TESE FINAL REV. (impress\u00e3o) (2) (1).pdf - PONTIF\u00cdCIA UNIVERSIDADE CAT\u00d3LICA DE MINAS GERAIS Programa de P\u00f3s-Gradua\u00e7\u00e3o em Engenharia Mec\u00e2nica

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Unformatted text preview: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica André Marcelino de Morais CONVERSÃO REVERSÍVEL DE UM MOTOR DE CICLO DIESEL PARA CICLO OTTO UTILIZANDO ETANOL HIDRATADO Belo Horizonte 2016 André Marcelino de Morais CONVERSÃO REVERSÍVEL DE UM MOTOR DE CICLO DIESEL PARA CICLO OTTO UTILIZANDO ETANOL HIDRATADO Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, como requisito parcial para obtenção do título de Doutor em Engenharia Mecânica. Orientador Prof. Dr. Sérgio de Morais Hanriot Belo Horizonte 2016 FICHA CATALOGRÁFICA Elaborada pela Biblioteca da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais M828c Morais, André Marcelino de Conversão reversível de um motor de ciclo diesel para ciclo Otto utilizando etanol hidratado / André Marcelino de Morais. Belo Horizonte, 2016. 225 f. : il. Orientador: Sérgio de Morais Hanriot Tese (Doutorado) – Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. 1. Motor diesel. 2. Álcool. 3. Motores de combustão interna. 4. Automóveis Motores - Gas de exaustão. 5. Emissões de veículos. I. Hanriot, Sérgio de Morais. II. Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. III. Título. CDU: 629.113-843 André Marcelino de Morais CONVERSÃO REVERSÍVEL DE UM MOTOR DE CICLO DIESEL PARA CICLO OTTO UTILIZANDO ETANOL HIDRATADO Tese apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, como parte dos requisitos para obtenção do título de Doutor em engenharia mecânica. ________________________________________________ Prof. Sérgio de Morais Hanriot, D. Sc. (Orientador) – PUC Minas ________________________________________________ Prof. Cristiana Brasil Maia, D. Sc. – PUC Minas ________________________________________________ Prof. Rogério Jorge Amorim, PhD. – PUC Minas ________________________________________________ Prof. Mário Eduardo Santos Martins, PhD. – UFSM ________________________________________________ Tadeu Cavalcante Cordeiro de Melo, D. Sc. – Petrobras Belo Horizonte, 09 de setembro de 2016. Esse trabalho é dedicado ao meu pai José Rodrigues de Morais e a minha mãe Maria Marcelina de Morais, fonte de amor incondicional. Aos meus irmãos, Daniel e Dilermando em quem sempre tive todo apoio. Ao meu filho Henrique Silva de Morais que proporcionou momentos indescritíveis e emocionantes durante a jornada deste trabalho. A Daniela Alves Silva pelo incentivo. Aos meus mestres e ao meu Deus. AGRADECIMENTOS Ao professor Dr. Sérgio de Morais Hanriot, por aceitar o tema proposto e pela orientação para a realização deste trabalho. Ao professor Jose Ricardo Sodré Ph.D e ao professor Dr. Osmano Valente, pela co-orientação, com ensinamentos que ficarão para a vida. Ao Alex Oliveira, Marcos Aurélio, Deliene Costa Guimarães, Bruno Gabrich, João Januário, Valéria Gomes, grandes amigos e parceiros nessa difícil empreitada. Aos técnicos Lucas, Pedro e Ítalo que sempre atendeu aos pedidos para construir componentes e artefatos para os experimentos. À CAPES pela concessão da bolsa de estudos. RESUMO O presente trabalho apresenta um estudo da operação de um motor de combustão interna convertido do ciclo Diesel para o ciclo Otto sem alteração de sua razão de compressão. O objetivo geral deste trabalho foi o uso de etanol hidratado ou etanol hidratado acima das especificações ANP em um motor de combustão interna do ciclo Diesel integrante de um grupo gerador de energia elétrica, diferentemente dos modos de conversão convencionais. No ciclo Diesel o motor foi alimentado com óleo diesel B7 injetado diretamente na câmara de combustão. Posteriormente, o motor foi convertido para operação em ciclo Otto através da adaptação de um sistema para controle da vazão mássica de ar admitida e um sistema para o controle da vazão mássica de combustível e ignição da mistura ar e etanol. Nessa configuração em que não se utilizou o óleo diesel, o comportamento deste motor operando apenas com etanol hidratado e etanol hidratado acima das especificações ANP é mostrado sem alteração da razão de compressão de 17:1. A avaliação de parâmetros de desempenho, pressão na câmara de combustão, emissões de dióxido de carbono, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio, monóxidos de nitrogênio, oxigênio, hidrocarbonetos não queimados, bem como consumo específico de combustível e eficiência de conversão do combustível mostraram a configuração que faz o melhor uso do combustível renovável. Nos resultados são apresentadas as curvas que mostram aumento da eficiência de conversão do combustível em 15,5% para carga de 37,5 kW e índice de emissão de hidrocarbonetos com valores próximos, quando comparados com o motor operando em ciclo Diesel. A máxima pressão na câmara e os índices de emissões do monóxido de carbono, dióxido de carbono, de óxidos de nitrogênio e monóxidos de nitrogênio foram reduzidos quando o motor teve aumentado o teor de água no etanol hidratado. Palavras-Chave: Ciclo Diesel. Ciclo Otto. Óleo diesel. Etanol hidratado. Pressão na câmara. Combustível renovável. Razão de compressão e emissões. ABSTRACT This work presents a study of the operation of an internal combustion engine converted from Diesel cycle to Otto cycle without changing its compression ratio. The general objective of this work was the full implementation of hydrous and super hydrous ethanol in a Diesel power generator, unlike the conventional conversion modes. In Diesel cycle, diesel fuel B7 was injected directly into the combustion chamber. Subsequently, the engine runs converted to operate on the Otto cycle by adapting a system for controlling the air intake mass flow rate, the fuel mass flow rate and the ignition of the air and ethanol mixture. In this configuration, that was not used the diesel fuel, the engine behavior operating only with super hydrated and hydrated ethanol is shown, without changing the compression ratio of 17:1. The evaluation of performance parameters such as in-cylinder pressure, carbon dioxide, carbon monoxide, oxides of nitrogen, nitric oxide, oxygen, unburned hydrocarbon, the engine specific fuel consumption and the fuel conversion efficiency showed the setting that makes the best use of renewable fuel. In the results are presented curves that shown increase of fuel conversion efficiency of 15.5% to 37,5kW and also unburned hydrocarbons emissions with close values of the emissions of the engine operating on Diesel cycle. The maximum in-cylinder pressure and the carbon monoxide, carbon dioxide, oxides of nitrogen and nitric oxide emissions were reduced when the engine operated with higher water content in the hydrous ethanol. Keywords: Diesel cycle. Otto cycle. Diesel oil. Hydrous ethanol. In-cylinder pressure. Renewable fuel. Compression ratio. Emissions. LISTA DE FIGURAS FIGURA 1 – Área para cultivo de cana de açúcar no Brasil ...................................... 51 FIGURA 2 – Produção brasileira de etanol ............................................................... 52 FIGURA 3 – Consumo de eletricidade (TWh) ........................................................... 53 FIGURA 4 – Ciclo ideal Otto...................................................................................... 75 FIGURA 5 – Eficiência termodinâmica do ciclo Otto ................................................. 76 FIGURA 6 – Ciclo ideal Diesel .................................................................................. 77 FIGURA 7 – Eficiência termodinâmica do ciclo Diesel .............................................. 78 FIGURA 8 – Comparação de ciclo ideal Otto com Ciclo real .................................... 79 FIGURA 9 – Esquema representativo do volume deslocado pelo pistão .................. 80 FIGURA 10 – Válvula borboleta ................................................................................ 81 FIGURA 11 – Limites de inflamabilidade do etanol ................................................... 95 FIGURA 12 – Desenvolvimento da frente de chama ............................................... 101 FIGURA 13 – Comportamento da chama de combustão ........................................ 102 FIGURA 14 – Fenômeno de detonação .................................................................. 107 FIGURA 15 – Distribuição de energia térmica no cilindro do motor ........................ 108 FIGURA 16 – Distribuição de potência no motor..................................................... 110 FIGURA 17 – Distribuição da energia em motores de combustão interna .............. 111 FIGURA 18 – Esquema para adaptação do motor ciclo Diesel em ciclo Otto ......... 113 FIGURA 19 – Grupo motor-gerador ........................................................................ 114 FIGURA 20 – Consumo de etanol hidratado calculado ........................................... 116 FIGURA 21 – Razão de ar e etanol hidratado ......................................................... 117 FIGURA 22 – Consumo de etanol e vazão mássica de ar correspondente ............ 118 FIGURA 23 – Simulação da pressão de compressão ............................................. 119 FIGURA 24 – Vazão da massa de ar em função do ângulo da borboleta ............... 120 FIGURA 25 – Ciclo de admissão e exaustão do motor ........................................... 120 FIGURA 26 – Placa de orifício ................................................................................ 121 FIGURA 27 – Sala de controle e manômetro de coluna d’água .............................. 122 FIGURA 28 – Central aberta FuelTech ................................................................... 123 FIGURA 29 – Sensor e roda fônica ......................................................................... 123 FIGURA 30 – Desenho esquemático do sensor de fase ......................................... 124 FIGURA 31 – Curva de pressão na câmara de combustão .................................... 125 FIGURA 32 – Desenho esquemático do eletro injetor ............................................. 126 FIGURA 33 – Calibração do eletro injetor ............................................................... 127 FIGURA 34 – Foto do eletro injetor ......................................................................... 128 FIGURA 35 – Bobina de ignição ............................................................................. 128 FIGURA 36 – Módulo de Potência SparkPRO-2 ..................................................... 129 FIGURA 37 – Vela de ignição ................................................................................. 129 FIGURA 38 – Sistema de injeção adaptado ao coletor de admissão ...................... 130 FIGURA 39 – Roda fônica e sensor de rotação magnético adaptado ao motor ...... 131 FIGURA 40 – Sensor de fase adaptado ao motor ................................................... 132 FIGURA 41 – Cabeçote MWM adaptado ................................................................ 132 FIGURA 42 – Sensor de pressão adaptado na câmara .......................................... 133 FIGURA 43 – Adaptação da vela de ignição ........................................................... 133 FIGURA 44 – Face do cabeçote adaptado 2° fase ................................................. 134 FIGURA 45 – Sistema de controle de vazão de ar.................................................. 135 FIGURA 46 – Motor adaptado ................................................................................. 135 FIGURA 47 – Reservatório de etanol ...................................................................... 136 FIGURA 48 – Analisador lambda ............................................................................ 137 FIGURA 49 – Banco de cargas resistivas ............................................................... 139 FIGURA 50 – Analisador de energia elétrica Fluke 1735 ........................................ 140 FIGURA 51 – Diagrama do sistema de aquisição de dados ................................... 141 FIGURA 52 – Análise da ocorrência de detonação ................................................. 148 FIGURA 53 – Variação da pressão no processo de compressão ........................... 149 FIGURA 54 – Pressão na câmara e taxa de calor liberado (0,0 e 10,0 kW) ........... 153 FIGURA 55 – Pressão na câmara e taxa de calor liberado (20,0 e 25,0 kW) ......... 155 FIGURA 56 – Pressão na câmara e taxa de calor total liberado (27,5 e 30,0 kW).. 156 FIGURA 57 – Pressão na câmara e taxa de calor liberado (32,5 e 35,0 kW) ......... 157 FIGURA 58 – Pressão na câmara e taxa de calor total liberado (37,5 kW) ............ 158 FIGURA 59 – Consumo de combustível ................................................................. 160 FIGURA 60 – Consumo específico de combustível ................................................ 161 FIGURA 61 – Emissão de CO2 ............................................................................... 162 FIGURA 62 – Emissão de CO ................................................................................. 163 FIGURA 63 – Emissão de O2 .................................................................................. 164 FIGURA 64 – Emissões de hidrocarbonetos totais ................................................. 165 FIGURA 65 – Eficiência da combustão ................................................................... 166 FIGURA 66 – Emissão de NO ................................................................................. 168 FIGURA 67 – Emissão de NOx ............................................................................... 169 FIGURA 68 – Eficiência de conversão do combustível ........................................... 171 FIGURA 69 – Vazão mássica de ar admitido .......................................................... 172 FIGURA 70 – Temperatura dos gases de exaustão ................................................ 173 LISTA DE TABELAS TABELA 1 – Resumo dos parâmetros e efeitos da aplicação do etanol ................... 70 TABELA 2 – Energia de ligação ................................................................................ 96 TABELA 3 – Características físico-químicas do etanol (hidratado) e do óleo diesel . 96 TABELA 4 – Características do motor Diesel MWM do grupo gerador ................... 114 TABELA 5 – Nomenclatura para tipo de combustível ............................................. 115 TABELA 6 – Características do eletro injetor .......................................................... 126 TABELA 7 – Teor de água no etanol ....................................................................... 145 TABELA 8 – Poder calorífico inferior do etanol hidratado ....................................... 147 TABELA 9 – Síntese dos resultados ....................................................................... 173 TABELA 10 – Parâmetro de incerteza do Fluke 1735 ............................................. 190 TABELA 11 – Parâmetros de incertezas do analisador de gases Californa Anlytical Models ..................................................................................................................... 193 TABELA 12 – Parâmetro para cálculo de incerteza do termopar ............................ 196 TABELA 13 – Parâmetro para cálculo de incerteza do termorresistor .................... 198 TABELA 14 – Parâmetro para cálculo da incerteza da umidade relativa do ar ....... 198 TABELA 15 – Incerteza do poder calorífico superior ............................................... 204 TABELA 16 – Consumo de etanol hidratado e super hidratado .............................. 208 TABELA 17 – Consumo de específico de etanol hidratado e super hidratado ........ 208 TABELA 18 – Emissões CO %................................................................................ 209 TABELA 19 – Emissões CO2 % .............................................................................. 209 TABELA 20 – Emissões O2 % ................................................................................. 210 TABELA 21 – Emissões de THC ppm ..................................................................... 210 TABELA 22 – Emissões NO ppm ............................................................................ 211 TABELA 23 – Emissões de NOx ppm ..................................................................... 211 TABELA 24 – Emissões de CO g/kW.h ................................................................... 212 TABELA 25 – Emissões de CO2 g/kW.h ................................................................. 212 TABELA 26 – Emissões de O2 g/kW.h .................................................................... 213 TABELA 27 – Emissões de THC g/kW.h ................................................................. 213 TABELA 28 – Emissões de NO g/kW.h ................................................................... 214 TABELA 29 – Emissões de NOx g/kW.h ................................................................. 214 TABELA 30 – Eficiência de conversão do combustível ........................................... 215 TABELA 31 – Eficiência da combustão ................................................................... 215 TABELA 32 – Energia elétrica ET05 ....................................................................... 216 TABELA 33 – Energia elétrica ET10 ....................................................................... 216 TABELA 34 – Energia elétrica ET15 ....................................................................... 217 TABELA 35 – Temperatura, umidade relativa e vazão mássica de ar ET05 ........... 218 TABELA 36 – Temperatura, umidade relativa e vazão mássica de ar ET10 ........... 219 TABELA 37 – Temperatura, umidade relativa e vazão mássica de ar ET15 ........... 220 TABELA 38 – Medição da massa específica conforme norma................................ 221 TABELA 39 – Valores dos coeficientes para cálculo do teor alcoólico.................... 222 LISTAS DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ANP Agência Nacional do Petróleo APMS Antes do monto morto superior BTX Benzeno, tolueno e xileno °CA Ângulo do eixo de manivelas - clank angle CAI Analisador de gases California Analytical Models CGEE Centro de Gestão e Estudos Estratégicos comb Combustível comp Compressão DME Dimetil éter DPMS Depois do ponto morto superior EHC Etanol hidratado combustível EPE Empresa de Pesquisa Energética EUA Estados Unidos da América Euro V Normalização de emissões aplicada na Europa ET05 Combustível etanol hidratado em 5% ET10 Combustível etanol hidratado em 10% ET15 Combustível etanol hidratado em 15% FISPQ Ficha de informações de segurança de produtos químicos GEE Gás de efeito estufa GMG Grupo Motor-Gerador de energia elétrica HCCI Combustão por carga homogênea HCLD Analisador que utilizando a técnica de luminescência HFID Analisador que utiliza técnica de ionização M 90 Identificação de um motor do fabricante Agrale MWM Fabricante de motor MAP Sensor de pressão absoluta no coletor de admissão MP Material particulado NIPE Núcleo Interdisciplinar de Planejamento Estratégico PMI Ponto motor inferior PMS Ponto motor superior RAC Razão entre o ar e o combustível RCCI Reatividade controlada de ignição por compressão rpm Rotações por minuto S Saída Simul Simulação TDC Ponto morto superior - top dead centre UE União Europeia UNICA União da Indústria de Cana de Açúcar Rotação do motor [rev/s] LISTA DE SÍMBOLOS área da câmara de combustão [m²] área do topo do pistão [m²] área do volume de controle [m²] () área da vazão a um ângulo [m²] a1 ......a10 número de moles do componente dos produtos correspondente B5 mistura de óleo diesel e 5% de biodiesel pressão barométrica [mmHg] BP pressão atmosférica padrão [mmHg] coeficiente de descarga [adimensional] . calor específico do combustível líquido [kJ/kg.K] , calor específico em pressão constante do ar [kJ...
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  • Spring '14
  • The Land, Estados Unidos, energia elétrica, Energia renovável, Motor de combustão interna

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