Avaliação do uso de etanol hidratado e altamente hidratado pelo método da fumigação como combustível em motores de ignição por compressão monocilíndricos

Abstract

Os motores de combustão interna são equipamentos aplicados em diversas áreas, tendo destaque no setor de transporte e na geração de energia elétrica. Desta forma, é necessário que seu uso seja racionalizado e que seu desempenho seja continuamente melhorado, tanto nos aspectos técnicos como ambientais. Neste contexto, esta tese visa contribuir com a literatura na área, avaliando os efeitos do uso do etanol e do etanol com maiores frações de água (até 30% em volume), no comportamento de pequenos motores de ignição por compressão. Neste estudo, para aplicação do etanol, foi empregada a técnica da fumigação, que consiste na injeção do mesmo no coletor de admissão de ar, havendo, desta forma, a pré-mistura com o ar e substituição parcial do óleo diesel que é injetado dentro da câmara de combustão. Dois diferentes motores monocilíndricos foram ensaiados: Agrale M93ID, acoplado a um gerador, e Ricardo Proteus, acoplado a um dinamômetro. Os principais parâmetros utilizados para avaliação foram as eficiências, os consumos de combustíveis, emissões e características do processo de combustão. Os resultados mostraram que há viabilidade técnica do uso do etanol com elevada fração de água pelo método da fumigação, por vezes com eficiências menores do que aquelas apresentadas nos ensaios em condição testemunha. No caso do motor Agrale, para a carga de 5,6 kW (no alternador) a máxima eficiência obtida foi próxima a 24,4% enquanto que para a carga de 7,2 kW foi 24,9%, ambas em condições de substituições intermediárias. Neste mesmo motor, quando usada carga de 7,2 kW, a pressão dentro do cilindro reduziu progressivamente com o aumento da substituição por etanol, chegando a cair 27,6% na condição de maior substituição. Como resultado do aumento da substituição, também foi constatado maior atraso na ignição. No caso do motor Ricardo Proteus, a máxima eficiência indicada obtida foi 44,2% para a condição de menor substituição, quando usado etanol com 15% de água adicional, e o aumento progressivo da substituição proporcionou redução das eficiências. O comportamento da curva de pressão dentro do cilindro mostrou-se afetado pelo ponto de injeção direta, sendo que em elevada substituição, na condição em que o etanol possuía 30% de água adicional e ponto de injeção direta em 326°, chegou ao pico 93,1 bar, enquanto para condição de substituição semelhantes no ponto de injeção direta de 346°, chegou a 76,3 bar.

The internal combustion engines are application equipment in several areas, having ample prominence in the transportation sector and electric power generation. In this way, it is necessary that its use is rationalized and that its performance is continuously improved, both in technical and environmental aspects. In this context, this thesis aims to contribute with the literature in the area, evaluating the effects of the use of ethanol and ethanol with higher water fractions (up to 30% by volume), in the behavior of small compression ignition engines. In this study for ethanol application the fumigation technique was employed, which consists of injecting it into the air intake manifold, thus pre-mixing with the air and partially replacing the diesel oil that is injected into the chamber combustion. Two different single-cylinder engines were tested: Agrale M93ID, coupled to a generator, and Ricardo Proteus, coupled to a dynamometer. The main parameters used for evaluation were the efficiencies, the fuel consumptions, emissions and characteristics of the combustion process. The results showed that there is a technical feasibility of the use of ethanol with high fraction of water by the fumigation method, sometimes with smaller efficiencies than those presented in the tests in the control condition. In the case of the Agrale engine, the maximum efficiency obtained was about 24.4% for the load of 5.6 kW (in the alternator), while for the load of 7.2 kW it was 24.9%, both under substitution conditions intermediaries. In this same engine, when the 7.2 kW load was used, the pressure inside the cylinder decreased progressively with the increase of the substitution with ethanol, falling 27.6% in the condition of greater substitution. As a result of increased substitution, a longer ignition delay was also observed. In the case of the Ricardo Proteus engine, the maximum indicated efficiency was 44.2% for the condition in which the ethanol has 15% of additional water (less substitution), and the progressive increase of the substitution provided a reduction of the efficiencies. The behavior of the pressure curve inside the cylinder was affected by the direct injection point, and at high replacement, in the condition that the ethanol had 30% of additional water and direct injection point in 326°, reached the peak 93.1 bar, while for similar replacement condition at the direct injection point of 346°, it reached 76.3 bar.