Estudo da Aplicabilidade do JP-8 em Motores Diesel Ensaios em Banco

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1 Estudo da Aplicabilidade do JP-8 em Motores Diesel Ensaios em Banco Nelson Jorge Lima Garcia Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Orientador: Prof. João Eduardo de Barros Teixeira Borges Júri Presidente: Prof. Carlos Federico Neves Bettencourt da Silva Orientador: Prof. João Eduardo de Barros Teixeira Borges Vogais: Capitão Luís Filipe Prates Quinto Prof. Miguel Abreu de Almeida Mendes Novembro 2017

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3 Agradecimentos A toda a minha família por criar todas as condições para me encontrar na situação de hoje; A todos os camaradas da Academia Militar, em especial ao Dmytro Solovey, pela amizade ao longo destes anos e por me ajudar sempre a ser uma pessoa melhor; A todos os meus amigos por me ajudarem a crescer e a ser a pessoa que sou hoje; Ao Coronel Ribeiro e Capitão Carilho, por todo o apoio prestado no decorrer dos ensaios. iii

4 Resumo O objetivo principal deste trabalho é estudar a possibilidade de utilizar o combustível JP-8, com o auxílio dos aditivos para aumento do número de cetano 2-ethylhexyl nitrate e aditivos para melhorar as características de lubrificação do combustível, nos motores diesel que equipam as viaturas do Exército Português. Esta hipótese vem no seguimento da política adotada pela OTAN (Organização do Tratado Atlântico Norte), o conceito de combustível único, que pretende simplificar as cadeias logísticas das forças armadas dos países membros e ainda melhorar o uso da sua rede de gasodutos. Para avaliar esta hipótese realizaram-se testes em banco de ensaios num motor a 2 tempos Detroit Diesel V6, utilizado na viatura militar do Exército Português M113. Os ensaios compreenderam 3 fases distintas, uma para cada tipologia de combustível, diesel, JP-8 (Jet propellant 8) simples e JP-8 aditivado. Cada uma das fases compreendeu ensaios de carga máxima, ensaios de rotação fixa a cargas variáveis, e recolheram-se ainda dados para a construção dos diagramas de colina do motor com os diversos combustíveis. Os resultados obtidos demonstram que o JP-8 com o uso de aditivos é realmente uma hipótese viável em termos de performance do motor, apresentando uma queda máxima de potência de 3,1% acompanhado por uma redução no consumo específico de 2,9 % quando comparado ao diesel. Estes resultados poderiam ainda ser melhorados caso se fizessem alterações mecânicas no motor, como a alteração do timing de injeção do combustível e a regulação da bomba injetora, o que não se realizou neste caso. Palavras chave: motor diesel, combustível JP-8, performance, diagrama de colina. iv

5 Abstract The main objective of this work is to study the possibility of using the JP-8 fuel with additives. The additives used are to to increase the number of cetane 2-ethylhexyl nitrate and the additives to improve the lubrication characteristics of the fuel in the diesel engines that equip the vehicles of the Portuguese Army. This is in line with the NATO policy, the single fuel concept, which aims to simplify the logistics chains of member states' armed forces and improve the use of their pipeline network. To evaluate this hypothesis tests were carried out on a test bench in a 2-stroke Detroit Diesel V6 engine, used in the military vehicle of the Portuguese Army M113. The tests comprised 3 distinct phases, one for each type of fuel, diesel, JP-8 single and JP-8 with additives. Each phase comprised maximum load tests, fixed rotational speed tests at variable loads, and data were also collected for the construction of the engine hill diagrams with the various fuels. The results show that the JP-8 with the use of additives is really a viable hypothesis in terms of engine performance, presenting a maximum power drop of 3.1% accompanied by a reduction in specific consumption of 2.9% when compared to diesel. These results could also be improved if mechanical changes were made to the engine, such as the change in fuel injection timing and injection pump regulation, which was not done in this case. Keywords: diesel engine, JP-8 fuel, performance, hill chart. v

6 Índice Agradecimentos... iii Resumo... iv Abstract... v Lista de Tabelas... vii Lista de Figuras... viii 1. Introdução Enquadramento Motivação Estrutura da Dissertação Estado da Arte Fundamentos Teóricos Funcionamento dos motores diesel a 2 tempos Diagramas de Colina Atraso à inflamação Número de Cetano Método e Equipamento O motor O banco de ensaios Processo de Recolha e Tratamento de Dados Análise e Discussão de Resultados Os Combustíveis Ensaios de aceitação Ensaios de Carga Máxima Análise da evolução de consumos a cargas variáveis Diagramas de Colina Análise dos Custos Conclusões Trabalhos futuros Referências Bibliográficas Anexos vi

7 Lista de Tabelas Tabela 1: Características do Motor Tabela 2 - Características dos combustíveis Tabela 3 - Diferenças percentuais do desempenho para os 3 combustíveis Tabela 4 - Modelo utilizado para análise de consumos Tabela 5 - Consumos horàrio e total tendo em conta o modelo vii

8 Lista de Figuras Figura 1- evolução do spray de combustível a 30 Mpa [7]... 4 Figura 2- evolução do spray de combustível a 140 Mpa [7]... 4 Figura 3- Ciclo misto teórico... 7 Figura 4- fases do motor a 2 tempos [10]... 8 Figura 5 - Exemplo de diagrama em colina [7]... 9 Figura 6 - Explicação do atraso à inflamação Figura 7 - Motor do M Figura 8 - Layout do software Tornado Figura 9 - Modelo do ensaio de aceitação [10] Figura 10 - Gráfico 1-Pressão de combustível medido em banco Figura 11 - Gráfico 2 Potência e Binário do motor a DIESEL Figura 12 - Gráfico 3 Potência e Binário do motor a JP-8 SIMPLES Figura 13 - Gráfico 4 Potência e Binário do JP-8 ADITIVADO Figura 14 - Gráfico 5 Consumos específico e horário do motor a DIESEL em carga máxima Figura 15 - Gráfico 6 consumo específico e horário do motor a JP-8 simples em carga máxima Figura 16 - Gráfico 7 Consumo específico e horário do motor a JP-8 aditivado em carga máxima Figura 17 - Gráfico 8 - Consumo horário dos diferentes combustíveis Figura 18 - Gráfico 9 Consumo específico a 1200 RPM e carga variável Figura 19 - Gráfico 10 Consumo específico a 2600 RPM e carga variável Figura 20 - Gráfico 11- Diagrama de colina para o Diesel Figura 21 - Gráfico 12- Diagrama de colina para o JP Figura 22 - Gráfico 13- Diagrama de colina para o JP-8 aditivado viii

9 Lista de Acrónimos SFC Single Fuel Concept OTAN. Organização do Tratado Atlântico Norte PMI. Ponto morto inferior PMS Ponto morto superior ix

10 1. Introdução Neste capítulo apresenta-se uma visão geral sobre esta dissertação. É constituído por 3 subcapítulos, sendo que no primeiro se faz um enquadramento do tema, no segundo apresentam-se os principais motivos que levaram à realização deste estudo e no terceiro faz se uma descrição da estrutura da dissertação Enquadramento Os combustíveis representam um dos recursos mais críticos para todas as Forças Armadas ativas em todo o mundo, derivado da tipologia das mesmas neste momento, sendo todas elas fortemente mecanizadas, sendo este o motivo para que a OTAN, organização de que Portugal faz parte, procure constantemente procurar novas formas de explorar tal recurso, com o intuito da otimização da sua utilização, realizando vários estudos em relação ao mesmo. Após a segunda grande guerra foi desenvolvido o conceito de combustível único (Single Fuel Concept - SFC), conceito este introduzido em 1986, de forma a simplificar toda a cadeia logística dos produtos petrolíferos em uso nas várias nações integrantes na OTAN. As vantagens de utilizar um único combustível em todos os equipamentos, sejam eles terrestres ou aéreos, são claras, desde os grandes ganhos logísticos em tempo de guerra, mas também, o facto de permitir simplificar e melhorar o uso da rede de condutas da OTAN, sendo este um dos grandes objetivos da organização. O combustível escolhido pela organização, após vários estudos acabou por ser o JP-8, que por estar muito presente no território europeu, representa também uma grande vantagem em termos de custos, sendo o seu preço cerca de um terço do diesel convencional Motivação Como foi referido anteriormente a utilização de um combustível único é um grande objetivo da OTAN, sendo que nesse sentido vários países membros e com acordos com a organização realizaram já vários estudos quanto à possibilidade do mesmo. Neste sentido sendo Portugal um dos países membros da organização surgiu o interesse de contribuir também para tais estudos. Em 1991 o Exército Português expressou a sua vontade de iniciar tais estudos, sendo que para isso se iniciou a construção de um banco de ensaios para tal, no entanto este projeto acabou por ser abandonado e só em 2000 se voltou a debruçar sobre o assunto. Nesse ano realizaram-se então alguns ensaios sobre o assunto, no entanto estes foram realizados com equipamentos algo rudimentares e os testes foram bastante inconclusivos, daí o interesse neste presente estudo Estrutura da Dissertação A presente dissertação é constituída por 6 capítulos, sendo eles introdução, estado da arte, fundamentos teóricos, metodologia e equipamentos, análise e discussão de resultados e por fim conclusões. No segundo capítulo são apresentadas as conclusões retiradas de vários estudos realizados previamente sobre o tema da utilização do JP-8 em motores diesel, incidindo estes estudos sobre a influência do JP-8 no desempenho dos motores, níveis de emissões e problemas decorrentes da utilização deste combustível, entre outros aspetos. Este capítulo tem como objetivo servir de base de conhecimentos para o presente estudo. No terceiro capítulo apresentam-se os fundamentos teóricos que são essenciais para a compreensão deste estudo, sendo nele discutidos alguns conceitos chave para a clara exposição deste assunto. 1

11 No quarto capitulo descreve-se o processo que se adotou neste estudo, desde os ensaios levados a cabo até ao tratamento dos dados recolhidos. Apresenta-se também os equipamentos utilizados. O quinto capítulo é referente aos dados recolhidos, fazendo-se a sua apresentação e a discussão dos mesmos. Apresentam-se assim dados sobre os ensaios de carga máxima, ensaios a velocidade de rotação fixa e a cargas variáveis, os diagramas de colina e faz-se ainda uma breve análise em termos de consumos de combustíveis associados aos seus custos para os três combustíveis estudados, o diesel, o JP-8 simples e o JP-8 aditivado. No sexto capítulo apresentam-se as conclusões decorrentes deste estudo, fazendo-se uma análise crítica do método utilizado, apresentando os principais pontos concluídos dos ensaios, e fazendo ainda propostas para trabalhos futuros. 2

12 2. Estado da Arte Os combustíveis são um recurso imprescindível de todas as Forças Armadas ativas em todo o mundo, sendo este motivo para que a OTAN, organização de que Portugal faz parte, tenha uma preocupação constante com todos os aspetos que envolvam tal recurso. Foi neste sentido que após a segunda grande guerra foi desenvolvido o conceito de combustível único (Single Fuel Concept), conceito este introduzido em 1986, de forma a simplificar toda a cadeia logística dos produtos petrolíferos em uso nas várias nações integrantes na OTAN. As vantagens de utilizar um único combustível em todos os equipamentos, sejam eles terrestres ou aéreos, são claras, desde os grandes ganhos logísticos em tempo de guerra, mas também, o facto de permitir simplificar e melhorar o uso da rede de condutas da OTAN, sendo este um dos grandes objetivos da organização. O combustível escolhido para este conceito foi o JP-8, também conhecido como F-34, utilizado na aviação militar. Este combustível é muito semelhante ao utilizado na aviação civil, o F-35, que está largamente presente nos terrenos europeus. [2] Antes da decisão de adotar o JP-8 como o combustível para o SFC, algumas das nações integrantes da OTAN realizaram uma série de estudos e ensaios com o objetivo de identificar possíveis problemas da utilização de JP-8 em veículos com motores diesel. Um dos problemas encontrados está relacionado com a menor viscosidade do JP-8, o que poderia causar problemas na durabilidade dos motores diesel. Segundo Arkoudeas et al. [3] o desenvolvimento de derivados de biomassas para aditivar o JP-8 seria uma possível e atrativa hipótese para solucionar este problema. Desta forma o mesmo levou a cabo testes em banco de ensaios num motor de Petter, de um único cilindro e de injeção direta em que demonstrou que a mistura de JP-8 com óleos vegetais aumentava a qualidade de lubrificação, com leves aumentos do consumo específico. As diferenças entre o Diesel e o JP-8 são várias, podendo estas causar alterações significativas no funcionamento do motor. De facto, um estudo experimental levado a cabo por Lee e Bae [4], demonstrou que a penetração do JP-8 na câmara de combustão era menor de que no diesel em aproximadamente 16% quando a pressão de injeção era de 30 MPa e de 10% com uma pressão de injeção de 140 MPa, como se pode verificar nas figuras 1 e 2. No entanto esta menor penetração era acompanhada por um aumento do ângulo de entrada na câmara de 15.9 e 6.2 graus, respetivamente. Estas variações devem se essencialmente às diferenças de massa específica, viscosidade e ponto de ebulição dos dois combustíveis. Estas propriedades do JP-8 contribuem para uma melhor mistura combustível-ar, melhorando a atomização do combustível. [8] 3

13 Figura 1- evolução do spray de combustível a 30 Mpa [7] Figura 2- evolução do spray de combustível a 140 Mpa [7] Pandey et al. [5] realizou testes num motor diesel de injeção direta, de 558 kw, com 12 cilindros, em que concluiu que o binário e potência do motor a trabalhar a diesel pode ser igualado pelo JP-8, com um ligeiro aumento de cerca de 4,5 % no consumo específico, através do aumento da quantidade, em volume, de combustível para compensar a menor massa específica do JP-8. Com este ensaio conseguiu ainda demonstrar que o número de cetano inferior do JP-8, apesar de causar um atraso à inflamação superior ao diesel, melhora a combustão em condições de carga elevada, reduzindo assim o ruído do motor. Como foi referido, o menor número de cetano do JP-8 em relação ao diesel, leva a quedas de potência, ou a aumentos de consumo para a mesma potência. Foi neste sentido que Labeckas et al. [1] investigou o efeito de um aditivo para o aumento do número e cetano do JP-8, o 2-ethylhexyl nitrate, aditivo este especialmente fabricado em laboratório. Durante estas investigações, concluiu-se que o uso deste aditivo reduzia o atraso à inflamação, sendo que quando submetido a grandes cargas este atraso coincidia mesmo com o obtido para os ensaios com o diesel. Conclui-se ainda que o consumo é dependente do regime do motor, isto é, a diferentes velocidades de rotação e carga o JP-8 pode até apresentar melhores consumos específicos que o diesel. Após vários anos de estudos, Zielinski [6] elaborou um relatório em que faz um levantamento dos problemas causados pelo uso do JP-8 nos motores diesel, associando a estes problemas hipóteses de modificações aos motores diesel para extrair destes o seu máximo potencial com a utilização de JP- 8. Como referido anteriormente o menor número de cetano aumenta o atraso à inflamação, e consequentemente tem efeitos nefastos para o binário e potência de um motor. Isto ocorre porque o pico de pressão e temperatura no cilindro dá-se quando o êmbolo já alcançou o PMS, ou seja, existe 4

14 menos trabalho a poder ser retirado do ciclo de potência, durante o tempo de expansão. Este problema pode ser solucionado reprogramando a centralina do veículo para ajustar o momento de injeção, no entanto isto só é possível nos equipamentos mais modernos. No caso dos equipamentos mais antigos, caso do M113 português, teria de ser feita uma regulação das válvulas, obrigando a grandes modificações nos motores. Ainda no relatório de Zielinski [6], conclui-se que uma vez que o poder calorífico do JP-8 por unidade de volume é inferior ao do diesel, para igualar os dois combustíveis seria necessário ajustar a bomba injetora de forma a que o volume de combustível injetado no caso do JP-8 fosse ligeiramente superior do que no diesel. No entanto, segundo Lee et al. [4] a redução de cerca de 4% no poder calorífico por unidade de massa não causa grandes impactos no binário nem potência dos motores. Outra preocupação no relatório reside na menor viscosidade do JP-8, uma vez que no caso do diesel os componentes do motor são auto lubrificados pelo próprio combustível, a alteração para JP-8 poderia levar a danos tanto na bomba injetora como nos componentes internos do motor, no entanto um teste de longa duração (210 horas) num veículo militar levado a cabo pela Ford Motor Company não detetou alterações significativas no motor. No caso do Exército Português, em 1991 com o intuito de iniciar estudos da aplicabilidade do JP-8 nas viaturas militares iniciou-se a construção de um banco de ensaios nas Oficina Gerais de Material de Engenharia especificamente para esse estudo, no entanto esta construção acabou por ser abandonada ao fim de cerca de 2 anos. Já em 2000, voltou a surgir o interesse de realizar tais ensaios, tendo sido utilizado para isso o banco de ensaios utilizado nas mesmas oficinas para testes dos motores aí reparados, sendo este banco de ensaios um equipamento bastante desatualizado. Os ensaios realizados foram apenas ensaios de aceitação, isto é, os ensaios propostos pelos manuais dos motores, nesse caso motor das viaturas militares M113 e M60. Esse tipo de ensaios serve apenas para garantir que o motor está em condições mínimas de funcionamento, não sendo assim possível aferir as reais perdas em termos de desempenho devido à utilização de um combustível diferente. Além disto, os ensaios foram levados a cabo com injetores diferentes para os dois combustíveis, sendo que apesar de ambos os combustíveis terem sido aprovados pelo ensaio de aceitação em ambos os motores, estes resultados não foram obtidos em condições de igualdade. Outra aprendizagem retirada destes ensaios realizados pelo Exército Português, advém de relatos dos mecânicos presentes na realização dos mesmos, que apesar de não ter algum registo em formato escrito, relatam que após a desmontagem do motor se verificava um desgaste muito superior nas camisas do motor após os ensaios com JP-8. Além disto é ainda de referir relatos de que o trabalhar do motor seria muito inconstante. Apesar de não ter sido realizado algum teste à cerca do impacto no desgaste do motor derivado do uso de JP-8, simples ou aditivado, convém notar que também Zielinski no seu relatório faz referência aos possíveis danos a que o motor está sujeito devido a um maior teor de enxofre presente nos diferentes combustíveis. Esta problemática levanta problemas essencialmente ao nível dos injetores, uma vez que tende a haver uma acumulação de cristais neste componente, levando assim à sua deterioração prematura. Apesar desta conclusão, vários estudos revelam que não é um dado adquirido que o JP-8 tenha maior teor de enxofre, variando muito conforme a zona e procedimentos de produção. De qualquer forma, para solucionar este possível problema é ainda aconselhado a utilização de aditivos com efeitos de lavagem. 5

15 3. Fundamentos Teóricos 3.1. Funcionamento dos motores diesel a 2 tempos Nos motores diesel, o ciclo de funcionamento segue aproximadamente o modelo teórico de 4 fases, sendo estas compressão isentrópica, introdução parcial de calor a volume constante e introdução parcial de calor a pressão constante, expansão isentrópica e por última rejeição de calor a volume constante. Este ciclo na verdade é conhecido como ciclo misto e não como ciclo diesel. O ciclo diesel tem uma diferença, o calor é introduzido totalmente a pressão constante, no entanto na realidade a generalidade dos casos de motores diesel trabalha com o ciclo misto. Abordaremos agora os quatro tempos do ciclo misto com maior pormenor. A compressão isentrópica inicia-se no ponto morto inferior (PMI) e termina no ponto morto superior (PMS). O combustível é inserido, em forma de gás (spray), e a sua pressão e temperatura aumentam. Na segunda fase, quando o êmbolo inicia a deslocação do PMS para o PMI considera-se numa fase inicial que há uma troca de calor instantânea no inicio desse movimento, ou seja no PMS, sendo esta a fase em que se insere parcialmente calor a volume constante. A libertação dessa energia provoca uma subida de pressão, e de temperatura, obrigando o êmbolo a movimentar-se para o PMI, nesta fase a pressão mantém-se constante, mas a temperatura aumenta, sendo esta a fase em que se dá a inserção de calor a pressão constante. Após o fim da combustão inicia-se a expansão isentrópica, a terceira fase, o gás é expandido isentropicamente. A quarta fase trata-se da rejeição de calor, todo este processo ocorre quando o êmbolo se encontra no PMI, e por isso a volume constante, e considera-se que o calor é rejeitado instantaneamente. Na realidade o funcionamento do ciclo real é ligeiramente diferente do descrito anteriormente. O motor utilizado neste estudo não tem um turbocompressor, no entanto existe um compressor rotacional para garantir que a fase da lavagem seja possível, apresentam-se agora as fases do ciclo real dum motor diesel deste tipo. O ciclo inicia-se com o êmbolo no PMS. A válvula de admissão está aberta e inicia-se o movimento do êmbolo para o PMI. Neste processo o ar é aspirado para a conduta de admissão passando primeiro pelo filtro, e depois pelo coletor de admissão, este movimento está naturalmente associado a perdas de carga pelo que a pressão dentro do cilindro é inferior à pressão atmosférica. O ar que entra no cilindro mistura-se então com o gás residual do ciclo anterior. Este gás, que se encontra a uma temperatura elevada, aquece a nova mistura, sendo a temperatura desta francamente superior à temperatura exterior. A velocidade da mistura ao passar a válvula de admissão é muito elevada, levando à produção de turbulência. Esta turbulência associada ao movimento do gás em swirl, são essenciais para uma boa combustão. Após o êmbolo atingir o PMI, a válvula mantém-se aberta para tirar partido da inércia da mistura que se movimenta na conduta de admissão, fechando um pouco depois do PMI. Inicia-se então a fase de compressão, a temperatura da mistura aumenta naturalmente, de início recebendo calor das paredes do cilindro, até que noutra fase atinge uma temperatura superior às mesmas cedendo agora calor à camisa. Este aumento de temperatura com a compressão é fundamental para a inflamação dos motores diesel. O combustível começa a ser introduzido um pouco antes do êmbolo atingir o PMS. Este, é introduzido em forma líquida, finamente dividido, em forma de spray. O líquido vaporiza-se parcialmente, misturando-se com o ar quente e acaba por se auto inflamar. Convém notar que o combustível deve ser de fácil vaporização, para que se possa autoinflamar facilmente. O tempo que o combustível leva para se vaporizar e autoinflamar é conhecido como atraso à inflamação. Este atraso é o motivo para a introdução do combustível ser iniciado antes do PMS, sendo conhecido como avanço à injeção. 6

16 A fase da expansão começa com a combustão ainda a decorrer, o aumento do volume do cilindro é mais intenso nos casos dos motores diesel devido à superior razão de expansão quando comparada aos motores de explosão. As trocas de calor são muito intensas durante a expansão devido às elevadas temperaturas do gás. Ainda durante esta fase abrem-se as válvulas de escape, antes do PMI, uma vez que a pressão no cilindro é muito elevada o gás sai espontaneamente para a conduta de escape. Figura 3- Ciclo misto teórico [Fonte: demotor.net] Normalmente estes ciclos realizam-se em 2 rotações da cambota (motor a 4 tempos), no entanto é possível realizar em apenas uma rotação (motor a 2 tempos), como acontece no caso do motor utilizado para esta dissertação. Estes motores apresentam assim simplificações mecânicas de forma a tornar isto possível. Uma das principais simplificações consiste em dispensar o mecanismo de distribuição. As aberturas de admissão e do escape não ficam localizadas na cabeça do motor e não são controladas pelas válvulas como no caso dos motores a 4 tempos. Estas são assim localizadas na parte inferior da camisa e chamam-se neste caso janelas. A sua abertura e fecho são neste caso controladas pelo próprio êmbolo, ou seja, quando este se encontra próximo do PMI as janelas estão abertas. 7

17 Figura 4- fases do motor a 2 tempos [10] A fase da expansão é muito semelhante à expansão que se verifica no caso a 4 tempos. A grande diferença verifica-se no fim da fase de expansão, a janela de escape abre bastante antes do PMI, iniciando se o escape espontâneo. O avanço ao escape é assim muito superior que no caso do motor a 4 tempos. Este maior avanço traduz-se numa redução da expansão do gás, com uma consequente perda de trabalho. Durante o movimento descendente do êmbolo, e depois da abertura do escape abre-se a janela de admissão. O gás queimado que está no interior do cilindro tem que ser impulsionado para a conduta de escape, como o movimento do êmbolo é quase nulo, o gás tem de ser impulsionado pelo gás de admissão, assim as fases de escape e admissão são simultâneas neste caso. Uma vez que a abertura e fecho das janelas é comandado pelo êmbolo, a janela de admissão fecha primeiro que a de escape, assim parte do gás presente no cilindro sai para o escape. Terminada a admissão e escape, já com o êmbolo a deslocar-se do PMI para o PMS, inicia-se a compressão. Esta é muito semelhante ao caso de 4 tempos, no entanto note se que as temperaturas são muito mais elevadas que no caso a 4 tempos, uma vez que se realizam o dobro das combustões numa rotação da cambota. A fase da combustão é muito semelhante à dos motores a 4 tempos Diagramas de Colina As curvas de desempenhos dos motores, são muitas vezes representadas em diagramas de binário efetivo versus velocidade do motor. Essas curvas surgem depois como isolinhas da grandeza a representar nesse plano, normalmente de consumo específico. 8

18 Figura 5 - Exemplo de diagrama em colina [7] A baixas cargas, o rendimento dos motores é necessariamente baixo porque o rendimento mecânico é muito baixo. A velocidades elevadas as perdas mecânicas são muito elevadas, uma vez que estas variam com a velocidade segundo um polinómio de terceiro grau, o que leva o rendimento mecânico a diminuir com a velocidade do motor, diminuindo o rendimento do motor. A velocidades muito baixas as perdas térmicas são elevadas por existir mais tempo disponível para as trocas de calor. Nos motores diesel, quando a carga a cada rotação se aproxima da carga máxima, a combustão começa a ser cada vez mais incompleta. Conjugando todos estes fatores é visível no diagrama da figura 5 que o consumo específico mínimo se verifica a rotações intermédias e a cargas parciais Atraso à inflamação O atraso à inflamação de um combustível, no contexto dos motores diesel, é o período desde o momento em que a primeira parcela de combustível entra na câmara até o ponto em que a primeira chama é observada no spray de combustível. Este período é diferente dependendo do combustível e do seu desempenho na combustão, o que influencia a eficiência do motor. O atraso à inflamação de um diesel é importante do ponto de vista da preparação do combustível antes de ser injetado na câmara do motor, bem como na seleção do tempo de injeção ideal. Mais concretamente, a definição de atraso à inflamação é o intervalo de tempo entre o início da injeção para o início da combustão quando a mistura ar-combustível é inflamada. Num motor a diesel, pode ser determinado experimentalmente como o intervalo de tempo entre o início da injeção e o início da combustão (figura 6). Devido aos efeitos de vaporização, a aparente libertação de calor, na curva exibirá valores negativos antes da combustão para casos de injeção direta em motores a diesel. O início da combustão é tomado como o valor angular (da cambota) a que a taxa aparente de libertação de calor passa de negativo para positivo. A diferença horária entre o início da injeção e o início da combustão é chamado de atraso à inflamação 9

19 Figura 6 - Explicação do atraso à inflamação 3.4. Número de Cetano O número de cetano é um parâmetro empírico associado ao tempo de atraso à inflamação dos combustíveis diesel, que é determinado por meio de testes. O atraso à inflamação, como referido anteriormente, é o intervalo de tempo entre o início da injeção de combustível e o início da reação de oxidação. O período de atraso à inflamação começa com a injeção de combustível e consiste em períodos de atraso físico e químico até à auto inflamação ocorrer. Os combustíveis com um número de cetano alto têm um tempo de atraso à inflamação muito diminuto, isto é, a inflamação ocorre num intervalo muito curto de tempo após a injeção começar. Por outro lado, quanto maior o tempo de atraso à inflamação, menor será o número de cetano do combustível. O tempo de atraso à inflamação dos motores do ciclo diesel é um parâmetro fundamental para controlar efetivamente o processo de combustão, permitindo uma alta eficiência térmica através de pressões máximas próximas dos 15 após atingir o PMS, no qual o binário máximo para ciclos diesel são obtidos [3]. O tempo de atraso à inflamação é influenciado por vários fatores físicos e químicos associados à natureza do combustível, como a estrutura molecular, a volatilidade, a viscosidade, a tensão superficial e as características mecânicas dos motores, como a relação de compressão, a pressão do sistema de injeção e o ângulo de injeção (timing de injeção). 10

20 4. Método e Equipamento Neste capítulo vai ser descrito detalhadamente o método utilizado para a obtenção dos resultados, bem como o equipamento utilizado nos vários processos, incluindo o motor estudado, o processo de obtenção dos parâmetros do motor a ser estudado, descrição do banco de ensaios utilizado bem como do seu equipamento mais crítico para este estudo, o processo de tratamento dos dados recolhidos no banco O motor O motor utilizado neste estudo é o motor que equipa as viaturas blindadas de transporte de pessoal M113 do Exército Português. Estas viaturas começaram a ser introduzidas no Exército no ano de 1976, e atualmente existem ainda cerca de 400 viaturas, em diferentes versões, ao serviço no Exército. Esta viatura é equipada com o motor Detroit Diesel V6. Trata-se de um motor diesel a 2 tempos, sem turbocompressor, o que o torna um motor peculiar. Apresenta-se de seguida uma tabela com as características principais do motor [10]: Tabela 1: Características do Motor Marca Detroit (GMC) Tipo Diesel 2 tempos Modelo Combustível Gasóleo Nº de Cilindros 6 em V Cilindrada cm3 Potência Máxima 215 HP/2800 rpm Este motor apresenta o ralenti entre a 600 e 700 RPM. Figura 7 - Motor do M113 11

21 4.2. O banco de ensaios O banco de ensaios utilizado é um banco com equipamento muito recente, tendo sido instalado no início do presente ano na Unidade de Apoio Geral e Material do Exército (UAGME), com a finalidade principal de permitir avaliar se os motores das várias viaturas do exército após reparação cumprem os requisitos necessários para voltar à circulação. Foi assim adquirido o banco de ensaios à empresa austríaca KS Engineers, tendo este sido preparado para todos os motores ao serviço do Exército Português. Esta instalação compreende uma sala de controlo e a sala do próprio banco em si. Os equipamentos mais importantes para este estudo que equipam o banco são: Um freio Horiba WTS740, com velocidade máxima de 7000 RPM, binário máximo de 2400 Nm, potência máxima de 470 kw e momento de inércia de 2.06 kg/m 2, erro de 0,0005 Nm. Uma balança de combustível AVL, funcionando segundo o princípio gravimétrico, que permite a medição direta da massa de combustível consumido bem como a sua temperatura. Esta balança tem um erro máximo de 0,1% e permite a medição desde os 0 kg/h até aos 150 kg/h; O software utilizado pelo banco é o Tornado, cuja imagem do layout é visível na figura 8; Note-se ainda que o erro máximo na medição das velocidades de rotação é de 0,0005 RPM. Figura 8 - Layout do software Tornado 4.3. Processo de Recolha e Tratamento de Dados Sendo objetivo do estudo comparar a desempenho do motor descrito em cima com os diferentes combustíveis, isto é, diesel, JP-8 e JP-8 aditivado, o processo baseou-se em recolher os mesmos dados para os três tipos de combustível, fazendo a posteriori o diagrama de colina do motor com os diferentes combustíveis para poder fazer a comparação dos desempenhos. No entanto antes 12

22 de chegar ao diagrama de colina foi necessário proceder a uma série de ensaios de forma a garantir condições de igualdade nos testes, sendo esses procedimentos descritos neste capítulo. Em primeiro lugar, e uma vez que o motor utilizado durante os ensaios é um motor com alguma utilização, importava realizar o teste de aceitação do motor, isto é, o teste predefinido pelo manual da viatura que garante as condições de funcionamento normais do motor em ambiente real, ou seja na viatura a funcionar no terreno. Este ensaio de aceitação está descrito na seguinte tabela: Figura 9 - Modelo do ensaio de aceitação [10] Após a realização deste ensaio de aceitação procedeu-se então a um ensaio de carga máxima, servindo este para traçar o gráfico de binário máximo versus velocidade de rotação, bem como potência máxima versus velocidade de rotação. Estes gráficos são especialmente importantes uma vez que ao controlar o motor através do controlador manual da sala de controlo do banco de ensaios é necessário saber os limites do motor em cada regime do motor, de forma a não sobrecarregar o mesmo, que poderia levar a danos na sua estrutura. Além do mais estes dois gráficos permitem verificar para qual regime o motor está otimizado, o que também é um bom ponto de comparação para os diversos combustíveis, pois permite perceber se têm de ser feitas mudanças estruturais ao motor de forma a que o ponto ótimo deste seja na mesma gama que para o combustível original, ou seja o diesel. A terceira fase do processo baseou-se na obtenção dos pontos necessários à construção do diagrama de colina. Este diagrama é tanto mais útil quanto maior for a gama de velocidades do motor e cargas abrangidas. Sendo assim definiu-se em função do gráfico de binário versus velocidade de rotação intervalos para a recolha de dados, isto é, para os diferentes combustíveis foram retirados dados de potência, consumo específico e consumo de combustível por unidade de tempo, fazendo variar o binário a uma velocidade do motor fixa desde a carga mínima até ao máximo obtido no ensaio 13

23 de carga máxima e, após atingir esse máximo fez se variar a velocidade fixando-a no novo patamar. Neste caso variou-se o binário de 70 Nm em 70 Nm, e a velocidade do motor de 200 em 200 rotações por minuto, desde as 800 rpm até ao máximo admitido pelo motor, 2800 rpm. Estas três fases descritas foram executadas de igual forma para os três tipos de combustível, no entanto há que ter em atenção que para último combustível utilizado, ou seja JP-8 mais aditivos, foi feito primeiro a adição desses mesmos aditivos. Esta adição foi feita através do uso de seringas esterilizadas, diretamente no reservatório do combustível. Por sua vez, a mistura para garantir a homogeneidade do combustível foi feita pelo próprio sistema de circulação do banco de ensaios. Os aditivos utilizados serviram para resolver dois dos problemas associados ao JP-8 encontrados na literatura que podem prejudicar a desempenho do motor, um aumentador do índice de cetano, o nitrato de 2-ethylhexyl, fabricado pela empresa sediada nos Estados Unidos da América, Sigma-Aldrich e um aditivo de lubrificação de produtos diesel e semelhantes da marca Stanadyne. O produto trata-se da Performance Formula dessa mesma marca e foi utilizado na proporção recomendada de 250 mililitros por cada 250 litros de combustível. Convém ainda referir que a empresa Sigma-Aldrich foi escolhida pois também no estudo de Labeckas et al. [1] referido no capítulo Estado da Arte foi esta a empresa que fabricou tal aditivo. Após a obtenção destes dados, retirados diretamente do software controlador do banco de ensaios, estes foram tratados, numa fase inicial através do software Microsoft Excel 2016, e posteriormente no software Matlab 2013, onde foi criado um script para a formulação dos diagramas de colina bem como todos os outros gráficos de interesse para o estudo. Além destes procedimentos foram ainda efetuadas recolhas de amostras dos três tipos de combustíveis, de forma a comparar as suas características e averiguar a mudança causada nas características do JP-8 pelos aditivos escolhidos. Estas amostras foram posteriormente entregues à empresa Saybolt, com laboratórios na Costa da Caparica, especialistas na análise de produtos petrolíferos, sendo analisado nos três combustíveis o índice de cetano, a massa específica e a viscosidade cinemática. Estes parâmetros foram escolhidos tendo em conta os problemas causados no funcionamento do motor pelas diferenças dos mesmos como referido no capítulo anterior. 14

24 5. Análise e Discussão de Resultados Neste capítulo serão apresentados os resultados obtidos no decorrer do processo, isto é, os dados obtidos em banco de ensaios após o seu tratamento, ou seja, a comparação entre os vários combustíveis e a sua influência no desempenho do motor Detroit Diesel V Os Combustíveis Os parâmetros técnicos mais relevante para este estudo dos diferentes combustíveis, diesel, JP-8 e JP-8 tratado com o melhorador de índice de cetano pela adição de 0,12 de percentagem por unidade de volume de combustível e o aditivo para melhorar a lubrificação do combustível Stanadyne Performance Formula foram analisados pela empresa acreditada para a inspeção de produtos petrolíferos Saybolt, sendo os resultados apresentados na seguinte tabela. O número de características analisadas poderiam ser muito mais extensas, no entanto tendo em conta a especificidade deste estudo optou-se por não fazer mais medições a características como a presença de enxofre, realizado em ensaios da bibliografia. Tabela 2 - Características dos combustíveis Propriedade Método de Teste Diesel JP-8 JP-8 aditivado Fórmula Química - C10-C29 C8-C18 C8-C18 Massa específica a 15ºC [ kg m 3] Viscosidade Cinemática a 40ºC [ mm2 ] s EN ISO ,6 791,5 799,3 EN ISO , 010 1,115 1,260 Número de Cetano EN ISO ,8 43,6 51,1 Como podemos verificar o JP-8 é 5,4 % mais leve que o diesel, já no caso do JP-8 aditivado este é 4,5 % mais leve em comparação ao diesel. A menor massa específica e viscosidade tem tendência a reduzir as propriedades lubrificantes do combustível, assim sendo verifica-se que a presença dos aditivos no JP-8 teve uma influência positiva no aumento das propriedades lubrificantes, uma vez que em comparação o JP-8 sem aditivos apresenta uma redução na viscosidade de 63 % em comparação ao diesel e no caso do JP-8 aditivado esta redução é de 58 %. Apesar desta melhoria através dos aditivos, estes valores ficam ainda longe dos valores do combustível convencional, o diesel, pelo que seria de interesse estudar de forma mais aprofundada um aditivo mais eficaz para melhorar as características de lubrificação do JP-8. A desvantagem do menor número de cetano do JP-8 já é conhecida dos capítulos anteriores, de facto confirma-se que este apresenta uma redução de 33 % no número de cetano. Também neste caso se verifica que os aditivos tiveram uma influência bastante positiva nas propriedades do combustível, apresentando um aumento de 17 % em relação ao JP-8 simples. Convém ainda notar que o índice de cetano do JP-8 aditivado cumpre mesmo os mínimos exigidos pela norma EN ISO para diesel (mínimo de 51 para diesel comercial). A menor massa específica e viscosidade cinemática do JP-8 em relação ao diesel pode melhorar as características de vaporização e a mistura de combustível [1], verifica-se que apesar de 15

25 Pressão Combustível [bar] no caso do JP-8 aditivado estas características apresentarem valores superiores de que no caso de JP-8 simples, continuam a ser inferiores aos valores do diesel. De facto, pode-se comprovar a melhor vaporização do combustível através das pressões de entrada do combustível [1], que como se pode ver no seguinte gráfico são inferiores no JP-8 aditivado em relação ao diesel. 0,6 Evolução da Pressão do Combustível 0,5 0,4 0,3 JP-8 Aditivado Diesel 0,2 0,1 0 Figura 10 - Gráfico 1-Pressão de combustível medido em banco O menor número de cetano do JP-8 e JP-8 aditivado em relação ao diesel pode ainda levar a um maior atraso de inflamação do combustível [1], o que afeta a libertação de calor, apesar do poder calorífico por unidade de massa ser superior no JP-8, e consequentemente leva também a um menor trabalho útil por ciclo de potência Ensaios de aceitação Como foi referido no capítulo anterior, para cada tipo de combustível a ser utilizado no motor executou-se o ensaio de aceitação proposto pelo manual do motor Detroit Diesel V6. No decorrer destes ensaios verificou-se que todos os combustíveis validavam os parâmetros da marca, no entanto uma vez que se trata de um ensaio standard e como dito anteriormente corresponde aos mínimos aceitáveis para que o motor possa ser utilizado, não é de interesse apresentar esses resultados, uma vez que são iguais para os diferentes combustíveis. Assim sendo os relatórios destes ensaios encontram-se em anexo, onde se pode verificar que todos os combustíveis cumpriram os requisitos mínimos Ensaios de Carga Máxima Os ensaios de carga máxima além de permitirem aferir até onde podemos forçar o motor no decorrer dos outros ensaios sem lhe causar danos estruturais, são também um indicador de como as diferentes características do combustível afetam o desempenho do motor em estudo. Como pode ser verificado nos gráficos 2, 3 e 4, a baixas velocidades (até às 1200 RPM) do motor o binário extraído com o JP-8 mesmo sem aditivos consegue igualar o extraído com o combustível convencional, o diesel. No caso do JP-8 aditivado pode-se mesmo verificar que é possível extrair mais binário do motor a baixas velocidades (até às 1400 RPM). Verifica-se que a estas velocidades o JP-8 aditivado tem um aumento máximo de binário extraído de 5%, ocorrendo às 1000 RPM. No caso do JP-8 simples a partir das 1200 RPM começa a verificar-se uma queda no binário extraído, sendo a redução máxima de 10,5 %, que ocorre à velocidade máxima de 2800 RPM. Já no caso do JP-8 aditivado essa redução ocorre apenas a partir das 1400 RPM, como foi referido, no entanto esta é substancialmente menor, verificando-se o seu máximo às 2600 RPM com um 16

26 Potência [kw] Binário [Nm] decréscimo de apenas 3 %. Estes resultados validam as conclusões do estudo de [1], sendo que neste caso trata-se de um motor a 2 tempos e nesse estudo foram retiradas as mesmas conclusões para um motor de 4 tempos. No caso da potência extraída, verifica-se o mesmo cenário, como seria de esperar devido à relação da potência com o binário, ou seja, no caso do JP-8 simples a baixas rotações (até às 1200 RPM) a potência é igualada ao caso diesel. Para rotações mais elevada verifica-se um decréscimo máximo de potência de 10,7 % ocorrendo este às 2800 RPM. Para o caso do JP-8 aditivado até às 1400 RPM verifica-se um aumento de potência máximo de 3, %, ocorrendo às 1000 RPM, para rotações superiores a 1400 RPM verifica-se um decréscimo máximo de 3,1 %, ocorrendo este às 2800 RPM. É de referir que estas diferenças entre percentagens de binário e potência se devem ao fator de correção que o software do banco de ensaios aplica aos valores retirados do dínamo. A partir destes gráficos (2, 3 e 4) é possível ainda constatar que o regime ótimo de funcionamento do motor é igual no caso diesel e JP-8 simples, encontrando-se este nas 2200 RPM. Já no caso do JP-8 aditivado verifica-se uma ligeira alteração para rotações superiores, sendo neste caso verificado às 2400 RPM. De facto, esta alteração é até vantajosa uma vez que as viaturas blindadas equipadas com este motor Detroit trabalham geralmente em regimes de altas rotações. Gráfico Potência e Binário Motor a trabalhar a DIESEL RPM Potência Torque Figura 11 - Gráfico 2 Potência e Binário do motor a DIESEL 17

27 Potência [kw] Binário [Nm] Potência [kw] Binário [Nm] Gráfico Potência e Binário Motor a trabalhar a JP-8 SIMPLES Potência Torque RPM 480 Figura 12 - Gráfico 3 Potência e Binário do motor a JP-8 SIMPLES Gráfico Potência e Binário Motor a trabalhar a JP-8 com aditivos RPM Potência Torque Figura 13 - Gráfico 4 Potência e Binário do JP-8 ADITIVADO Convém ainda verificar como é que estes diferentes valores de binário e potência para os diversos combustíveis influenciam os consumos do motor. No gráfico 5 e 6 pode-se constatar que o JP-8 simples apresenta em todo o espectro de rotações um menor consumo horário e consumo específico que no caso diesel. No entanto este consumo inferior tem como contrapartida uma redução elevada de binário e potência como foi descrito anteriormente, sendo este facto ainda mais crítico uma vez que a maior redução de potência ocorre a altas rotações, regime que é o mais utilizado quando o motor está inserido nas viaturas militares. 18

28 Consumo Horário [kg/h] Consumo Específico [g/kwh] Consumo Horário [kg/h] Consumo Específico [g/kwh] Consumos Específico e Horário do Motor a DIESEL - Carga Máxima RPM Consumo Horário Consumo Específico Figura 14 - Gráfico 5 Consumos específico e horário do motor a DIESEL em carga máxima Consumos Específico e Horário do Motor a JP-8 Simples - Carga Máxima Consumo Horário Consumo Específico RPM 0 Figura 15 - Gráfico 6 consumo específico e horário do motor a JP-8 simples em carga máxima Já no caso do JP-8 aditivado pode-se verificar no gráfico 7 que há um ligeiro aumento tanto ao nível do consumo específico como do consumo horário quando comparado ao caso do JP-8 simples. Este resultado era esperado, pois como constatou [1] para um motor de 4 tempos é possível aproximar a desempenho do motor em termos de binário e potência com alguma perda nos resultados de consumo (quando comparado ao caso diesel). Neste caso o mesmo se verifica para um motor a dois tempos, no entanto convém recordar que este resultado é apenas do ensaio de carga máxima, sendo que mais à frente serão apresentados os resultados para diferentes cargas. Pode-se então verificar na tabela 2 as diferenças em termos percentuais dos consumos específicos e horários, binário e potência para os diversos combustíveis em alguns níveis de velocidade do motor. 19

29 Consumo Horário [kg/h] Consumo Específico [g/kwh] Consumos Específico e Horário do Motor a JP-8 Aditivado - Carga Máxima RPM Consumo Horário Consumo Específico Figura 16 - Gráfico 7 Consumo específico e horário do motor a JP-8 aditivado em carga máxima Tabela 3 - Diferenças percentuais do desempenho para os 3 combustíveis RPM Diesel Parâmetros JP-8 vs Diesel JP-8 Aditivado vs Diesel 60 kw Potência = +3,3 % Nm Binário = +4,7 % 339 g/kwh Consumo Específico -11,5 % -11,8 % 20,2 kg/h Consumo Horário -5,7 % -10 % 107 kw Potência -3,7 % -1,9 % Nm Binário -3,1 % -1,6% 264 g/kwh Consumo Específico -5,7 % -5,3 % 28,2 kg/h Consumo Horário -8,5 % -8,2 % 135 kw Potência -3,7 % -3 % Nm Binário -3,7 % -2,6 % 243 g/kwh Consumo Específico -4,5 % -4,1 % 32,9 kg/h Consumo Horário -7,9 % -8,2 % 160 kw Potência -10,7 % -3,1 % Nm Binário -10,5 % -3 % 245 g/kwh Consumo Específico -2 % -2,9 % 39,1 kg/h Consumo Horário -12,5 % -5,9 % É ainda de referir que, uma vez que as massas específicas dos combustíveis são diferentes e o consumo horário apresentado nos gráficos anteriores está em unidades de massa por hora, estes resultados deverão ser traduzidos em unidades de volume por hora para o cálculo de custos associados 20

30 CONSUMO HORÁRIO [L/H] à utilização dos diferentes combustíveis. Assim sendo, no gráfico 8 é possível verificar os consumos horários dos diferentes combustíveis nessas unidades, para o ensaio de carga máxima. CONSUMO HORÁRIO DO MOTOR PARA OS DIFERENTES COMBUSTÍVEIS - CARGA MÁXIMA DIESEL JP8 Aditivado JP8 Simples DIESEL 24, , , , , , ,836 44, , ,73679 JP8 Aditivado 22, , , , , , , ,287 44, ,04029 JP8 Simples 22, , , , , , , , , ,2091 RPM Figura 17 - Gráfico 8 - Consumo horário dos diferentes combustíveis Verifica-se assim que os consumos com JP-8 aditivado ou não, em regime de carga máxima apresenta sempre consumos inferiores ao diesel, relembre se ainda que no caso do JP-8 simples com uma perda máxima de 10,5 % de potência e no caso do JP-8 aditivado com uma perda máxima de 3,1% de potência Análise da evolução de consumos a cargas variáveis No subcapítulo anterior fez-se uma análise aos consumos dos diferentes combustíveis sempre em regime de carga máxima do motor, convém, no entanto, analisar a evolução dos mesmos a velocidades fixas, mas com cargas variáveis, uma vez que como já foi verificado anteriormente existem diferenças substanciais em regimes de baixas rotações versus altas rotações. Assim sendo apresentam-se nos gráficos 9 e 10 as evoluções de consumos dos 3 combustíveis a velocidades fixas de 1200 RPM e 2600 RPM com cargas variáveis. 21

31 Consumo Específico [g/kwh] Consumo horário [l/h] Consumo Específico [g/kwh] Consumo Horário [l/h] 500 Consumo Específico a 1200 RPM Diesel JP-8 JP-8 Aditivado Diesel Ch Torque [Nm] Figura 18 - Gráfico 9 Consumo específico a 1200 RPM e carga variável Consumo Específico a 2600 RPM Torque [N/m] Diesel JP-8 JP-8 Aditivado Diesel Ch JP-8 Ch JP-8 Aditivado Ch 5 0 Figura 19 - Gráfico 10 Consumo específico a 2600 RPM e carga variável Como se pode verificar a baixas rotações, neste caso 1200 RPM, o consumo específico do JP- 8 aditivado é sempre inferior ao do diesel, tirando no caso de carga máxima que é ligeiramente superior. Já no caso do JP-8 simples, verifica-se um consumo específico a baixas cargas e baixas rotações 22

32 superior tanto ao diesel como JP-8 aditivado, mas com uma tendência de redução em relação aos outros dois combustíveis à medida que a carga vai aumentando. No caso de velocidades do motor elevadas, neste caso 2600 RPM, a baixas cargas o diesel apresenta o melhor consumo específico, no entanto a tendência com a carga a aumentar é de aumento de consumo específico, chegando mesmo na zona de carga máxima a ser substancialmente superior ao caso JP-8 aditivado. O caso do JP-8 simples a cargas elevadas tende a acompanhar o caso do JP- 8 aditivado, no entanto este combustível não consegue atingir as mesmas cargas que os outros dois combustíveis. Na realidade, estes resultados são bastante encorajadores para o uso de JP-8 uma vez que como já foi referido a viatura blindada de transporte de pessoal, que é equipada com este motor, trabalha preferencialmente em regimes de altas rotações. Além do mais, a baixas rotações o máximo de aumento de consumo específico verifica-se a cargas baixas, sendo que este regime, baixas rotações e pequenas cargas praticamente não se aplica nestas viaturas, sendo a sua influência para os consumos totais negligenciáveis. Estes resultados estão ainda, mais uma vez, em linha com os resultados de Labeckas et al., no entanto no caso do motor a 4 tempos utilizado nesse estudo a cargas e rotações elevadas o diesel apresentava um melhor consumo específico que o JP-8 aditivado, o mesmo não se verificou no motor a 2 tempos utilizado para este estudo. Para o caso do consumo horário, apesar de se verificar em praticamente todo o espectro de cargas um ligeiro aumento tanto do JP-8 como do JP-8 aditivado, convém perceber que o custo por litro destes dois combustíveis é substancialmente inferior ao custo do diesel. Este ponto será escrutinado num subcapítulo mais à frente. Apesar desta vantagem em termos de custo, poderá existir algum problema em termos de autonomia, este aspeto será também tratado mais à frente Diagramas de Colina Serão agora apresentados os diagramas de colina construídos a partir do software Matlab. Para cada diagrama foram retirados informação em banco de ensaios de 110 diferentes regimes de funcionamento, fazendo variar a velocidade do motor em intervalos de 200 RPM, desde as 800 RPM às 2800 RPM, e a carga a variar em intervalos de 70 Nm, desde a carga mínima à carga máxima correspondente a cada nível de velocidade do motor. Nestes diagramas estão representados binário efetivo (torque) em Nm, velocidade do motor em RPM, e as isolinhas de consumo específico em g/kwh. Como é visível para os três casos e como seria de esperar, o consumo específico mínimo situase a rotações intermédias (entre as 1800 e as 2400 RPM, e a cargas parciais (entre os 400 e 500 Nm). Verifica-se que a velocidades elevadas o consumo tende a aumentar, isso deve-se ao fato de que a velocidades elevadas as perdas mecânicas são muito elevadas. No entanto este aumento não é tão elevado como seria de esperar. Isto verifica-se uma vez que o motor está claramente otimizado para trabalhar a elevadas velocidades. A rotações baixas pode-se verificar que o consumo específico é elevado. Isto pode dever-se às maiores perdas térmicas uma vez que existe mais tempo disponível para trocas de calor. Verifica-se ainda que a cargas baixas o consumo específico é muito elevado, isto é natural uma vez que o potencial do motor não está a ser extraído na sua totalidade. 23

33 Figura 20 - Gráfico 11- Diagrama de colina para o Diesel 24

34 Figura 21 - Gráfico 12- Diagrama de colina para o JP-8 25

35 Figura 22 - Gráfico 13- Diagrama de colina para o JP-8 aditivado 26