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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
ii
iii
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.
iv
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 5063-5299 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.
v
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
5063-5299 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.
vi
Índice Agradecimentos .................................................................................................................................. iii
Resumo ................................................................................................................................................. iv
Abstract .................................................................................................................................................. v
Lista de Tabelas ................................................................................................................................. vii
Lista de Figuras ................................................................................................................................ viii
1. Introdução ........................................................................................................................................ 1
1.1. Enquadramento ....................................................................................................................... 1
1.2. Motivação .................................................................................................................................. 1
1.3. Estrutura da Dissertação ...................................................................................................... 1
2. Estado da Arte ................................................................................................................................ 3
3. Fundamentos Teóricos ................................................................................................................. 6
3.1. Funcionamento dos motores diesel a 2 tempos ............................................................ 6
3.2. Diagramas de Colina .............................................................................................................. 8
3.3. Atraso à inflamação ............................................................................................................... 9
3.4. Número de Cetano ................................................................................................................ 10
4. Método e Equipamento............................................................................................................... 11
4.1. O motor .................................................................................................................................... 11
4.2. O banco de ensaios ............................................................................................................. 12
4.3. Processo de Recolha e Tratamento de Dados .............................................................. 12
5. Análise e Discussão de Resultados ....................................................................................... 15
5.1. Os Combustíveis................................................................................................................... 15
5.2. Ensaios de aceitação ........................................................................................................... 16
5.3. Ensaios de Carga Máxima .................................................................................................. 16
5.4. Análise da evolução de consumos a cargas variáveis .............................................. 21
5.5. Diagramas de Colina ............................................................................................................ 23
5.6. Análise dos Custos .............................................................................................................. 27
6. Conclusões .................................................................................................................................... 29
6.1. Trabalhos futuros ................................................................................................................. 29
7. Referências Bibliográficas ........................................................................................................ 31
8. Anexos ............................................................................................................................................ 32
vii
Lista de Tabelas Tabela 1: Características do Motor ....................................................................................................... 11
Tabela 2 - Características dos combustíveis .......................................................................................... 15
Tabela 3 - Diferenças percentuais do desempenho para os 3 combustíveis ........................................ 20
Tabela 4 - Modelo utilizado para análise de consumos ........................................................................ 27
Tabela 5 - Consumos horàrio e total tendo em conta o modelo .......................................................... 27
viii
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 ........................................................................................ 10
Figura 7 - Motor do M113 ..................................................................................................................... 11
Figura 8 - Layout do software Tornado ................................................................................................. 12
Figura 9 - Modelo do ensaio de aceitação [10] ..................................................................................... 13
Figura 10 - Gráfico 1-Pressão de combustível medido em banco ......................................................... 16
Figura 11 - Gráfico 2 – Potência e Binário do motor a DIESEL .............................................................. 17
Figura 12 - Gráfico 3 – Potência e Binário do motor a JP-8 SIMPLES .................................................... 18
Figura 13 - Gráfico 4 – Potência e Binário do JP-8 ADITIVADO ............................................................. 18
Figura 14 - Gráfico 5 – Consumos específico e horário do motor a DIESEL em carga máxima ............. 19
Figura 15 - Gráfico 6 – consumo específico e horário do motor a JP-8 simples em carga máxima ...... 19
Figura 16 - Gráfico 7 – Consumo específico e horário do motor a JP-8 aditivado em carga máxima ... 20
Figura 17 - Gráfico 8 - Consumo horário dos diferentes combustíveis ................................................. 21
Figura 18 - Gráfico 9 – Consumo específico a 1200 RPM e carga variável ............................................ 22
Figura 19 - Gráfico 10 – Consumo específico a 2600 RPM e carga variável .......................................... 22
Figura 20 - Gráfico 11- Diagrama de colina para o Diesel ..................................................................... 24
Figura 21 - Gráfico 12- Diagrama de colina para o JP-8 ........................................................................ 25
Figura 22 - Gráfico 13- Diagrama de colina para o JP-8 aditivado ........................................................ 26
ix
Lista de Acrónimos
SFC………………… Single Fuel Concept
OTAN………………. Organização do Tratado Atlântico Norte
PMI…………………. Ponto morto inferior
PMS………………… Ponto morto superior
1
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.
1.1. 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.
1.2. 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.
1.3. 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.
2
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.
3
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]
4
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
5
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.
6
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.
7
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.
8
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.
3.2. 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.
9
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.
3.3. 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
10
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).
11
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.
4.1. 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 5063-5299 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 5063-5299
Combustível Gasóleo
Nº de Cilindros 6 em V
Cilindrada 5.211 cm3
Potência Máxima 215 HP/2800 rpm
Este motor apresenta o ralenti entre a 600 e 700 RPM.
Figura 7 - Motor do M113
12
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/m2, 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
13
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
14
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.
15
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 5063-5299 V6.
5.1. 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
𝑚3]
EN ISO 12185 836,6 791,5 799,3
Viscosidade Cinemática a
40ºC [𝑚𝑚2
𝑠]
EN ISO 3104 3, 010 1,115 1,260
Número de Cetano
EN ISO 5165 64,8 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 12185
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
16
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.
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.
5.2. 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 5063-5299 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.
5.3. 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
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Pre
ssão
Co
mb
ust
ível
[b
ar]
Evolução da Pressão do Combustível
JP-8 Aditivado
Diesel
17
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.
Figura 11 - Gráfico 2 – Potência e Binário do motor a DIESEL
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560
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Bin
ário
[N
m]
Po
tên
cia
[kW
]
RPM
Gráfico Potência e Binário Motor a trabalhar a DIESEL
Potência
Torque
18
Figura 12 - Gráfico 3 – Potência e Binário do motor a JP-8 SIMPLES
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.
480
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Bin
ário
[N
m]
Po
tên
cia
[kW
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RPM
Gráfico Potência e Binário Motor a trabalhar a JP-8 SIMPLES
Potência
Torque
480
500
520
540
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580
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1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800
Bin
ário
[N
m]
Po
tên
cia
[kW
]
RPM
Gráfico Potência e Binário Motor a trabalhar a JP-8 com aditivos
Potência
Torque
19
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
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.
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ico
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]
Co
nsu
mo
Ho
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o [
kg/h
]
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Consumos Específico e Horário do Motor a DIESEL -Carga Máxima
Consumo Horário
Consumo Específico
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1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800
Co
nsu
mo
Esp
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[g/
kWh
]
Co
nsu
mo
Ho
rári
o [
kg/h
]
RPM
Consumos Específico e Horário do Motor a JP-8 Simples - Carga Máxima
Consumo Horário
Consumo Específico
20
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
1000
60 kW Potência = +3,3 %
569 Nm Binário = +4,7 %
339 g/kWh Consumo Específico
-11,5 % -11,8 %
20,2 kg/h Consumo Horário -5,7 % -10 %
1600
107 kW Potência -3,7 % -1,9 %
637 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 %
2000
135 kW Potência -3,7 % -3 %
645 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 %
2800
160 kW Potência -10,7 % -3,1 %
544 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
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1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800
Co
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mo
Esp
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[g/
kWh
]
Co
nsu
mo
Ho
rári
o [
kg/h
]
RPM
Consumos Específico e Horário do Motor a JP-8 Aditivado - Carga Máxima
Consumo Horário
Consumo Específico
21
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.
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.
5.4. 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.
1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800
DIESEL 24,1453527,4922330,4805233,7078736,6961539,32584 41,836 44,1071 46,4977346,73679
JP8 Aditivado 22,76992 26,3981 29,2756232,4033535,1557637,7830640,03503 42,287 44,7891946,04029
JP8 Simples 22,6152926,0265329,4377832,59634 35,7549 38,2817440,55591 42,3247 43,71447 43,2091
05
101520253035404550
CO
NSU
MO
HO
RÁ
RIO
[L/
H]
RPM
CONSUMO HORÁRIO DO MOTOR PARA OS DIFERENTES COMBUSTÍVEIS - CARGA
MÁXIMA
DIESEL JP8 Aditivado JP8 Simples
22
Figura 18 - Gráfico 9 – Consumo específico a 1200 RPM e carga variável
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
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70 140 210 280 350 420 490 560 630
Co
nsu
mo
Ho
rári
o [
l/h
]
Co
nsu
mo
Esp
ecíf
ico
[g/
kWh
]
Torque [Nm]
Consumo Específico a 1200 RPM
Diesel
JP-8
JP-8 Aditivado
Diesel Ch
0
5
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20
25
30
35
40
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0
100
200
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400
500
70 140 210 280 350 420 490 560 630
Co
nsu
mo
ho
rári
o [
l/h
]
Co
nsu
mo
Esp
ecíf
ico
[g/
kWh
]
Torque [N/m]
Consumo Específico a 2600 RPM
Diesel JP-8 JP-8 Aditivado Diesel Ch JP-8 Ch JP-8 Aditivado Ch
23
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.
5.5. 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 situa-
se 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.
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Figura 20 - Gráfico 11- Diagrama de colina para o Diesel
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Figura 21 - Gráfico 12- Diagrama de colina para o JP-8
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Figura 22 - Gráfico 13- Diagrama de colina para o JP-8 aditivado
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5.6. Análise dos Custos
De forma a avaliar as diferenças de custos provenientes da utilização dos diferentes
combustíveis foi necessário recorrer à formulação de um modelo de regimes de funcionamento para o
motor, de forma a ser possível fazer uma comparação de consumos, e consequentemente de custos.
O modelo escolhido foi feito para 50 minutos de funcionamento, os regimes de rotação e cargas
foram escolhidos tendo em conta o facto já referido de a viatura funcionar maior parte do tempo em
regime de altas rotações, assim na tabela 4 pode se verificar qual o modelo utilizado.
Tabela 4 - Modelo utilizado para análise de consumos
Tempo [min] RPM Binário [N/m]
Fase 1 10 800 70
Fase 2 10 1200 280
Fase 3 20 2400 350
Fase 4 5 2600 420
Fase 5 5 2800 Carga Máxima
Com base neste modelo e tendo em conta os consumos apresentados obtidos durante os
ensaios (dados encontram se em anexo), obtemos então os seguintes valores de consumo ao final
desses 50 minutos previstos no modelo:
Tabela 5 - Consumos horário e total tendo em conta o modelo
DIESEL JP-8 Aditivado JP-8
Consumo
[Kg/h] Consumo
[Kg] Consumo
[Kg/h] Consumo
[Kg] Consumo
[Kg/h] Consumo
[Kg]
Fase 1 2,508 0,418 2,7462 0,4577 2,3251 0,3875
Fase 2 8,5794 1,4299 8,4189 1,4031 8,626 1,4376
Fase 3 20,7829 6,9276 20,5708 6,8593 20,5071 6,8357
Fase 4 26,9985 2,2498 26,5093 2,2091 26,7899 2,2324
Fase 5 39,1 3,2583 36,1834 3,0152 34,2232 2,8519
Total [Kg] 14,2837 13,9421 13,7453
Total [L] 17,0735 17,4429 17,3661
Como se pode verificar na tabela 5, os consumos em termos de volume, ao final dos cinquenta
minutos do modelo, são muito semelhantes. Importa agora perceber o que isso significa em termos de
custos.
Em agosto de 2017 o preço médio do JP-8 foi de 35 cêntimos, já no caso do diesel o preço
médio foi de 1 euro e 28 cêntimos. Neste caso, para o modelo escolhido os custos associados seriam
para o caso diesel de 21,85 euros, e no caso do JP-8 de 6,08 euros. Como foi referido anteriormente,
o JP-8 simples implica uma grande perda no desempenho do motor, no entanto, se analisarmos o caso
do JP-8 aditivado, o custo associado também é significativamente inferior ao diesel sem essa grande
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perda de desempenho. Os dois aditivos utilizados, lubrificação e aumento de cetano, têm
respetivamente um custo associado por litro de 7 cêntimos e 17,3 cêntimos, fazendo um custo total por
litro de 59,6 cêntimos. Para o nosso modelo isto significa que o custo associado ao JP-8 aditivado é de
10 euros e 40 cêntimos, isto significa uma redução nos custos de 52,4%. Estes valores são claramente
significativos, tendo em conta o grande número de viaturas do Exército Português que utilizam este
motor.
Apesar destes resultados convém referir que os custos dos diferentes combustíveis podem ter
associados diferentes impostos associados, o que no caso de utilização em grande escala poderia
variar os mesmos.
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6. Conclusões
Nesta dissertação realizaram-se testes em banco de ensaios num motor Detroit Diesel 5063-
5299 V6 com três tipos de combustíveis, diesel, JP-8 simples e JP-8 aditivado. Estes ensaios foram
realizados com o intuito de comparar os desempenhos do motor e avaliar a viabilidade do uso de JP-8
aditivado nos motores diesel ao serviço do Exército Português.
O ensaio com JP-8 simples serviu essencialmente para verificar a eficácia dos aditivos
utilizados, o que permitiu concluir que realmente estes tiveram um efeito positivo, melhorando o número
de cetano em 17,2%, e melhorando ainda as características de lubrificação.
Os ensaios de JP-8 aditivado revelaram que a utilização deste combustível é uma hipótese
viável, não se verificando perdas significativas de potência extraída do motor, e verificando-se mesmo
uma redução no consumo específico. Na realidade a perda de potência fixada no máximo de 3% é
negligenciável, uma vez que a potência máxima assegurada pela construtora no manual do motor se
fixa nos 210 cv de potência, e nos ensaios com JP-8, mesmo com essa perda de 3% obtiveram-se 211
cv de potência. Quanto aos consumos estes são, em 90% da gama de velocidades e cargas, inferiores
aos do caso diesel. Convém, no entanto, notar que esta redução se verifica no consumo específico e
que é fruto das diferentes massas específicas dos combustíveis. Isto pode, em alguns pontos de toda
a gama de velocidades e cargas, traduzir-se num aumento de consumo ao nível de volume, ou seja,
em litros, o que poderá ser relevante em termos de custos. No entanto, como demonstrado, é
claramente vantajoso em termos de custos a utilização de JP-8 aditivado.
Durante este processo, construíram-se os diagramas de colina do motor com os três tipos de
combustíveis. Isto é de facto uma mais valia para o Exército Português visto que tais dados não
existiam, uma vez que não foram fornecidos pela construtora, e são de elevada utilidade mesmo para
alterar rotinas de condução, conduzindo para reduções de consumos nas viaturas equipadas com estes
motores.
A nível de consumos e custos associados a estes, verifica-se que a utilização do JP-8 aditivado
é de extremo interesse, obtendo-se uma redução de custos na ordem dos 50% face ao caso diesel com
um prejuízo máximo de 3 % no desempenho do motor.
Quanto ao nível do desgaste do motor, deveriam ter sido realizadas análises ao óleo do motor
pré e pós ensaios de forma a verificar as quantidades de metais no mesmo, o que permitiria ter uma
ideia, ainda que pouco precisa, das diferenças do desgaste com os diferentes combustíveis. No
entanto, por falta de tempo para tais análises, estas acabaram por não se realizar.
Esta dissertação baseou-se em ensaios em ambiente de banco, estando o motor isolado da
viatura, pelo que é necessário ter em conta que ensaios na viatura, em ambiente real, poderão revelar
problemas não encontrados durante a realização dos testes realizados no âmbito desta dissertação.
Além disto, convém notar que a duração dos ensaios é relativamente curta em relação ao que as
viaturas em ambiente tático necessitam de realizar.
6.1. Trabalhos futuros
O objetivo principal desta dissertação foi cumprido, sendo que a comparação de desempenho
do motor com os diferentes combustíveis se realizou e no ambiente de banco de ensaios ficou
comprovado que o JP-8 quando aditivado é realmente uma hipótese viável. No entanto, melhores
resultados podem ainda ser obtidos calibrando o timing de injeção do combustível para contrariar o
maior atraso à inflamação que se verifica no JP-8, pelo que seria de interesse realizar esses estudos e
proceder a essa alteração. Além desta mudança, seria também útil regular a bomba injetora de forma
a compensar a menor massa específica que se verifica no JP-8 e que leva a um menor volume de
combustível introduzido no motor.
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Como foi referido este trabalho baseou-se em testes em banco de ensaios, pelo que seria útil
validar os resultados em situação real, ou seja com o motor incorporado na viatura e utilizando a mesma
em ambiente real, no terreno.
Durante a dissertação, realizaram-se os ensaios com vista a comparar os desempenhos do
motor. Apesar destes resultados terem sido positivos, convém recordar que ao nível do desgaste do
motor não foram avaliados nenhuns dados, pelo que seria de interesse realizar este estudo no futuro.
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7. Referências Bibliográficas
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diesel engine operating on jet fuel, Journal of KONES Powertrain and Transport, Vol. 19, No. 1 2012.
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Policy and Planning Division, Logistics OTAN HQ, 1110, 219 p., Brussels Belgium 1990.
[3] Arkoudeas, P., Kalligeros, S., Zannikos, F., Anastopoulos, G., Karonis, D., Korres, D.,
Lois, E., Study of using IP-8 aviation fuel and biodiesel in CI engines, Energy Conversion
and Management, Vol. 44, Is. 7, pp. 1013-1025, 2003.
[4] Lee, J., Bae, C., Application of JP-8 in a heavy duty diesel engine, Fuel, Vol. 90, Is. 5,
pp. 1762-1770, 2011.
[5] Pandey, A. K., Nandgaonkar, M. R., Performance, Emission and Pump Wear Analysis of JP-
8 Fuel for Military Use on a 558 kW, CIDI Diesel Engine. SAE International Technical Paper
Number: 2010-01-1518. J. Fuels Lubr. 3(2):238-245, doi: 10.4271/2010-01-1518, 2007.
[6] Zielinski, Steven, Overview of Necessary Modifications for Commercial Diesel Engines in
Military Vehicles, TARDEC GVPM Powertrain.
[7] Lopes, José Miguel C. Mendes, motores de combustão interna – uma abordagem termodinâmica,
Sebentas do Instituto Superior Técnico, 2003.
[8] Myong, K., Suzuki, H., Senda, J., Fujimoto H. Spray inner structure of evaporating multicomponent
fuel, Fuel, Vol. 87, Is. 2, pp. 202-210, 2007.
[9] Fernandes et al, Technical Report #15355.
[10] Detroit Company, Technical Manual TM 5-3895-355-14&P, 1981.
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8. Anexos
