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COMUNICAÇÃO TÉCNICA ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Nº176050
Tecnologia de motores de combustão interna utilizando GNV/Biogás/Etanol
Marco Isola Naufal Sérgio Inácio Ferreira
Palestra apresentada no WORKSHOP ESTRATÉGICO SOBRE DESAFIOS PARA O DESENVOLVIMENTO DE CAPACITAÇÃO E APLICAÇÃO DA TECNOLOGIA PARA O USO DE BIOCOMBUSTÍVEIS NAS ATIVIDADES DE PRODUÇÃO NO AGRONEGÓCIO BRASILEIRO, 2019, Piracicaba.
A série “Comunicação Técnica” compreende trabalhos elaborados por técnicos do IPT, apresentados em eventos, publicados em revistas especializadas ou quando seu conteúdo apresentar relevância pública. ___________________________________________________________________________________________________
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Tecnologia
de Motores de Combustão Interna
Utilizando GNV/Biogás/Etanol
Workshop Biogás – Piracicaba – 24/04/2019
Eng. Marco Isola Naufal
Msc. Marcos Henrique Carvalho Silva
Dr. Sergio Inacio Ferreia
Lukas Kretschmar Waeny
Gás natural GNV:
Durante 2017, 130 mil motoristas converteram seus veículos em gás natural (GNC), um
crescimento de 45% em relação a 2016. A economia explica essa evolução: entre junho e
dezembro do ano passado, os preços da gasolina e diesel aumentaram em mais de 15%.
E o GNV, 3,73%. Cerca de 2 milhões de carros no Brasil podem rodar com GNV.
(Fonte: Comgas)
Cenário Brasil
- Duas novas reservas de petróleo (pré-sal) foram descobertas na costa do Brasil, e o
gás natural foi reinjetado no fundo do mar, mas a oferta de GNL está aumentando
consideravelmente e já existem gasodutos transportando gás do pré-sal;
- As reservas de petróleo estão próximos da costa dos principais mercados consumidores
(São Paulo e Rio de Janeiro);
- O GNV tem a capacidade de diminuir consideravelmente as emissões de dióxido de
carbono;
- Fonte firme, sem a intermitência de fontes como eólica e solar;
- Potencial para preparar o caminho para fontes mais renováveis, como o biogás.
Cenário Brasileiro para Gás Natural
Biogás / Renovabio:
Criado pela Lei nº 13.576 / 2017, este programa visa ampliar a produção de
biocombustíveis no Brasil com base na previsibilidade, na sustentabilidade
ambiental, econômica e social, e na compatibilidade com o crescimento do
mercado.
Cenário Brasil
- Clima tropical benéfico para a biodigestão;
- Mais de 200 milhões de habitantes, 80% vivendo em áreas urbanas (resíduos
urbanos);
- A única fonte de energia que tem pegada de carbono negativa em seu ciclo;
- Fonte firme, sem a intermitência de fontes como a eólica e a solar.
Cenário Brasileiro para o Biogás
Diesel-gás VS Gás dedicado
Diesel-gás
- Funcionamento com dois
combustíveis simultaneamente
(óleo diesel e gás/biogás),
sendo que o diesel (combustível
piloto) iniciará a combustão do
gás/biogás (combustível
primário).
- - Ignição por compressão na
injeção combustível piloto.
Gás dedicado
Funcionamento exclusivamente a
gás/biogás, geralmente em motores
pesados/agrícolas. É usado um
motor a diesel convertido/ottolizado
com cabeçote modificado, equipado
com velas de ignição.
- Ignição dada pela centelha da vela
de ignição.
Combustão em Motores Diesel-Gás
Pressão na câmara de combustão
Diesel Diesel-gás
(Fonte: FARAMAWY, S.; ZAKI, T.; SAKR, AA-E, 2016.)
Combustão em Motores Diesel-Gás
Taxa líquida de liberação de calor
Diesel Diesel-gás
(Fonte: FARAMAWY, S.; ZAKI, T.; SAKR, AA-E, 2016.)
Emissões de Hidrocarbonetos de
Motores Diesel-gás
“A toxicidade dos hidrocarbonetos provém de cadeias maiores (principalmente
benzopirenos e aldeídos, de acordo com Patrakhaltsev, 1994) sendo, portanto,
necessária uma discriminação das emissões de HC do metano e HC não
metano, a qual favoreceria aos motores Diesel-gás.” (Egúsquiza, 2006, pg. 22)
- No ETC para motores a gás natural, CH4(metano) e NMHC (hidrocarbonetos
não metanosos) são normatizados separadamente.
- Veículos pesados operando com mistura diesel-gás devem ser submetidos à
mesma normatização da operação monocombustível com diesel.
- Somente motores diesel monocombustíveis operando com gás são
reconhecidos pela norma como “motores a gás”.
(Resolução CONAMA Nº 403/2008.)
Vantagens e Desvantagens da Tecnologia Diesel-gás
Vantagens
Não é necessária modificações
complexas no motor
possibilitando o retrofit;
Na ausência do gás/biogás o
motor pode funcionar somente
com o óleo diesel;
O kit de conversão pode ser
desinstalado de um motor e
instalado em outro motor diferente
sendo necessária apenas a
calibração do mesmo.
-
Desvantagens
Baixa taxa de substituição para
motores não-estacionários;
Necessidade de dois tanques
de combustível separados;
Necessidade de local ou veículo
de reabastecimento com
tanques e sistemas separados;
Somente motores ciclo diesel
monocombustíveis operando
com gás são reconhecidos pela
norma como “motores a gás”.
Tecnologias para Motores Gás
Dedicado
- Mistura homogênea e estequiométrica ciclo Otto com
catalisador de três vias;
- Mistura pobre ciclo Otto com SCR;
- EGR;
- Injeção direta;
- Utilização de ciclos alternativos como ciclo Miller.
Combustão em Motores Bicombustíveis
Modificado de: Road and Track, 2018.
(Combustível
Primário) (Combustível Piloto)
Diesel-etanol
Fonte: Shijun Dong, Zhaowen Wang⁎, Can Yang, Biao Ou, Hongguang Lu, Haocheng Xu, Xiaobei Cheng, 2018.
Mistura Homogênea e Estequiométrica
Ciclo Otto com Catalisador de Três Vias
- Funcionamento igual a um veículo a GNV porém sem a opção de mudar
para combustível líquido;
- O catalisador de três vias é encarregado da redução e da oxidação das
emissões e, para que funcione, é necessário um funcionamento com
mistura estequiométrica, o que reduz a eficiência térmica do motor quando
comparada a motores com queimas com mistura pobre;
VANTAGENS:
- Funcionamento simplificado, ajuda no desenvolvimento de sistemas de
controle, pois já existem para motores leves;
- Sistema de pós tratamento simplificado, não necessita de reagentes como
ureia purificada;
DESVANTAGENS:
- Menor rendimento térmico/maior consumo.
Mistura Pobre com SCR
- Funcionamento parecido com motores ciclo Diesel: mistura pobre e altas
emissões de NOx;
- O catalisador SCR é encarregado da redução das emissões de NOx.
Estas emissões são incrementadas com as altas taxas de liberação de
calor que atingem o motor Diesel, o que aumenta a eficiência térmica
quando comparada a queimas homogêneas com mistura estequiométrica;
VANTAGENS:
- Maior rendimento térmico/menor consumo;
DESVANTAGENS:
- Funcionamento mais complexo: necessita de calibração para evitar o risco
de falha de ignição;
- Sistema de pós tratamento complexo: necessita de reagentes como ureia
purificada;
EGR – Recirculação de Gases do
Escape
Sistema usado tanto em motores ciclo Otto como no ciclo Diesel. Tem
capacidade de reduzir a temperatura da combustão e, consequentemente,
evitar que o nitrogênio contido no ar sofra oxidação por altas temperaturas;
- O sistema EGR pode ser arrefecido, o que melhora a eficiência do motor;
VANTAGENS:
- Redução das emissões de NOx;
- Melhoria do rendimento térmico/redução do consumo;
DESVANTAGENS:
- Aumento da complexidade do motor;
Injeção Direta de Combustível
O sistema de injeção de gás diretamente
na câmara de combustão tem a
capacidade de estratificar a mistura do
combustível e comburente.
VANTAGENS:
- Melhoria do torque;
- Melhoria do rendimento
térmico/redução do consumo;
DESVANTAGENS:
- Aumento da complexidade do motor
(injetores especiais);
Modificado de: BOSCH-Presse
Ciclos alternativos - Miller
O ciclo Miller possui vantagens em relação
ao conhecido ciclo Otto em termos de
rendimento térmico. Porém, requer
sobrealimentação para não perder potência
em relação a um motor de mesma cilindrada
ciclo Otto. Contudo, nos atuais motores
pesados, a sobrealimentação é aplicada na
maioria dos motores, requerendo um ajuste
na pressão de trabalho do turbocompressor.
VANTAGENS:
- Melhoria do rendimento térmico/redução
do consumo;
- Redução das emissões de NOx e
consequente diminuição do consumo de
ureia;
DESVANTAGENS:
- Necessidade de projeto para comando de
válvulas;
Modificado de: Ticona, Guarato, Braga, 2015
Diesel gás no IPT
Testes Dual fuel para avaliação do potencial da tecnologia.
Parceiros: AGCO e Robert Bosch;
Sistema: Dual fuel monoponto retrofit.
rpm/mg < 900 900 - 1000 1100 - 1300 1300 - 1500 1500 - 1700 1700 - 1900 1900 - 2100 2100 - 2300
5 19147 69009 70826 68974 63116 52647 31580 10962
15 1554220 228295 129951 81970 67960 55347 40108 18228
25 331926 470902 456003 213671 130644 108647 95252 75742
35 189398 431358 406233 199273 129972 123039 254215 21664
45 50827 89334 91986 66600 68759 87318 260117 14390
55 14734 23752 26012 29318 33617 55635 176351 11421
65 33067 16248 15072 19169 23000 42361 167060 10176
75 0 23269 43366 63264 74991 84407 132798 6874
85 0 4703 6850 4935 2016 6452 41975 5474
95 0 0 0 705 6969 15936 56165 56544
105 0 0 0 1511 2781 0 0 0
115 0 0 0 9386 9143 0 0 0
TOTAL (rpm) 2.193.319,00 1.356.870,00 1.246.299,00 758.776,00 612.968,00 631.789,00 1.255.621,00 231.475,00
% do TOTAL 26,47 16,37 15,04 9,16 7,40 7,62 15,15 2,79
Dados de tempo em segundos por débito e
intervalo de rotação repassados pela AGCO.
Datalog: 2300 horas
Máquina: Trator modelo BH214
Aplicação: Preparo de solo e transbordo (cana-de-açúcar)
Temperatura de 30 a 40 graus Celcius
Localidade: Novo Horizonte interior de São Paulo
Dados de Consumo de Combustível por Ponto de Operação
rpm/mg < 900 900 - 1000 1100 - 1300 1300 - 1500 1500 - 1700 1700 - 1900 1900 - 2100 2100 - 2300
5 95.735 345.045 354.130 344.870 315.580 263.235 157.900 54.810
15 23.313.300 3.424.425 1.949.265 1.229.550 1.019.400 830.205 601.620 273.420
25 8.298.150 11.772.550 11.400.075 5.341.775 3.266.100 2.716.175 2.381.300 1.893.550
35 6.628.930 15.097.530 14.218.155 6.974.555 4.549.020 4.306.365 8.897.525 758.240
45 2.287.215 4.020.030 4.139.370 2.997.000 3.094.155 3.929.310 11.705.265 647.550
55 810.370 1.306.360 1.430.660 1.612.490 1.848.935 3.059.925 9.699.305 628.155
65 2.149.355 1.056.120 979.680 1.245.985 1.495.000 2.753.465 10.858.900 661.440
75 - 1.745.175 3.252.450 4.744.800 5.624.325 6.330.525 9.959.850 515.550
85 - 399.755 582.250 419.475 171.360 548.420 3.567.875 465.290
95 - - - 66.975 662.055 1.513.920 5.335.675 5.371.680
105 - - - 158.655 292.005 - - -
115 - - - 1.079.390 1.051.445 - - -
TOTAL (rpm) 43.583.055,00 39.166.990,00 38.306.035,00 26.215.520,00 23.389.380,00 26.251.545,00 63.165.215,00 11.269.685,00
% do TOTAL 16,06 14,43 14,12 9,66 8,62 9,67 23,28 4,15
Componentes do Kit
Kit Diesel Gás, Robert Bosch e flauta acoplada à galeria de junção com as
quatro mangueiras de união.
Adaptações realizadas
- Ponto de alimentação e difusor de gás no coletor de admissão, galeria de junção
usinada no IPT e galeria de junção, sólida e transparente com as quatro
mangueiras acopladas.
Projeto do Difusor de Gás
Simulação da velocidade de escoamento do fluido dentro do difusor de gás e
da pressão do escoamento do fluido dentro do difusor de gás.
Projeto do Difusor de Gás
05
101520253035404550
Entr
ada F1 F2 F3 F4 F5 F6
LD1
LD2
LD3
LD4
LD5
LE1
LE2
LE3
LE4
LE5
Vaz
ão M
ássi
ca [
g/s
]
Posição no difusor de GNV
Vazão mássica da entrada e saídas do difusor de GNV
Curva de vazões de GNV por furos do difusor, começando de sua entrada
(1) ao final (6) e corte do coletor de admissão com o difusor de gás em
destaque.
Resultados Obtidos
Rotação (rpm) Carga do motor Taxa de Substituição
850 8% 22%
1000 25% 28%
1000 35% 26%
1000 43% 26%
1200 33% 24%
1200 42% 24%
2000 38% 20%
2000 52% 16%
2100 48% 17%
2100 60% 10%
REFERÊNCIAS
EGÚSQUIZA, J. C. C. Redução das emissões em motores diesel-gás.
Dissertação de Mestrado. Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro,
2006.
FARAMAWY, S.; ZAKI, T.; SAKR, AA-E. Natural gas origin, composition, and
processing: A review. Journal of Natural Gas Science and Engineering,
2016.
ROAD AND TRACK, 2018 Disponível em: https://www.roadandtrack.com/new-
cars/car-technology/a19909520/gas-diesel-engine-reactivity-controlled-
compression-ignition/, Acesso em: 31/10/2018.
Bosch-Presse,2015 Disponível em: https://www.bosch-
presse.de/pressportal/de/en/direct-injection-for-cng-engines-35841.html
Ticona, Guarato, Braga, MATHEMATICAL MODELING AND ANALYSIS OF
THERMODYNAMIC PROCESSES OF AN IRREVERSIBLE MILLER CYCLE
WORKING ON A PISTON ROTARY ENGINE, 2015 Acesso em: 17/01/2019
Ticona, Guarato, Braga, MATHEMATICAL MODELING AND ANALYSIS OF
THERMODYNAMIC PROCESSES OF AN IRREVERSIBLE MILLER CYCLE
WORKING ON A PISTON ROTARY ENGINE
2015 Acesso em:17/01/2019
COMGAS, 2018 Disponível em: https://www.comgas.com.br/noticias/130-mil-carros-
convertidos-para-utilizar-o-gnv-em-2017/. Acesso em 17/01/2019.
CONAMA, 2008 Disponível em:
http://www2.mma.gov.br/port/conama/legiabre.cfm?codlegi=591
Acesso em 17/01/2019
Shijun Dong, Zhaowen Wang⁎, Can Yang, Biao Ou, Hongguang Lu, Haocheng Xu,
Xiaobei Cheng, Investigations on the effects of fuel stratification on auto-
ignition and
combustion process of an ethanol/diesel dual-fuel engine, 2018.