MOTORES OPERANDO COM...

AGRUPAMENTO DE MOTORESAGRUPAMENTO DE MOTORES

MOTORES OPERANDO COM GASEIFICADORESMOTORES OPERANDO COM GASEIFICADORES

SILVIO A. FIGUEIREDO

TÓPICOS

• Princípio de operação dos motores ciclo Otto e Diesel

• Características do combustível gerado em gaseificadores queafetam a operação dos motores

• Problemas e alternativas para melhorar o desempenho dosmotores operando com gás pobre nos modos bi combustível(Otto) ou duplo combustível (Diesel)


Motor de ignição por centelha(ciclo Otto 4 T)

carburadorou

misturador

ar

comb

mist

ADMISSÃO

relaçãoar-combustível

estequiométrica qtde de ar (O2) é exata/ a

necessária para reagir o comb.

mar realλ = -------- mar estiq

λ > 1 excesso de ar


ADMISSÃO

Motor de ignição por centelha(ciclo Otto)

sensor devazão de ar

comb

ar ar

injetor sonda λ ousensor de O2

controle eletrõnico“sistema de injeção”

controle fechado“closed loop”

vazão de arrotação

Patm & Tamb

λsensor de detonação



mistura

comb

comb

ar

ADMISSÃO

deslocamento ou c.c.

rendimento volumétrico mar real

ηvol = ----------- mar teor

volumétrico mas em massa

← PMI


COMPRESSÃO


mistura ← PMS

taxa de compressão

← PMI

avanço “xº APMS”estático

dinâmicovácuo & centrífugo


COMBUSTÃO

& EXPANSÃO


pré-ignição (pot↓ temp↑)

detonação ou knock“batida de pino”

resistência aauto ignição

líquidos octanagemgasosos nº metano

tamanho, formato e turbulência


ESCAPAMENTO


gases de escape

Emissões

RegulamentadasCOHC

NOxmaterial particulado

Efeito estufa CO2

(ainda em discussão)


Motor de ignição por compressão(ciclo Diesel 4T)

ar

ar

ADMISSÃO

injetor


COMPRESSÃO

ar

Motor de ignição por compressão(ciclo Diesel)

injetor

← PMS

taxa de compressãoOtto ~9 a 13Diesel ~17

← PMI


COMBUSTÃO

& EXPANSÃO

Motor de ignição por compressão(ciclo Diesel)comb

avanço“xº APMS”

facilidade deauto ignição

nº cetano

(turbo) compressor

AGRUPAMENTO DE MOTORESAGRUPAMENTO DE MOTORESMotor à gás pobre ciclo Otto

mistura

gás pobre

ar

misturador

BI COMBUSTÍVEL

comb

comb

misturadorgás pobre

AGRUPAMENTO DE MOTORESAGRUPAMENTO DE MOTORESMotor à gás pobre ciclo Diesel

mistura

gás pobre

ar

misturador

DUPLOCOMBUSTÍVEL

comb

% de substituição87% → 76%

baixa → alta rotação

necessário avançar inj.plena 23º → 33º APMS

compromete funcionamentoem baixa carga→ detonação

aumenta Tinjetor

ηglobal = 20%


• Momento de força / torque [N.m] → carga (elétrica)

• Potência [kW]

• Consumo horário [kg/h]

• Consumo específico [kg/kW.h] → rendimento energético

Observações

Dados corrigidos a uma condição atmosférica (inclus. pressão) padrão

Valores medidos no eixo

Especificação dos motores


Características do combustívelgerado em gaseificador

que afetam a operação dos motores

• Limpeza ⇒ sistema de lavagem/ciclone + filtros

• Temperatura700 a 900 ºC (saída) ⇒ resfriador/radiador ⇒ 40 ºC

• Composição reativos CO ~19 a 33%H2 ~4 a 20% (baixo nº metano)CH4 ~1,5 a 3% O2 ~0,6 a 2%

inertes CO2 ~4,5 a 15%H2O ~1,5 a 2%N2 ~ 47 a 51%cinzas ~1%

alcatrão (gaseificadores de fluxo ascendente / carvão)


• Ar requerido

CH4 + 2 O2 = 2 H2O + CO2

1 Nm3 de CH4 requer 2 Nm3 de O2

ar tem 21% O2 ⇒ 2 / 0,21 = 9,53 Nm3 de ar



Ar requeridoNm3 por Nm3

hidrogênio H2 2,39monóxido de carbono CO 2,39metano CH4 9,53etano C2H6 16,67propano C3H8 23,82




Ar requeridoNm3 por Nm3

H2 10% x 2,39 = 0,239CO 20% x 2,39 = 0,478CH4 2% x 9,53 = 0,191

-----------------0,908

• Ar requerido para misturas

Exemplo


• Poder calorífico (inferior)

• Poder calorífico da misturaExemplo


que afetam a operação dos motoresAr requerido PCINm3 por Nm3 MJ / Nm3

hidrogênio H2 2,39 10,9monóxido de carbono CO 2,39 12,8metano CH4 9,53 36,4etano C2H6 16,67 65,2propano C3H8 23,82 94,1

H2 10% x 10,9 = 1,09CO 20% x 12,8 = 2,57CH4 2% x 36,4 = 0,73

-----------------4,39




PCI PCIMJ / Nm3 MJ / kg

gás pobre 5gás natural 35 52madeira 19etanol 26gasolina/diesel 43

• Poder calorífico - Quadro comparativo




• Poder calorífico da mistura

Exemplo

4,39PCImistura = ---------------- = 2,30 MJ / Nm3

1 + 0,908

Densidade energética da mistura de gás pobre ~20% menor do GN

Potência será proporcional ao poder calorífico da mistura

AGRUPAMENTO DE MOTORESAGRUPAMENTO DE MOTORESProblemas e alternativas

• Partida à frio ⇒ ventiladores/diesel (3 a 10 minutos)

• Queda de potência Otto ~ 60 a 70%Diesel ~ 70 a 90%

( ↑ 82%de substituição do diesel)⇒ aumentar taxa de compressão (IISc Otto 17:1 → 84%)⇒ turbo-compressor e pós-resfriador (se já não houver)⇒ aumentar motor

• Tempo de resposta (transientes) ⇒ “dirigibilidade” e emissões

• Depósitos de material particulado e gomas ⇒ operação e filtragem

• Tendência a detonação do H2 (não há ref. nº metano de gás pobre) minimizada pela redução potência (menor poder calorífico, inertes) ⇒ operação

• Durabilidade maiores temperaturas, Pmax e ∆P na câmara

• Corrosividade dos compostos CO2, H2 e CO na presença de água

AGRUPAMENTO DE MOTORESAGRUPAMENTO DE MOTORESReferências

• Charles F. TAYLORAnálise de motores de combustão interna Edgar Blücher/EDUSP

• John B. HEYWOODInternal combustion engine fundamentals McGraw-Hil

• Edward F. OBERT Internal combustion engines International

• G. SRIDHAR et alBiomass derived producer gas as a reciprocating engine fuel - anexperimental analysis Pergamon

MOTORES OPERANDO COM...

Documents

Transcript of MOTORES OPERANDO COM...