motor CFR Cetano ASTM D613.
A Figura 3.2 mostra em detalhes a tela da versão modi�cada com os parâmetros
analisados . A versão modi�cada contou com dispositivos adquiridos junto a empresa
austríaca AVL e a empresa brasileira LOGS que foi responsável pela automatização
dos controles operacionais do motor.
Figura 3.2: Tela do Painel de Controle do motor CFR Versão Modi�cada
20
3.2 Método CFR ASTM D613
O motor CFR Cetano consiste de um motor monocilíndro com injeção indireta. A
injeção de combustível é feita através de uma bomba injetora de alta pressão da
marca BOSCH. Além disso, o método exige que a rotação do motor seja mantida
constante, o que é conseguido através de um motor elétrico síncrono acoplado ao
motor CFR. Tal motor também é responsável pela partida do conjunto. As condições
operacionais em que o motor deve ser mantido para que a realização do teste são:
• Rotação do motor: 900 ± 9 rpm;
• Avanço de injeção: 13 graus antes do PMS;
• Atraso de ignição: 13 graus após o início de injeção de combustível;
• Vazão de combustível: 13, 0 ± 0, 2 ml/ min na cuba (13, 0 ml em 60 ± 1seg);
• Temperatura de admissão do ar: 150 ± 1 oF;
• Temperatura da água de arrefecimento do injetor: 100 ± 5oF ;
• Pressão da abertura do injetor: 1500 ± 50 psi;
• Pressão do óleo: 25 a 30 psi em condições de operação;
• Temperatura do óleo: 135 ± 15 oF;
• Temperatura da água de arrefecimento do motor: 212 ± 3 oF.
Além dos parâmetros de operação para a determinação do Número de Cetano,
a Tabela 3.1 fornece alguns parâmetros geométricos básicos do motor. Um parâ-
metro geométrico fundamental do motor, ilustrado na tabela anterior, é a razão
de compressão que é responsável pelo ajuste dos 13 o para o atraso de ignição na
determinação do Número de Cetano.
21
Tabela 3.1: Parâmetros geométricos básicos do motor.
3.3 Controle dos Parâmetros Operacionais
3.3.1 Rotação
A medição da rotação no motor CFR original era inicialmente feita esporadicamente
através de um conta-giros manual. Na versão modi�cada, esse dispositivo manual
foi substituído por uma leitura digital a partir da instalação de uma roda dentada
e de um �pick-up� magnético que mede o tempo de uma rotação completa do motor
(Figura 3.3). Essa leitura contínua, dentre outras, é indicada diretamente no painel
mostrado na Figura 3.2.
Figura 3.3: Mecanismo roda dentada e pick-up magnético.
22
3.3.2 Vazão de combustível
A medição da vazão volumétrica de combustível no motor CFR original era feita
enchendo-se uma bureta graduada até que o volume de combustível atingisse 13
ml e, em seguida, utilizava-se um cronômetro para ajustar a taxa de consumo de
combustível para o valor padrão de 13 ml/min.
Na versão modi�cada esse controle da vazão de combustível passou a ser feito
de maneira digital com o auxílio de um braço acoplado a um extensômetro e um
cronômetro que medem o consumo de combustível. Para isso, é necessário o conhe-
cimento da massa especí�ca de cada combustível a ser testado para que o programa
desenvolvido faça a conversão da vazão em base mássica para a base volumétrica.
A Figura 3.4 ilustra o painel de leitura deste processo.
Figura 3.4: Controle de vazão de combustível
O ajuste (aumento ou diminuição) da vazão de combustível não sofreu alteração,
sendo ainda controlado manualmente por uma cremalheira que varia a quantidade de
combustível injetada por unidade de tempo. Um desenho esquemático do mecanismo
Bosch de controle do avanço de combustível pode ser visto na Figura 3.5.
23
Figura 3.5: Funcionamento do mecanismo de controle do débito de combustível no
motor CFR. Fonte [12]
Pode-se ainda ver na Figura 3.6 um desenho esquemático do mecanismo respon-
sável pelo avanço de injeção e outro pelo deslocamento da cremalheira.
Figura 3.6: Mecanismo de escala Vernier responsável pelo ajuste do avanço de injeção
e da vazão de combustível. Fonte [13]
3.3.3 Atraso de ignição
Na versão original do motor, um sensor de pressão detectava o início da combustão.
Essa leitura, então, era feita através de um visor no painel do motor denominado
�ignition delay�, conforme mostrado na Figura 3.7.
Um comentário sobre a leitura é importante nesta etapa. O método ASTM
D613 requer que o combustível seja injetado 13o antes do PMS. No visor �injection
advance� - Figura 3.7 - pode-se ver que este é exatamente o valor em que o com-
bustível é injetado. O sensor de pressão original registra o início da combustão e o
valor mostrado no visor �ignition delay� - Figura 3.7- informa o tempo (convertido
24
em graus do eixo de manivelas) entre o início da injeção e o início da combustão.
Por isso, a partir da Figura 3.7, deduz-se que a combustão está ocorrendo no PMS
do motor, pois a injeção de combustível ocorreu 13o antes do PMS e o atraso (delay)
foi também de 13o.
Figura 3.7: Leitura direta atraso de ignição e do avanço da injeção feita no motor
CFR.
Na versão modi�cada, o sensor de pressão original foi substituído por um con-
junto de equipamentos integrados da empresa austríaca AVL e a medição de pressão
passou a se dar em tempo real, conforme mostrado na Figura 3.8.
25
Figura 3.8: Sistema AVL para a medição da pressão na câmara de combustão.
Para isso, o sistema AVL é conectado a um sensor de pressão e interligado ao
sistema de aquisição de dados desenvolvido. Dessa forma, o software da AVL fornece
em tempo real as curvas de pressão vs. volume e pressão vs. ângulo virabrequim,
além de grandezas derivadas. Uma ilustração do software da AVL pode ser vista na
Figura 3.9
Figura 3.9: Análise em tempo real dos dados obtidos do sistema AVL, exibidos no
sistema de aquisição desenvolvido.
26
3.3.4 Avanço de injeção
Na versão original, o avanço de injeção era obtido através da leitura direta no motor
CFR, conforme mostrado na Figura 3.7.
Na versão modi�cada, o sistema AVL também faz a leitura do início da injeção de
combustível e, esse valor pode também ser lido diretamente na tela do software. Para
tal, foi instalado um ampli�cador de sinal junto ao sensor que detecta o levantamento
da agulha do injetor de combustível. O sinal ampli�cado deste sensor foi acoplado ao
sistema da AVL que identi�ca o pulso eletromagnético e faz o registro do momento
da injeção de combustível. A partir daí, rotinas foram implementadas de modo a se
calcular o atraso de ignição.
3.3.5 Razão de compressão
A razão de compressão (r) é um parâmetro que pode ser variado no motor CFR
podendo ser ajustado entre os valores de 8:1 até 36:1. A sua mudança é possível
graças a um volante que altera a posição de um pequeno pistão que está inserido
na pré-camara de combustão do motor. Pode-se ver uma vista em corte do volante
mencionado anteriormente na Figura 3.10
Figura 3.10: Vista em corte do volante do motor CFR responsável pela variação da
razão de compressão. Fonte [13]
O volante e o êmbolo (responsáveis por alterar a razão de compressão), separados
do motor, podem ser vistos na Figura 3.11.
27
Figura 3.11: Conjunto volante - pistão
O fabricante do motor fornece uma equação matemática que permite obter uma
relação entre a razão de compressão e escala da posição volante. A equação é dada
pela seguinte relação:
razão compressão =18 + posição do volante (mm)posição do volante (mm)
(3.1)
Essa mesma relação pode ser expressa em forma de uma tabela, a qual também
é fornecida pelo fabricante como ilustrado na Figura 3.12
Figura 3.12: Relação entre a razão de compressão e a leitura da posição do volante
Apesar do controle da razão de compressão ser original do motor CFR, é neces-
sário informar ao programa da AVL acerca de alguma mudança realizada. Caso a
28
razão de compressão correta não seja inserida, o programa irá plotar as curvas de
pressão com valores incorretos. Esse ajuste deve ser feito na aba "engine parame-
ters", conforme mostrado na Figura 3.13.
Figura 3.13: Parâmetros do motor programa AVL
3.3.6 Temperatura de admissão do ar
No motor original, a medição da temperatura do ar de admissão era realizada através
de um termômetro localizado no duto de admissão como mostra a Figura 3.14.
Figura 3.14: Medição da temperatura de admissão do ar do Motor original
A escala do termômetro era graduada em graus Fahrenheit, variando de 60 oF a
160 oF. O controle dessa temperatura era feito através de uma resistência elétrica e
um pequeno termistor instalados no duto de admissão e controlados através de um
sistema mostrado na Figura 3.15.
29
Figura 3.15: Controlador da temperatura de admissão do ar do Motor original
Na versão modi�cada , foi realizada a instalação de termopares no duto de ad-
missão do ar. A leitura da temperatura passou a ser feita diretamente no painel
mostrado na Figura 3.2 e o controle através do dispositivo mostrado na Figura 3.16.
Figura 3.16: Controle e medição de temperatura de admissão do ar do Motor Mo-
di�cado
3.3.7 Temperatura da água de arrefecimento do bico injetor
No motor CFR original a leitura da temperatura da água de arrefecimento do motor
era feita através da leitura de um termômetro e o controle da vazão de água era
realizado manualmente.
Na versão modi�cada, a leitura passou a ser feita diretamente na tela ilustrada
na Figura 3.17 por meio de um termopar instalado na câmara de arrefecimento do
bico injetor. O controle da vazão de água continuou sendo manual. Entretanto, foi
30
instalado um termopar no alojamento do bico injetor que dispara um alarme caso a
operação esteja fora da faixa de temperatura adequada (100 ± 5 oF).
Figura 3.17: Medição de temperatura do bico injetor
3.3.8 Temperatura da água de arrefecimento do motor
O sistema original de arrefecimento do motor foi mantido. Entretanto, um controle
extra foi instalado para o caso existir uma elevação da temperatura do circuito
interno da torre termo-sifão. Esse controle atua cortando a injeção do motor, através
da alimentação elétrica do solenóide de recuo da cremalheira da bomba injetora,
caso exista alguma elevação de temperatura que possa comprometer a integridade
do motor CFR.
3.3.9 Pressão do óleo lubri�cante
A medição da pressão de óleo lubri�cante no motor CFR original era feita através
de um manômetro, ilustrado na Figura 3.18.
Figura 3.18: Medição pressão óleo lubri�cante
Na versão modi�cada do motor, foi utilizado um transdutor para medir esta
pressão. A leitura passou a ser feita diretamente no painel da Figura 3.2, como
mostrado em detalhes na Figura 3.19.
31
Figura 3.19: Medição pressão óleo lubri�cante
Como forma de proteção do motor, sua partida é permitida somente após a
pressão do óleo lubri�cante atingir 25 psi. Um controle extra foi adicionado através
de um alarme que indica uma possível queda de pressão do óleo lubri�cante. Dessa
forma, ocorre um corte imediato da injeção do motor, através da alimentação elétrica
da solenóide de recuo da cremalheira da bomba injetora, caso algum parâmetro varie
bruscamente, colocando em risco a integridade do motor CFR.
3.3.10 Temperatura do óleo lubri�cante
Não foi realizada nenhuma modi�cação na medição da temperatura do óleo lubri�-
cante.
3.4 Quadro comparativo Motor CFR Versão Ori-
ginal e Versão Modi�cada
Uma demonstração de todas as mudanças realizadas no motor pode ser vista na
Tabela 3.2.
32
Tabela 3.2: Tabela de atualizações motor CFR Cetano.
33
Capítulo 4
Combustíveis
4.1 Diesel, Biodiesel e Etanol
4.1.0.1 Diesel
O óleo diesel, ou simplesmente diesel, é um combustível líquido derivado de petróleo.
Apresenta, em sua composição química, hidrocarbonetos com cadeias que variam de
8 até 16 carbonos. O óleo diesel ainda possui, em menor concentração, outros
elementos como nitrogênio, enxofre e oxigênio.
No Brasil, varios tipos de óleo diesel podem ser encontrados, tais como o óleo
diesel S10 (contendo 10 ppm de enxofre) e o S500 (contendo 500 ppm de enxofre),
utilizados no setor rodoviário, e o óleo diesel S1800 (contendo 1800 ppm de enxofre)
de uso não rodoviário. O óleo diesel rodoviário ainda pode ser classi�cado como do
tipo A (sem adição de biodiesel) e do tipo B (com adição de biodiesel).
O diesel rodoviário do tipo B comercializado atualmente em grandes centros é
o diesel S10. Quanto ao biodiesel, em 2008 passou a vigorar a adição de 2%, em
volume, ao óleo diesel puro. Posteriormente, seguindo a Lei no 13.623/2016 [14], o
início da adição de biodiesel seguiu os seguintes requisitos:
• A partir de março de 2017 - 8% de biodiesel;
• A partir de março de 2018 - 9% de biodiesel;
• A partir de março de 2019 - 10% de biodiesel.
34
Entretanto, os valores mencionados acima sofreram uma modi�cação com a an-
tecipação do aumento da inserção de biodiesel para o ano de 2018. Em março de
2018, o óleo diesel comercializado no território nacional já incluía 10% de biodiesel
em sua composição [3].
O diesel utilizado nesse trabalho, que corresponde ao diesel comercializado no
ano de 2017, apresenta em sua composição 8% em volume de biodiesel. O diesel deve
atender a requisitos mínimos de�nidos em norma. A Tabela 4.1 ilustra alguns desses
parâmetros, tais como número de cetano, massa especí�ca, lubricidade e ponto de
fulgor, entre outros, bem como os respectivos métodos para a determinação dessas
propriedades.
Tabela 4.1: Propriedades diesel no território brasileiro. Fonte:[15]
4.1.0.2 Biodiesel
O biodiesel é um combustível renovável produzido, por exemplo, por meio de um
processo chamado de transesteri�cação. Este processo consiste na reação química de
um álcool (metanol ou etanol) com gordura animal ou óleo vegetal, que na presença
de uma catalisador forma um composto denominado éster (representado na Figura
4.1) .
Diversas matérias primas podem ser utilizadas para a produção de biodiesel. As
35
oleaginosas como soja, palma, girassol, canola e amendoim, dentre outras, consti-
tuem grande parte dessa produção. Além disso, o sebo (gordura animal) também
é amplamente utilizado nesse processo. De acordo com a ANP o óleo de soja é a
matéria prima mais utilizada na obtenção de biodiesel no Brasil. Entretanto, neste
trabalho, por questões logísticas, foi utilizado biodiesel feito com óleo de palma.
Figura 4.1: Processo de produção do biodiesel. Fonte: [16]
4.1.0.3 Etanol
O etanol também constitui um combustível renovável, assim como o biodiesel apre-
sentado anteriormente. Historicamente, o início da produção de etanol para �ns
veiculares ocorreu devido a alta no preço do barril de petróleo nas décadas de 70
e 80. Assim, vários programas foram lançados pelos governos vigentes para uma
produção em massa de um combustível renovável que fosse um substituto para o
petróleo importado pelo país.
No Brasil, a matéria prima utilizada para a obtenção de etanol é a cana-de-
açúcar.
4.2 Misturas Ternárias
Como mencionado anteriormente, o diesel S10 utilizado consiste de uma mis-
tura de dois componentes (binária), pois possui uma quantidade de 92% em
volume de diesel e 8% em volume de biodiesel em sua composição. As mis-
turas usadas neste trabalho são chamadas de ternárias pois possuem em sua
composição três componentes , a saber: Diesel, biodiesel e etanol anidro. As-
sim, serão preparadas um conjunto de nove misturas contendo diferentes pro-
36
porções de diesel, biodiesel e etanol em sua composição. As misturas terná-
rias serão caracterizadas, neste trabalho, utilizando a seguinte nomenclatura:
DS10Bα Eβ.
O termo Ds10 caracteriza que a mistura possui diesel em sua composição e apre-
senta teor de enxofre de 10 ppm (este teor de enxofre se manterá sempre �xo). O
termo B caracteriza o biodiesel e a letra grega α representa a quantidade percen-
tual, em volume, de biodiesel contido na mistura. O termo E caracteriza o etanol
presente na mistura e a letra grega β indica a quantidade percentual, em volume,
de etanol contida na mistura. Por �m, o percentual que falta para completar 100%
representa a quantidade de Diesel que compõem a amostra e não está indicada na
terminologia.
Por exemplo, a mistura DS10B20E5 apresenta a seguinte composição:
• 20% em volume de biodiesel,
• 5% em volume de etanol e
• 75% de diesel com teor de enxofre de 10 ppm.
A Tabela 4.2 ilustra a combinação das nove misturas escolhidas. Entretanto, a
mistura destacada em cinza claro DS10B8E8 foi desconsiderada dos testes porque
apresentou problemas de estabilidade que serão relatados posteriormente.
Tabela 4.2: Combinação de misturas ternárias.
Serão destacadas a seguir algumas considerações importantes que nortearam a
escolha das concentrações de biodiesel e etanol nas misturas destacadas na Tabela
4.2:
37
Percentagens de BIODIESEL existentes nas misturas:
• A escolha de 8%, para o biodiesel, foi adotada em função de ser esta a con-
centração de biodiesel que o diesel comercializado nos postos de combustíveis
de todo país deveria possuir no período de realização do trabalho;
• O aumento percentual para 20% em volume de biodiesel foi feito pois essa
quantidade representa uma projeção futura da concentração que o diesel deverá
possuir para que possa ser comercializado;
• O aumento percentual para 60% foi projetado para analisar as características
de funcionamento de um motor operando com um combustível de elevada
concentração de biodiesel.
Percentagens de ETANOL existentes nas misturas:
• A escolha da concentração de etanol na mistura foi realizada utilizando fatores
técnicos. Como relatado nos trabalhos [17] e [18] a quantidade de etanol
adicionada ao diesel não deve apresentar um percentual muito elevado devido
à sua baixa solubilidade no diesel. Uma concentração muito elevada de etanol
acarreta a não homogeneidade da mistura ocasionando, assim, uma separação
entre os seus componentes. Quimicamente as moléculas de diesel são apolares
enquanto as moléculas de etanol são polares, o que di�culta a solubilidade do
etanol no diesel. Logo, a partir dos critérios mencionados anteriormente, o
percentual de etanol inserido nas amostras foi: 0% de etanol, 5% de etanol e
8% de etanol.
Como salientado por [18], a percentagem de etanol adicionada ao diesel pode
ser elevada com o aumento da concentração de biodiesel na mistura. No entanto,
a mistura DS10B8E8 precisou ser descartada dos testes, pois apresentou separação
e turbidez conforme será detalhado posteriormente. O mesmo não ocorreu com as
misturas que apresentavam um percentual mais elevado de biodiesel. Por isso, as
misturas da família B20 e B60 apresentaram estabilidade em todas as suas amostras.
Assim, con�rma-se o importante papel do biodiesel como um elemento fundamental
para a estabilidade das misturas, além de outras vantagens econômicas e ecológicas.
38
4.2.1 Procedimento para preparação das amostras
Nesta seção, serão descritos os detalhes acerca da preparação das amostras e uma
sugestão de etapas desse procedimento. O diesel S10 com 8% de biodiesel foi obtido
em um posto da BR Petrobras na região do Meier no Município do Rio de Janeiro.
O biodiesel (B100) e o etanol anidro já faziam parte dos combustíveis disponíveis
no LMT/ UFRJ. Os três combustíveis podem ser vistos na Figura 4.2
Figura 4.2: Diesel S10 Comercial, Biodiesel e Etanol Anidro.
Dessa forma, com os combustíveis em estoque no laboratório iniciou-se a etapa
de preparação das misturas.
4.2.1.1 1o Etapa - Determinação Experimental da massa especí�ca dos
componentes.
A primeira etapa da preparação foi determinar experimentalmente as respectivas
massas especí�cas do óleo diesel (diesel comercial DS10B8E0), biodiesel e etanol
anidro - Tabela 4.3
39
Tabela 4.3: Massa especí�ca do diesel comercial, biodiesel e etanol.
O procedimento para a determinação experimental da massa especí�ca (ρ) uti-
lizou uma proveta1 de 250 ml (mililitros) e uma balança de precisão - Figura 4.3.
Dessa forma, para um volume �xo de 250 ml, foi medida a massa da substância
sendo analisada e, através da relação, 4.1 foi obtido o valor da massa especí�ca.
ρ =m
V, (4.1)
onde m representa a massa da substância e V o respectivo volume (leitura direta
pela escala da proveta). Todas as determinações de massa especí�ca utilizaram a
escala máxima da proveta no valor de 250 ml. A Tabela 4.3 já mostra os valores
obtidos, no sistema internacional de unidades.
Após a determinação das massas especí�cas das substâncias que irão compor as
misturas ternárias, será descrito o procedimento de preparação do conjunto de 9
misturas utilizadas neste trabalho.
4.2.1.2 2o Etapa - Conversão da base volumétrica para a base mássica
As misturas possuem percentagens, em volume, bem de�nidas de diesel, biodiesel e
etanol. Desta forma, é necessário se ter alguma forma de determinar essas quanti-
dades de maneira precisa. Todavia, simplesmente pela análise volumétrica isso não
é possível, pois perde-se a precisão necessária, fazendo-se apenas um leitura visual
da escala do instrumento (proveta ou béquer). Assim, para que as percentagens vo-
lumétricas sejam respeitadas será realizada a mudança de uma análise volumétrica
1A proveta teve a escala aferida com água Milli-Q.
40
Figura 4.3: Balança de precisão e proveta de precisão.
para uma análise mássica. Para isso, será usada a balança de precisão, mostrada
anteriormente, para fazer a composição das misturas.
A conversão da base volumétrica para a base mássica possui algumas di�culdades
que serão relatadas a seguir. Idealmente, caso houvesse a disponibilidade de diesel
do tipo A (sem adição de biodiesel), a mudança seria simples, pois bastaria uma
simples multiplicação da massa especí�ca da substância pelo volume desejado para
todos os 3 componentes da mistura. Entretanto, o diesel utilizado na preparação
das amostras é do tipo B (com adição de biodiesel) e, por isso, um procedimento
ligeiramente mais detalhado é necessário. Como essa etapa demanda um cálculo um
pouco mais extenso deixaremos o mesmo para o Apêndice A.
A Tabela 4.4 ilustra as misturas preparadas com as respectivas quantidades más-
sicas calculadas levando-se em conta que as misturas não são preparadas com diesel
do tipo A.
41
Tabela 4.4: Misturas ternárias quantidades experimentais.
4.2.1.3 3o Etapa - Separação dos materiais
Os instrumentos utilizados na preparação das misturas foram uma balança de pre-
cisão, um béquer com capacidade máxima de 3,5 l, 1 proveta de 250 ml e 1 proveta
de 50 ml.
4.2.1.4 4o Etapa - Inserção dos componentes da mistura
Com os valores mássicos calculados e com os materiais utilizados devidamente sepa-
rados e limpos, iniciou-se o processo de preparo. Foi preparada, para cada mistura,
uma quantidade de 3 l. Com o béquer de 3,5 l posicionado em cima da balança, foi
adicionado primeiramente o diesel comercial (B8E0), com o auxílio da proveta de
250 ml e, posteriormente, com a proveta de 50 ml para o ajuste �nal. Após a adição
do B8E0 foi feita a inserção do biodiesel, pois como mencionado anteriormente o
biodiesel ajuda na solubilidade do etanol na mistura. Por �m, foi inserido o eta-
nol na mistura. A Figura 4.4 ilustra uma das misturas após a inserção do último
componente do combustível
42
Figura 4.4: Mistura preparada.
4.2.1.5 5o Etapa - Homogeneização das misturas
Após a adição de todos os componentes, foi utilizado um misturador eletro-mecânico
para tornar a mistura homogênea. Na Figura 4.5 pode-se ver o misturador e o vórtice
formado pelo mesmo nesta etapa do procedimento experimental.
Figura 4.5: Misturador
43
4.2.1.6 6o Etapa - Identi�cação das misturas
A última etapa consistiu no armazenamento das misturas em um recipiente apro-
priado e a respectiva identi�cação da misturas através de uma etiqueta contendo
informações relevantes. A Figura 4.6 ilustra todas as misturas preparadas e identi-
�cadas
Figura 4.6: Conjunto de Misturas Ternárias.
4.2.1.7 Mistura DS10B8E8 descartada dos testes
Durante a etapa de preparação das amostras, a mistura DS10B8E8 apresentou uma
não-homogeneidade. Após a etapa do misturador, a mistura apresentou-se turva e
com separação de fases - Figura 4.7.
Figura 4.7: Mistura DS10B8E8 (Descartada dos testes).
44
4.2.1.8 Diagrama esquemático das etapas de preparação das misturas
As etapas de preparação podem ser sintetizadas através da Figura 4.8. Como men-
cionado anteriormente, essa descrição em etapas representa uma sugestão para a
sistematização de um procedimento para a preparação das misturas ternárias.
Figura 4.8: Quadro esquemático das etapas de preparação das misturas
45
Capítulo 5
Resultados experimentais e análise
Neste capítulo serão apresentados os resultados relativos à análise do Poder Ca-
lorí�co e determinação do Número de Cetano das misturas ternárias descritas no
capítulo 4. Além disso, serão analisadas os valores gerados pelo sensor de pressão
AVL de modo a avaliar o desempenho das misturas ternárias explorando os diagra-
mas P -V para cada mistura e uma análise da quantidade de calor liberado durante
um ciclo bem como as respectivas e�ciências térmicas para cada mistura.
5.1 Poderes Calorí�cos
Através do calorímetro de bomba C200 da empresa IKA - Figura 5.1 - foi possível
analisar os poderes calorí�cos superiores (PCS) das misturas ternárias.
Figura 5.1: Calorímetro de bomba C200 da empresa IKA.
46
Assim, a Tabela 5.1 ilustra os respectivos valores para as misturas análisadas.
Tabela 5.1: Poder calorí�co superior misturas ternárias.
Como era esperado, pelo fato do poder calorí�co do etanol ser menor do que o
do diesel comercial e do biodiesel, nota-se uma queda nesse valor analisando-se os
valores ilustrados na tabela anterior.
5.2 Número de Cetano utilizando a norma ASTM
D613 com o sensor original de pressão do motor
A determinação do Número de Cetano (NC), como destacado na Seção 3.2, segue
a norma ASTM D613. Por isso, os parâmetros operacionais do motor, tais como
rotação, vazão de combustível, atraso de ignição, avanço de injeção e temperatura
do ar de admissão, foram ajustados e �xados seguindo esta norma. De acordo com
o especi�cado pela ANP [19], o valor mínimo para o NC de um diesel S10, com
8% de biodiesel em sua composição, em território nacional, para uso em motores
de veículos, é de 48. A Figura 5.2 ilustra os resultados para o NC obtidos para o
conjunto de 8 misturas testadas. Pode-se notar que, dentro do erro de repetibilidade1
ilustrado na Figura 5.3 de ± 0,9, apenas a mistura DS10B8E5 �cou abaixo do valor
limite de 48. O mesmo comportamento da mistura anterior era esperado para a
mistura DS10B8E8, caso o combustível não tivesse sido descartado.
1A diferença entre dois resultados de teste, obtido em testes idênticos realizados no mesmo
motor com condições de operações idênticas
47
Figura 5.2: Misturas ternárias dispostas em ordem crescente de número de cetano.
Figura 5.3: Repetibilidade para Motor CFR Cetano. Fonte: [13]
Pode-se repetir o grá�co anterior separando-se as misturas por famílias de biodi-
esel, onde é possível notar a in�uência da inserção de etanol no NC para as diferentes
misturas. Dessa forma, observa-se uma redução signi�cativa do número de cetano
das amostras, como mostrado na Figura 5.4, com o aumento percentual de etanol.
Pode-se, por exemplo, observar uma diminuição acentuada do NC na família B20
com o aumento da concentração de etanol nas misturas. O NC para a mistura
DS10B20E0 era de 59,5. Após a inserção de 5% de etanol percebe-se uma queda
do NC para 50,7 e com 8% uma queda ainda mais acentuada para o valor de 48,4.
Assim, nota-se claramente que a inserção de etanol prejudica a qualidade da queima
do combustível. Posteriormente, será analisado que essa redução do número de ce-
tano acarreta em uma grande quantidade de energia liberada na fase pré-misturada
da combustão acarretando picos elevados de pressão na câmara do motor.
48
Figura 5.4: Número de Cetano das misturas ternárias separadas por família de
biodiesel.
Por outro lado, observa-se que um aumento da concentração de biodiesel nas
misturas eleva signi�cativamente o NC. Assim, para uma concentração �xa de etanol
veri�ca-se que o aumento percentual da concentração de biodiesel acarreta em uma
elevação do NC.
5.3 Análise com sensor AVL
Nesta etapa, foi realizada a substituição do sensor original do motor CFR cetano
pelo sensor AVL descrito na seção 3.3.3. Assim, o motor nesta etapa foi colocado
operando totalmente na versão modi�cada ao longo deste projeto 2. Utilizando o
sensor e o software AVL foi possível uma análise mais detalhada acerca da variação
da pressão no interior da câmara de combustão. Dessa forma, foi possível determinar
o trabalho líquido para cada mistura e, com isso, pôde ser feita uma análise muito
mais detalhada sobre o desempenho de cada mistura .
2Para a determinação do Número de Cetano da etapa anterior o motor CFR já estava operando
na versão modi�cada mas com o sensor de pressão original.
49
Para avaliar o trabalho líquido, ver seção (2.1.4), realizado durante o ciclo para
cada mistura, foi aplicada uma metodologia especí�ca para o cálculo das áreas dos
diagramas pressão vs. volume fornecidas pelo software da AVL. Esta metodologia é
descrita a seguir:
• 1o Etapa: Com o motor em condições de operação estáveis foram adquiridos
(através do programa AVL) 200 (duzentos) ciclos contendo dados de pressão e
volume. Esses valores foram armazenados em um arquivo de texto no formato
txt.
• 2o Etapa: Com o arquivo txt gerado pelo software da AVL, foi construída
uma planilha Excel com os dados obtidos.
• 3o Etapa: Com os dados de volume e pressão contidos no arquivo foram de-
terminados os valores médios para a pressão para cada incremento de volume.
Esta média foi feita tomando-se os 200 valores para pressão para cada incre-
mento de volume, a qual será chamada de pressão média aritmética (pma).
Após o cálculo da média foram gerados os pares (V, pma). Com os valores
de volume e pressão média aritmética plotou-se o diagrama P -V da mistura
analisada.
• 4o Etapa: Foi realizada uma divisão do diagrama P -V em 4 partes para
a determinação do trabalho líquido através de um processo de integração. A
divisão das curvas foi feita identi�cando-se os cursos de expansão e compressão
do pistão, de modo que fossem computados os valores positivos e negativos
para o trabalho. A Figura 5.5 ilustra esse processo.
• 5o Etapa: Com a divisão das curvas feitas, utilizou-se a plataforma MA-
TLAB para fazer uma integração numérica da área sob cada curva utilizando
o comando trapz3.
3Função do MATLAB que realiza a integral numéricamente utilizando o método dos trapézios.
50
Figura 5.5: Diagrama P -V separado por tempo motor.
5.3.1 Misturas testadas na condição de determinação do NC
para cada mistura
Nesta etapa, o motor foi ajustado para a condição operacional padrão para a deter-
minação do NC de cada mistura testada. Esta etapa será chamada neste trabalho de
condição ASTM D613. Logicamente, os valores desses parâmetros do motor foram
obtidos através do teste para a determinação do NC descrito nas seções 3.2 e 5.2.
Com esses parâmetros �xados e, com a ajuda do sensor AVL, foi possível traçar as
curvas do diagrama P -V para cada mistura testada. A Figura 5.6 ilustra o diagrama
P -V do diesel comercial (DS10B8E0).
51
Figura 5.6: Diagrama P -V da mistura DS10B8E0 na condição ASTM D 613.
O trabalho líquido, para cada mistura, foi avaliado seguindo a metodologia des-
crita anteriormente e é ilustrado na Figura 5.7. Nesta etapa, não serão comparados
os trabalhos líquidos para as misturas, uma vez que as condições operacionais do mo-
tor, a que as misturas estavam sujeitas, eram bastantes distintas. Dessa forma, cada
mistura estava sendo testada em um motor �diferente� e, por isso, essa comparação
não será feita.
Figura 5.7: Trabalho Líquido para as misturas operando na condição ASTM D 613.
Na próxima seção as condições operacionais do motor serão mantidas �xas e
poderar-se-á, então, analisar possíveis in�uências da adição de determinado compo-
nente da mistura no valor do trabalho líquido. A análise dos diagramas se mostra
importante pois evidencia como a inserção do sensor AVL possibilita uma análise
52
quantitativa e qualitativa dos ciclos termodinâmicos a que os combustíveis estão
submetidos. A análise com o sensor de pressão original do motor restringia bastante
algumas conclusões. Com o sensor original, apenas o início da combustão era me-
dido, enquanto que o sensor AVL permite determinar em tempo real como a pressão
varia na câmara de combustão ao longo do curso do pistão.
5.3.2 Misturas testadas nas condições operacionais �xas do
número de cetano do combustível DS10B8E0 - Condição
padrão B8.
Nesta etapa as condições de operação do motor foram mantidas �xas para todas as
misturas. Foi utilizada, como referência, a condição de operação necessária para se
determinar o número de cetano do combustível comercial DS10B8E0. Esta condição
será chamada de condição padrão B8.
• Condição 1: Padrão B8 - Nessa condição os parâmetros do motor foram
�xados seguindo as condições para a determinação do Número de Cetano do
diesel comercial (DS10B8E0) segundo a norma ASTM D 613;
Ao se �xar as condições de operação do motor, pode-se realizar uma compa-
ração mais �dedigna entre as diversas misturas, pois as misturas serão testadas e
confrontadas valendo-se de um mesmo �motor�.
5.3.2.1 Mistura DS10B8E0
Primeiramente, o combustível de referência, que é o diesel comercial (DS10B8E0),
foi analisado. A Figura 5.8 mostra o diagrama P -V desse combustível na condição
Padrão B8. A unidade adotada para a pressão é o bar e para o volume o centímetro
cúbico.
53
Figura 5.8: Diagrama P -V DS10B8E0 na condição Padrão B8.
O trabalho líquido para esse ciclo, determinado numericamente seguindo a me-
todologia descrita anteriormente, a partir da área do diagrama P -V , apresentou o
seguinte valor
WliqB8E0= 280,07 J (5.1)
5.3.2.2 Mistura DS10B8E5
Seguindo o mesmo procedimento anterior, foi determinado o trabalho líquido para
a mistura DS10B8E5
WliqB8E5= 275,37 J (5.2)
A mistura DS10B8E5 mostra um primeiro indicativo de queda no valor do traba-
lho líquido, realizado durante o ciclo, com o aumento da concentração de etanol na
mistura. Pode-se determinar a variação percentual do trabalho líquido comparando
a mistura contendo 5% de etanol com o diesel comercial. Fazendo essa comparação,
nota-se uma redução percentual no valor de 1,25% do trabalho. A equação (5.3)
ilustra esse processo
∆WliqB8E5=
(WliqB8E5
−WliqB8E0
WliqB8E0
)x 100 = −1,25%. (5.3)
5.3.2.3 Mistura DS10B20E8
Mistura descontinuada, em razão de sua instabilidade.
54
5.3.2.4 Mistura DS10B20E0
A mistura DS10B20E0 apresentou o valor para o trabalho líquido mais elevado
dentre todas as misturas testadas. O diagrama P -V dessa mistura está ilustrado na
Figura 5.9 e o valor para o trabalho líquido obtido foi de
Figura 5.9: Diagrama P -V DS10B20E0 na condição Padrão B8.
WliqB20E0= 301,8 J (5.4)
A seguir, foi realizada uma comparação análoga aquela feita anteriormente para
a família B8, ou seja, serão comparados, dentro da família B20, os valores para o tra-
balho líquido das misturas DS10B20E0, DS10B20E5 e DS10B20E8. Para fazer essa
comparação, na família B20, a mistura DS10B20E0 será utilizada como referência.
5.3.2.5 Mistura DS10B20E5
Para a mistura DS10B20E5 foi obtido o seguinte valor do trabalho líquido
WliqB20E5= 279,95 J (5.5)
Nota-se que o trabalho líquido diminuiu ligeiramente quando comparado com a
mistura DS10B20E0, con�rmando a mesma tendência de queda com a adição de
etanol. A variação percentual é dada por
∆WliqB20E5=
(WliqB20E5
−WliqB20E0
WliqB20E0
)x 100 = −7,24%. (5.6)
55
5.3.2.6 Mistura DS10B20E8
Para a mistura DS10B20E8, da família B20, com concentração de 8% de etanol,
obtém-se uma redução ainda maior no valor do trabalho líquido
WliqB20E8= 274,28 J (5.7)
Comparando o trabalho líquido da mistura DS10B20E8 com a mistura
DS10B20E0 obtém-se uma redução de 9,12%
∆WliqB20E8=
(WliqB20E8
−WliqB20E0
WliqB20E0
)x 100 = −9,12% (5.8)
5.3.2.7 Mistura DS10B60E0
Procedendo agora aos cálculos para a família com 60% de biodiesel, o valor para o
trabalho líquido para a mistura DS10B60E0 é dado por
WliqB60E0= 274,43 J (5.9)
A Figura 5.10 ilustra o diagrama P -V dessa mistura durante o teste.
Figura 5.10: Diagrama P -V DS10B60E0 na condição Padrão B8.
Novamente, a mistura com 0% de etanol, DS10B60E0, servirá de comparação
para as misturas da família B60. Assim os valores do trabalho líquido para os
combustíveis DS10B60E5 e DS10B60E8 serão comparados com o valor do trabalho
líquido da mistura DS10B60E0.
56
5.3.2.8 Mistura DS10B60E5
A mistura DS10B60E5 apresentou o seguinte valor para o trabalho líquido
WliqB60E5= 269,66 J (5.10)
Nota-se, novamente, a queda no valor do trabalho com a inserção do etanol.
Pode-se, então, determinar essa variação percentual
∆WliqB60E5=
(WliqB60E5
−WliqB60E0
WliqB60E0
)x 100 = −1,74%. (5.11)
Nota-se que a queda de trabalho ao se aumentar o teor de etanol de 0% para
5% é menor do que aquela observada para a família B20, conforme observado na
equação (5.6). Desta forma, o aumento da quantidade de biodiesel pareceu ser um
fator importante, nesta mistura, para reduzir o impacto da adição de etanol.
5.3.2.9 Mistura DS10B60E8
Para a última mistura testada da família B60, con�rma-se a mesma tendência de
redução do trabalho líquido com o aumento percentual de etanol. O trabalho líquido,
para esta mistura, apresenta o seguinte valor
WliqB60E8= 265,92 J (5.12)
A respectiva variação percentual corresponde a
∆WliqB60E8=
(WliqB60E8
−WliqB60E0
WliqB60E0
)x 100 = −3,10%. (5.13)
Nota-se, novamente, que a queda de trabalho ao se aumentar o percentual de
etanol na família B60 é menor do que na família B20. Um aumento de 5% para
8% de etanol na família B20 causou uma redução de 9,12% de trabalho, conforme
equação (5.8), enquanto que na família B60 esta redução foi de 3,10%. Observa-
se que aparentemente o biodiesel faz com que a redução de trabalho seja menos
acentuada ao se incluir etanol na mistura.
5.3.2.10 Análise em Conjunto misturas padrão B8
A Figura 5.11 ilustra os valores de trabalho líquido calculado para todas as misturas.
57
Figura 5.11: Trabalho Líquido na condição Padrão B8.
Através do grá�co anterior pode-se perceber visualmente que, �xando uma famí-
lia de biodiesel e variando a concentração de etanol, existe uma tendência de queda
no valor do trabalho líquido com o aumento da concentração de etanol.
A Tabela 5.2 ilustra a variação percentual do valor do trabalho líquido para as
famílias B8, B20 e B60.
Tabela 5.2: Variação percentual por família de biodiesel para o trabalho líquido na
condição Padrão B8.
Pode-se, ainda, �xar a família de etanol e analisar a in�uência do biodiesel na
variação percentual do trabalho líquido (∆W ). A Figura 5.12 ilustra que a redução
percentual no valor do trabalho líquido, para a quantidade de 5% de etanol nas
misturas, foi signi�cativa para a mistura com 20% de biodiesel. As demais misturas
apresentaram valores semelhantes para a queda no valor do trabalho líquido.
58
Figura 5.12: Módulo da variação percentual do trabalho líquido para a família E5.
Para a família E8, uma análise semelhante a anterior pode ser feita. Assim, nota-
se que, novamente, a mistura com 20% de biodiesel apresenta uma queda acentuada
no valor do trabalho líquido. Entretanto, a inserção de etanol para a mistura com
uma concentração de 60% de biodiesel mostra-se menos afetada pelo aumento da
concentração de etanol. Assim, um comportamento aparente dessas misturas parece
indicar que a partir de uma certa concentração de biodiesel a redução no valor
do trabalho para uma determinada quantidade de etanol torna mais tênue para
concentrações mais elevadas de biodiesel como mostrado na Figura 5.13.
Figura 5.13: Módulo da variação percentual do trabalho líquido para a família E8.
5.3.3 Misturas testadas nas condições operacionais do nú-
mero de cetano do combustível DS10B8E0 com 15% de
aumento na razão de compressão.
Nesta condição novamente será utilizado o diesel comercial como combustível de
referência para a �xação dos parâmetros do motor. A única modi�cação feita nesta
59
nova condição foi o aumento de 15% da razão de compressão.
• Condição 2: Padrão B8 com aumento de 15% na razão de compressão
- Nessa condição, o motor é mantido nas mesmas condições que a condição
padrão B8 mas a razão de compressão sofre um acréscimo de 15%.
5.3.3.1 Mistura DS10B8E0
Primeiramente, será analisado o combustível de referência que é o diesel comercial
(DS10B8E0). A Figura 5.14 mostra o diagrama P -V deste combustível na condição
padrão B8 com aumento de 15% na razão de compressão. A unidade adotada para
a pressão é o bar e para o volume o centímetro cúbico.
Figura 5.14: Diagrama P -V DS10B8E0 na condição Padrão B8 com 15% de aumento
na razão de compressão.
O trabalho líquido para esse ciclo, determinado numericamente segundo a me-
todologia descrita anteriormente, a partir da área do diagrama P -V apresentou o
seguinte valor
WliqB8E015%= 303,68 J (5.14)
Como era de se esperar, o trabalho líquido aumenta com a razão de compressão,
o que pode ser veri�cado ao se comparar o resultado das equações (5.1) e (5.14).
Para o caso do B8 com 0% de etanol, um aumento de 15% na razão de compressão
fez com que o trabalho líquido aumentasse 8,43%.
60
5.3.3.2 Mistura DS10B8E5
Seguindo o mesmo procedimento anterior, foi determinado o trabalho líquido para
a mistura DS10B8E5
WliqB8E515%= 288,04 J (5.15)
Comparando o valor da equação (5.15) com o da (5.2), houve um aumento de 4,60%
no valor do trabalho líquido ao se aumentar a razão de compressão em 15%. A
mistura DS10B8E5 também mostrou, assim como na condição padrão B8, uma
queda no valor do trabalho líquido, realizado durante o ciclo, com o aumento da
concentração de etanol na mistura. Fazendo essa comparação, nota-se uma redução
percentual no valor de 5,15%. A equação (5.16) ilustra esse processo
∆WliqB8E515%=
(WliqB8E515%
−WliqB8E015%
WliqB8E015%
)x 100 = −5,15%. (5.16)
É interessante notar que a queda no trabalho líquido foi maior para o caso com
maior razão de compressão do que para o caso base. Na condição padrão, a queda
de trabalho ao se aumentar o teor de etanol de 0% para 5% foi de 1,25%, conforme
equação (5.3), enquanto que esta mesma queda foi de 5,15% para a condição com
maior razão de compressão.
5.3.3.3 Mistura DS10B20E0
AmisturaDS10B20E0 apresentou o valor para o trabalho líquido mais elevado dentre
todas as misturas testadas para a condição com aumento da razão de compressão. O
diagrama P -V dessa mistura está ilustrado na Figura 5.15 e o valor para o trabalho
líquido obtido foi de
61
Figura 5.15: Diagrama P -V DS10B20E0 na condição Padrão B8 com 15% de au-
mento na razão de compressão.
WliqB20E015%= 319,38 J (5.17)
Ao se comparar este trabalho líquido com aquele para o motor operando sem o
acréscimo de 15% na razão de compressão, conforme equação (5.4), nota-se que
houve um aumento de 5,83% no trabalho líquido. Este aumento é menor do que o
observado para a família B8 (8,43%), indicando uma menor in�uência do biodiesel
neste caso. A seguir será avaliada a in�uência da adição de etanol na família B20.
5.3.3.4 Mistura DS10B20E5
Para a mistura DS10B20E5 foi obtido o seguinte valor para o trabalho líquido
WliqB20E515%= 299,01 J (5.18)
o qual é 6,81% maior que aquele para o caso sem aumento na razão de compressão,
conforme apresentado na equação (5.5). A variação percentual de trabalho com a
adição de etanol é dada por
∆WliqB20E515%=
(WliqB20E515%
−WliqB20E015%
WliqB20E015%
)x 100 = −6,38% (5.19)
que é similar àquela observada para o caso sem aumento de razão de compressão
(7,24%), conforme pôde ser observado na equação (5.6).
62
5.3.3.5 Mistura DS10B20E8
Para a mistura da família B20, com concentração de 8% de etanol, obteve-se também
uma redução signi�cativa no valor do trabalho líquido, dada por
WliqB20E815%= 278,42 J (5.20)
Comparando o trabalho líquido da mistura DS10B20E8 com a mistura DS10B20E0
obtém-se uma redução de 12,82%. Ou seja,
∆WliqB20E815%=
(WliqB20E815%
−WliqB20E815%
WliqB20E015%
)x 100 = −12,82% (5.21)
Nota-se, no entanto, que o aumento da razão de compressão fez com que o trabalho
líquido aumentasse de 274,28 J, conforme equação (5.7), para 278,42 J, correspon-
dendo a uma variação positiva de 1,51%. Comparando este aumento com os demais
obtidos, veri�ca-se que o aumento da razão de compressão não provocou grandes va-
riações no trabalho líquido para esta mistura. De fato, ao se comparar o resultado
das equações (5.8) e (5.21), nota-se que a queda de trabalho com a adição de etanol
é muito maior para esta última (12,82%) do que para o caso sem aumento da razão
de compressão (9,12%). Isto pode explicar o porquê do trabalho não ter aumentado
muito para esta mistura com o aumento da razão de compressão.
5.3.3.6 Mistura DS10B60E0
O valor para o trabalho líquido para a mistura DS10B60E0 é dado por
WliqB60E015%= 293,72 J (5.22)
A Figura 5.16 ilustra o diagrama P -V dessa mistura durante o teste para a condição
padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão.
63
Figura 5.16: Diagrama P -V DS10B60E0 na condição Padrão B8 com 15% de au-
mento na razão de compressão.
Observa-se aqui que o valor do trabalho líquido aumenta 7% com o aumento da
razão de compressão que pode ser obtido comparando as equações (5.22) e (5.9).
Em seguida, uma comparação análoga a feita anteriormente para a família B60 será
realizada.
5.3.3.7 Mistura DS10B60E5
A mistura DS10B60E5 apresenta o seguinte valor para o trabalho líquido
WliqB60E515%= 289,65 J (5.23)
Nesta etapa, o aumento na razão de compressão provocou uma elevação de 7,41%
no trabalho líquido que foi obtido comparando as equações (5.23) e (5.10). Nota-se,
novamente, a queda no valor do trabalho com a inserção do etanol. Pode-se, então,
determinar essa variação percentual como
∆WliqB60E515%=
(WliqB60E515%
−WliqB60E015%
WliqB60E015%
)x 100 = −1,39%. (5.24)
Ao comparar, agora, as equações (5.24) e (5.11) nota-se que a redução no valor
do trabalho líquido ao se comparar as misturas com 0% e 5% de etanol é similar
nas duas condições análisadas (padrão B8 e padrão B8 com aumento na razão de
compressão). Essa análise evidencia, novamente, uma possível tendência de aumento
da concentração de biodiesel com a redução do impacto causado pela presença de
etanol no valor do trabalho líquido.
64
5.3.3.8 Mistura DS10B60E8
Para a última mistura testada na nova condição, con�rma-se a mesma tendência de
redução do trabalho líquido com o aumento percentual de etanol, o qual apresenta
o seguinte valor
WliqB60E815%= 283,35 J (5.25)
A elevação percentual no valor do trabalho líquido com aumento na razão de
compressão para a mistura DS10B60E8 foi de 6,55% que foi obtido comparando as
equações (5.25) e (5.12). A respectiva variação percentual, com o aumento percen-
tual de etanol, corresponde a
∆Wliq15% =
(WliqB60E815%
−WliqB60E015%
WliqB60E015%
)x 100 = −3,53%. (5.26)
Já ao comparar-se o valor da redução percentual do trabalho líquido, comparando
as misturas com 0% e 8% de etanol na condição com 15% de aumento na razão
de compressão, dado pela equação (5.26) nota-se, novamente, que o aumento da
concentração de biodiesel na mistura reduz o valor da queda no trabalho líquido.
5.3.3.9 Análise em Conjunto misturas padrão B8 com 15% no aumento
da razão de compressão.
A Figura 5.17 ilustra os valores de trabalho líquido calculado para todas as misturas.
Figura 5.17: Trabalho Líquido na condição Padrão B8 com 15% de aumento de taxa.
65
Através do grá�co anterior pode-se perceber visualmente que �xando uma família
de biodiesel e variando a concentração de etanol existe uma tendência de queda no
valor do trabalho líquido com o aumento da concentração de etanol.
A Tabela 5.3 ilustra a variação percentual do valor do trabalho líquido para as
famílias B8, B20 e B60.
Tabela 5.3: Variação percentual por família de biodiesel para o trabalho líquido na
condição Padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão.
5.3.3.10 Comparação entre os trabalhos líquidos para a condição padrão
B8 e para a condição padrão B8 com 15% de aumento da razão
de compressão
O aumento no valor do trabalho líquido era um comportamento esperado devido ao
aumento da razão de compressão e pode ser visto na Figura 5.18. O grá�co anterior
corrobora e ilustra todas as discussões feitas anteriormente. Os valores em azul
correspondem ao trabalho líquido das misturas na condição padrão B8 e os valores
em laranja para a condição padrão B8 com 15% de aumento de taxa.
Figura 5.18: Comparação para o Trabalho Líquido nas condições Padrão B8 e Padrão
B8 com 15% de aumento na razão de compressão.
66
Pode-se, ainda, analisar em mais detalhes a sensibilidade do aumento no valor
do trabalho líquido, devido a elevação da razão de compressão, para o conjunto das
misturas testadas por meio da Figura 5.19.
Figura 5.19: Aumento percentual do Trabalho Líquido comparando as condições
Padrão e Padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão.
A síntese apresentada na �gura anterior ilustra as discussões nas seções prece-
dentes onde foi comparado a variação percentual da alteração no valor do trabalho
líquido para cada mistura testada.
5.3.4 Atraso de ignição, pressão máxima e pressão média efe-
tiva
5.3.4.1 Condição Padrão B8
Com os valores para o trabalho líquido determinados anteriormente, pode-se ainda
avaliar alguns parâmetros de interesse como atraso de ignição, pressão máxima e
pressão média efetiva (IMEP). A Figura 5.20 ilustra os valores de atraso de ignição
para as misturas ternárias na condição padrão B8. Nota-se que um aumento na
concentração de etanol está associado a um aumento no atraso de ignição (delay).
Tal tendência reforça a Figura 5.4 que mostra um decréscimo do valor do número de
cetano com o aumento percentual da concentração de etanol, pois como destacado
anteriormente o Número de Cetano está associado ao atraso de ignição. Assim,
quanto maior o atraso de ignição menor o valor para o Número de Cetano.
67
Figura 5.20: Atraso de ignição para as misturas na condição padrão B8.
Analisando a Figura 5.20 nota-se o papel do biodiesel na redução do atraso de
ignição. Para a misturas DS10B60E8, que apresenta uma elevada concentração de
biodiesel, percebe-se que o valor para o atraso de ignição é bastante reduzido mesmo
quando comparado com as famílias B8 e B20 para misturas sem adição de etanol.
A Figura 5.21 ilustra as pressões máximas atingidas, durante os testes, na câmara
de combustão na condição padrão B8.
Figura 5.21: Pressão máxima para as misturas na condição padrão B8.
Nota-se que as pressões máximas crescem, �xando a família de biodiesel, com
o aumento percentual de etanol na mistura. Pode-se, então, traçar uma tendência,
para uma quantidade �xa de biodiesel, entre o aumento do atraso de ignição com o
aumento da pressão máxima. Entretanto, avaliando-se comparativamente as Figuras
5.20 e 5.21 o valor da pressão máxima parece apresentar, além do atraso de ignição,
68
outros parâmetros que in�uenciam em seu valor. Por �m, da análise de incertezas
(um desvio padrão para cima e para baixo) nota-se também que os valores de pressão
máxima apresentam grande variabilidade.
Através do software da AVL, o valor para a pressão média efetiva (IMEP) pode
ser obtido. Além disso, foi feita uma comparação com o valor lido diretamente no
software da AVL com o valor calculado fazendo a razão entre o trabalho líquido
(obtido por interação numérica e ilustrado na Figura 5.11) e o volume deslocado -
Figura 5.22.
Figura 5.22: Comparação IMEP na condição padrão B8.
5.3.4.2 Condição padrão B8 com 15 % de aumento da razão de com-
pressão
Analogamente ao feito anteriormente, pode-se também avaliar o atraso de ignição, a
pressão máxima e a pressão média efetiva para o a condição padrão B8 com 15% de
aumento na razão de compressão. A Figura 5.23 ilustra os atrasos de ignição para a
condição padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. Comparando-se
as Figuras 5.23 e 5.20 nota-se uma redução no atraso de ignição com aumento da
razão de compressão. Essa diminuição no valor do atraso de ignição era esperada,
pois uma maior razão de compressão implica em maiores valores de pressão e tem-
peratura na câmara de combustão. Dessa forma, o combustível injetado encontra
ar a elevada pressão e temperatura facilitando o início da combustão.
69
Figura 5.23: Atraso de ignição para as misturas na condição padrão B8 com 15%
de aumento na razão de compressão.
A Figura 5.24 ilustra o atraso de ignição para ambas as condições de operação
do motor.
Figura 5.24: Comparação para Atraso de Ignição nas condições Padrão B8 e Padrão
B8 com 15% de aumento na razão de compressão.
Pode-se, ainda, fazer uma comparação percentual e analisar a sensibilidade para
as diferentes misturas com o aumento da razão de compressão - Figura 5.25.
70
Figura 5.25: Redução para Atraso de Ignição nas condições Padrão B8 e Padrão B8
com 15% de aumento na razão de compressão.
Nota-se que as misturas com concentrações de 5 % e 8% de etanol aparentam um
sensibilidade maior a variação da razão de compressão. Iremos retomar essa análise
nas próximas seções.
Analisando, agora, os valores de pressão máxima, nessa nova condição de ope-
ração, observa-se que com o aumento na razão de compressão os valores de pressão
máxima sofreram uma elevação quando comparados com a condição padrão B8. A
Figura 5.26 apresenta os valores de pressão máxima na condição padrão B8 com
15% de aumento na razão de compressão.
Figura 5.26: Pressão máxima para as misturas na condição padrão B8.
Comparando-se as Figuras 5.26 e 5.23 a relação entre o aumento no atraso de
ignição com o aumento da pressão máxima não é evidente como na condição padrão
71
B8. Com isso, outros parâmetros devem ser levados em conta para uma análise da
qualidade da combustão como a taxa de liberação de calor. Por exemplo, as misturas
DS10B20E0 e DS10B20E8 possuem valores para o atraso de ignição próximos mas
valores de pressão máxima bastante distintos. Na condição padrão B8 com aumento
de 15% na razão de compressão nota-se uma variabilidade menor nos valores de
pressão máxima (com menores valores para as incertezas). A exceção ocorre no
diesel comercial que apresentou uma grande variação nos valores de pressão máxima.
Por �m, novamente os valores de IMEP foram determinados utilizando o software
da AVL e através dos valores de trabalho líquido destacados na Figura 5.17. A Figura
5.27 ilustra essa comparação e, novamente, percebe-se uma correspondência entre
esses valores.
Figura 5.27: Comparação IMEP na condição padrão B8 com 15% de aumento na
razão de compressão.
5.3.5 Análise da Combustão
Nessa seção serão apresentados alguns detalhes sobre a qualidade da combustão.
Para isso, serão analisados a duração da combustão, a taxa de liberação de calor
máxima, a quantidade de calor liberado durante a combustão, a e�ciência da com-
bustão e, por �m, a e�ciência global para o ciclo para as condições padrão B8 e
padrão B8 com 15 % de aumento na razão de compressão.
72
5.3.5.1 Condição Padrão B8
Pode-se, então, iniciar a análise observando a duração da combustão (convertida em
termos do ângulo do eixo de manivelas) para as misturas ternárias na condição pa-
drão B8 - Figura 5.28. Os valores para a duração da combustão foram determinados
diretamente a partir do software da AVL.
Figura 5.28: Duração da combustão para as misturas ternárias na condição padrão
B8.
Com base na Figura 5.28, para uma família �xa de biodiesel, nota-se uma redução
na duração da combustão com o aumento percentual de etanol. Para entender essa
relação entre a redução da duração da combustão com o aumento percentual de
etanol na mistura, pode-se analisar o valores de pico para a taxa de liberação de
calor por unidade de volume - Figura 5.29.
73
Figura 5.29: Taxa de liberação de calor máxima por unidade de volume na condição
padrão B8.
Analisando a Figura 5.29, �xada a concentração de biodiesel, pode-se observar
que os valores mais elevados para a taxa máxima de liberação de calor ocorrem para
as misturas com concentração mais elevada de etanol. Combinando, então, essa
informação com a Figura 5.20, que ilustra a relação entre a elevação do atraso de
ignição com o aumento da concentração de etanol, pode-se fornecer uma explicação
coerente para a redução na duração da combustão para misturas com concentrações
mais elevadas de etanol. O aumento na concentração de etanol faz com que o atraso
de ignição aumente e, com isso, uma maior massa de combustível evapora antes
do início da combustão, fazendo, assim, com que uma maior quantidade de energia
seja liberada na fase pré-misturada da combustão, o qual é caraterizada por uma
rápida queima do combustível. Dessa forma, pode-se explicar a redução da duração
da combustão com o aumento percentual de etanol para um quantidade �xa de
biodiesel. Além disso, um maior atraso de ignição e, consequentemente, uma maior
quantidade de energia liberada na fase pré-misturada da combustão acarreta picos
de pressão mais elevados na câmara de combustão que podem ser danosos para a
durabilidade dos motores.
Seguindo a análise da qualidade da combustão, pode-se determinar o valor da
quantidade de calor liberado (Qlib) durante a combustão fazendo a integração nu-
mérica das curvas dQdθ
vs. θ para as misturas ternárias. Entretanto, o software da
AVL já nos fornece o valor da integral. Os valores obtidos a partir desses dados
estão ilustado na Figura 5.30
74
Figura 5.30: Quantidade de calor liberada para as misturas ternárias na condição
padrão B8.
Os valores para a taxa de liberação de calor e para o calor liberado também
podem ser determinados através de uma análise Bayesiana dos dados de pressão
coletados no cilindro. A análise Bayesiana, baseada em técnicas de problemas in-
versos, permite que funções desconhecidas � no caso a taxa de liberação de calor �
sejam estimadas a partir de dados experimentais (pressão da câmara de combustão
no presente caso) [20].
Embora os valores para as quantidades de energia liberadas para as misturas na
fase pré-misturada e difusiva sejam diferentes para misturas com percentagens de
etanol diferentes, o valor para a energia total liberada apresenta valores próximos
para as misturas. Podemos avaliar, então, a partir dos dados anteriores a e�ciência
da combustão. Para isso, será calculada a razão entre a quantidade de calor liberado
(determinado pelo software) e a quantidade de energia contida no combustível obtida
multiplicando a massa de combustível injetada pelo poder calorí�co superior (PCS)4.
Como mencionado anteriormente, o valor do poder calorí�co foi obtido através de
um calorímetro e a massa de combustível injetada foi obtida pela instrumentação
do motor CFR.4Embora o valor mais adequado seja o poder calorí�co inferior (PCI), o PCS nos fornece uma
indicação para comparar as misturas
75
Figura 5.31: E�ciência de combustão na condição padrão B8.
Analisando a Figura 5.31 nota-se que não conseguimos traçar uma tendência en-
tre o aumento percentual de etanol com alguma tendência de in�uência na e�ciência
de combustão. Outro fator que chama a atenção são os valores reduzidos para a
e�ciência de combustão, assim uma melhor investigação desse comportamento deve
ser investigada em trabalhos futuros.
Por último, pode-se analisar a e�ciência global do ciclo tomando como base para
o cálculo a razão entre o trabalho líquido (Wliq) e o calor liberado (Qlib). A Figura
5.32 ilustra o valor para as e�ciências globais para as misturas ternárias na condição
padrão B8.
Figura 5.32: E�ciência global para o ciclo real na condição padrão B8.
Analisando a Figura 5.32 pode-se notar que a e�ciência global aumenta, para
uma quantidade �xa de biodiesel, com o aumento percentual de etanol nas misturas.
76
Pode-se ainda analisar a e�ciência global para os ciclos diesel ideais (ciclos teóricos) e
fazer uma comparação para os ciclos reais ilustrados na �gura anterior. Os resultados
para o ciclo diesel ideal são ilustrados na Figura 5.33 e, conforme o esperado, os
valores para a e�ciência dos ciclos ideais são maiores que nos ciclos reais.
Figura 5.33: E�ciência global para o ciclo diesel ideal.
A base para o cálculo das e�ciências para o ciclo ideal foram os valores de pressão
e volume no início da compressão retiradas dos grá�cos para a condição padrão
B8 das misturas ternárias. Além disso, os valores para o calor liberado que estão
ilustrados na Figura 5.30 foram utilizados. Após a �xação dessas condições foram
utilizados as expressões para a e�ciência do ciclo diesel ideal, equação (2.5), com o
valor de γ = 1,37.
5.3.5.2 Condição Padrão B8 com 15% de aumento na razão de compres-
são
A Figura 5.34 ilustra a duração da combustão para as misturas ternárias na Condição
Padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão. Analogamente a condição
padrão B8, para uma quantidade �xa de biodiesel, a duração da combustão diminui
com o aumento percentual de etanol na mistura, sendo a mistura DS10B60E5 uma
exceção.
77
Figura 5.34: Duração da combustão na condição padrão B8 com 15% de aumento
na razão de compressão.
Analisando as Figuras 5.28 e 5.34 nota-se que a duração da combustão é maior
na condição com maior razão de compressão. Uma explicação possível para esse
comportamento está no fato de que na condição com aumento na razão de compres-
são o combustível ao ser injetado encontra o ar a alta pressão e temperatura fazendo
com que a o atraso de ignição diminua e, consequentemente, reduzindo a massa de
combustível queimada na fase pré-misturada da combustão.
A Figura 5.35 ilustra os valores para a taxa de liberação de calor máxima por
unidade de volume para as misturas na condição padrão B8 com 15% de aumento
na razão de compressão.
Figura 5.35: Taxa de liberação de calor máxima na condição padrão B8 com 15%
de aumento na razão de compressão.
78
Comparando as Figuras 5.35 e 5.29 para as condições padrão B8 e padrão B8
com 15% de aumento na razão de compressão nota-se uma redução nos valores para
a taxa máxima de liberação de calor, corroborando com os valores mais elevados
na duração da combustão para a condição padrão B8 com aumento na razão de
compressão. Assim, valores menores para a taxa de liberação de calor indicam um
menor consumo de combustível na fase pré-misturada da combustão e, assim, uma
maior massa de combustível é queimada na fase difusiva.
Pode-se, ainda, determinar os valores para a quantidade de calor liberada durante
a combustão através do software da AVL - Figura 5.36.
Figura 5.36: Quantidade de calor liberada para as misturas ternárias na condição
padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão.
Novamente, pode ser feita a análise para a e�ciência de combustão e a e�ciência
global dos ciclos Figuras 5.37 e 5.38.
79
Figura 5.37: E�ciência de combustão na condição padrão B8 com 15% de aumento
na razão de compressão.
Novamente, nota-se uma baixa e�ciência de combustão na condição padrão B8
com 15% de aumento na razão de compressão. Dessa forma, esse fato deve ser
investigado em trabalhos futuros.
Figura 5.38: E�ciência de global na condição padrão B8 com 15% de aumento na
razão de compressão.
Observa-se nas �guras anteriores que ocorreu um comportamento semelhante
para as e�ciências globais exceto para a família B60. Já para a efciência de combus-
tão, o comportamento diferiu bastante apresentando oscilações no comportamento
para a condição padrão B8 com aumento de 15% de aumento na razão de compres-
são. Por �m, podemos analisar as e�ciências para o ciclo diesel ideal nessa nova
condição de operação -Figura 5.39
80
Figura 5.39: E�ciência global para ciclos diesel ideal comparativa as misturas na
condição padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão.
Novamente, foram utilizados os mesmos procedimentos e equações da determi-
nação para a condição padrão B8.
81
Capítulo 6
Emissões de Gases Poluentes
6.1 Introdução
Nessa parte do trabalho serão analisados os produtos devido a reação de combustão
no motor CFR Cetano utilizando as misturas apresentadas na Tabela 4.2, repetida
aqui na Tabela 6.1. Essa análise torna-se indispensável, pois além de analisar as
emissões decorrentes da combustão, que se mostram nocivas ao homem e ao meio
ambiente, também avalia-se a e�ciência do processo de combustão.
Tabela 6.1: Misturas Ternárias
Em motores reais, a combustão incompleta contribui para a formação de várias
substâncias que são extremamente prejudiciais à saúde humana e estão relacionadas
com a ine�ciência da queima do combustível. A seguir, serão detalhados alguns
fatores que in�uenciam na formação de substâncias decorrentes de um processo de
combustão em motores Diesel, que são: óxidos de nitrogênio (NOx), monóxido de
carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), dióxido de enxofre (SO2) e hidrocarbo-
82
netos. A Figura 6.1 ilustra alguns possíveis compostos produzidos pelo processo de
combustão completa e incompleta em motores de ignição por compressão (diesel).
Figura 6.1: Produtos de combustão para combustão completa e incompleta.
Fonte:[21].
6.2 Teoria de Poluentes
6.2.1 Óxidos de nitrogênio (NOx)
A nomenclatura óxido de nitrogênio relaciona-se com os compostos formados por
uma combinação de oxigênio e nitrogênio, a saber: o monóxido de nitrogênio (NO)
e o dióxido de nitrogênio (NO2). Denomina-se NOx a combinação de NO e NO2,
através da seguinte relação NOx = NO + NO2. Como mencionado por [22] o NOx
além de ser tóxico para o ser humano contribui para formação de ácido nítrico na
atmosfera in�uênciando a formação de chuva ácida. A formação dos óxidos de ni-
trogênio (NOx) ocorre pela oxidação do nitrogênio a elevadas temperaturas. Assim,
a temperatura de combustão exerce grande in�uência na formação do NOx como
destacado por [5]. Além disso, a concentração de oxigênio presente na combus-
tão in�uencia diretamente a concentração desse composto nos gases de exaustão.
Motores de ignição por compressão (Diesel) emitem quantidades mais elevadas de
NOx em comparação aos motores de ignição por centelha (Otto), pois os primeiros
operam como uma razão de compressão mais elevada do que motores Otto. Além
disso, motores diesel trabalham com excesso de ar (mistura pobre) existindo, então,
83
uma concentração maior de oxigênio e nitrogênio disponíveis na câmara de combus-
tão, quando comparados aos motores Otto, contribuindo, assim, para o aumento na
formação de NOx.
Combustíveis como o biodiesel e etanol podem contribuir para o aumento na
formação de NOx, pois esses combustíveis são oxigenados. Além disso, a adição de
etanol faz com que o Número de Cetano decresça, aumentando o atraso de ignição,
e fazendo com que mais combustível evapore antes do início da combustão. Ao
se in�amar, esta maior massa de combustível evaporado fará com que a fase pré-
misturada da combustão libere maior quantidade de energia do que a fase difusiva,
fazendo com que a temperatura local dos produtos de combustão seja elevada e, com
isso, possa ocorrer maior formação de NOx [1].
6.2.2 Monóxido de carbono (CO)
A formação do monóxido de carbono (CO) está associada a uma diminuição da
e�ciência da queima, resultado da combustão incompleta. Além disso, essa substân-
cia apresenta um efeito nocivo ao ser humano e, por isso, deve ser determinada e
controlada. Em situações em que existe excesso de ar no processo de combustão a
tendência é que esse monóxido de carbono acabe se oxidando em dióxido de carbono.
Em motores Diesel, a formação desse composto ocorre de maneira signi�cativa
na fase difusiva da combustão segundo[5].Além disso, o Número de Cetano afeta a
formação de CO. Assim, um aumento do Número de Cetano propicia uma diminuição
da concentração de monóxido de carbono. Por �m, a inserção de combustíveis
oxigenados como biodiesel e etanol pode contribuir positivamente para a diminuição
da concentração de CO. Entretanto, esse comportamento pode apresentar variações
e, assim, combustíveis mais oxigenados podem contribuir com o comportamento
oposto. Esses comportamentos serão investigados neste trabalho.
6.2.3 Dióxido de enxofre (SO2)
A formação de SO2 ocorre devido a reação de enxofre contido no combustível com
o oxigênio. Essa emissão está relacionada a presença do enxofre no combustível. No
caso especí�co deste projeto, a porcentagem de enxofre contido no diesel é baixa, com
valor de 10 ppm de enxofre e, portanto, as emissões deste poluente não apresentam
84
valores elevados. O fato de motores Diesel operarem com misturas com excesso de
ar contribui para a formação de SO2.
6.2.4 Dióxido de carbono (CO2)
A formação do dióxido de carbono (CO2) se dá pela combustão completa do com-
bustível. Dessa forma, um aumento do percentual de dióxido de carbono nos gases
de exaustão indica que a e�ciência da combustão melhorou. Entretanto, apesar de
não apresentar, diretamente, nenhum dano à saúde humana, o CO2 é um gás de
efeito estufa.
6.2.5 Hidrocarbonetos (HC)
A combustão incompleta em motores de combustão interna contribui signi�cati-
vamente para as emissões de combustível não queimado que são chamados de hi-
drocarbonetos [21]. Esses hidrocarbonetos podem ser produzidos por excesso de
combustível ou pela entrada de combustível nas folgas existentes entre o cilindro e
o pistão. Assim, durante o processo de combustão a chama provocada pela combus-
tão não interage com os hidrocarbonetos contidos nestas folgas. Além disso, fatores
como falhas na combustão, extinção de chama e depósitos afetam a concentração de
combustível não queimado nos gases de emissão.
A redução das emissões de hidrocarbonetos pode ser produzida, por exemplo,
gerando-se uma melhor atomização do combustível. Espera-se, no entanto, que em
misturas pobres (excesso de ar) a emissão de hidrocarbonetos não seja tão signi�ca-
tiva quanto no caso de motores que trabalham com misturas ricas ou na proporção
estequiométrica (como os motores Otto, por exemplo).
6.3 Análise Experimental Emissões
Para os combustíveis escolhidos, foram feitas análises comparativas sobre as emissões
dos gases de exaustão. De modo a tornar as comparações mais claras, uma análise
foi realizada agrupando as misturas por família de biodiesel e etanol. Dessa forma,
uma análise comparativa pôde ser feita determinando tendências acerca da in�uência
do aumento percentual de um determinando componente da mistura (biodiesel ou
85
etanol) sobre os gases de exaustão. Algumas investigações foram feitas traçando-se
tendências globais para todas as misturas em conjunto.
6.3.1 Analisador dos gases de exaustão - TESTO 350XL
Os gases poluentes, provenientes da exaustão, foram analisados com o auxílio do
TESTO 350XL que pode ser visto Figura 6.2. O TESTO possui sensores responsá-
veis por detectar as quantidades de NOx, CO, CO2, O2 e SO2. Por meio do software
também disponibilizado pelo TESTO foi possível aquisitar 120 pontos (que corres-
ponde a 120 segundos de leitura) para que, então, fosse possível analisar as emissões
para uma ampla quantidade de valores e,assim, os valores utilizados serão as médias
e desvios-padrão para um conjunto de 120 dados de cada mistura nas condições
operacinais descritas a seguir.
Figura 6.2: Analisador de Gases TESTO 350XL. Fonte: [17]
6.3.2 Condições Operacionais
Para a análise de emissões gasosas, o motor foi colocado nas mesmas condições
operacionais em que foram realizadas as análises para o trabalho líquido e para a
combustão, as quais são repetidas abaixo por questões de clareza:
• Condição 1: Padrão B8 - Nessa condição os parâmetros do motor foram
�xados seguindo as condições para a determinação do Número de Cetano do
diesel comercial (DS10B8E0) seguindo a norma ASTM D 613;
86
• Condição 2: Padrão B8 com aumento de 15% na razão de compres-
são - Nessa condição, o motor é mantido nas mesmas condições que a condição
padrão B8 mas a razão de compressão sofreu um acréscimo de 15%.
Dessa forma, com os parâmetros do motor �xos, tendo como base o combustível
padrão, todas as misturas foram testadas nas mesmas condições. Como detalhado
por [18], a �xação dos parâmetros operacionais do motor é importante para que
todas as misturas operem nas mesmas condições e, assim, seja possível comparar
os gases de exaustão do motor. Caso as condições operacionais do motor fossem
modi�cadas, a comparação poderia levar a resultados não conclusivos.
A Tabela 6.21 abaixo mostra os valores da razão de compressão e a respectiva
posição do volante nas duas situações propostas nos testes.
Tabela 6.2: Condições operacionais.
Durante os experimentos, foram realizadas análises dos componentes gasosos na
seguinte sequência: óxidos de nitrogênio (NOx), monóxido de carbono (CO), dióxido
de carbono (CO2) e dióxido de enxofre (SO2). A célula responsável pela medição do
dióxido de enxofre (SO2) apresentou grande oscilação na determinação dos valores,
marcando, em diversas situações, o valor zero nos testes para as diversas misturas
e, por isso, não será incluída nas análises.
As análises sempre se iniciarão tentando estabelecer um padrão de tendência
geral com todas as misturas. Uma forma de se chegar a esta análise global consiste
em se colocar as misturas em ordem crescente de Número de Cetano ou algum outro
parâmetro de interesse e, assim, procurar padrões tentando estabelecer relações entre
as variáveis. Em seguida, o conjunto das nove2 misturas será dividido em famílias
1Outros parâmetros importantes do motor estão na Tabela 3.1 (pág. 22)2Como destacado anteriormente, nove misturas foram preparadas mas a mistura DS10B8E8
precisou ser descartada dos testes devido a problemas de estabilidade da mistura.
87
de Biodiesel (B8, B20 e B60) e em famílias de etanol (E0, E5 e E8), onde novamente
serão levantadas relações entre alguns parâmetros.
6.4 Emissões - Condição 1: PADRÃO B8
6.4.1 Análise Global
Nessa parte será realizado um estudo global utilizando todas as misturas.
6.4.1.1 Emissão de NOx - Condição 1: PADRÃO B8
Como dito anteriormente, a formação de NOx é, em grande parte, determinada pela
temperatura da combustão e a respectiva concentração de oxigênio. Foi observado
uma elevação na formação de NOx com o aumento percentual da concentração de
etanol na mistura, o que pode ser explicado pelo fato de a adição de etanol fazer
com que o Número de Cetano decresça - Figura 5.4 (pág. 49). Dessa forma, o
atraso de ignição aumenta, fazendo com que mais combustível se evapore durante
este tempo. Ao se in�amar, esta maior massa de combustível evaporado fará com
que a fase pré-misturada da combustão libere maior quantidade de energia do que
a fase difusiva, fazendo com que a temperatura local dos produtos de combustão
seja elevada e, com isso, possa ocorrer maior formaçao de NOx. O comportamento
descrito pode ser observado examinando a Figura 5.29 (pág. 74) que ilustra uma
elevação na taxa máxima de liberação de calor com o aumento percentual de etanol.
Além disso, os valores para as pressões máximas apresentam valores mais elevados
para estas misturas com maior concentração de etanol - Figura 5.21 (pág. 68). Dessa
forma, esta possível in�uência do Número de Cetano será apresentada nesta seção.
A in�uência da formação de NOx com o valor da pressão máxima é apresentada
na Figura 6.3, onde nota-se uma forte correlação entre o aumento da formação de
NOx com a elevação da pressão máxima. Para que a notação que caracteriza as
misturas nas �guras não �que demasiadamente pesada, será omitida a sigla DS10
nas análises grá�cas. Ao se plotar um grá�co relacionando duas variáveis, sempre
se tentará estabelecer uma relação utilizando o coe�ciente, R2, de modo a traçar
tendências entre as variáveis escolhidas. O valor de R2 apresenta uma variação entre
os valores 0 e 1, quanto mais próximo de 1 melhor a correlação entre as variáveis
88
e quanto mais próximo de 0 pior a correlação entre as variáveis. O valor R2 estará
localizado, na maioria das vezes, no canto superior a direita dos grá�cos que farão
parte da análise.
Figura 6.3: Relação ppm NOx e Pressão Máxima.
Por �m, foi analisada a relação entre a formação de NOx e o Número de Cetano.
Como mostrado na Figura 6.4, combustíveis com menor Número de Cetano, ou
seja, com maiores atrasos de ignição e maiores quantidades de energia liberadas na
fase de combustão pré-misturada, possuem níveis mais elevados de NOx em suas
emissões gasosas. Tal fato corrobora a a�rmação citada anteriormente, no sentido
de se evitar misturas que diminuam demasiadamente tal parâmetro de qualidade do
combustível.
Figura 6.4: Relação ppm NOx e Número de Cetano.
89
6.4.1.2 Emissão de CO - Condição 1: PADRÃO B8
Procede-se agora à analise da formação de monóxido de carbono (CO) nos gases
de exaustão. Em uma primeira análise, percebe-se que a formação de monóxido
de carbono apresenta uma tendência de queda conforme se aumenta o Número de
Cetano (NC) - Figura 6.5. Esse comportamento era esperado pois um aumento do
Número de Cetano está associado a uma melhor qualidade da queima do combustível.
Figura 6.5: Relação ppm CO e Número de Cetano
6.4.1.3 Emissão de CO2 - Condição 1: PADRÃO B8
Com relação às emissões de CO2, estas associam-se à qualidade da combustão. Com
o aumento da concentração de etanol, para uma quantidade �xa de biodiesel, ocorre
uma diminuição do Número de Cetano, uma vez que o etanol apresenta um valor
extremamente baixo para o NC.
Dessa forma, o aumento da concentração de etanol na mistura prejudica a com-
bustão e, assim, esperava-se uma redução da concentração de CO2. Por outro lado,
a inserção do biodiesel contribui positivamente para o aumento do Número de Ce-
tano e por consequência em um percentual maior de CO2 nos gases de exaustão.
A Figura 6.6 mostra que o NC não apresenta qualquer in�uência na formação de
CO2. Na análise por família de combustível será possível avaliar e analisar essas
tendências em mais detalhes.
90
Figura 6.6: Relação concentração de CO2 em função do Número de Cetano.
6.4.2 Análise por Família de combustível
Serão analisados, a seguir, emissões gasosas de poluentes por família de determinado
componente de combustível. Inicialmente serão analisadas famílias de biodiesel e,
em seguida, famílias de etanol.
6.4.2.1 Família B8
Serão analisados os gases de exaustão da família B8 como ilustrado na Tabela 6.3.
Tabela 6.3: Família B8.
1. NOx
Observa-se na Figura 6.7 uma relação entre o aumento da concentração de
NOx com o aumento percentual da concentração de etanol na mistura. Como
visto anteriormente, a inserção do etanol na mistura produz uma diminuição
do Número de Cetano (Figura 5.4 - pág. 49) acarretando, como mencionado
91
um aumento no valor do atraso (Figura 5.20 - pág. 68) e, assim, uma maior
quantidade de energia liberada na fase pré-misturada (Figura 5.29 - pág. 74).
Figura 6.7: Concentração de NOx Família B8.
A a�rmação anterior é con�rmada analisando a relação entre a pressão máxima
e a concentração de NOx nos gases de exaustão. Analisando a Figura 6.8 nota-
se que um maior valor para a pressão máxima parece indicar um aumento na
concentração de NOx. Pode-se estabelecer uma relação entre o aumento da
concentração de NOx e o aumento da pressão máxima, mas como na família
B8 só temos 2 misturas não traçaremos esse grá�co. Iremos investigar essa
tendência para as próximas famílias.
Figura 6.8: Pressão Máxima Família B8.
92
2. CO
Nota-se aqui um comportamento esperado, ou seja, a inserção do etanol di-
minui o Número de Cetano da mistura e, assim, uma grande quantidade de
calor é liberada na fase pré-misturada, favorecendo a formação de CO. Na Fi-
gura 6.9 percebe-se uma elevação na concentração de CO com o aumento da
quantidade percentual de etanol na mistura.
Figura 6.9: Concentração de CO Família B8.
3. CO2
Conforme ilustrado na Figura 6.10, um aumento da concentração de etanol
está relacionado com uma tendência de diminuição da concentração de CO2,
embora as variações dos valores sejam pequenas para a concentração de dioxido
de carbono neste caso.
Figura 6.10: Concentração de CO2 Família B8.
93
Como na família B8 só existem duas misturas, essa tendência será melhor
investigada para as demais famílias.
6.4.2.2 Família B20
Serão analisados os gases de exaustão da família E5 como ilustrado na Tabela 6.4.
Tabela 6.4: Família B20.
1. NOx
A mesma tendência observada anteriormente, na família B8, é con�rmada
também na família B20 como mostrado na Figura 6.11.
Figura 6.11: Concentração de NOx Família B20.
Pode-se observar, novamente, na Figura 6.12 uma relação entre o crescimento
da pressão máxima e o aumento percentual de etanol na mistura. Compa-
rando os valores de pressão máxima nota-se uma tendência de elevação na
concentração de NOx com o aumento da pressão máxima.
94
Figura 6.12: Pressão Máxima Família B20.
Relacionando a concentração de NOx com a pressão máxima na câmara de
combustão observa-se uma forte correlação entre essas duas variáveis, conforme
ilustrado na Figura 6.13.
Figura 6.13: Relação ppm NOx e Pressão Máxima na Família B20.
Assim, pode-se novamente relacionar esse aumento na pressão máxima com
uma maior quantidade de liberação de energia na fase pré-misturada da com-
bustão, elevando-se, assim o valor da pressão no interior do motor e tornando
propícia uma maior concentração de NOx nos gases de exaustão. De fato, a
análise da Figura 5.29 (pág. 74) nos mostra um aumento na taxa máxima de
liberação de calor com o aumento percentual de etanol na mistura.
2. CO
95
Na Figura 6.14 nota-se uma elevação da concentração de CO com o aumento de
0% para 5% de etanol, seguido de uma queda na concentração deste poluente
com a mudança de 5% para 8% de etanol. Nesse ponto, era de se esperar que
as emissões de CO continuassem aumentando com a elevação da concentração
de etanol. Uma comparação com a família B8 é di�cil de ser realizada, pois na
família B8 não existe a mistura com 8% de etanol. Neste caso particular, não
foi possível obter uma relação conclusiva envolvendo parâmetros associados a
combustão e uma análise mais detalhada é necessária.
Figura 6.14: ppm CO Família B20.
3. CO2
Aqui, novamente, pela Figura 6.15 percebe-se uma tendência de diminuição
da quantidade de CO2 com o aumento percentual de etanol.
Figura 6.15: Concentração de CO2 Família B20.
96
Comparando com a família B8, nota-se, aqui, um comportamento semelhante
apresentando uma possível tendência entre o aumento da concentração de eta-
nol na mistura e a redução percentual dos níveis de CO2 na mistura.
6.4.2.3 Família B60
Nesta seção serão analisados os gases de exaustão para a família B60 como ilustrado
na Tabela 6.5.
Tabela 6.5: Família B60.
1. NOx
Para a família B60 percebe-se, novamente, uma forte correlação entre o au-
mento na concentração de NOx com a elevação na concentração de etanol e
com a elevação na pressão máxima - Figura 6.16 e Figura 6.17.
Figura 6.16: Concentração de NOx Família B60.
97
Figura 6.17: Pressão Máxima Família B60.
Pode-se, ainda, como feito para as outras famílias de biodiesel, estabelecer
uma correlação entre a pressão máxima e a concentração de NOx - Figura 6.18
Figura 6.18: Relação entre ppm NOx e Pressão Máxima Família B60.
O grá�co anterior con�rma a tendência de aumento na concentração de NOx
com o aumento da pressão máxima, con�rmando a relação entre a quantidade
de energia liberada na fase pré-misturada da combustão (que in�uência na
elevação de pressão) com a formação do óxido de nitrogênio.
Assim, ao se analisar as famílias B8, B20 e B60 percebe-se a mesma tendência
de aumento da concentração de NOx com o aumento percentual de etanol. Essa
relação, então, pode ser explicada pelo papel do etanol no aumento do atraso
de ignição e, por consequência, uma maior quantidade de energia liberada na
98
fase pré-misturada da combustão elevando, então, a pressão e a temperatura
na câmara de combustão, as quais favorecem a formação de NOx.
2. CO
Na família B60 o aumento da concentração de CO parece estar associado ao
aumento na concentração de etanol, pois como relatado o etanol provoca uma
diminuição do Número de Cetano e, assim, contribui para a formação de CO
- Figura 6.19. Percebe-se,então, pela análise que, em geral, a formação de
monóxido de carbono tende a aumentar com o aumento da percentagem de
etanol presente na mistura. Uma exceção ocorre na família B20 que apresentou
um aumento da concentração de CO da mistura DS10B20E0 para DS10B20E5
seguida de uma diminuição dessa concentração da mistura DS10B20E5 para
DS10B20E8. Essa oscilação na família B20 pode estar relacionada a uma
maior produção de CO na fase difusiva da combustão, que afeta a quantidade
desse composto nos gases de emissão, sendo necessário uma maior investigação
desses parâmetros para con�rmar essa tendência neste caso especí�co.
Entretanto, de modo geral nota-se a tendência de aumento da concentração
de CO com o aumento percentual de etanol. Além disso, a concentração de
CO nas misturas separadas por família aumenta com a diminuição do Número
de Cetano, sendo a oscilação descrita anteriormente na família B20 um com-
portamento diferente das demais misturas. Curiosamente, a concentração de
CO2, para a família B20, não sofreu qualquer oscilação no seu comportamento,
mesmo com a concentração de CO oscilando entre as misutras com 0% e 5%
de etanol, como será visto em seguida.
99
Figura 6.19: Concentração CO Família B60.
3. CO2
Para a concentração de CO2, da família B60, con�rma-se a mesma tendência
estabelecida nas famílias B8 e B20 - Figura 6.20. Portanto, nota-se uma ten-
dência de queda na concentração de CO2, em todas as famílias de biodiesel,
com o aumento percentual de etanol nas misturas.
Figura 6.20: Concentração CO2 Família B60.
As famílias B8, B20 e B60 apresentaram comportamentos semelhantes quanto
a variação da concentração de CO2. Nessa etapa, para as misturas analisadas,
o papel do etanol sugere uma diminuição da concentração de CO2 nos gases
de exaustão.
100
6.4.2.4 Família E0
Serão analisados os gases de exaustão da família E0 como ilustrado na Tabela 6.6.
Tabela 6.6: Família E0.
1. NOx
Na família E0 percebe-se uma oscilação na formação de NOx com o aumento da
concentração de biodiesel - Figura 6.21. Nota-se uma redução na concentração
de NOx seguida de um aumento na concentração desse composto. Pode-se
novamente investigar a relação entre a formação de NOx e o valor da pressão
máxima para as misturas testadas.
Figura 6.21: Concentraçao de NOx Família E0.
Comparando, então, o comportamento oscilatório da concentração de NOx
com a pressão máxima observamos uma relação entre essas grandezas - Figura
6.22.
101
Figura 6.22: Pressão Máxima Família E0.
Nesta etapa, a comparação torna-se mais difícil pois as quantidades de biodie-
sel variam bruscamente. Dessa forma, diversos fatores podem contribuir para
a formação de NOx. O aumento da concentração de biodiesel eleva o Número
de Cetano da mistura. Assim, a energia liberada na fase pré-misturada di-
minui e, em princípio, poderia impactar em uma redução da concentração de
NOx. Por outro lado, um aumento na concentração de biodiesel devido ao fato
desse combustível ser oxigenado, poderia resultar em uma melhor combustão
e, com isso, uma elevação da temperatura na câmara de combustão tornar um
ambiente propício para a formação de NOx. Recomenda-se aqui uma melhor
investigação desse comportamento.
2. CO
Na análise por família de etanol, percebe-se uma tendência de queda na con-
centração de CO com o aumento da concentração de biodiesel. Esse compor-
tamento era esperado, pois o biodiesel é um combustível oxigenado e apresenta
uma boa qualidade de queima com NC elevado. Também percebe-se aqui um
impacto positivo do ponto de vista ecológico, já que o monóxido de carbono
é uma substância extremamente tóxica e sua redução nos gases de emissão é
desejada.
102
Figura 6.23: Concentração de CO Família E0.
3. CO2
Como mostrado na Figura 6.24, a concentração de CO2 diminuiu com o au-
mento da concentração de biodiesel. Esse fato não era esperado e recomenda-se
uma melhor investigação desse comportamento.
Figura 6.24: Concentração de CO2 Família E0.
6.4.2.5 Família E5
Serão analisados os gases de exaustão da família E5 como ilustrado na Tabela 6.7.
103
Tabela 6.7: Família E5.
1. NOx
Para a família E5, nota-se também uma relação entre pressão máxima e a
formação de NOx apresenta uma correlação forte - Figura 6.25 e Figura 6.26.
O comportamento se mostra bastante semelhante ao da família E0.
Figura 6.25: Concentração de NOx Família E5.
Figura 6.26: Pressão Máxima Família E5.
104
Além disso, para as famílias E0 e E5 parece existir uma tendência de diminui-
ção na concentração de NOx para as misturas com 20% de biodiesel.
2. CO
Para a formação de CO, nota-se uma pequena elevação nos valores de CO
para as misturas com 8% e 20% de biodiesel seguido de uma queda acentuada
nesses valores - Figura 6.27.
Figura 6.27: Concentração de CO Família E5.
Para a família E0 observou-se uma tendência de queda da concentração de CO
com aumento percentual da concentração de biodiesel ( Figura 6.23). Apesar
desse comportamento não se veri�car exatamente da mesma maneira para a
família E5, o valor para a concentração de CO para a mistura DS10B8E5
apresentou um desvio padrão elevado no valor de 12,13, ou seja, os valores
dos testes estiveram concentrados entre os seguintes valores 418,20 ppm CO
e 393,95 ppm CO. Para a mistura DS10B20E5 esse valor oscilou entre os
seguintes valores 420,60 ppm CO e 409,05 ppm CO. Dessa forma, a a�rmação
de aumento das emissões de CO entre os combustíveis com 8% e 20% de
biodiesel torna-se inconclusiva neste caso.
3. CO2
Aqui percebe-se uma pequena tendência de aumento nas emissões de CO2
da mistura DS10B8E5 para a mistura DS10B20E5 seguida de uma queda em
comparação da mistura DS10B20E5 para a mistura DS10B60E5 - Figura 6.28.
105
Entretanto, se for levado em conta o desvio padrão, nota-se que essa a�rmação
da tendência de aumento da concentração de CO2 da mistura DS10B8E5 para
a mistura DS10B20E5 mostra-se inconclusiva neste caso.
Figura 6.28: Concentração de CO2 Família E5.
6.4.2.6 Família E8
Serão analisados os gases de exaustão da família E8 como ilustrado na Tabela 6.8.
Tabela 6.8: Família E8.
1. NOx
A família E8 apresentou uma tendência de queda da concentração de NOx com
a elevação da concentração de biodiesel. Além disso, a mistura DS10B60E8
apresentou uma pressão máxima mais elevada e uma diminuição na concen-
tração de NOx, sugrindo um comportamento diferente do apresentado pelas
demais misturas durante os testes - Figura 6.29 e Figura 6.30. No entanto,
analisando a Figura 5.29 (pág. 74) nota-se que a mistura com 20% de biodiesel
apresentou um valor mais elevado para a taxa máxima de liberação de calor
106
quando comparado com a mistura com 60% de biodiesel, sendo essa uma pos-
sível explicação para o valor mais elevado para a concentração de NOx para a
mistura DS10B20E8.
Figura 6.29: Concentração NOx Família E8.
Figura 6.30: Pressão Máxima Família E8.
2. CO
Para esse poluente, o comportamento esperado era de que a quantidade de
CO diminuísse com o aumento da concentração de biodiesel na mistura. En-
tretanto, esse comportamento se mostrou oscilante durante os testes para as
famílias com quantidades �xas de etanol. Assim, na família E0 houve uma
tendência de diminuição da concentração de CO com o aumento de biodiesel
(Figura 6.23). Na família E5 ocorreu uma oscilação (Figura 6.27) nos valores,
107
primeiramente ocorreu uma pequena elevação seguido de uma queda acen-
tuada, e na família E8 ocorreu uma elevação da concentração de CO com o
aumento percentual de biodiesel - Figura 6.31.
Figura 6.31: Concentração CO Família E8.
3. CO2
Para a família E8 notamos um comportamento de decréscimo da concentração
de CO2 com o aumento percentual da concentração de biodiesel apresentando
um comportamento análogo as famílias E0 e E5.
Figura 6.32: Concentração CO2 Família E8.
108
6.5 Emissões - Condição 2: Padrão B8 com au-
mento de 15% de taxa
Nesta seção será feita uma análise análoga à realizada anteriormente para o caso em
que a razão de compressão do motor teve um aumento de 15% em seu valor.
6.5.1 Análise Global
6.5.1.1 Emissão de NOx - Condição 2: Padrão B8 com 15% de aumento
na razão de compressão.
Nota-se aqui uma diminuição da correlação entre o aumento da concentração de
NOx e a elevação da pressão máxima - Figura 6.33.
Figura 6.33: Relação ppm NOx e Pressão Máxima com 15 % de aumento na razão
de compressão.
Entretanto, assim como a condição padrão B8, nota-se que essas análises indicam
uma relação direta entre o aumento da concentração de NOx com o aumento da
pressão máxima na câmara de combustão.
6.5.1.2 Emissão de CO - Condição 2: Padrão B8 com 15% de aumento
de taxa
Observa-se aqui que, analogamente na condição padrão B8, existe uma correlação
entre o aumento do Número de Cetano e a diminuição da concentração de monóxido
de carbono nos gases de exaustão, indicando aqui que uma melhora na qualidade
109
da queima diminui a concentração de monóxido de carbono nos gases de exaustão -
Figura 6.34.
Figura 6.34: Relação ppm CO e Número de Cetano com 15 % de aumento na razão
de compressão.
6.5.1.3 Emissão de CO2 - Condição 2: Padrão B8 com 15% de aumento
na razão de compressão
Analisando a Figura 6.35 não é possível chegar a nenhuma conclusão clara sobre o
aumento do NC com a variação da concentração de CO2. Analogamente à condição
padrão B8, o aumento do NC parece não exercer qualquer in�uência na variação da
concentração de CO2.
Figura 6.35: Relação concentração CO2 e Número de Cetano com 15 % de aumento
na razão de compressão.
110
Assim como na condição padrão B8 o aumento do Número de Cetano parece não
apresentar qualquer in�uência na variação da concentração de CO2.
6.5.2 Análise por família de combustível
Serão analisados, nesta parte, os gases de emissão por família de determinado com-
ponente de combustível.
6.5.2.1 Família B8
Nesta parte, será seguida a mesma ordem apresentada na condição padrão B8.
Inicia-se, então, a análise dos gases de exaustão da família com 8% de biodiesel
como ilustrado na Tabela 6.9. Para facilitar o entendimento as tabelas que ilustram
as famílias de combustíveis serão repetidas nesta análise.
Tabela 6.9: Família B8.
1. NOx
Assim como na condição padrão B8, percebe-se, nessa nova condição de ope-
ração, que um aumento na concentração de NOx está relacionada ao aumento
na concentração de etanol nas misturas - Figura 6.36.
111
Figura 6.36: Concentração de NOx Família B8 com 15 % de aumento na razão de
compressão.
Além disso, nota-se, novamente, a in�uência da elevação da pressão máxima
na formação desse composto - Figura 6.37. Pode-se ainda analisar a taxa
máxima de liberação de calor, relacionando o aumento na concentração de NOx
com esses valores de pico. Entretanto, devido aos desvios padrões elevados
da Figura 5.35 (pág. 78) uma análise mais detalhada torna-se necessária.
Porém, qualitativamente observa-se que maiores valores de dQdθ
parecem elevar
os valores de NOx.
Figura 6.37: Pressão Máxima Família B8 com 15 % de aumento na razão de com-
pressão.
Assim, essa tendência parece indicar uma relação entre a elevação na concen-
112
tração de NOx com o aumento na concentração de etanol na mistura como
uma consequência da elevação na pressão máxima na câmara de combustão.
Pode-se, também, comparar as emissões para a condição padrão B8 (Figura
6.7) e para a condição padrão B8 com aumento de 15 % na razão de compressão
(Figura 6.36). As misturasDS10B8E0 eDS10B8E5 apresentaram uma redução
na concentração de NOx com o aumento da razão de compressão que pode ser
visto comparando-se as Figuras 6.36 e 6.7.
Esse comportamento, em princípio, parece inesperado visto que esperava-se
que o aumento da razão de compressão aumentasse os níveis de NOx, pois
uma maior razão de compressão implicaria em uma maior temperatura na
câmara de combustão. No entanto, analisando o atraso de ignição, discutido
no capítulo anterior, nota-se que no caso das misturas mencionadas o atraso
sofreu uma redução percentual de 18, 1% para a misturaDS10B8E0 e de 20, 5%
para a mistura DS10B8E5 - Figura 5.25. Pode-se, então, inferir que essa
diminuição do atraso e, por consquência menores picos de liberação de energia
na fase pré-misturada da combustão, que afetam a formação de NOx nos gases
de emissão, parece indicar uma tendência de decréscimo de NOx perfeitamente
aceitável nas condições a que os motores foram submetidos . De fato, conforme
já analisado, as taxas de liberação de calor são menores para uma maior razão
de compressão - Figuras 5.29 e 5.35. Iremos investigar em seguida se esse
comportamento se mantém para todas as famílias.
2. CO
O comportamento da concentração de monóxido de carbono na condição de
operação padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão, também
apresentou um comportamento análogo ao da condição padrão B8. Assim, uma
elevação na concentração de etanol produziu um aumento na concentração de
CO nos gases de exaustão - Figura 6.38
113
Figura 6.38: Concentração de CO Família B8 com 15 % de aumento na razão de
compressão.
O aumento na concentração de monóxido de carbono com o aumento da quan-
tidade de etanol na mistura foi menor na condição padrão B8 com aumento
da razão de compressão (Figura 6.38), comparativamente a condição padrão
B8 (Figura 6.9). Mas, ainda é possível traçar a mesma tendência relacionando
concentração de CO com a variação da quantidade de etanol na mistura, para
este caso.
3. CO2
Nessa análise, nota-se que o comportamento na condição operacional padrão
B8 com aumento de 15% da razão de compressão (Figura 6.39) apresentou a
mesma tendência para a formação de CO2 que no caso do motor operando na
condição padrão B8 (Figura 6.10). Dessa forma, pode-se ver que a concentra-
ção de CO2 diminui com o aumento percentual de etanol - Figura 6.39.
114
Figura 6.39: Concentração de CO2 Família B8 com 15 % de aumento na razão de
compressão.
Quando compara-se as percentagens de CO2 para as duas condições de opera-
ção do motor, nota-se que a quantidade de CO2 aumentou para na condição
padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão, embora não seja
possível fazer comentários conclusivos em virtude da baixa variação e pouca
sensibilidade de variação destas emissões.
6.5.2.2 Família B20.
Serão analisados os gases de exaustão da família B20 como ilustrado na Tabela 6.40.
Tabela 6.10: Família B20.
1. NOx
Para a família B20, na condição operacional padrão B8 com 15% de aumento
na razão de compressão, a formação de NOx apresenta um comportamento
oscilatório - Figura 6.40. Esse comportamento se mostra diferente da condição
115
padrão B8 em que o NOx crescia com o aumento na concentração de etanol
nas misturas - Figura 6.11.
Figura 6.40: Concentração de NOx Família B20 com 15 % de aumento na razão de
compressão.
Entretando, a Figura 6.41 mostra novamente a relação entre a formação de
NOx e o aumento na pressão máxima. Analisando a Figura 5.23 para os valores
do atraso de ignição nota-se que um comportamento oposto ao esperado ocorre,
pois nesse caso especí�co a mistura DS10B20E5 apresentou um maior valor
de atraso e uma menor concentração de NOx. No entanto, o desvio padrão
apresenta valores elevados nessa condição de operação e outros fatores devem
ser levados em conta nessa investigação.
Por outro lado, analisando a Figura 5.35 pode-se notar que a emissão de NOx
está em acordo com os valores para a taxa máxima de liberação de calor, fato
esse que nos revela uma conclusão adequada para o comportamento na Figura
6.40. Porém, como já mencionado, os valores para a taxa de liberação de
calor, na condição com aumento na razão de compressão, apresentam grande
dispersão nos valores, o que torna difícil tecer maiores conclusões.
116
Figura 6.41: Pressão Máxima Família B20 com 15 % de aumento na razão de com-
pressão.
Dessa forma, para família B20 não é clara a relação entre o aumento na con-
centração de NOx com o aumento percentual na concentração de etanol visto
a oscilação da mistura DS10B20E5.
Além disso, os níveis de emissões de NOx aumentaram comparando as Figuras
6.40 e 6.11 nas condições de operação. Esse comportamento mostra-se dife-
rente da família anterior, tornando inconclusiva qualquer tentativa de se traçar
alguma tendência de crescimento de NOx com a variação da razão de compres-
são. Por exemplo, para a família B8, os níveis de emissão de NOx diminuiram
na condição em que a razão de compressão foi aumentada em 15% e uma possí-
vel explicação foi associada à diminuição do atraso de ignição. Na família B20,
por outro lado, o fato do motor trabalhar com uma razão de compressão maior
parece in�uenciar no aumento da formação de NOx , pois como mencionado
anteriormente esse aumento na razão de compressão propicia um aumento na
temperatura da câmara de combustão criando um ambiente propício para a
formação de NOx .
2. CO
Para o monóxido de carbono percebemos uma ligeira oscilação nos níveis de
CO - Figura 6.42.
117
Figura 6.42: Concentração de CO Família B20 com 15 % de aumento na razão de
compressão.
Nesse caso, ocorreu a mesma tendência que na condição padrão B8 (Figura
6.14). Assim como na condição de operação anterior, a formação de CO apre-
sentou o maior valor para a mistura DS10B20E5 nessa nova condição (padrão
B8 com 15% de aumento na razão de compressão).
Além disso, os níveis de CO apresentam valores inferiores na condição padrão
B8 com 15% de aumento na razão de compressão quando comparados com a
condição padrão B8, conforme veri�cado pela comparação das Figuras 6.42 e
6.14.
3. CO2
Na análise da concentração de CO2 também é possível fazer certas inferências
que con�rmam os resultados também obtidos anteriormente - Figura 6.43.
118
Figura 6.43: Concentração de CO2 Família B20 com 15 % de aumento na razão de
compressão.
Analisando as misturas DS10B20E5 e DS10B20E8 nota-se que o valor médio
das concentrações é o mesmo com a mistura DS10B20E5, apresentando um
maior desvio padrão desse valor médio. Já para a mistura DS10B20E8 nota-
se uma queda nos valores para a concentração de CO2. Este comportamento
mostra-se similar aquele observado na condição padrão B8 (Figura 6.15).
6.5.2.3 Família B60
Serão analisados os gases de exaustão da família B60 como ilustrado na Tabela 6.11.
Tabela 6.11: Família B60.
1. NOx
Para a família B60, assim como na família B20 analisada anteriormente, ocor-
reu uma oscilação nos níveis de NOx. Primeiramente, uma diminuição da
concentração de NOx, comparando as misturas DS10B60E0 e DS10B60E5, se-
guida de uma elevação nesses níveis, comparando as misturas DS10B60E5 e
119
DS10B60E8 - Figura 6.44.
Figura 6.44: Concentração de NOx Família B60 com 15 % de aumento na razão de
compressão.
Entretanto, ao se levar em conta a elevação da pressão máxima na formação
de NOx , tem-se novamente uma relação entre essas variáveis como pode ser
visto na Figura 6.45.
Figura 6.45: Pressão Máxima Família B60 com 15 % de aumento na razão de com-
pressão.
Comparando ambas as condições de operação do motor nota-se novamente
que as concentrações de NOx apresentaram uma elevação com a razão de
compressão, no que pode ser visto comparando-se as Figuras 6.44 e 6.16. No
entanto, a tendência de elevação na formação de NOx com o aumento da
concentração de etanol não é clara nessa condição de operação (Figura 6.44)
120
embora na condição padrão B8 (Figura6.16) nota-se uma tendência de elevação
na concentração de NOx com a elevação da concentração de etanol.
2. CO
Os resultados obtidos para a concentração de monóxido de carbono apresentam
novamente uma tendência de elevação na concentração de CO com o aumento
da quantidade de etanol presente na mistura - Figura 6.46. Esse comporta-
mento já havia sido comprovado na condição padrão B8 (Figura 6.19).
Figura 6.46: Concentração CO Família B60 com 15 % de aumento na razão de
compressão.
Além disso, analisando e comparando as duas condições de operação do motor
nota-se que uma diminuição na concentração de CO com o aumento na razão
de compressão, ao se comparar as Figuras 6.46 e 6.19.
3. CO2
Os resultados obtidos para a concentração de dióxido de carbono con�rmam
as previões anteriores para a condição B8 (Figura 6.20), que mostraram uma
queda na concentração de CO2 com a elevação da quantidade de etanol pre-
sente na mistura - Figura 6.47.
121
Figura 6.47: Concentração CO2 Família B60 com 15 % de aumento na razão de
compressão.
Novamente, para a condição com aumento na razão de compressão (Figura
6.47) os níveis de CO2 nos gases de emissão apresentaram uma elevação em
comparação com a condição padrão B8 (Figura 6.20). Assim, essa elevação
parece indicar uma melhora na combustão com o aumento da razão de com-
pressão, visto que esse comportamento ocorreu para todas as famílias de bio-
diesel.
6.5.2.4 Família E0
Serão analisados os gases de exaustão da família E0 como ilustrado na Tabela 6.12.
Tabela 6.12: Família E0.
1. NOx
Na família E0 para a condição padrão B8 (Figura 6.21) notou-se uma pequena
oscilação para as emissões de NOx, o que não é observado para este caso,
122
conforme pode-se observar na Figura 6.48. A concentração de NOx aumenta
com a elevação no percentual de etanol na mistura. Analisando, ainda, a
relação entre a elevação de NOx e o aumento da pressão máxima (Figura
6.49), parece não existir uma dependência clara, para este caso, da formação
de NOx com a elevação da pressão máxima. A análise da taxa de liberação de
calor (Figura 5.35) para o comportamento anteriormente também não é clara
nesse caso.
Figura 6.48: Concentraçao de NOx com 15% de aumento na razão de compressão.
Figura 6.49: Pressão Máxima Família E0 com 15 % de aumento na razão de com-
pressão.
2. CO
Na análise por família de etanol, percebe-se uma tendência de queda na con-
centração de CO com o aumento da concentração de biodiesel (Figura 6.50),
123
comportamento esse que já havia sido observado para a condição padrão B8
(Figura 6.23).
Figura 6.50: Concentraçao de CO Família E0 com 15 % de aumento na razão de
compressão.
3. CO2
Como já ocorrido na condição padrão B8 de operação do motor (Figura 6.24),
a concentração de CO2 diminuiu com o aumento da concentração de biodiesel.
Logicamente, o comportamento esperado teoricamente era o oposto - Figura
6.51, e aqui também existe a necessidade de maiores investigações.
Figura 6.51: Concentraçao de CO2 Família E0 com 15 % de aumento na razão de
compressão.
124
6.5.2.5 Família E5
Serão analisados os gases de exaustão da família E5 como ilustrado na Tabela 6.13.
Tabela 6.13: Família E5.
1. NOx
Aqui, novamente con�rma-se a tendência entre o aumento da concentração
de NOx com o aumento da pressão máxima - Figuras 6.52 e 6.53. O com-
portamento é similar ao apresentado na condição padrão B8 - Figuras 6.25 e
6.26.
Figura 6.52: Concentração de NOx Família E5 com 15 % de aumento na razão de
compressão.
125
Figura 6.53: Pressão Máxima Família E5 com 15 % de aumento na razão de com-
pressão.
2. CO
Diferentemente da condição padrão B8 de operação do motor (Figura 6.27), na
condição com 15% de aumento na razão de compressão nota-se uma clara ten-
dência de decréscimo da concentração de CO com o aumento na concentração
de biodiesel na mistura - Figura 6.54.
Figura 6.54: Concentração de CO Família E5 com 15% de aumento na razão de
compressão.
3. CO2
Na condição de operação do motor com 15% de aumento na razão de compres-
são pode-se perceber uma pequena oscilação nas emissões de CO2 - Figura
126
6.55. Primeiramente ocorre uma elevação nos valores de CO2 nos gases de
exaustão, como esperado, seguida de um queda na concentração de CO2. Esse
comportamento mostra-se semelhante com o ocorrido na condição padrão B8
(Figura 6.28).
Figura 6.55: Concentração de CO2 Família E5 com 15 % de aumento na razão de
compressão.
6.5.2.6 Família E8
Serão analisados os gases de exaustão da família B8 como ilustrado na Tabela 6.14.
Tabela 6.14: Família E8.
1. NOx
Neste caso, de maneira similar ao ocorrido na condição padrão B8 (Figura
6.29), veri�ca-se uma pequena oscilação do comportamento das emissões de
NOx, conforme visto na Figura 6.56. Também observa-se, novamente, uma
in�uência da pressão máxima (Figura 6.57) nas emissões de NOx.
127
Figura 6.56: Concentração NOx Família E8 com 15 % de aumento na razão de
compressão.
Figura 6.57: Pressão Máxima Família E8 com 15 % de aumento na razão de com-
pressão.
2. CO
Para a família E8, na condição com aumento na razão de compressão, ocorreu
uma pequena queda na formação de monóxido de carbono - Figura 6.58. Esse
comportamento mostrou-se diferente da condição padrão B8 (Figura 6.31).
128
Figura 6.58: Concentração CO Família E8 com 15 % de aumento na razão de com-
pressão.
3. CO2
Para a família E8, na condição com aumento na razão de compressão, ocorreu
um comportamento oposto do esperado, pois a elevação da percentagem de
biodiesel na mistura acarretou uma diminuição da quantidade de CO2 nos
gases de exaustão - Figura 6.59. Esse comportamento mostrou-se análogo ao
da condição padrão B8 (Figura 6.32).
Figura 6.59: Concentração CO2 Família E8 com 15 % de aumento na razão de
compressão.
129
Capítulo 7
Conclusão
• AVL e LOGS
A atualização do motor ASTM/CFR Cetano, que foi apresentada no capítulo
3, possibilitou diversas análises de interesse para se avaliar como as misturas
ternárias se comportam durante a operação do motor. Dessa forma, pode ser
avaliado o trabalho líquido, pressão média efetiva, quantidade de calor libe-
rado e pressão máxima na câmara de combustão. Com isso, uma análise mais
extensa e consistente pode ser feita com vistas a traçar tendências para o com-
portamento global das misturas ternárias. Além disso, a automatização de
alguns parâmetros de controle possibilitou uma variabilidade menor nas con-
dições operacionais durante os testes. Assim, pode-se constatar a importância
das atualizações feitas de modo a fornecer meios para uma análise completa
dos elementos envolvidos na operação de um motor diesel.
• Concentração de etanol nas misturas ternárias e a importância do biodiesel
nessas misturas
A concentração máxima de etanol nesse trabalho foi de 8% devido a baixa
solubilidade do etanol no diesel. Entretanto, esse fator pode ser minimizado
inserindo um percentual maior de biodiesel nas misturas. Como foi visto,
a mistura DS10B8E8 foi descartada dos testes pois apresentou uma separa-
ção de fases. As misturas com percentagens de biodiesel de 20% e 60% não
apresentaram problemas para a homogeneização das misturas. Dessa forma o
biodiesel atuou como um estabilizador para as misturas ternárias. Além disso,
130
a inserção do etanol em motores diesel apresenta alguns problemas como, por
exemplo, baixo número de cetano das misturas como ilustrado na Figura 5.4.
Entretanto, essa redução do NC pode ser contornada aumentando-se a concen-
tração de biodiesel nas misturas. Para as famílias com 20% e 60% de biodiesel
os menores valores de NC foram de 48,4 e 59,7 respectivamente.
• Análise termodinâmica da inserção de etanol em motores diesel
Do ponto de vista da análise termodinâmica, alguns parâmetros devem ser
avaliados para que essa inserção não ocasione perdas que prejudiquem o fun-
cionamento e a e�ciência do motor. Dessa forma, foi observado nesse trabalho
que a inserção de etanol acarretou uma redução no número de cetano das
misturas. O número de cetano, que está relacionado a qualidade da queima
de um combustível, está diretamente ligado ao atraso de ignição. Por isso,
como observado nas Figuras (5.20 e 5.23), os valores para o atraso de igni-
ção aumentaram, para uma concentração �xa de biodiesel, com a elevação
percentual de etanol nas misturas. Seguindo nessa análise, os valores para a
taxa máxima de liberação de calor e pressão máxima na câmara de combus-
tão também sofreram uma elevação com o aumento percentual de etanol nas
misturas, como pode ser observado nas Figuras (5.29 e 5.35 ) e (5.21 e 5.26)
respectivamente. Além disso, para as misturas com uma percentagem maior
de etanol a duração da combustão é menor, pois, como constatado, as misturas
com maior concentração de etanol apresentam taxas de liberação de calor mais
elevadas, fazendo com que o combustível seja queimado na fase pré-misturada
da combustão reduzindo, assim, a duração da combustão.
• Variação da razão de compressão do motor
O aumento da razão de compressão em 15% provocou uma redução do atraso
de ignição (Figura 5.25), redução da taxa máxima de liberação de calor (Figu-
ras 5.29 e 5.35) , elevação da pressão máxima (Figuras 5.21 e 5.26), aumento
do trabalho líquido (Figura 5.18) e, por consequência, da pressão média efe-
tiva (IMEP). Além disso, os valores para a e�ciência global do ciclo também
sofreram uma elevação (Figuras 5.32 e 5.38).
• Emissões
131
Analisando as tendências globais tanto na condição padrão B8 quanto na con-
dição padrão B8 com 15% de aumento na razão de compressão, nota-se que
uma forte correlação entre a concentração de NOx nas misturas e o aumento
na pressão máxima (essa correlação é bem mais forte nesse caso para a condi-
ção padrão B8 do que para a condição com aumento na razão de compressão).
Para a concentração de CO percebe-se uma tendência entre a sua redução
com o aumento do NC. Para a concentração de CO2 não foi observado ne-
nhum comportamento que pudesse embasar uma correlação.
• NOx
Fazendo, agora, uma análise por família de biodiesel nota-se que os valores
de NOx aumentaram com o aumento percentual de etanol nas misturas, sendo
esse aumento sempre acompanhado da elevação na pressão máxima na câmara
de combustão . Na condição padrão com 15% de aumento na razão de com-
pressão ocorreu uma oscilação nesse comportamento em relação a elevação na
concentração de etanol mas a relação entre o aumento na concentração de NOx
com o aumento da pressão máxima se manteve.
• CO
Os valores apresentaram grande variação e não foi possível traçar uma ten-
dência global, embora grande parte dos casos indiquem que �xada uma con-
centração de biodiesel os valores de CO tendem a aumentar com a elevação de
etanol nas misturas.
• CO2
Analisando por família de biodiesel nota-se uma clara tendência de queda nas
emissões de CO2 com o aumento percentual de etanol nas misturas.
132
Referências Bibliográ�cas
[1] I. Barabaás and I. Todorut. Utilization of biodiesel-diesel-ethanol blends in ci
engine. In Biodiesel. IntechOpen, 2011.
[2] http://www2.camara.leg.br/legin/fed/decret/1970-1979/decreto-76593-14-
novembro-1975-425253-publicacaooriginal-1-pe.html. Acessado em: 06/05/18.
[3] http://www.anp.gov.br/noticias/4333-percentual-obrigatorio-de-biodiesel-
passa-para-10. Acessado em: 06/05/18.
[4] http://www.anp.gov.br/images/publicacoes/anuario-
estatistico/2017/anuario2017. Acessado em: 15/05/18.
[5] J. B. Heywood. Internal combustion engine fundamentals. McGraw-Hill, 1988.
[6] F. Brunetti. Motores de combustão interna. volume 1. Blucher, 2012.
[7] http://www.if.ufrgs.br/�s183/textos/maquinas/maquinas.html. Acessado em:
15/03/18.
[8] http://tt2x4.blogspot.com.br/2013/09/tipos-de-injecao-diesel.html. Acessado
em: 15/03/18.
[9] R. P. Araujo. A in�uência das variáveis operacionais de um motor cfr-cetano
no atraso de ignição para diferentes misturas de biodiesel, 2013.
[10] http://www.if.ufrgs.br/�s183/textos/maquinas/maquinas.html. Acessado em:
15/03/18.
[11] http://www.cpchem.com/bl/specchem/en-us/speci�cationlibrary/Diesel
%20Cetane%20Blend%20Table%20-%205-22-2017.doc. Acessado em:
15/02/18.
133
[12] Robert Bosch Brasil S.A, �Bombas Injetoras em linha,� São Paulo, 2000. Aces-
sado em: 10/09/18.
[13] ASTM, �Standard Test Method for Ignition Quality of Diesel Fuels By the Ce-
tane Method,� 1985. Acessado em: 10/09/18.
[14] http: // www. planalto. gov. br/ CCIVIL_ 03/ _Ato2015-2018/ 2016/ Lei/
L3263. htm. Acessado em: 10/09/18.
[15] http: // sites. petrobras. com. br/ minisite/ assistenciatecnica/
public/ downloads/ manual_ tecnico_ diesels-10_ assistencia_
tecnica_ petrobras . Acessado em: 10/09/18.
[16] https: // upload. wikimedia. org/ wikipedia/ commons/ 4/ 4c/
Biodiesel_ Reaction2. gif . Acessado em: 10/09/18.
[17] D. S. N. Vieira. Otimização de misturas ternárias de diesel, biodiesel e etanol,
2016.
[18] H. R. Lobianco. Estudo experimental do uso de misturas combustíveis ternárias
em um motor cfr/astm cetano, 2014.
[19] GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS BRASIL.AGÊNCIA NACIONAL
DO PETRÓLEO. Resolução anp no 50, de 23.12.2013 - dou 24.12.2013.
[20] M. A. Pasqualette and M. J. Colaço. Bayesian estimate of pre-mixed and
di�usive rate of heat release phases in marine diesel engines. J Braz. Soc.
Mech. Sci. Eng., 39(5):1835�1844, 2017.
[21] L. Mendonça. Análise dos parâmetros de desempenho e emissões de um motor
a diesel operando com ethabiodiesel utilizando método numérico e resultados
experimentais, Junho, 2017.
[22] C. A. Martins e M. A. Ferreira. Considerações sobre a formação de nox na
combustão. VI CONGRESSO NACIONAL DE ENGENHARIA MECÂNICA,
2010.
134
Apêndice A
Conversão da Base Volumétrica para
Base Mássica Misturas Ternárias
Nesta parte será detalhado a 2o Etapa de preparação das misturas ternárias fazendo-
se a conversão da base volumétrica para a base mássica
O diesel utilizado na preparação das misturas ternárias é o DS10B8E0 (diesel
comercial) que possui 8 % em volume de biodiesel e 0 % de etanol em sua composição.
Dessa forma, ao se inserir uma determinada quantidade de diesel comercial, na
verdade está se adicionando diesel e biodiesel em diferentes proporções.
Esta etapa será analisada através de um exemplo relativo a preparação de uma
quantidade de 1 l (um litro) da mistura DS10B60E5. De acordo com a nomenclatura
introduzida anteriormente, essa amostra apresenta a seguinte composição Vbiodiesel =
0, 6 l, Vetanol = 0, 05 l e Vdiesel = 0, 35 l ( diesel puro )1. A massa de etanol da mistura
é a mais simples de determinar
metanol = ρetanolVetanol = 39, 44g, (A.1)
onde o valor para a massa especí�ca do etanol foi retirado da Tabela 4.3.
Deve-se agora expressar a quantidade de B8E02 a ser adicionada para que se
tenha Vdiesel = 0, 35 l (diesel puro). Para cada 1 l de B8E0 temos 0, 92 l de diesel
1Não existe diesel puro no laboratório mas essa nomenclatura está sendo utilizada para diferen-
ciar do diesel comercial que possui biodiesel em sua composição.Assim, pode-se dizer que o diesel
comercial possui 92% de diesel "puro"e 8% de biodiesel.2Será omitido o termo DS10 nessa etapa.
135
puro e 0, 08l de biodiesel. Portanto, através dessa proporção será obtida a quantidade
de B8E0 a ser adicionada para que a mistura possua 0,35 litros de diesel puro:
0, 92 l diesel−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 0, 08 l biodiesel
0, 35 l diesel−−−−−−−−−−−−−−−−−−− VBD
A partir do cálculo acima pode-se determinar que VBD = 0, 0304 l de biodiesel.
Logo, a quantidade de B8E0 a ser adicionada é dada pela soma de Vdiesel e VBD, ou
seja,
VB8E0 = Vdiesel + VBD = 0, 3804 l. (A.2)
Então, um volume de 0,3804 l de B8E0 corresponde a 0, 35 l de diesel "puro"e
0, 0304 l de biodiesel. A conversão para a base mássica, agora, �ca simples e pode
ser obtida através da seguinte expressão
mB8E0 = ρB8E0VB8E0 = 312, 38g. (A.3)
Por �m, deve-se determinar a quantidade de biodiesel (B100) a ser adicionada
para que a mistura tenha 0, 6 l de biodiesel em sua composição. Entretanto, deve-
se levar em conta que o combustivel B8E0 já possui biodiesel em sua composição.
Dessa forma, o volume de biodiesel a ser adicionado é dado pela seguinte relação
VB100 = Vbiodiesel − VBD = 0, 60 − 0, 0304 = 0, 5696 l. (A.4)
A massa de B100 adicionada pode, então, ser determinada utilizando a relação
abaixo
mB100 = ρB100VB100 = 496, 01g (A.5)
136
Apêndice B
Análise de Incertezas
Para determinar a análise de incertezas para os valores de massa especí�ca dos com-
ponentes das misturas ternárias foi realizado o seguinte procedimento. Primeira-
mente, as respectivas incertezas para a proveta e a balança de precisã são ilustrados
na Figura B.1
Figura B.1: Incertezas instrumentos LMT UFRJ
A massa especí�ca de cada substância foi determinada através da seguinte relação
ρ =m
V(B.1)
Através da equação acima pode-se determinar a incerteza para a massa especí�ca
a partir da seguinte relação
σρ =
√(1
V
)2
(σm)2 +(− m
V 2
)2(σV )2. (B.2)
137