UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA “JÚLIO DE MESQUITA FILHO” FACULDADE DE ENGENHARIA CÂMPUS DE ILHA SOLTEIRA LUCAS MENDES SCARPIN AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO DE UM MOTOR DE IGNIÇÃO POR COMPRESSÃO OPERANDO COM MISTURAS DIESEL-ETANOL ANIDRO OU COM SISTEMA ELETRÔNICO INDEPENDENTE DE INJEÇÃO DE ETANOL HIDRATADO Ilha Solteira 2019 Câmpus de Ilha Solteira PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA LUCAS MENDES SCARPIN AVALIAÇÃO EXPERIMENTAL DO DESEMPENHO DE UM MOTOR DE IGNIÇÃO POR COMPRESSÃO OPERANDO COM MISTURAS DIESEL-ETANOL ANIDRO OU COM SISTEMA ELETRÔNICO INDEPENDENTE DE INJEÇÃO DE ETANOL HIDRATADO Tese apresentada à Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira - UNESP como parte dos requisitos para obtenção do título de doutor em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Dr. Ricardo Alan Verdú Ramos Coorientador: Prof. Dr. Emanuel Rocha Woiski Ilha Solteira 2019 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA Câmpus de Ilha Solteira CERTIFICADO DE APROVAÇÃO TÍTULO DA TESE: Avaliação experimental do desempenho de um motor de ignição por compressão operando com misturas Diesel-Etanol Anidro ou com sistema eletrônico independente de injeção de Etanol Hidratado AUTOR: LUCAS MENDES SCARPIN ORIENTADOR: RICARDO ALAN VERDÚ RAMOS COORIENTADOR: EMANUEL ROCHA WOISKI Aprovado como parte das exigências para obtenção do Título de Doutor em ENGENHARIA MECÂNICA, área: Ciências Térmicas pela Comissão Examinadora: Prof. Dr. RICARDO ALAN VERDÚ RAMOS Departamento de Engenharia Mecânica / Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Prof. Dr. JOAO BATISTA CAMPOS SILVA Departamento de Engenharia Mecânica / Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Prof. Dr. CASSIO ROBERTO MACEDO MAIA Departamento de Engenharia Mecânica / Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira Prof. Dr. THIAGO ANTONINI ALVES Departamento Acadêmico de Mecânica / Universidade Tecnológica Federal do Paraná Prof. Dr. JOSÉ ANTONIO ANDRÉS VELÁSQUEZ ALEGRE Departamento Acadêmico de Mecânica / Universidade Tecnológica Federal do Paraná Ilha Solteira, 06 de março de 2019. Faculdade de Engenharia - Câmpus de Ilha Solteira Av. Brasil, 56, CEP 15385-000, Ilha Solteira, São Paulo (SP) www.ppgem.feis.unesp.br - CNPJ: 48.031.918/0015-20 AGRADECIMENTOS Agradeço primeiramente a Deus, por sempre estar presente em todos os momentos da minha vida, iluminando meus caminhos e me dando forças para seguir nesta caminhada. À minha família, meus pais, José Ilair e Elisa, meu irmão, Igor, e minha futura esposa, Natiele, por sempre estarem ao meu lado, me apoiando em todas as decisões. Sou extremamente grato a tudo o que fazem e que já fizeram por mim. Ao meu orientador e amigo, Prof. Dr. Ricardo Alan Verdú Ramos, por toda ajuda e incentivo oferecidos, tornando possível o desenvolvimento de todas as etapas deste trabalho. Agradeço por ter me ajudado desde o início da graduação, propondo o desenvolvimento de projetos, os quais me fizeram crescer tanto pessoal quanto profissionalmente. Ao meu coorientador, Prof. Dr. Emanuel Rocha Woiski, que nunca mediu esforços em ajudar, apresentando propostas e sugestões no decorrer do trabalho que foram fundamentais para a execução dos experimentos e análise dos resultados. Ao Prof. Dr. João Batista Campos Silva, por sempre estar disposto a colaborar com o desenvolvimento do trabalho, participando da elaboração e discussão do pré-projeto, e por ter acreditado, desde o início, que seria possível realizá-lo. Aos meus amigos Luís Alberto Schwind Pedroso Stussi da Silva Pereira e Milton Cesar Cavalheiro Júnior, por terem ajudado na estruturação do Laboratório de Motores, além de toda amizade e companheirismo. Ao Centro Universitário Toledo - UNITOLEDO, em especial ao Reitor Bruno Roberto Pereira de Toledo e à Pró-reitora Prof. Dra. Silvia Cristina de Souza, por concederem todo suporte ao longo dos últimos anos, tornando possível a realização deste trabalho. RESUMO Atualmente, o setor sucroalcooleiro apresenta grande destaque no cenário econômico do país, produzindo e comercializando açúcar, etanol e energia elétrica. De modo geral, estima-se que um litro de Diesel é utilizado para se produzir dez litros de etanol, o que reflete a forte dependência do setor por este combustível fóssil. O aumento do preço do Diesel causa uma significativa elevação no custo da cana-de-açúcar processada, reduzindo os lucros e a competitividade dessas empresas. Diante desse quadro, foram realizadas avaliações de desempenho e estudos de viabilidade econômica para a substituição parcial do Diesel S500, constituído de Diesel fóssil com 10% de Biodiesel, por etanol, em um motor de ignição por compressão de quatro cursos, com aspiração natural e bomba injetora em linha. O motor foi ensaiado em uma bancada dinamométrica, obtendo-se torque, potência, vazão de combustível e composição de parte dos produtos de combustão. A primeira etapa do trabalho consistiu em avaliar o desempenho do motor alimentado com misturas Diesel-etanol anidro nas seguintes proporções: 5, 10, 15, 20 e 25%. Na segunda etapa do trabalho foi avaliado o desempenho do mesmo motor funcionando com a inclusão de um sistema eletrônico independente de injeção de etanol hidratado no coletor de admissão, em quatro configurações de operação, definidas a partir de ajustes da bomba injetora e do sistema de injeção eletrônica, visando à substituição de parte do Diesel por etanol hidratado. Os ajustes foram realizados com base em ensaios preliminares na bancada dinamométrica para a definição de cada configuração, pretendendo alcançar um torque de 340 Nm a 1.600 rpm, próximo ao desenvolvido pelo motor na configuração original com Diesel. Ao analisar os resultados da primeira etapa, notou-se que a substituição parcial do Diesel por etanol anidro nas misturas promoveu um aumento do torque e do rendimento térmico de eixo. Referente às emissões, houve redução dos níveis de CO e SO2, mas, por outro lado, obteve-se aumento de NOx. Do ponto de vista econômico, todas as propostas analisadas se mostraram viáveis, visto que o custo de operação do motor foi minimizado em virtude da redução do preço unitário das misturas. Na segunda etapa, verificou- se que o aumento do percentual de substituição de Diesel por etanol hidratado acarretou no deslocamento das curvas de torque para a direita, alcançando valores superiores a 340 Nm acima de 1.600 rpm, além de elevar o rendimento térmico de eixo. Com relação às emissões, foi verificado o mesmo comportamento obtido na etapa anterior, ou seja, redução dos níveis de CO e SO2, e aumento de NOx. No entanto, por envolver certo investimento financeiro, a análise econômica revelou que a viabilidade depende, além dos preços do Diesel e do Etanol Hidratado, do tempo de operação anual do motor. O tempo de retorno de investimento foi inferior a dois anos na maior parte das condições estudadas. Em suma, os resultados obtidos são promissores, possibilitando a implementação em motores agrícolas, estacionários e veiculares, visando à redução dos custos de operação. Palavras-chave: Motor de ignição por compressão. Bancada dinamométrica. Misturas Diesel- etanol anidro. Etanol hidratado. Sistema de injeção eletrônica independente. ABSTRACT Currently, the sugar and alcohol sector presents a major highlight in the country's economic scenario, producing and marketing sugar, ethanol and electricity. In general, it estimates that one liter of Diesel is used to produce ten liters of ethanol, which reflects the strong dependence of the sector on this fossil fuel. The increase of Diesel price causes a significant rise in the cost of the ton of processed sugar cane, reducing the profits and the competitiveness of these companies. In this context, performance evaluations and economic feasibility studies were performed to the partial substitution of Diesel S500, constituted by Diesel fossil with 10% of pure Biodiesel, by ethanol, in a four-stroke compression ignition engine, with natural aspiration and inline injection pump. The engine was tested on a dynamometer bench, obtaining torque, power, fuel flow and composition of part of combustion products. The first stage of this work consisted in analyzing the engine performance fed with mixtures of Diesel and anhydrous ethanol in the following proportions: 5, 10, 15, 20 and 25%. In the second stage of this work was evaluated the performance of the same engine operating with the inclusion of an independent electronic injection system of hydrous ethanol in the intake manifold, in four operation settings, defined by adjustments of the injection pump and of the electronic injection system, aiming to the substitution of part of diesel by hydrous ethanol. The adjustments were performed according to the preliminary dynamometer tests to define each configuration, aiming to reach a torque of 340 Nm at 1,600 rpm, next to the torque developed by the engine in the original configuration with Diesel. By analyzing the results of the first stage, it noted that the partial replacement of Diesel by anhydrous ethanol in blends promoted an increase of torque and brake thermal efficiency. Regarding emissions, there was a reduction of CO and SO2 levels, but, in the other hand, an increase of NOx. From the economic point of view, all proposals were feasible, considering that the engine operation cost was minimized due to the reduction of the unit price of the blends. In the second stage, it verified that increasing the replacement percentage of Diesel by hydrous ethanol brought in the displacement of the torque curves to the right, reaching values greater than 340 Nm above 1,600 rpm, beyond increasing the brake thermal efficiency. With regard to emissions, the behavior is the same seen in the previous stage, in other words, reduction of CO and SO2 levels, and increase of NOx. However, because it involved some financial investment, the economic analysis revealed that viability depends, in addition to the Diesel and hydrous ethanol prices, of the annual engine operating time. The investment payback period was less than two years in most of the studied conditions. In short, the results obtained are promising, enabling the implementation in agricultural, stationary and vehicular engines, aiming to reducing operating costs. Keywords: Compression ignition engines. Dynamometer bench. Diesel-anhydrous ethanol blends. Hydrous ethanol. Independent electronic injection system. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Comparativo entre a frota de veículos a gasolina e bicombustíveis no país . 25 Figura 2 - Evolução da frota nacional em função do combustível ................................ 27 Figura 3 - Oferta Interna de Energia no Brasil em 2017 ............................................... 28 Figura 4 - Vista lateral do motor OM-352 ..................................................................... 38 Figura 5 - Freio Eletromagnético TDB500 .................................................................... 39 Figura 6 - Estrutura da base inercial .............................................................................. 41 Figura 7 - Base inercial após concretagem .................................................................... 41 Figura 8 - Base inercial e contrapiso finalizados ........................................................... 41 Figura 9 - Braço de travamento dos suportes do freio ................................................... 43 Figura 10 - Braço de travamento do freio junto à carcaça do motor ............................. 43 Figura 11 - Suporte completo da célula de carga .......................................................... 44 Figura 12 - Torre de resfriamento do dinamômetro ...................................................... 45 Figura 13 - Conexões da torre de resfriamento com a sala de teste .............................. 46 Figura 14 - Vista em corte longitudinal do freio eletromagnético................................. 47 Figura 15 - Retentor interno do freio eletromagnético .................................................. 48 Figura 16 - Chavetas posicionadas no eixo do freio ...................................................... 49 Figura 17 - Bucha espaçadora para fixação dos discos ................................................. 49 Figura 18 - Sensor de rotação e polia instalados no eixo do freio eletromagnético ...... 50 Figura 19 - Linha de exaustão do motor ........................................................................ 51 Figura 20 - Defletor do radiador .................................................................................... 52 Figura 21 - Alavanca de controle da rotação do motor ................................................. 53 Figura 22 - Painel de monitoramento do motor ............................................................. 54 Figura 23 - Eixo cardã de acoplamento do motor e freio .............................................. 55 Figura 24 - Central de controle e aquisição de dados do freio eletromagnético............ 56 Figura 25 - Esquema de um circuito divisor de tensão .................................................. 57 Figura 26 - Circuito de condicionamento conectado ao Arduino .................................. 58 Figura 27 - Termistores instalados no sistema de arrefecimento do motor OM-352 .... 59 Figura 28 - Termistor instalado no coletor de admissão ............................................... 60 Figura 29 - Termopar do tipo K instalado no coletor de exaustão e placa de condicionamento ............................................................................................................. 61 Figura 30 - Termistores instalados no freio eletromagnético ........................................ 61 Figura 31 - Bancada secundária de combustível ........................................................... 63 Figura 32 - Válvulas de controle do fluxo de combustível ............................................ 64 Figura 33 - Sistema de medição de emissões do motor ................................................. 65 Figura 34 - Central eletrônica Power Inject da Pandoo ................................................. 67 Figura 35 - Distância adequada entre o sensor de rotação e a polia fônica ................... 68 Figura 36 - Dente de sincronismo para ajustes de avanço do sistema ........................... 69 Figura 37 - Posicionamento do relógio comparador no cabeçote do motor .................. 69 Figura 38 - Polia fônica e sensor de rotação instalados no motor ................................. 70 Figura 39 - Estrutura interna do sensor TPS .................................................................. 71 Figura 40 - Sensor TPS instalado junto ao suporte na bomba injetora .......................... 72 Figura 41 - Sensor de temperatura do motor conectado ao sistema de injeção ............. 73 Figura 42 - Disposição dos dutos de admissão no cabeçote do motor .......................... 74 Figura 43 - Principais componentes de um injetor de um motor SI de injeção indireta 75 Figura 44 - Conjunto de injetores instalados no coletor de admissão ........................... 76 Figura 45 - Sistema de fornecimento de etanol hidratado ............................................. 77 Figura 46 - Central de injeção programável instalada na sala de controle da bancada dinamométrica ................................................................................................................ 78 Figura 47 - Disposição dos fusíveis e relés do sistema de injeção eletrônica ............... 79 Figura 48 - Painel de acionamento do sistema de injeção eletrônica ............................ 79 Figura 49 - Aparato para medição do consumo de etanol hidratado ............................. 80 Figura 50 - Interface gráfica de controle do dinamômetro ............................................ 83 Figura 51 - Sistema de controle e aquisição de dados da bancada dinamométrica ....... 83 Figura 52 - Separação de fases da mistura Diesel S500 e etanol hidratado .................. 85 Figura 53 - Detalhamento das tubulações de combustível da bancada principal .......... 87 Figura 54 - Parafuso de regulagem do encosto de débito máximo de combustível ...... 89 Figura 55 - Software para gerenciamento dos mapas de injeção com leitura em tempo real dos dados da central ................................................................................................. 90 Figura 56 - Disposição dos resultados de um ensaio em uma planilha do Excel® ........ 93 Figura 57 - Filtro IR para detecção de outliers e valores extremos ............................... 94 Figura 58 - Filtro RWV para remoção de atributos ....................................................... 95 Figura 59 - Comportamento do VPL e representação do TRI ........................................ 101 Figura 60 - Torque obtido nos ensaios com as misturas Diesel-etanol anidro .............. 103 Figura 61 - Potência de eixo desenvolvida pelo motor operando com misturas Diesel- etanol anidro ................................................................................................................... 103 Figura 62 - Consumo específico de combustível de eixo para as misturas Diesel- etanol anidro ................................................................................................................... 105 Figura 63 - Vazão mássica de combustível para as misturas Diesel-etanol anidro ....... 105 Figura 64 - Rendimento térmico de eixo para as misturas Diesel-etanol anidro ........... 107 Figura 65 - Comparativo da pressão média efetiva de eixo para as misturas Diesel- etanol anidro a 1.600 rpm ............................................................................................... 108 Figura 66 - Emissões de CO para as misturas Diesel-etanol anidro .............................. 109 Figura 67 - Emissões de NOx para as misturas Diesel-etanol anidro ............................ 110 Figura 68 - Temperatura dos produtos de combustão para as misturas Diesel-etanol anidro .............................................................................................................................. 111 Figura 69 - Emissões de SO2 para as misturas Diesel-etanol anidro ............................. 112 Figura 70 - Torque obtido através dos ensaios com injeção independente de etanol hidratado ......................................................................................................................... 113 Figura 71 - Potência de eixo obtida através dos ensaios com injeção independente de etanol hidratado .............................................................................................................. 114 Figura 72 - Consumo específico de combustível de eixo para os ensaios com injeção independente de etanol hidratado ................................................................................... 115 Figura 73 - Vazão mássica de Diesel nos ensaios com sistema de injeção independente ................................................................................................................... 116 Figura 74 - Vazão mássica de etanol hidratado nos ensaios com sistema de injeção independente ................................................................................................................... 116 Figura 75 - Vazão mássica total nos ensaios com sistema de injeção independente ..... 117 Figura 76 - Rendimento térmico de eixo das configurações com injeção independente de etanol hidratado .......................................................................................................... 118 Figura 77 - Comparativo da pressão média efetiva de eixo dos ensaios com injeção independente de etanol hidratado a 1.600 rpm ............................................................... 119 Figura 78 - Emissões de CO para operação com injeção independente de etanol hidratado ......................................................................................................................... 119 Figura 79 - Emissões de NOx para operação com injeção independente de etanol hidratado ......................................................................................................................... 120 Figura 80 - Temperatura dos produtos de combustão para operação com injeção independente de etanol hidratado ................................................................................... 121 Figura 81 - Emissões de SO2 para operação com injeção independente de etanol hidratado ......................................................................................................................... 122 Figura 82 - Custos de operação por unidade de tempo para as misturas com base no preço do Diesel comercializado nos postos .................................................................... 124 Figura 83 - Custos de operação por unidade de tempo para as misturas com base no preço do Diesel comercializado nas distribuidoras ........................................................ 125 Figura 84 - Custos de operação por unidade de tempo para injeção independente de EHC a R$1,125 por litro ................................................................................................. 127 Figura 85 - Custos de operação por unidade de tempo para injeção independente de EHC a R$1,525 por litro ................................................................................................. 127 Figura 86 - Custos de operação por unidade de tempo para injeção independente de EHC a R$2,288 por litro ................................................................................................. 128 Figura 87 - Curvas de VPL considerando o preço do EHC de R$1,125 por litro ......... 130 Figura 88 - Curvas de VPL considerando o preço do EHC de R$1,525 por litro ......... 130 Figura 89 - Curvas de VPL considerando o preço do EHC de R$2,288 por litro ......... 131 Figura 90 - Ajuste da curva de torque para ensaios com Diesel .................................... 153 Figura 91 - Ajuste da curva de vazão mássica para ensaios com Diesel ....................... 153 Figura 92 - Ajuste da curva de emissões de CO para ensaios com Diesel .................... 154 Figura 93 - Ajuste da curva de emissões de NOx para ensaios com Diesel................... 154 Figura 94 - Ajuste da curva de emissões de SO2 para ensaios com Diesel ................... 155 Figura 95 - Ajuste da curva de temperatura de exaustão para ensaios com Diesel ....... 155 Figura 96 - Ajuste da curva de torque para ensaios com proporção D95EA5 .............. 156 Figura 97 - Ajuste da curva de vazão mássica para ensaios com proporção D95EA5 .. 156 Figura 98 - Ajuste da curva de emissões de CO para ensaios com proporção D95EA5 157 Figura 99 - Ajuste da curva de emissões de NOx para ensaios com proporção D95EA5 .......................................................................................................................... 157 Figura 100 - Ajuste da curva de emissões de SO2 para ensaios com proporção D95EA5 .......................................................................................................................... 158 Figura 101 - Ajuste da curva de temperatura de exaustão para ensaios com proporção D95EA5 .......................................................................................................................... 158 Figura 102 - Ajuste da curva de torque para ensaios com proporção D90EA10 .......... 159 Figura 103 - Ajuste da curva de vazão mássica para ensaios com proporção D90EA10 ........................................................................................................................ 159 Figura 104 - Ajuste da curva de emissões de CO para ensaios com proporção D90EA10 ........................................................................................................................ 160 Figura 105 - Ajuste da curva de emissões de NOx para ensaios com proporção D90EA10 ........................................................................................................................ 160 Figura 106 - Ajuste da curva de emissões de SO2 para ensaios com proporção D90EA10 ........................................................................................................................ 161 Figura 107 - Ajuste da curva de temperatura de exaustão para ensaios com proporção D90EA10 ........................................................................................................................ 161 Figura 108 - Ajuste da curva de torque para ensaios com proporção D85EA15 .......... 162 Figura 109 - Ajuste da curva de vazão mássica para ensaios com proporção D85EA15 ........................................................................................................................ 162 Figura 110 - Ajuste da curva de emissões de CO para ensaios com proporção D85EA15 ........................................................................................................................ 163 Figura 111 - Ajuste da curva de emissões de NOx para ensaios com proporção D85EA15 ........................................................................................................................ 163 Figura 112 - Ajuste da curva de emissões de SO2 para ensaios com proporção D85EA15 ........................................................................................................................ 164 Figura 113 - Ajuste da curva de temperatura de exaustão para ensaios com proporção D85EA15 ........................................................................................................................ 164 Figura 114 - Ajuste da curva de torque para ensaios com proporção D80EA20 .......... 165 Figura 115 - Ajuste da curva de vazão mássica para ensaios com proporção D80EA20 ........................................................................................................................ 165 Figura 116 - Ajuste da curva de emissões de CO para ensaios com proporção D80EA20 ........................................................................................................................ 166 Figura 117 - Ajuste da curva de emissões de NOx para ensaios com proporção D80EA20 ........................................................................................................................ 166 Figura 118 - Ajuste da curva de emissões de SO2 para ensaios com proporção D80EA20 ........................................................................................................................ 167 Figura 119 - Ajuste da curva de temperatura de exaustão para ensaios com proporção D80EA20 ........................................................................................................................ 167 Figura 120 - Ajuste da curva de torque para ensaios com proporção D75EA25 .......... 168 Figura 121 - Ajuste da curva de vazão mássica para ensaios com proporção D75EA25 ........................................................................................................................ 168 Figura 122 - Ajuste da curva de emissões de CO para ensaios com proporção D75EA25 ........................................................................................................................ 169 Figura 123 - Ajuste da curva de emissões de NOx para ensaios com proporção D75EA25 ........................................................................................................................ 169 Figura 124 - Ajuste da curva de emissões de SO2 para ensaios com proporção D75EA25 ........................................................................................................................ 170 Figura 125 - Ajuste da curva de temperatura de exaustão para ensaios com proporção D75EA25 ........................................................................................................................ 170 Figura 126 - Ajuste da curva de torque para ensaios com injeção independente de EHC na configuração C1 ................................................................................................ 176 Figura 127 - Ajuste da curva de vazão mássica de Diesel com injeção independente na configuração C1 ......................................................................................................... 176 Figura 128 - Ajuste da curva de vazão mássica de EHC com injeção independente na configuração C1 .............................................................................................................. 177 Figura 129 - Ajuste da curva de emissões de CO com injeção independente de EHC na configuração C1 ......................................................................................................... 177 Figura 130 - Ajuste da curva de emissões de NOx com injeção independente de EHC na configuração C1 ......................................................................................................... 178 Figura 131 - Ajuste da curva de emissões de SO2 com injeção independente de EHC na configuração C1 ......................................................................................................... 178 Figura 132 - Ajuste da curva de temperatura de exaustão com injeção independente na configuração C1 ......................................................................................................... 179 Figura 133 - Ajuste da curva de torque para ensaios com injeção independente de EHC na configuração C2 ................................................................................................ 179 Figura 134 - Ajuste da curva de vazão mássica de Diesel com injeção independente na configuração C2 ......................................................................................................... 180 Figura 135 - Ajuste da curva de vazão mássica de EHC com injeção independente na configuração C2 .............................................................................................................. 180 Figura 136 - Ajuste da curva de emissões de CO com injeção independente de EHC na configuração C2 ......................................................................................................... 181 Figura 137 - Ajuste da curva de emissões de NOx com injeção independente de EHC na configuração C2 ......................................................................................................... 181 Figura 138 - Ajuste da curva de emissões de SO2 com injeção independente de EHC na configuração C2 ......................................................................................................... 182 Figura 139 - Ajuste da curva de temperatura de exaustão com injeção independente na configuração C2 ......................................................................................................... 182 Figura 140 - Ajuste da curva de torque para ensaios com injeção independente de EHC na configuração C3 ................................................................................................ 183 Figura 141 - Ajuste da curva de vazão mássica de Diesel com injeção independente na configuração C3 ......................................................................................................... 183 Figura 142 - Ajuste da curva de vazão mássica de EHC com injeção independente na configuração C3 .............................................................................................................. 184 Figura 143 - Ajuste da curva de emissões de CO com injeção independente de EHC na configuração C3 ......................................................................................................... 184 Figura 144 - Ajuste da curva de emissões de NOx com injeção independente de EHC na configuração C3 ......................................................................................................... 185 Figura 145 - Ajuste da curva de emissões de SO2 com injeção independente de EHC na configuração C3 ......................................................................................................... 185 Figura 146 - Ajuste da curva de temperatura de exaustão com injeção independente na configuração C3 ......................................................................................................... 186 Figura 147 - Ajuste da curva de torque para ensaios com injeção independente de EHC na configuração C4 ................................................................................................ 186 Figura 148 - Ajuste da curva de vazão mássica de Diesel com injeção independente na configuração C4 ......................................................................................................... 187 Figura 149 - Ajuste da curva de vazão mássica de EHC com injeção independente na configuração C4 .............................................................................................................. 187 Figura 150 - Ajuste da curva de emissões de CO com injeção independente de EHC na configuração C4 ......................................................................................................... 188 Figura 151 - Ajuste da curva de emissões de NOx com injeção independente de EHC na configuração C4 ......................................................................................................... 188 Figura 152 - Ajuste da curva de emissões de SO2 com injeção independente de EHC na configuração C4 ......................................................................................................... 189 Figura 153 - Ajuste da curva de temperatura de exaustão com injeção independente na configuração C4 ......................................................................................................... 189 Figura 154 - Esquema elétrico de ligação da célula de carga ........................................ 193 Figura 155 - Dimensões de referência da polia dentada e posicionamento do sensor .. 194 Figura 156 - Conexão da balança com o computador da sala de ensaios ...................... 195 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Principais características construtivas e operacionais do Motor OM-352 ... 38 Tabela 2 - Relação dos cabos utilizados no sistema de injeção eletrônica .................... 67 Tabela 3 - Disposição das unidades injetoras ................................................................ 73 Tabela 4 - Proporção volumétrica de Diesel S500 e etanol anidro das misturas propostas ......................................................................................................................... 87 Tabela 5 - Detalhamento das configurações e setups avaliados experimentalmente para operação com injeção independente de etanol hidratado........................................ 91 Tabela 6 - Torque médio e desvio-padrão médio obtidos para as configurações com injeção independente de etanol hidratado ....................................................................... 92 Tabela 7 - Configurações definidas para a realização dos ensaios com injeção independente ................................................................................................................... 92 Tabela 8 - Massa específica dos combustíveis utilizados nos ensaios com misturas .... 106 Tabela 9 - Poder calorífico inferior dos combustíveis e frações mássicas de Diesel e etanol anidro ................................................................................................................... 107 Tabela 10 - Ajustes para operação com o sistema eletrônico independente de injeção de etanol hidratado .......................................................................................................... 113 Tabela 11 - Custos de produção do EAC e EHC ........................................................... 123 Tabela 12 - Preços médios praticados pelos postos e distribuidoras na cidade de Araçatuba em dezembro de 2018 ................................................................................... 123 Tabela 13 - Preço das misturas e percentual de redução calculados com base no valor do Diesel praticado pelos postos .................................................................................... 124 Tabela 14 - Preço das misturas e percentual de redução calculados com base no valor do Diesel praticado pelas distribuidoras ......................................................................... 124 Tabela 15 - Custos de operação com misturas no caso hipotético calculados com base no preço do Diesel praticado pelos postos ...................................................................... 125 Tabela 16 - Custos de operação com misturas no caso hipotético calculados com base no preço do Diesel praticado pelas distribuidoras .......................................................... 126 Tabela 17 - Custos dos componentes utilizados no sistema de injeção eletrônica ........ 128 Tabela 18 - Resultados obtidos experimentalmente na operação com Diesel ............... 147 Tabela 19 - Resultados obtidos experimentalmente na operação com a proporção de mistura D95EA5 ............................................................................................................. 148 Tabela 20 - Resultados obtidos experimentalmente na operação com a proporção de mistura D90EA10 ........................................................................................................... 149 Tabela 21 - Resultados obtidos experimentalmente na operação com a proporção de mistura D85EA15 ........................................................................................................... 150 Tabela 22 - Resultados obtidos experimentalmente na operação com a proporção de mistura D80EA20 ........................................................................................................... 151 Tabela 23 - Resultados obtidos experimentalmente na operação com a proporção de mistura D75EA25 ........................................................................................................... 152 Tabela 24 - Resultados obtidos experimentalmente com injeção independente de etanol hidratado na configuração C1 .............................................................................. 172 Tabela 25 - Resultados obtidos experimentalmente na operação com injeção independente de etanol hidratado na configuração C2 ................................................... 173 Tabela 26 - Resultados obtidos experimentalmente na operação com injeção independente de etanol hidratado na configuração C3 ................................................... 174 Tabela 27 - Resultados obtidos experimentalmente na operação com injeção independente de etanol hidratado na configuração C4 ................................................... 175 Tabela 28 - Limites de emissões das fases do PROCONVE para veículos pesados a Diesel .............................................................................................................................. 190 Tabela 29 - Limites de emissões para veículos pesados a Diesel com sistemas convencional e pós-tratamento com base nos ciclos de testes ESC/ELR ....................... 191 Tabela 30 - Limites de emissões para veículos pesados a Diesel com sistemas convencional e pós-tratamento com base nos ciclos de testes ETC ............................... 191 Tabela 31 - Limites de emissões para máquinas rodoviárias e agrícolas ...................... 192 Tabela 32 - Características operacionais da célula de carga TSA ................................. 193 Tabela 33 - Dimensões de referência da polia dentada ................................................. 194 Tabela 34 - Informações gerais do termistor NTCLE100E3103JB0 ............................. 195 Tabela 35 - Informações técnicas da balança eletrônica M5202 ................................... 195 Tabela 36 - Características de operação do analisador de gases Tempest 100 .............. 196 Tabela 37 - Especificações do EAC, do EHC e do EHCP ............................................ 196 Tabela 38 - Especificações do óleo Diesel de uso rodoviário ....................................... 198 Tabela 39 - Poder calorífico inferior dos combustíveis ................................................. 200 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS AHRR Apparent Heat Release Rate ANP Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis APMS Antes do Ponto Morto Superior ASTM American Society for Testing and Materials BE Biodiesel-Etanol BEN Balanço Energético Nacional BMEP Brake Mean Effective Pressure BSEC Brake Specific Energy Consumption BSFC Brake Specific Fuel Consumption B2 Combustível composto por 98% em volume de Diesel e 2% de Biodiesel B3 Combustível composto por 97% em volume de Diesel e 3% de Biodiesel B5 Combustível composto por 95% em volume de Diesel e 5% de Biodiesel B7 Combustível composto por 93% em volume de Diesel e 7% de Biodiesel B8 Combustível composto por 92% em volume de Diesel e 8% de Biodiesel B9 Combustível composto por 91% em volume de Diesel e 9% de Biodiesel B10 Combustível composto por 90% em volume de Diesel e 10% de Biodiesel CA Graus da árvore de manivelas CI Compression Ignition CNC Comando Numérico Computadorizado CNPE Conselho Nacional de Política Energética CNT Confederação Nacional do Transporte CO Monóxido de carbono CO2 Dióxido de carbono CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente CRDI Common Rail Direct Injection CSV Comma Separated Values CTI Capital Total Investido cv Cavalo-vapor DE Diesel-Etanol DEM Departamento de Engenharia Mecânica DIN Deutsches Institut für Normung EAC Etanol Anidro Combustível EHC Etanol Hidratado Combustível EHCP Etanol Hidratado Combustível Premium ELC Entrada Líquida de Capital Anual ELR Ciclo Europeu de Resposta em Carga EN European Standards ESC Ciclo Europeu em Regime Constante ETC Ciclo Europeu em Regime Transiente FEIS Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira GNU General Public License HC Hidrocarbonetos IBAMA Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis ICSP In Circuit Serial Programming IMEP Indicated Mean Effective Pressure INPM Instituto Nacional de Pesos e Medidas IPBEN Instituto de Pesquisa em Bioenergia IPEA Instituto de Pesquisa Econômica Aplicada IR Interquartile Range ISO International Organization for Standardization ITE Indicated Thermal Efficiency kW Quilowatt MCP Maximum Cylinder Pressure MME Ministério de Minas e Energia MP Material particulado NBR Norma Técnica brasileira Nm Newton-metro NO Monóxido de nitrogênio NO2 Dióxido de nitrogênio NOx Óxidos de nitrogênio NTC Negative Temperature Coefficient OIE Oferta Interna de Energia no Brasil O2 Oxigênio PMS Ponto Morto Superior ppm Partes por milhão PPME Éster Metílico de Pongamia Piñata Pró-Álcool Programa Nacional do Álcool PROCONVE Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos Automotores PTC Positive Temperature Coefficient PVC Policloreto de Vinila PWM Pulse Width Modulation RCM Rapid Compression Machine rpm Rotações por minuto rps Rotações por segundo RWV Remove With Values SI Spark Ignition SINDIPEÇAS Sindicato Nacional da Indústria de Componentes para Veículos Automotores SO2 Dióxido de enxofre THC Total Hydrocarbons TPS Throttle Position Sensor TRI Tempo de Retorno do Investimento VPL Valor Presente Líquido v/v Percentual volumétrico WEKA Waikato Environment for Knowledge Analysis LISTA DE SÍMBOLOS Latinos cC Custo unitário do combustível [R$/l] cD Custo unitário do Diesel S500 [R$/l] cEAC Custo unitário do etanol anidro combustível [R$/l] cEHC Custo unitário do etanol hidratado combustível [R$/l] ĊO Custo de operação por unidade de tempo [R$/h] F Força de frenagem aplicada pelo freio [kN] j Taxa de desconto l Distância entre o centro do freio e o ponto de fixação da célula de carga [m] ṁEHC Vazão mássica de etanol hidratado combustível [g/s] ṁC Vazão mássica de combustível [g/s] ṁD Vazão mássica de Diesel [g/s] n Número de revoluções por ciclo N Período de análise [anos] Ns Frequência de funcionamento do motor [rps] PCIC Poder calorífico inferior do combustível [kJ/kg] PCIEAC Poder calorífico inferior do etanol anidro combustível [kJ/kg] PCIEHC Poder calorífico inferior do etanol hidratado combustível [kJ/kg] PCID Poder calorífico inferior do Diesel [kJ/kg] R Coeficiente de determinação Rs Resistência elétrica imposta pelo sensor [Ω] Rr Valor do resistor ligado em série com o sensor [Ω] R25 Resistência do sensor a 25 ºC [Ω] T Temperatura medida pelo sensor [K] V Volume de combustível [l] Vcc Tensão de alimentação do circuito [V] Vd Volume de deslocamento total do motor [m3] Vs Queda de tensão no sensor [V] WB Trabalho de eixo gerado pelo motor [kJ] ẆB Potência de eixo [kW] Gregos ∆mC Massa de combustível consumida pelo motor no ensaio [g] ∆t Intervalo de tempo de cada ensaio [s] μEAC Fração mássica do etanol anidro combustível na mistura μD Fração mássica do Diesel na mistura ϑD Fração volumétrica do Diesel na mistura ϑEAC Fração volumétrica do etanol anidro combustível na mistura ρC Massa específica do combustível [kg/m3] ρD Massa específica do Diesel S500 [kg/m3] ρEAC Massa específica do etanol anidro combustível [kg/m3] ρEHC Massa específica do etanol hidratado combustível [kg/m3] τ Torque de frenagem [kN] ω Velocidade angular [rad/s] SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 25 1.1 MOTIVAÇÃO ...................................................................................................... 29 1.2 OBJETIVOS ......................................................................................................... 29 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................... 31 2.1 MISTURAS DIESEL-BIODIESEL-ETANOL .................................................... 31 2.2 SISTEMAS INDEPENDENTES DE INJEÇÃO DE ETANOL E DIESEL- BIODIESEL .......................................................................................................... 35 2.3 SÍNTESE DAS INFORMAÇÕES EXTRAÍDAS DAS REVISÕES ................... 36 3 MONTAGEM DA INFRAESTRUTURA PARA ENSAIOS DE MOTORES 37 3.1 DESCRIÇÃO DOS EQUIPAMENTOS ............................................................... 37 3.1.1 Motor de combustão interna .............................................................................. 37 3.1.2 Freio eletromagnético ......................................................................................... 39 3.2 CONSTRUÇÃO E MONTAGEM DA BANCADA DINAMOMÉTRICA ......... 40 3.3 ALTERAÇÕES NO PROJETO DO FREIO ELETROMAGNÉTICO ................ 46 3.4 MONTAGEM DOS SISTEMAS AUXILIARES DO MOTOR........................... 50 3.5 SISTEMA DE CONTROLE E AQUISIÇÃO DE DADOS ................................. 55 3.6 MEDIÇÕES DE TEMPERATURA, CONSUMO DE COMBUSTÍVEL E EMISSÕES ........................................................................................................... 56 3.6.1 Sistema de medição de temperatura .................................................................. 56 3.6.2 Sistema de medição do consumo de combustível da linha principal .............. 62 3.6.3 Sistema de medição de emissões ........................................................................ 64 4 DESENVOLVIMENTO DO SISTEMA ELETRÔNICO INDEPENDENTE DE INJEÇÃO DE ETANOL .............................................................................. 66 4.1 CENTRAL PROGRAMÁVEL DE INJEÇÃO ELETRÔNICA ........................... 66 4.2 SENSOR DE ROTAÇÃO ..................................................................................... 67 4.3 SENSOR DE POSIÇÃO DA BORBOLETA ....................................................... 71 4.4 SENSOR DE TEMPERATURA DO MOTOR .................................................... 72 4.5 UNIDADES INJETORAS .................................................................................... 73 4.6 INSTALAÇÃO ELÉTRICA ................................................................................. 78 4.7 APARATO PARA MEDIÇÃO DO CONSUMO DE ETANOL HIDRATADO 80 5 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL ........................................................... 82 5.1 METODOLOGIA PARA REALIZAÇÃO DOS ENSAIOS ................................ 82 5.2 ENSAIOS COM MISTURAS DIESEL-ETANOL ANIDRO .............................. 85 5.3 ENSAIOS COM INJEÇÃO INDEPENDENTE DE ETANOL HIDRATADO ... 88 5.4 ANÁLISE E TRATAMENTO DOS DADOS ...................................................... 93 5.5 DETERMINAÇÃO DOS PARÂMETROS DE OPERAÇÃO DO MOTOR ....... 95 5.6 PROCEDIMENTO PARA ANÁLISE ECONÔMICA ........................................ 99 5.6.1 Equacionamento para determinação dos gastos com os combustíveis ........... 99 5.6.2 Valor presente líquido ........................................................................................ 100 6 RESULTADOS .................................................................................................... 102 6.1 RESULTADOS DOS ENSAIOS COM MISTURAS DIESEL-ETANOL ANIDRO ............................................................................................................... 102 6.2 RESULTADOS DOS ENSAIOS COM INEÇÃO INDEPENDENTE DE ETANOL HIDRATADO ...................................................................................... 112 6.3 RESULTADOS DA ANÁLISE ECONÔMICA DAS CONFIGURAÇÕES TESTADAS .......................................................................................................... 122 6.3.1 Resultados econômicos para os ensaios com misturas Diesel-etanol anidro . 123 6.3.2 Resultados econômicos para os ensaios com injeção de etanol hidratado ..... 126 6.4 SÍNTESE DOS RESULTADOS ........................................................................... 131 7 CONCLUSÕES ................................................................................................... 135 REFERÊNCIAS .................................................................................................. 137 APÊNDICES ........................................................................................................ 142 A ALGORITMO PARA LEITURA DE TEMPERATURA DA BANCADA ... 142 B RESULTADOS OBTIDOS EXPERIMENTALMENTE ................................ 145 B.1 INCERTEZA DE MEDIÇÃO ESTATÍSTICA ................................................ 145 B.2 RESULTADOS DOS ENSAIOS COM MISTURAS ....................................... 146 B.3 RESULTADOS DOS ENSAIOS COM SISTEMA DE INJEÇÃO INDEPENDENTE DE ETANOL HIDRATADO............................................. 171 C LIMITES DE EMISSÕES .................................................................................. 190 ANEXOS .............................................................................................................. 193 A CÉLULA DE CARGA ........................................................................................ 193 B SENSOR DE ROTAÇÃO ................................................................................... 194 C TERMISTOR ...................................................................................................... 194 D BALANÇA ELETRÔNICA ............................................................................... 195 E ANALISADOR DE GASES ............................................................................... 196 F ESPECIFICAÇÕES DO EAC, EHC E EHCP ................................................. 196 G ESPECIFICAÇÕES DO DIESEL ..................................................................... 198 H PODER CALORÍFICO INFERIOR DOS COMBUSTÍVEIS ....................... 200 PREFÁCIO Este trabalho foi desenvolvido no Laboratório Associado do Instituto de Pesquisa em Bioenergia da UNESP (IPBEN) no Câmpus de Ilha Solteira e está integrado às linhas de pesquisa de Energia e Sistemas Térmicos do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica (PPGEM). O trabalho está organizado em sete capítulos, os quais serão apresentados brevemente. O Capítulo 1 corresponde à introdução, que visa contextualizar o tema abordado, além de detalhar a motivação e os objetivos do trabalho. O Capítulo 2 traz uma revisão da literatura, apresentando as metodologias e os resultados obtidos por diversos autores no âmbito da aplicação de etanol anidro e hidratado em motores de ignição por compressão. O Capítulo 3 descreve todos os passos realizados na montagem da infraestrutura utilizada nos experimentos deste trabalho, envolvendo desde acompanhamento da construção do laboratório até a montagem final da bancada dinamométrica. O Capítulo 4 apresenta toda metodologia relacionada à instalação do sistema eletrônico independente de injeção de etanol hidratado no motor, onde foram detalhados os componentes utilizados e como foram adaptados para operar nesta configuração. O Capítulo 5 refere-se aos procedimentos experimentais que foram adotados na condução dos ensaios com misturas Diesel-Etanol Anidro e com injeção independente de Etanol Hidratado, além de descrever o procedimento para análise e tratamento dos resultados obtidos. O Capítulo 6 apresenta os resultados e discussões em termos de desempenho e de viabilidade econômica, obtidos experimentalmente: torque, potência, consumo específico de combustível de eixo, pressão média efetiva de eixo, emissões (CO, NO, NOx e SO2), custos de operação e valor presente líquido. O Capítulo 7 traz as conclusões do trabalho, o qual é composto por uma síntese dos resultados gerais alcançados, uma discussão das principais dificuldades encontradas no desenvolvimento do trabalho e algumas sugestões para trabalhos futuros. 25 1 INTRODUÇÃO A crise do petróleo nos anos 70 despertou o mundo para a busca de formas alternativas de energia. Em 1973, o preço do barril de petróleo saltou de US$2,91 para US$12,45 (aumento de 428%), motivando o governo brasileiro a adotar essa solução (BARROS, 2007). Assim, foi desenvolvido o Programa Nacional do Álcool (Pró-Álcool), idealizado pelo físico José Walter Bautista Vidal e pelo engenheiro Urbano Ernesto Stumpf. A política governamental foi estabelecida em 14 de novembro de 1975 por meio do decreto 76.593 e, desde então, o país passou a ampliar a produção da matéria-prima e a converter carros a gasolina em veículos movidos pelo combustível de origem vegetal (IPEA, 2010). Um dos objetivos centrais do programa era o desenvolvimento das técnicas e o aprimoramento da matéria-prima para a produção do álcool etílico, ou etanol. De 1975 a 1979, os esforços concentraram-se na produção de etanol anidro para ser acrescentado à gasolina. Os primeiros carros movidos totalmente a etanol hidratado só começaram a circular em 1978, após modificações nos motores (BARROS, 2007). Esta política econômica passou por inúmeras dificuldades ao longo dos anos e, em 2003, conseguiu consolidar-se com o início da comercialização de veículos bicombustíveis no Brasil. Em 2016, os veículos flex representaram quase 60% da frota total e os veículos a gasolina cerca de 30%, conforme apresentado na Figura 1 (SINDIPEÇAS, 2017). Figura 1 - Comparativo entre a frota de veículos a gasolina e bicombustíveis no país. Fonte: SINDIPEÇAS (2017). 26 Segundo a Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP, 2016a), o etanol é uma substância química com fórmula molecular C2H6O, produzida especialmente via fermentação de açúcares, principalmente da cana-de-açúcar, milho, beterraba, batata, trigo e mandioca. No Brasil, a cana-de-açúcar é a principal matéria-prima para produção deste biocombustível. A produtividade média de etanol da cana-de-açúcar é de 7,5 m3/ha, enquanto que para o milho, principal matéria-prima do álcool produzido nos Estados Unidos, é de 3,0 m3/ha (NOVACANA, 2017). Atualmente, o Brasil é um dos países que mais utilizam o etanol, sendo também o segundo maior produtor mundial. A produção e o processamento de cana-de-açúcar no Brasil são gerenciados pelo setor privado, que obtém os menores custos de produção do mundo, tanto de açúcar, como de álcool, despontando como um segmento altamente competitivo no mercado internacional (GONÇALVES, 2005). São duas as formas de utilização do etanol em motores: anidro e hidratado, sendo o primeiro utilizado para adição tanto na gasolina, como no Diesel, e o segundo, comercializado nos postos e utilizado diretamente nos motores de ignição por centelha. Seu uso reduz as emissões de gases de efeito estufa e diminui a dependência energética de combustíveis fósseis. A demanda pelo etanol brasileiro vem crescendo significativamente, não apenas devido ao aumento da frota de veículos flex, mas também em função do crescimento das exportações. Por isso, continua-se investindo no desenvolvimento da segunda geração deste combustível renovável, procurando um maior aproveitamento da energia oriunda da cana-de-açúcar, através da hidrólise do bagaço e da palha, de modo que seja possível aumentar em até 50% a oferta sem ter que alterar a área plantada (RAÍZEN, 2015). Por outro lado, o óleo Diesel é um combustível líquido derivado do petróleo, composto por hidrocarbonetos com cadeias de 8 a 16 carbonos e, em menor proporção, nitrogênio, enxofre e oxigênio, sendo utilizado principalmente nos motores de combustão interna de ignição por compressão (CI - Compression Ignition). Para atender às diversas aplicações do produto, vários tipos de Diesel são encontrados no mercado: S10 e S500 de uso rodoviário (veículos automotivos, máquinas agrícolas, máquinas de construção e máquinas industriais), S1800 de uso não rodoviário (mineração a céu aberto, transporte ferroviário e geração de energia elétrica) e óleo Diesel marítimo (ANP, 2016b). O Diesel automotivo S500 é assim chamado por conter 500 ppm (partes por milhão) de teor máximo de enxofre, sendo conhecido nos postos de serviço como “Diesel comum” e é adequado à frota de veículos a Diesel fabricados antes de 1º de janeiro de 2012. Por outro lado, o Diesel S10 contém o equivalente a um teor máximo de enxofre de 10 ppm, exigido pelas http://www.anp.gov.br/wwwanp/ 27 novas tecnologias de controle de emissões dos motores a Diesel fabricados a partir de 2012, as quais possibilitam a redução das emissões de material particulado em até 80% e de óxidos de nitrogênio em até 98% (PETROBRAS, 2017). A Figura 2 mostra a composição percentual da frota de veículos ao longo dos últimos anos em função do tipo de combustível. Observa-se nesta figura que a frota de veículos a Diesel permaneceu praticamente constante ao longo de dez anos. De acordo com a ANP (2017), em 2016 foram comercializados 54,279 bilhões de litros de óleo Diesel, representando redução de 5,1% se comparado ao ano anterior. Para suprir essa demanda, mais de 7,4 milhões de litros de óleo Diesel foram importados. Figura 2 - Evolução da frota nacional em função do combustível. Fonte: SINDIPEÇAS (2017). O Biodiesel passou a ser misturado ao Diesel fóssil em 2004 em caráter experimental e, entre 2005 e 2007, no teor de 2%, a comercialização passou a ser voluntária. A obrigatoriedade veio no artigo 2º da Lei n° 11.097/2005, que introduziu o biodiesel na matriz energética brasileira. Em janeiro de 2008, entrou em vigor a mistura legalmente obrigatória de 2% (B2), em todo o território nacional (ANP, 2016c). No entanto, por decisão do Conselho Nacional de Política Energética (CNPE) publicada em março de 2008, tornou obrigatória a adição de 3% de Biodiesel ao Diesel (B3) a partir de 1º de julho de 2008. Essa medida foi tomada no sentido de reduzir a importação de Diesel, causando um efeito positivo na balança comercial brasileira neste período (ANP, 2008). 28 De acordo com a ANP (2009), a partir de 1º de janeiro de 2010 passou a ser obrigatório o teor de 5% (B5) de Biodiesel em todo óleo Diesel consumido no Brasil, exceto o marítimo. Na época, previu-se uma economia de divisas da ordem de US$ 1,4 bilhão/ano devido à redução das importações de óleo Diesel. Com o amadurecimento do mercado brasileiro, esse percentual foi sucessivamente ampliado pelo CNPE. Em agosto de 2014, tornou-se obrigatória a adição de 6% de Biodiesel no Diesel (B6) e, em novembro deste mesmo ano, o teor aumentou para 7% (B7) (ANP, 2016c). Em 2016 foi lançado um cronograma de aumento do teor de Biodiesel a partir de 2017, conforme a Lei nº 13.623/2016 (ANP, 2016c):  até março de 2017 – 8% (B8);  até março de 2018 – 9% (B9);  até março de 2019 – 10% (B10). No entanto, a comercialização do B10 foi antecipada para março de 2018, um ano antes do que previa o cronograma oficial da Lei 13.263/2016. A decisão foi tomada durante uma reunião extraordinária do CNPE, que ocorreu no final de novembro de 2017 (RODRIGUES, 2017). A Figura 3 apresenta a Oferta Interna de Energia (OIE) no Brasil publicada pelo Ministério de Minas e Energia (MME) no Balanço Energético Nacional (BEN) de 2018, cujo ano base é 2017. Nota-se que cerca de 43% da matriz energética brasileira é composta por fontes renováveis. Os produtos derivados da cana respondem por 17% total. Figura 3 - Oferta Interna de Energia no Brasil em 2017. 1 - Inclui importação de eletricidade oriunda de fonte hidráulica. Fonte: MME (2018). 29 1.1 MOTIVAÇÃO Estudos para utilização de Biodiesel e/ou Etanol em conjunto com o Diesel nos motores de ignição por compressão têm grande importância no cenário nacional e mundial, visto que são combustíveis totalmente renováveis e reduzem o impacto ambiental, motivando a realização deste trabalho. Alguns estudos revelam que, para se produzir uma tonelada de cana-de-açúcar e fornecer à indústria, são consumidos por volta de 5,38 litros de óleo Diesel. O maior consumo é o agrícola, que corresponde a aproximadamente 3,5 l/tc (litros por tonelada de cana) e envolve os processos de preparo do solo, plantio e manejo. Em seguida, tem-se o consumo associado ao transporte que é estimado em 0,98 l/tc, e, por fim, o referente à colheita mecanizada que corresponde a 0,9 l/tc (NOVACANA, 2017). Na região noroeste paulista existem inúmeras empresas deste segmento, possibilitando parcerias no futuro para o desenvolvimento de pesquisas e novas tecnologias no sentido de reduzir o consumo de Diesel no plantio e transporte, substituindo parte dele por um combustível renovável, no caso o etanol. Nota-se que quando se fala em Diesel S500 ou S10, na verdade se trata do Biodiesel B10 (Diesel fóssil com 10% de Biodiesel). 1.2 OBJETIVOS O objetivo inicial é incrementar o Laboratório de Motores do IPBEN (Instituto de Pesquisa em Bioenergia da UNESP), estruturando as salas de controle e de ensaio de forma flexível e de acordo com as necessidades requeridas, bem como construindo a nova bancada dinamométrica, com a montagem dos seus componentes, sistemas de aquisição de dados e aparatos de medição. O passo seguinte é desenvolver uma avaliação experimental de alguns parâmetros de desempenho e de emissões de um motor de combustão interna de quatro cursos, de ignição por compressão, de aspiração natural e com bomba injetora em linha, operando com substituição parcial do Diesel por etanol. Na primeira etapa, o sistema de injeção de combustível será o original do motor, sem nenhuma modificação, sendo neste caso utilizado o etanol anidro por conta de sua melhor miscibilidade com o Diesel S500. Os percentuais de etanol anidro na mistura a serem investigados são: 5, 10, 15, 20 e 25% em volume. 30 Na segunda etapa, será instalado um sistema independente de injeção eletrônica de combustível para fornecer etanol hidratado diretamente no coletor de admissão. No entanto, este sistema operará em paralelo com o sistema original de injeção direta de Diesel do motor, alterando-se o débito da bomba injetora. Neste contexto, serão avaliados quais os melhores percentuais de substituição do Diesel pelo etanol para cada regime de funcionamento, nos limites das condições estabelecidas, buscando-se a melhoria do desempenho do motor e, consequentemente, a redução dos custos de operação. 31 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Neste capítulo será apresentada uma revisão bibliográfica a respeito da aplicação de biocombustíveis em motores de ignição por compressão de injeção direta, a qual está separada em função dos combustíveis utilizados e a forma com que são aplicados nos motores. 2.1. MISTURAS DIESEL-BIODIESEL-ETANOL Hulwan e Joshi (2011) analisaram a viabilidade de se utilizar elevados níveis de etanol nas misturas Diesel-etanol, com Biodiesel atuando como co-solvente. As misturas testadas foram: D70/E20/B10 (A), D50/E30/B20 (B), D50/E40/B10 (C). Os experimentos foram conduzidos em um motor multicilindro a Diesel de injeção direta, cujo avanço de injeção era inicialmente de 13° antes do ponto morto superior (APMS). Observou-se que o motor não funcionou com as misturas B e C quando operado com o avanço de injeção original, requerendo avanços de 18° a 21° APMS. No entanto, com o aumento do avanço da injeção houve um incremento na emissão de NO (monóxido de nitrogênio ou óxido nítrico) e uma elevação do pico de pressão no interior do cilindro. Em comparação com a operação com Diesel, os resultados obtidos com as misturas apresentaram: elevação no consumo específico de combustível de eixo (BSFC - Brake-Specific Fuel Consumption), leve aumento na eficiência térmica de eixo e redução drástica na opacidade da fumaça em elevadas cargas. As emissões de NO mostraram-se dependentes das condições de operação, enquanto que as emissões de CO (monóxido de carbono) decaíram em baixas cargas. A mistura B, a qual apresenta 50% de Diesel e contém teor de oxigênio de até 12,21% em massa, apresentou desempenho satisfatório, especialmente em operações em regime permanente na faixa até 1.600 rpm, mas não demonstrou nenhum benefício em relação ao máximo de emissão de particulados no teste de aceleração livre. Murcak et al. (2013) avaliaram o desempenho de um motor monocilindro de injeção direta a Diesel, operando com misturas entre Diesel e Etanol, sob diversos avanços de injeção. As misturas foram preparadas contendo 5, 10 e 20% de etanol em volume. A potência máxima foi obtida para a mistura de 10% de etanol e 90% de Diesel em 3.000 rpm e avanço de injeção de 45° APMS. O torque máximo foi alcançado operando com o mesmo combustível em 1.400 rpm e avanço de ignição de 25° APMS. O mínimo consumo específico de combustível de eixo 32 foi obtido para a mistura de 20% de Etanol e 80% de Diesel em 1.200 rpm e avanço de injeção de 35° APMS. Putrasari, Nur e Muharam (2013) analisaram experimentalmente a aplicação de misturas Diesel e Etanol em um motor de ignição por compressão, para diferentes cargas e percentuais de etanol na mistura. As misturas foram preparadas com etanol anidro a 99,6% de pureza. Os experimentos foram desenvolvidos utilizando-se 2,5; 5; 7,5 e 10% de etanol (em volume) da mistura e para as seguintes cargas: 0, 10, 20, 30, 40, 50 e 60 Nm. Para tanto, foram avaliados a potência, o consumo específico de combustível de eixo, a eficiência térmica de eixo, a temperatura dos produtos de combustão e a temperatura do óleo lubrificante. Os resultados indicaram que a potência de eixo do motor e a pressão média efetiva de eixo (BMEP - Brake Mean Effective Pressure) aumentaram com a elevação do percentual de etanol na mistura. Por outro lado, o consumo específico de combustível de eixo e a temperatura dos produtos de combustão decaíram, enquanto que a temperatura do óleo lubrificante também aumentou com a elevação do teor de etanol. Além disso, as emissões de CO, HC (hidrocarbonetos) e fumaça diminuíram. Gnanamoorthi e Devaradjane (2015) investigaram a influência da taxa de compressão no desempenho, combustão e características das emissões de um motor monocilindro a Diesel, de quatro cursos e naturalmente aspirado. Relações de compressão de 17,5; 18,5 e 19,5 foram consideradas, sendo variadas pela alteração nas dimensões da cavidade do pistão, mantendo-se o volume de deslocamento constante. Testes foram desenvolvidos com cinco diferentes misturas Diesel-etanol, nas proporções de 0, 10, 20, 30 e 40% de etanol. Para garantir a homogeneidade e evitar a separação de fases, 1% de acetato de etila e 1% de carbonato de dietila foram adicionados à mistura. Os autores não especificaram qual o tipo de etanol utilizado nos experimentos. Quando avaliado em plena carga, observou-se que a eficiência térmica de eixo aumenta com os percentuais mais elevados de etanol e a máxima relação de compressão. O aumento da relação de compressão e do teor de etanol na mistura melhoraram a combustão e o desempenho do motor. Além disso, promoveram uma diminuição significativa nas emissões de hidrocarbonetos, monóxido de carbono e fumaça; porém, obteve-se um aumento nas emissões de óxidos de nitrogênio (NOx). Murcak et al. (2015) estudaram o efeito do avanço da injeção no desempenho de um motor Diesel monocilindro. As misturas de combustível foram preparadas pela adição de etanol com pureza de 96% ao Diesel nas proporções de 5, 10 e 20% em volume. Para alterar o avanço da injeção, um mecanismo de came ajustável foi conectado ao motor de teste. Os resultados mostraram que a potência máxima do motor foi obtida em 2.400 rpm para 5% de adição de 33 etanol e com avanço de injeção de 35° APMS. O torque máximo do motor foi obtido em 1.200 rpm para a mesma mistura Diesel-etanol, com o avanço da injeção de 25° APMS. O mínimo consumo específico de combustível de eixo foi alcançado a 1.000 rpm com avanço da injeção de 35° APMS para a mesma mistura. Alptekin (2017) utilizou o etanol e o isopropanol, ambos com purezas acima de 99%, como aditivos ao Diesel em duas proporções, sendo a primeira composta por 15% de etanol e 85% de Diesel e a segunda por 15% de isopropanol e 85% de Diesel. Um motor Diesel de injeção direta do tipo de linha comum de alta pressão (CRDI - Common Rail Direct Injection) foi utilizado nos ensaios, sendo possível analisar o desempenho, a combustão, a injeção e os níveis de emissões. O mesmo foi testado sob três condições de rotação (1.500, 2.000 e 2.500 rpm) e quatro condições de pressão média efetiva de eixo (3,3; 5,0; 6,6 e 8,3 bar). De acordo com os resultados experimentais, as misturas de etanol com Diesel provocaram um aumento do consumo específico de combustível de eixo. Os valores máximos da pressão no interior do cilindro (MCP - Maximum Cylinder Pressure) obtidos para as duas misturas foram ligeiramente superiores ao alcançado quando se operou com Diesel puro. Os resultados dos testes de emissão revelaram que o motor Diesel alimentado com misturas Diesel-etanol emitiu níveis superiores de THC (Total Hydrocarbons), CO e NOx em comparação com o Diesel puro. As misturas de etanol não afetaram significativamente as emissões de CO2 (dióxido de carbono). As misturas de Diesel-etanol e Diesel-isopropanol tiveram resultados similares para os processos de combustão e níveis de emissões. Jamrozik (2017) avaliou o desempenho de um motor Diesel estacionário monocilindro, operando com misturas Diesel-metanol e Diesel-etanol. No artigo, o autor não explicita os tipos de metanol e etanol utilizados. O percentual volumétrico de álcool nas misturas variou de 0 a 40%. As misturas Diesel-metanol com teores de metanol de até 30% produziram um efeito positivo na eficiência térmica indicada do motor e não provocaram alterações significativas nos valores da pressão média efetiva indicada (IMEP - Indicated Mean Effective Pressure). Além disso, observou-se nesses casos uma redução substancial das emissões de monóxido de carbono, dióxido de carbono e hidrocarbonetos. O aumento do percentual em volume de metanol acima de 30% causou alterações no processo de combustão, ocasionando um declínio substancial na pressão do interior do cilindro e, consequentemente, redução do torque gerado. No caso das misturas Diesel-etanol, o trabalho gerado pelo motor e a eficiência térmica indicada aumentaram em todos os casos testados, mantendo-se o nível da pressão média efetiva indicada constante. Nestes casos, as emissões de CO foram reduzidas, enquanto que as emissões de THC e CO2 permaneceram praticamente inalteradas. No entanto, notou-se um efeito negativo sobre 34 as emissões de óxidos de nitrogênio quando alimentado com ambas as misturas (Diesel-metanol e Diesel-etanol). Paul, Panua e Debroy (2017) desenvolveram uma análise completa de um motor CI, o qual foi alimentado com uma série de misturas entre Diesel, etanol e éster metílico de Pongamia Piñata (PPME). Neste estudo, o percentual de PPME foi fixado em 50% e o percentual de etanol variou de 5 a 20%, com intervalos de 5%. Segundo os autores, o etanol foi obtido em postos de abastecimento e em lojas de produtos químicos, no entanto não se especifica o tipo. Os resultados obtidos mostraram que a mistura D35E15B50 (35% de Diesel, 15% de etanol e 50% de PPME) apresentou os melhores parâmetros de desempenho, a saber: 21,17% de aumento na eficiência térmica de eixo e 4,61% de redução no consumo específico de energia de eixo (BSEC - Brake Specific Energy Consumption) em plena carga. A análise da combustão revelou aumento da pressão no interior do cilindro e da taxa de liberação de calor, indicando melhoria na condição de combustão para a mistura mencionada. Além disso, esta mistura mostrou uma queda substancial das emissões de hidrocarbonetos e de monóxido de carbono não queimados, mas foi penalizada com um ligeiro aumento da emissão de NOx. Para as mesmas condições de operação, a análise da exergia mostrou um aumento de 25,64% na eficiência exergética, diminuição de 22,02% na taxa de destruição de exergia e redução de 21,06% na taxa de geração de entropia. Tutak et al. (2017) apresentaram os resultados de uma análise comparativa da combustão de misturas de etanol hidratado com Diesel e etanol hidratado com Biodiesel em diferentes proporções. Os testes foram conduzidos em um motor de ignição por compressão, monocilindro e naturalmente aspirado, operando em rotação constante de 1.500 rpm. Ensaios experimentais foram realizados para avaliar os efeitos do uso do etanol hidratado como aditivo para melhorar o desempenho, níveis de emissões e características da combustão. O motor abastecido com a mistura Diesel-etanol apresentou maiores valores para pressão média efetiva indicada e eficiência térmica indicada (ITE - Indicated Thermal Efficiency). Neste caso, o maior valor da ITE foi obtido para um percentual de 35% de etanol na mistura. Quanto à mistura Biodiesel-etanol, valores similares de ITE (31%) foram obtidos em toda a gama da fração de etanol na mistura. Nos testes com Biodiesel puro e Diesel puro o atraso de ignição foi próximo de 17° APMS para ambos. Os maiores níveis de emissão de NOx foram obtidos para a mistura de 30% de etanol no Diesel, sendo que as emissões de THC e NOx aumentaram até a fração de 35% de etanol no Diesel. 35 2.2. SISTEMAS INDEPENDENTES DE INJEÇÃO DE ETANOL E DIESEL-BIODIESEL Egúsquiza (2011) conduziu testes experimentais em um motor de ciclo Diesel MWM 4.10 TCA, operando com etanol hidratado ou gás natural em substituição parcial ao Diesel. A partir do diagrama indicador, foram determinados alguns parâmetros característicos da combustão, tais como início da combustão, taxa máxima de aumento da pressão e o pico de pressão no interior dos cilindros. Os parâmetros de desempenho e emissões do motor foram analisados através da eficiência térmica e das concentrações de monóxido de carbono, hidrocarbonetos, material particulado (MP) e óxidos de nitrogênio. Os resultados mostraram que a operação dual de injeção, com altos índices de substituição do Diesel, favorece uma melhoria na queima dos combustíveis alternativos, refletindo em uma redução nas emissões de CO e MP, e em um pequeno aumento na eficiência térmica do motor. Por outro lado, houve um aumento nas emissões de NOx e, à medida que se aumentou o avanço de injeção de Diesel, foi possível observar-se um ruído mais elevado gerado pelo motor, indicando alterações no processo de combustão. Ferreira et al. (2013) mostraram o perfil de desempenho e emissão de um motor a Diesel operando com injeção de etanol no coletor de admissão em conjunto com injeção a alta pressão de uma mistura entre Diesel e Biodiesel. A injeção de etanol utilizou um sistema de controle eletrônico que detectava o pulso de alta pressão na linha de injeção do Diesel, como uma referência para o sincronismo de acionamento dos injetores. Testes foram feitos em um motor operando a 1.800 rpm, conectado a um gerador de eletricidade. A injeção de combustível a alta pressão operou sempre com uma mistura binária de Diesel e Biodiesel, a qual foi suplementada pela injeção de etanol, produzindo cinco diferentes composições. A primeira composição testada foi a mistura binária sem etanol, enquanto que as demais apresentaram um incremento gradual de etanol na composição. A quinta composição utilizou 15% de etanol e 0,4% de peróxido de di-terc-butil, o qual foi adicionado ao combustível principal. A adição de etanol levou a redução nas emissões de NOx e na opacidade da fumaça, mas mostrou um aumento nas emissões de CO e THC. A análise energética permitiu detectar um decréscimo na eficiência térmica do motor com a adição de etanol. No entanto, o uso do aditivo peróxido de di-terc-butil ocasionou um pequeno aumento da eficiência térmica e redução das emissões de CO e THC. Foi verificada uma significativa redução na temperatura do ar de admissão com o uso do etanol, permitindo afirmar que parte da redução de NOx pode ser atribuída à diminuição da temperatura do ar. 36 2.3. SÍNTESE DAS INFORMAÇÕES EXTRAÍDAS DAS REVISÕES A partir de uma análise das referências apresentadas neste capítulo pode-se apontar que a adição de etanol anidro ao Diesel promove aumento nas emissões de óxidos de nitrogênio (NOx), o que é explicado pelo aumento da temperatura no interior da câmara de combustão. No entanto, em muitos casos a adição de etanol anidro em diversas proporções reduz as emissões de CO e hidrocarbonetos. Também, o uso do etanol anidro combustível em misturas com o Diesel pode contribuir para a redução de fumaça e material particulado emitidos pelo motor em diversos regimes de funcionamento, pois o etanol anidro possui alto conteúdo de oxigênio e elevada volatilidade, otimizando o processo de combustão. Além disso, notou-se que para proporções de etanol anidro acima de 20% em volume da mistura há uma redução considerável na potência de eixo gerada pelos motores, pois o etanol reduz o número de cetano e o poder calorífico inferior do combustível final, alterando todo processo de liberação de energia no evento de combustão. Uma possível solução para este problema é alterar o avanço de injeção de combustível para contornar o aumento do atraso de ignição que ocorre nestas misturas, adaptando-o para a proporção e regime de funcionamento desejados. Outra forma seria a adição de aditivos à mistura, garantindo a elevação do número de cetano do combustível final. Outra questão vista em alguns trabalhos é referente à miscibilidade de etanol anidro ou hidratado ao Diesel. Para determinadas proporções, especialmente em baixas frações, observou- se que o etanol anidro é totalmente miscível, independente da composição do Diesel, temperatura e tempo de permanência. Com relação ao etanol hidratado, mesmo em proporções abaixo de 2,5% em volume, tem-se a separação das fases. Nestes casos, o Biodiesel pode ser adicionado à mistura Diesel- etanol hidratado para atuar como aditivo e garantir a miscibilidade dos componentes. Existem diversos aditivos químicos que estão sendo estudados e aprimorados para este fim. No presente trabalho, serão descritos alguns testes que foram conduzidos em laboratório para verificar as características das misturas entre etanol anidro e hidratado ao Diesel comum (S500), que atualmente contém 10% em volume de Biodiesel (B10) em sua composição. 37 3 MONTAGEM DA INFRAESTRUTURA PARA ENSAIOS DE MOTORES O laboratório associado do Instituto de Pesquisa em Bioenergia (IPBEN) no Câmpus de Ilha Solteira foi inaugurado em dezembro de 2016. A estrutura faz parte do Centro Paulista de Pesquisa em Bioenergia, criado através de uma ação conjunta entre o governo do estado de São Paulo, a Fapesp e as universidades estaduais paulistas. Trata-se de um ambiente multidisciplinar que possui cerca de 500 m2, cujas principais áreas de pesquisa são: fabricação de biocombustíveis, aplicações de biocombustíveis em motores de combustão interna e sustentabilidade socioeconômica e ambiental dos biocombustíveis. Nesse prédio, existe um laboratório para ensaios de motores de combustão interna, o qual é constituído por duas salas, sendo uma destinada aos testes experimentais e a outra, localizada ao lado, utilizada para o monitoramento e controle da bancada dinamométrica e, também, para a montagem e preparação dos motores a serem ensaiados. Vale destacar que os componentes e matérias-primas utilizados na montagem do laboratório foram adquiridos com recursos financeiros da FEIS (Faculdade de Engenharia de Ilha Solteira) e, muitos deles, dos próprios pesquisadores. A fabricação das peças e acessórios utilizados na montagem deste sistema foi conduzida na Oficina do Departamento de Engenharia Mecânica, localizada no Câmpus I da FEIS. Nos subcapítulos apresentados adiante serão descritos os principais componentes que integram a bancada de ensaios; os processos envolvidos na construção do laboratório de testes de motores; a montagem da bancada dinamométrica; as melhorias realizadas tanto no freio eletromagnético quanto no motor; e, também, como foi conduzida a instalação do sistema de monitoramento e controle da bancada. 3.1 DESCRIÇÃO DOS EQUIPAMENTOS 3.1.1 Motor de combustão interna O modelo empregado nos ensaios é o OM-352, fabricado pela Mercedes-Benz. Trata- se de um motor de ignição por compressão que opera segundo um ciclo de quatro cursos, naturalmente aspirado, e que possui sistema de injeção direta de combustível com bomba injetora em linha. As demais informações sobre o mesmo se encontram na Tabela 1. 38 Tabela 1 - Principais características construtivas e operacionais do Motor OM-352. Número de cilindros 6 Diâmetro dos cilindros 97 mm Curso 128 mm Volume de deslocamento total 5.675 cm3 Potência máxima 96 kW a 2.800 rpm Torque máximo 363 Nm a 2.000 rpm Temperatura de operação 80 °C Fonte: Mercedes-Benz (1985). Este motor era fornecido em diferentes configurações no mercado interno para atender diversos segmentos, como caminhões rodoviários, tratores, colheitadeiras e aplicações estacionárias (bombas centrífugas, compressores de ar e geradores de energia elétrica). Os modelos mais modernos eram equipados com turbocompressor e intercooler (série OM- 352LA), e geravam cerca de 127 kW. O motor utilizado nos ensaios é do tipo agrícola e vem equipado com uma bomba injetora Bosch em linha. Por isso, a faixa de rotação máxima que o motor alcança é de 2.300 rpm. A Figura 4 apresenta uma vista lateral do motor utilizado no presente trabalho. Figura 4 - Vista lateral do motor OM-352. Fonte: Próprio autor. Uma manutenção preventiva foi realizada antes de iniciar os testes. Por isso, a bomba injetora foi desmontada e enviada a uma empresa especializada para revisão dos componentes e verificação da regulagem. Os filtros de combustível, filtro de ar e todas as mangueiras do sistema de alimentação foram substituídos. 39 O óleo lubrificante e o fluido de arrefecimento foram drenados e, em seguida, o alojamento do filtro de óleo e o cárter foram removidos para limpeza. Com isso, o filtro e a junta do cárter foram substituídos, as peças foram reinstaladas e o novo óleo foi adicionado. O fluido de arrefecimento escolhido possui aditivos que previnem a oxidação dos componentes do sistema, além de aumentar sua capacidade térmica. 3.1.2 Freio eletromagnético O dinamômetro utilizado nos experimentos corresponde a um freio eletromagnético, cuja intensidade de frenagem é controlada por um circuito eletrônico próprio. O modelo utilizado é o TDB500, fabricado pela TopDyno, localizada em Curitiba (PR). A capacidade máxima do equipamento é de 500 cv. Nesse equipamento, um campo gerado pelas bobinas eletromagnéticas atua sobre os discos do freio, criando um torque de reação contrário ao sentido de rotação do conjunto, estabilizando a rotação do sistema em uma faixa predefinida pelo operador. O torque desenvolvido pelo freio é medido continuamente por uma célula de carga, enviando o sinal diretamente à central. O freio eletromagnético transforma a energia mecânica fornecida pelo motor em calor, o qual é gerado nas bobinas eletromagnéticas e posteriormente dissipado pelo seu sistema de arrefecimento. A Figura 5 ilustra o freio eletromagnético utilizado nos experimentos deste trabalho. Figura 5 - Freio Eletromagnético TDB500. Fonte: Próprio autor. 40 De acordo com o fabricante do dinamômetro, a TopDyno, a calibração do aparelho é feita calculando-se a inércia rotacional do conjunto a partir da massa específica do material e da geometria das peças. As perdas de potência intrínsecas ao aparelho também são medidas e compensadas. Deste modo, o sistema atinge precisão ao redor de 1% e repetibilidade na obtenção dos resultados na ordem de 0,1%. Antes dos ensaios, o freio também foi submetido a uma manutenção preventiva. O óleo lubrificante do mancal interno foi esgotado e substituído, sendo aplicado o Lubrax TRM 4 (80W), que atende às especificações dos rolamentos. Os mancais externos foram desmontados para limpeza e troca da graxa lubrificante. Pontos passíveis de melhorias no projeto do freio foram detectados através da realização de testes preliminares, sendo estas implementadas no decorrer do trabalho. O equipamento precisou ser totalmente desmontado para que as alterações pudessem ser realizadas, as quais serão descritas detalhadamente mais adiante. 3.2 CONSTRUÇÃO E MONTAGEM DA BANCADA DINAMOMÉTRICA A bancada dinamométrica foi desenvolvida e aprimorada no decorrer deste trabalho, sendo composta pelo freio eletromagnético, torre de resfriamento e sistema de controle e aquisição de dados. O motor de combustão interna é acoplado diretamente ao freio, possibilitando o levantamento dos seguintes dados: rotação, torque, potência de eixo, consumo específico de combustível, composição dos produtos de combustão, além de outras características operacionais. O motor e o freio eletromagnético foram instalados sobre uma base inercial, a qual foi projetada e construída em concreto armado e apresenta 0,8 m de largura, 2,5 m de comprimento e 0,8 m de altura, sendo 0,2 m acima do contrapiso. Para servir como molde desta base, foi confeccionado um quadro com cantoneiras de aço de 2” de aba e espessura de 5/16”, barras de vergalhão de 1/4” para o travamento e placas de madeira nas laterais, com intuito de armazenar o concreto despejado. No sentido de reduzir os níveis de vibração transmitidos ao prédio, foi inserido cascalho de pedra na parte inferior da base. Uma vez concretada, foram posicionadas placas de isopor de 2 cm de espessura nas laterais da base para servir como junta de dilatação entre o piso do laboratório e a própria base, isolando cada uma das partes. O piso foi construído em seguida, respeitando uma espessura mínima de 12 cm. 41 É possível visualizar as principais etapas de construção da base inercial através das Figuras 6 e 7. Na Figura 6, tem-se o posicionamento do molde no interior do laboratório. O mesmo foi travado entre as paredes por peças de madeira para garantir o alinhamento e, em seguida, foi despejado o concreto, conforme pode ser visto na Figura 7. Por sua vez, a Figura 8 mostra a base e o piso já concluídos. Figura 6 - Estrutura da base inercial. Figura 7 - Base inercial após concretagem. Fonte: Próprio autor. Fonte: Próprio autor. Figura 8 - Base inercial e contrapiso finalizados. Fonte: Próprio autor. 42 Antes da concretagem, quatro eletrodutos de 3/4” foram instalados junto à base para a passagem, em separado, dos cabos de energia e sinal dos sensores, interligando a sala de testes com a sala de controle, sendo um par destes dutos destinado ao motor e o outro par ao dinamômetro. Os cabos de energia do motor são empregados na conexão do painel, localizado na sala de controle, com a bateria, chave de ignição, motor de partida e luzes de pressão do óleo e fim de curso do acelerador. Os cabos de sinal enviam os dados dos sensores de temperatura, balanças eletrônicas e analisador de gases ao computador principal. No lado do freio eletromagnético, dois cabos de energia alimentam suas bobinas e outros dois fornecem tensão de 220 V à torre de resfriamento, acionando o ventilador e a bomba. Os cabos de sinal do freio estão conectados aos sensores de temperatura, célula de carga e sensor de rotação. Depois de finalizado o tempo de cura do concreto da base e do piso, passou-se para a instalação do motor e do freio eletromagnético sobre a base inercial. Este procedimento levou cerca de duas semanas para ser concluído, pois foi preciso inicialmente desmontar a bancada anterior e posicionar adequadamente o freio eletromagnético e o motor na nova base. O transporte desses equipamentos foi realizado com auxílio de uma empilhadeira manual, com capacidade para 2.000 kg, cedida pela Oficina do Departamento de Engenharia Mecânica da FEIS/UNESP. Em seguida, os quatro furos de cada um dos suportes foram marcados na base de concreto e o conjunto foi novamente desmontado para que se pudesse furar a base inercial. Uma furadeira do tipo martelete e uma broca própria para concreto de alta resistência foram utilizadas neste processo. Nesta configuração os três suportes do freio eletromagnético e os quatro suportes do motor foram fixados na base de concreto por meio de chumbadores do tipo CBC de 3/8”, os quais, com base em informações apresentadas por empresas especializadas, tratam-se do modelo mais indicado para aplicações que estão submetidas a vibrações forçadas, justificando, assim, a escolha, tendo em vista as características de operação do sistema. Para garantir maior rigidez e evitar vibrações no sistema, foram confeccionados quatro braços para o travamento dos suportes da bancada. Dois braços foram instalados entre as duas bases do freio eletromagnético e os outros foram utilizados para travar o mancal dianteiro do freio junto ao bloco do motor, os quais seguem ilustrados nas Figuras 9 e 10, respectivamente. Também é possível visualizar em detalhes a fixação dos suportes na base de concreto através dos chumbadores. 43 Figura 9 - Braço de travamento dos suportes do freio. Fonte: Próprio autor. Figura 10 - Braço de travamento do freio junto à carcaça do motor. Fonte: Próprio autor. Esses braços foram confeccionados em cantoneiras de aço de 1” de aba e espessura de 1/4”. Para travamento junto aos suportes, foram soldadas chapas de 1/2” de espessura nas extremidades dos braços, servindo como base para a confecção de uma rosca M10 x 1,5 mm em cada lado. Posteriormente, parafusos foram utilizados para a instalação dos braços nos suportes. O passo seguinte foi a instalação da célula de carga junto ao freio eletromagnético. O modelo utilizado é o TSA com capacidade para 1.000 kg, fabricado pela AEPH do Brasil. As informações técnicas relacionadas às características de funcionamento e ao diagrama elétrico deste sensor seguem dispostas no Anexo A. 44 O suporte principal da célula de carga foi fixado por meio de chumbadores, seguindo o procedimento detalhado anteriormente. Para isso, uma base em alumínio foi projetada e confeccionada para alojar o terminal rotular inferior do sensor. A base possui um furo na lateral com rosca M16 x 2,0 mm para o travamento desse terminal e dois furos na parte inferior para sua fixação junto ao suporte principal por parafusos M10 x 1,5 mm. O terminal rotular superior da célula de carga é fixado diretamente na lateral do freio eletromagnético, onde existe uma base própria para este fim, também confeccionada em alumínio, a qual é responsável por transferir toda força de frenagem à célula de carga. No entanto, foi necessário apenas adicionar um furo com rosca M16 x 2,0 mm para garantir o travamento deste elemento. A Figura 11 mostra o suporte da célula de carga devidamente instalado. Figura 11 - Suporte completo da célula de carga. Fonte: Próprio autor. Os terminais rotulares que foram instalados nas extremidades da célula de carga garantem o funcionamento adequado do sensor, pois não restringem sua deformação na direção Terminal superior Terminal inferior Célula de carga 45 axial no instante em que o torque de frenagem é aplicado ao motor. A instalação elétrica deste sensor foi realizada com base nos fundamentos apresentados nos manuais técnicos do sensor e da central eletrônica, ambos fornecidos pelo fabricante do dinamômetro. Buscando a renovação do ar na sala de ensaios, um exaustor foi instalado na parede oposta à porta de entrada. O equipamento também opera em modo reverso, ou seja, basta alterar a posição do interruptor que o mesmo passa a operar como ventilador, dependendo da necessidade. O modelo utilizado é fabricado pela Venti-Delta, possui 40 cm de diâmetro, potência de 1/4 cv e vazão volumétrica de 4.200 m3/h. O calor gerado pelo freio eletromagnético é absorvido e dissipado pela torre de resfriamento, a qual foi instalada fora do laboratório de ensaios a fim de facilitar a transferência de calor para o ambiente externo. Para isso, foram feitas duas conexões na parede que faz interface com a torre, sendo uma para o envio e outra para o retorno do fluido de arrefecimento. A Figura 12 mostra a torre de resfriamento devidamente instalada. Figura 12 - Torre de resfriamento do dinamômetro. Fonte: Próprio autor. Essas conexões foram construídas em tubos de aço galvanizado de 1” de diâmetro, onde roscas foram confeccionadas em suas extremidades para a instalação de acessórios, como luvas, niples, curvas de 90° e conectores para mangueira de 3/4”. Optou-se por utilizar os componentes em aço pelo fato da temperatura de trabalho ultrapassar 55 °C. Ao lado dessas conexões foi posicionado um tubo de PVC de 1/2” de diâmetro para a passagem dos cabos de alimentação da bomba e do ventilador, os quais compõem a torre de 46 resfriamento e ficam alojados na parte interna de sua estrutura. É possível observar essas conexões através da Figura 13. Figura 13 - Conexões da torre de resfriamento com a sala de teste. Fonte: Próprio autor. O acionamento da torre de resfriamento é realizado a partir da sala de controle, onde um disjuntor bipolar de 220 V e 25 A foi instalado acima da mesa principal. É importante destacar que a bomba e o motor do ventilador estão ligados em paralelo, ou seja, são acionados simultaneamente pelo disjuntor. Na época da construção da sala de controle, cabos específicos foram passados pelos eletrodutos para o acionamento da central eletrônica e da torre de resfriamento. Estes cabos foram conectados junto ao painel de energia que fica na Oficina do IPBEN. Com isso, garante- se mais segurança ao sistema, tendo outros dois disjuntores neste painel. 3.3 ALTERAÇÕES NO PROJETO DO FREIO ELETROMAGNÉTICO Após alguns testes preliminares na bancada dinamométrica, notou-se o início de um ruído excessivo vindo dos mancais internos do freio. Por isso, o mesmo foi desmontado e algumas alterações foram realizadas com intuito de melhorar seu funcionamento, as quais serão descritas na sequência. Na configuração original, o mancal interno do freio foi montado com dois rolamentos do tipo rígido com uma carreira de esferas. Segundo o fabricante, o mancal deve operar com 47 óleo lubrificante com classificação SAE 80W. No entanto, este componente faz interface com as duas caixas que abrigam os discos de freio (esquerdo e direito), onde há escoamento permanente do fluido de arrefecimento. Dois retentores do tipo BA (vedação principal de borracha com mola e diâmetro externo de metal) eram utilizados para evitar a contaminação do óleo lubrificante, sendo um instalado em cada interface (retentor interno), conforme pode ser visto através da Figura 14. Figura 14 - Vista em corte longitudinal do freio eletromagnético. Fonte: Adaptado do manual técnico fornecido pela TopDyno. Uma vez desmontado, notou-se que duas buchas de aço eram utilizadas como pistas internas desses retentores. As buchas foram usinadas e prensadas no eixo principal do freio, porém apresentavam aca