Modelagem e simulação da produção de emissões por motores a combustão interna de ignição por compressão (ICO) alimentados por misturas diesel/biodiesel

Abstract

Resumo: Nos últimos anos, os biocombustíveis têm sido apontados como alternativas e possíveis soluções aos problemas causados pela utilização de combustíveis fósseis na produção de energia. Óleos provenientes de diversas fontes (combustíveis fósseis, biodiesel de fontes vegetais e diesel de microalgas i.e.) vêm sendo objeto de estudo da comunidade científica. Entretanto, apesar de, em geral produzirem menos emissões, existem indícios que motores alimentados com misturas de biodiesel emitem poluentes como os óxidos de nitrogênio em maior quantidade do que quando alimentados por diesel fóssil. Com o intuito de entender melhor as relações entre o combustível utilizado na alimentação de um motor a combustão interna acionado por compressão e as emissões produzidas pelo processo termodinâmico, este trabalho almeja o desenvolvimento de um modelo matemático da produção de emissões em motores a combustão interna acionados por compressão em função da mistura de combustível utilizada. As emissões estudadas são os óxidos de nitrogênio, monóxido e dióxido de carbono. O modelo compreende misturas de combustível desde o 11% até 100% de biodiesel. O modelo é feito baseado em equações de produção e consumo dos compostos avaliados. Ajustes e validação experimental são utilizados para adequar o modelo à realidade das emissões. Para ajuste do modelo, utiliza-se o método de minimização de erros de Nelder-Mead. A validação é realizada através da estimativa de constantes cinéticas pela equação de Arrhenius e comparação dos resultados obtidos com dados experimentais.

Abstract: In the past few years, biofuels have been identified as possible solutions to the problems caused by the use of fossil fuels in energy production. A collection of oils from different sources (vegetable biodiesel and microalgae diesel i.e.) are being studied by the scientific community. However, although they generally produce fewer emissions, there are indications that engines powered with biodiesel mixtures emit pollutants such as nitrogen oxides in greater quantities than when powered by fossil diesel. In order to better understand the relationships between the fuel used to power a compression-ignition internal combustion engine and the emissions produced by the thermodynamic process, this paper aims at the development of a mathematical model of the production of emissions according to the fuel blend. The emissions studied are nitrogen oxides, monoxide, and carbon dioxide. The model comprises fuel blends from 11 % to 100% biodiesel. The model is based on production and consumption equations of the evaluated compounds. Adjustments and experimental validation are used to adapt the model to the reality of emissions. In the process of adjustment of the model, the Nelder-Mead error minimization method is used. Validation is performed by estimating kinetic constants by the Arrhenius equation and comparing the results obtained with experimental data.