anÁlise termodinÂmica e experimental da...

ANÁLISE TERMODINÂMICA E EXPERIMENTAL DA COMBUSTÃO DE

DIESEL MARÍTIMO EM MOTORES DE ROTAÇÃO CONSTANTE MAN

INNOVATOR 4C E ASTM/CFR F-5

André Maciel Falcão

Rio de Janeiro, RJ – Brasil

Março de 2019

Projeto de Graduação apresentado ao Curso de

Engenharia Mecânica da Escola Politécnica,

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

parte dos requisitos necessários à obtenção do

título de Engenheiro.

Orientadores: Marcelo José Colaço

Orientadores: Nauberto Rodrigues Pinto

Orientadores: Pedro Paulo Pereira

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica

DEM/POLI/UFRJ

ANÁLISE TERMODINÂMICA E EXPERIMENTAL DA COMBUSTÃO DE DIESEL

MARÍTIMO EM MOTORES DE ROTAÇÃO CONSTANTE MAN INNOVATOR 4C

E ASTM/CFR F-5


PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE

ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO.

Aprovado por:

________________________________________________ Prof. Marcelo José Colaço, D.Sc.

________________________________________________ Eng. Nauberto Rodrigues Pinto, Engenheiro

________________________________________________ Eng. Pedro Paulo Pereira, Engenheiro

________________________________________________ Prof. Albino José Kalab Leiroz, Ph.D.

________________________________________________ Prof. Gabriel Lisbôa Verissimo, D.Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

MARÇO DE 2019

iii

Falcão, André Maciel

Análise Termodinâmica e experimental da combustão

de diesel marítimo em motores de rotação constante MAN

Innovator 4C E ASTM/CFR-F5 / André Maciel Falcão – Rio

de Janeiro: UFRJ / Escola Politécnica, 2019.

XIII, 60 p.: il.; 29,7 cm




Projeto de Graduação – UFRJ / Escola Politécnica /

Curso de Engenharia Mecânica, 2019.

Referências Bibliográficas: p. 53 - 54

1. Combustão em motores diesel. 2. Óleo diesel

marítimo. 3. Diesel rodoviário S500. 4. Número de Cetano.

I. Colaço, Marcelo José et al. II. Universidade Federal do

Rio de Janeiro, Escola Politécnica, Curso de Engenharia

Mecânica. III. Análise Termodinâmica e Experimental da

Combustão de Diesel Marítimo em Motores de Rotação

Constante MAN Innovator 4C e ASTM/CFR F-5.

iv

Agradecimentos

Aos meus pais, sem eles, nada disso seria possível. Nunca mediram esforços

para que eu chegasse a esta etapa da minha vida e de tudo fizeram para me

proporcionar o melhor ambiente possível para o meu desenvolvimento e do meu irmão.

Sempre estiveram presentes nas minhas conquistas, e desta vez, não seria diferente.

Minha querida mãe, Lucienne, quem sempre zelou por mim e quem torce para o meu

sucesso e felicidade. Exemplo de mãe. Sempre pude e sei que posso contar com seu

apoio. Meu pai, Carlos, sempre forte, pessoa que eu tenho como exemplo de ética e

comprometimento. Com ele aprendi que “a maior herança que alguém pode deixar para

outra, é a educação, e isso ninguém pode tirar”, sempre fomentando o desenvolvimento

intelectual.

Ao meu irmão, Alexandre, hoje colega de profissão, quem sempre admirei pela

inteligência e é um exemplo de pessoa responsável.

Às pessoas que conheci durante a faculdade e que contribuíram, de alguma

forma, com a minha jornada. Em especial, aos meus amigos do curso de engenharia

mecânica da UFRJ, pessoas com quem pude compartilhar sentimentos diversos ao

longo desta experiência: Arthur Gobbi, Bernardo Barboza, Bruno Gomes, Diego Totti,

Heitor França, Lucas Amorim, Michel Besso e Vitor Hugo.

Agradeço aos professores com quem tive a honra de ter podido adquirir

conhecimentos ao longo da minha graduação, em especial, ao professor Marcelo

Colaço, também meu orientador no presente trabalho.

Agradeço à equipe do Laboratório de Máquinas Térmicas da UFRJ, em especial,

ao Nauberto Rodrigues Pinto, Pedro Paulo Pereira e Rodrigo Rodrigues Machado pelo

suporte e paciência neste trabalho.

Por fim, agradeço à Universidade Federal do Rio de Janeiro, instituição de

excelência que tenho a honra de dizer que fez parte da minha vida e o orgulho de dizer

que fiz parte de sua história.

v

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte

dos requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.

ANÁLISE TERMODINÂMICA E EXPERIMENTAL DA COMBUSTÃO DE

DIESEL MARÍTIMO EM MOTORES DE ROTAÇÃO CONSTANTE MAN

INNOVATOR 4C E ASTM/CFR F-5


Março/2019




Curso: Engenharia Mecânica

A preocupação com os impactos negativos no meio ambiente, devido ao

aumento da demanda energética, estimula o estudo de formas de se aproveitar melhor

a transformação de energia realizadas pelo homem. O objetivo deste trabalho, é a

análise da combustão de combustíveis operando nos motores diesel MAN Innovator 4C

e Waukesha CFR F-5. No motor MAN, foram utilizados os dados experimentais na

câmara de combustão para três percentuais diferentes da carga (50%, 75% e 100%)

operando com o óleo diesel marítimo, obtidos anteriormente pela equipe do Laboratório

de Maquinas Térmicas da UFRJ. No motor CFR F-5, foram analisados os resultados

obtidos ao longo deste presente trabalho operando com os combustíveis diesel

rodoviário S500 e óleo diesel marítimo, operando com os parâmetros de operação

determinados pelo método ASTM D-613, utilizado para a obtenção do número de cetano

de combustíveis usados em motores de ignição por compressão. Por fim, foram

comparados e analisados os resultados obtidos para os diferentes percentuais de carga

no motor MAN, e para os diferentes combustíveis utilizados no motor CFR F-5.

Palavras-chave: Combustão em Motores Diesel, Óleo Diesel Marítimo, Diesel

Rodoviário S500, Número de Cetano.

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Mechanical Engineer.

THERMODYNAMIC AND EXPERIMENTAL ANALYSIS OF MARITIME DIESEL

COMBUSTION IN CONSTANT ROTATION ENGINES MAN INNOVATOR 4C

AND ASTM/CFR F-5


March/2019

Advisors: Marcelo José Colaço

Advisors: Nauberto Rodrigues Pinto

Advisors: Pedro Paulo Pereira

Course: Mechanical Engineering

The concern about the negative impacts on the environment, due to the increase

in energy demand, stimulates the study of ways to make better use of the transformation

of energy made by man. The aim of this work is the analysis of combustion of fuels

operating in the MAN Innovator 4C and Waukesha CFR F-5 diesel engines. In the MAN

engine, the experimental data in the combustion chamber were obtained for three

different percentages of the maximum engine load (50%, 75% and 100%) operating with

the marine diesel oil, previously obtained by the staff of the Laboratory of Thermal

Machines of the UFRJ. In the CFR F-5 engine, the results obtained during this project

were analyzed using road diesel fuel S500 and marine diesel oil, running with the

operating parameters determined by the ASTM D-613 method, used to obtain the cetane

number of fuels used in compression-ignition engines. Finally, we compared and

analyzed the results obtained for the different percentages of the maximum engine load

in the MAN engine, and for the different fuels used in the CFR F-5 engine.

Keywords: Diesel Engines Combustion, Marine Diesel Oil, Road Diesel Fuel S500,

Cetane Number.

vii

Sumário

Agradecimentos .............................................................................................. iv

Lista de Tabelas .............................................................................................. ix

Listas de Figuras .............................................................................................. x

Lista de Símbolos ........................................................................................... xii

Abreviaturas .................................................................................................. xiii

1. Introdução .................................................................................................. 1

1.1. Motivação ..................................................................................................... 1

1.2. Objetivo ........................................................................................................ 2

2. Revisão Bibliográfica ................................................................................ 3

2.1. Motor ciclo diesel ......................................................................................... 3

2.1.1. Ciclo termodinâmico .......................................................................................... 4 2.1.2. Tipos de sistema de combustão ........................................................................ 5 2.1.3. Motores marítimos ............................................................................................. 5 2.1.4. Razão de compressão ....................................................................................... 6 2.1.5. Poder calorífico ................................................................................................. 7 2.1.6. Processo de combustão .................................................................................... 7 2.1.6.1. Fase de atraso de ignição ................................................................................ 8 2.1.7. Número de cetano ........................................................................................... 10 2.1.8. Trabalho indicado por ciclo .............................................................................. 12 2.1.9. Liberação de calor pela queima do combustível .............................................. 12 2.1.10. Eficiências ....................................................................................................... 13

2.2. Combustíveis ............................................................................................. 16

2.2.1. Diesel em aplicações marítimas ...................................................................... 16 2.2.2. Diesel rodoviário .............................................................................................. 18

3. Procedimento Experimental ................................................................... 19

3.1. Combustíveis ............................................................................................. 19

3.2. Poder calorífico .......................................................................................... 19

3.3. Motores utilizados ...................................................................................... 20

3.3.1. MAN Innovator 4C ........................................................................................... 20 3.3.2. Waukesha CFR F-5 ......................................................................................... 23 3.3.3. AVL IndiCom ................................................................................................... 26

4. Metodologia .............................................................................................. 27

4.1. Modelagem termodinâmica ........................................................................ 27

4.1.1. Primeira Lei da Termodinâmica ....................................................................... 27

viii

4.1.2. Razão de compressão ..................................................................................... 28 4.1.3. Volume do cilindro ........................................................................................... 28 4.1.4. Consumo horário de combustível .................................................................... 29

4.2. Número de cetano ..................................................................................... 29


4.4. Atraso de ignição ....................................................................................... 32

4.4.1. Ângulo de início de injeção .............................................................................. 33 4.4.2. Ângulo do início da combustão ........................................................................ 33

4.5. Trabalho indicado ...................................................................................... 34

4.6. Liberação de calor pela queima de combustível ........................................ 34

4.7. Eficiência térmica ....................................................................................... 35

5. Resultados e análises ............................................................................. 36

5.1. Massa específica dos combustíveis ........................................................... 36


5.3. MAN Innovator 4C ..................................................................................... 38

5.3.1. Curvas de pressão .......................................................................................... 38 5.3.2. Consumo horário de combustível .................................................................... 40 5.3.3. Atraso de ignição ............................................................................................. 40 5.3.4. Taxa de liberação de calor para diferentes cargas .......................................... 43 5.3.5. Eficiências ....................................................................................................... 44

5.4. Waukesha CFR F-5 ................................................................................... 45

5.4.1. Curvas de pressão .......................................................................................... 46 5.4.2. Consumo horário de combustível .................................................................... 47 5.4.3. Liberação de calor pelos combustíveis MDO e S500 ....................................... 48 5.4.4. Número de cetano ........................................................................................... 49 5.4.5. Eficiências ....................................................................................................... 50

6. Conclusões .............................................................................................. 52

7. Referências ............................................................................................. 53

APÊNDICE A – Especificações dos combustíveis ...................................... 55

A.1 – Especificações dos óleos marítimos, de acordo com a Resolução ANP nº 52 de 29 de dezembro de 2010 ............................................................................................ 55 A.2 – Especificações do óleo diesel de uso rodoviário, de acordo com a Resolução ANP n° 50 de 23/12/2013 ........................................................................................... 56

APÊNDICE B – CFR método F-5 .................................................................... 59

ix

Lista de Tabelas

Tabela 1. Alguns valores especificados pela ANP para MDO e S500. ........................ 19

Tabela 2. Características do motor MAN. ................................................................... 21

Tabela 3. Parâmetros do motor CFR. ......................................................................... 26

Tabela 4. Número de cetano com relação a porcentagem do T22 e U15. ................... 30

Tabela 5. Conversão da leitura do volante para razão de compressão. Retirado de

[19]. ............................................................................................................. 32

Tabela 6. Trabalho por ciclo no motor MAN a rotação de 1200 rpm utilizando MDO. . 39

Tabela 7. SFC e consumo horário de combustível por carga no motor MAN. ............. 40

Tabela 8. Valores para início da combustão no motor MAN para os diferentes

métodos. ..................................................................................................... 42

Tabela 9. Valores de atrasos de ignição para cada percentual de carga do motor MAN.

.................................................................................................................... 42

Tabela 10. Calor liberado para cada percentual de carga do motor MAN operando com

o MDO. ........................................................................................................ 44

Tabela 11. Eficiência térmica calculada a partir dos dados experimentais do motor

MAN para diferentes cargas. ....................................................................... 45

Tabela 12. SFC e consumo horário do motor CFR operando com o MDO e o S500... 48

Tabela 13. Registros de operação do motor CFR ....................................................... 49

Tabela 14. Eficiência térmica calculada a partir dos dados experimentais do motor

CFR para o MDO e S500. ........................................................................... 50

x

Listas de Figuras

Figura 1. Distribuição percentual da produção de derivados energéticos de petróleo –

2017. Retirado de [2]. .................................................................................... 2

Figura 2. Ciclo operacional do motor diesel de quatro tempos. Retirado de [5]. ............ 4

Figura 3. Representação genérica da razão de compressão de 8:1. Retirado de [7]. ... 6

Figura 4. Efeitos no atraso de ignição com a variação da pressão média efetiva e da

temperatura de admissão. Adaptado de [3]. .................................................. 9

Figura 5. Influência do número de cetano no atraso de ignição. Adaptado de [3]. ...... 10

Figura 6. Diagrama pressão-volume genérico de um ciclo diesel................................ 12

Figura 7. Modelo de curva de liberação de energia. Adaptado de [3]. ......................... 13

Figura 8. Volume de controle do motor. ...................................................................... 14

Figura 9. Limites de emissão de NOx – MARPOL. Retirado de [11]. ........................... 16

Figura 10. Calorímetro modelo C200, fabricante IKA. Retirado de [14]. ...................... 20

Figura 11. Sala de testes Bunker I localizado no LMT da UFRJ. ................................ 21

Figura 12. Motor marítimo diesel MAN Innovator 4C instalado no LMT da UFRJ. ....... 22

Figura 13. Motor ASTM Cetano CFR, modelo F-5. ..................................................... 23

Figura 14. Medidor do avanço de injeção e atraso de ignição. .................................... 24

Figura 15. Volante responsável pela variação da razão de compressão. Retirado de

[16]. ............................................................................................................. 24

Figura 16. Micrômetro do avanço de injeção do motor CFR. Retirado de [17]. ........... 25

Figura 17. Tela inicial do software utilizado para leitura dos dados experimentais

durante os testes. ........................................................................................ 26

Figura 18. Geometria do conjunto cilindro-biela-virabrequim. ..................................... 28

Figura 19. Curva do Motor CFR Cetano (29/08/2006). ................................................ 31

Figura 20. Atraso de ignição a partir das curvas do levantamento da agulha e taxa de

liberação de calor. Adaptado de [4]. ............................................................ 33

Figura 21. Curva genérica de levantamento da agulha injetora, lN, em função de θ com

indicação do máximo de sua derivada. Adaptado de [3]. ............................. 33

Figura 22. Calorímetro C 200 fornecendo o poder calorífico superior do MDO. .......... 37

xi

Figura 23. Calorímetro C 200 fornecendo o poder calorífico superior do S500. .......... 37

Figura 24. Curvas experimentais da pressão em função do volume dentro da câmara

de combustão operando a 50%, 75% e 100% da carga do motor MAN

operando com MDO. ................................................................................... 38

Figura 25. Curvas experimentais da pressão em função do ângulo do virabrequim

operando a 50%, 75% e 100% da carga do motor MAN com MDO. ............ 39

Figura 26. Curvas da abertura da agulha de injeção de combustível em função do

ângulo de virabrequim. ................................................................................ 40

Figura 27. Identificação do início da combustão através do primeiro máximo local das

curvas d²P/dθ². ............................................................................................ 41


curvas d³P/dθ³. ............................................................................................ 41

Figura 29. Identificação do início da combustão através do primeiro mínimo local das

curvas d(ln P)/dθ. ........................................................................................ 41

Figura 30. Curvas experimental e de tendência de dQ/dθ em função do θ para as

diferentes cargas do motor MAN. ................................................................ 43

Figura 31. Eficiência térmica do MDO baseada no PCS para os percentuais da carga

do motor MAN. ............................................................................................ 44

Figura 32. Condições registradas no sistema de aquisição no momento da obtenção

do número de cetano do combustível S500. ................................................ 45

Figura 33. Condições registradas no Logs no momento da obtenção do número de

cetano do combustível MDO. ...................................................................... 46

Figura 34. Curvas experimentais da pressão em função do volume dentro da câmara

de combustão dos combustíveis MDO e S500. ........................................... 46

Figura 35. Curvas experimentais da pressão em função do ângulo do virabrequim do

motor CFR operando com MDO e S500. ..................................................... 47

Figura 36. Energia liberada instantaneamente em função do ângulo do virabrequim

para os combustíveis MDO e S500. ............................................................ 48

Figura 37. Energia liberada acumulada ao longo da combustão em função do ângulo

do virabrequim para os combustíveis MDO e S500. .................................... 49

xii

Lista de Símbolos

B Diâmetro do pistão

C Raio da manivela

CP Calor específico a pressão constante

CV Calor específico a volume constante.

L Comprimento da biela

mcomb Massa de combustível presente na câmara de combustão

ṁcomb Vazão de mássica de combustível

Poti Potência indicada

P(θ) Pressão na câmara de combustão

𝑄𝑐𝑜𝑚𝑏 Calor liberado pelo combustível

rc Razão de compressão

s(θ) Distância entre o eixo da manivela e o eixo do pino do pistão

U Energia interna total da mistura ar-combustível

Vd Volume deslocado do cilindro

Vm Volume morto do cilindro

V(θ) Volume instantâneo do cilindro em função do ângulo do virabrequim

𝑊 Trabalho exercido pela mistura ar-combustível

𝑊𝑖 Trabalho indicado pelo motor

�̇� Potência do motor

𝛾 Coeficiente politrópico

θ Ângulo do virabrequim

θav Ângulo de abertura da válvula de admissão

θfv Ângulo de fechamento da válvula de descarga

θSOC Ângulo do virabrequim do início da combustão (start of combustion)

θEOC Ângulo do virabrequim do fim da combustão (end of combustion)

θSOI Ângulo do virabrequim do início da injeção (start of injection)

𝜌 Massa específica

xiii

Abreviaturas

ANP: Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis

ASTM: American Society for Testing and Materials

CFR: Cooperative Fuel Research

DMB: Diesel marítimo B

EOI: End of injection

Eq.: Equação

GLP: Gás liquefeito de petróleo

HFO: Heavy fuel oil

IMO: International Maritime Organization

LMT: Laboratório de Máquinas Térmicas

MARPOL: Maritme Pollution

MDO: Marine Diesel Oil

NC: Número de cetano

ONU: Organização das Nações Unidas

PC: Poder calorífico

PCI: Poder calorífico inferior

PCS: Poder calorífico superior

PMS: Ponto morto superior

PMI: Ponto morto inferior

Pot.: Potência

SFC: Specific fuel consumption

SOC: Start of combustion

SOI: Start of injection

QAV: Querosene de aviação

UFRJ: Universidade Federal do Rio de Janeiro

1

1. Introdução

1.1. Motivação

Desde o início dos tempos, o homem vem procurando formas de transformar a

energia para utilizá-la em seu favor, desde as tarefas mais básicas, como na preparação

de alimentos, até as mais elaboradas, como no transporte em massa. Porém, é quase

certo que durante o processo de transformação de energia algum tipo de dano ambiental

proporcional seja causado, seja na fauna, flora, saúde ou ao bem-estar público.

Os danos ambientais causados pelos poluentes artificiais, que são produzidos

pelas atividades humanas, advêm da liberação de gases poluentes que os combustíveis

lançam na atmosfera no momento da combustão, como o dióxido de carbono (CO2) e o

monóxido de carbono (CO), em caso de combustão incompleta, ambos os gases que

intensificam o efeito estufa e agravam o problema do aquecimento global. Outro efeito

colateral da combustão de combustíveis é o lançamento de impurezas na atmosfera,

como os óxidos de enxofre que, em contato com a água, podem produzir as chuvas

ácidas.

Visando menor agressão ao meio ambiente e o fato de que os combustíveis

fósseis não são renováveis, o investimento em pesquisas sobre as “energias limpas”,

tais como solar, eólica e geotérmica, vem crescendo, mas ainda representam uma

pequena parcela da energia produzida, considerando a matriz energética mundial.

Outra forma de diminuir os prejuízos ambientais causados pelo homem, é a

busca de uma maior eficiência na utilização dos combustíveis fósseis, que significa gerar

maior ou igual quantidade de energia utilizando menos recursos naturais. Para que o

crescimento impacte negativamente o mínimo possível as futuras gerações, a escolha

correta do combustível de acordo com a aplicação torna-se fundamental para se

alcançar a máxima eficiência energética e, ao mesmo tempo, seja feita uma contribuição

favorável para a conservação do meio ambiente.

Motores diesel têm uma grande importância estratégica no Brasil sendo

utilizados desde transportes terrestres aos marítimos, transportando tanto cargas

quanto pessoas. O desenvolvimento econômico nacional, assim como o aumento

populacional, acarreta num aumento na demanda energética. Essa importância

estratégica do óleo diesel para a produtividade do país [1] pode ser notada tanto pelo

alinhamento do seu consumo com importantes indicadores econômicos, quanto pelas

2

políticas governamentais de regulação do preço e investimento em capacidade

instalada desse insumo.

A importância do óleo diesel para o Brasil é também observada através da

representatividade de sua produção. Em 2017, a produção brasileira de derivados

energéticos de petróleo (combustíveis) foi de 96,544 milhões de metros cúbicos, sendo

o óleo diesel responsável por 42% deste total, conforme apresentado na Figura 1.

Figura 1. Distribuição percentual da produção de derivados energéticos de petróleo – 2017. Retirado de [2].

A principal motivação técnica deste trabalho é o estudo da combustão do diesel

marítimo em diferentes motores diesel, e a análise das eficiências do ciclo a diesel.

1.2. Objetivo

O objetivo deste projeto de graduação foi avaliar o desempenho do óleo diesel

marítimo em motores de ciclo diesel através da variação das condições de

funcionamento em motores instalados no Laboratório de Máquinas Térmicas (LMT) da

Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), a partir de dados experimentais em

testes realizados nestes motores operando com diferentes cargas e tipos de diesel.

Para tal, foi realizada uma revisão bibliográfica englobando as propriedades dos

combustíveis utilizados, óleo diesel marítimo e diesel rodoviário S500. Além disso, foram

feitas as análises do processo de combustão nos motores CFR e MAN, equipados com

sistema de controle e monitoramento de dados.

No motor marítimo diesel, MAN, foram utilizados os dados experimentais da

pressão na câmara de combustão operando com óleo marítimo diesel para três

percentuais da carga do motor (50%, 75% e 100%). O motor CFR foi utilizado para a

comparação de propriedades termodinâmicas dos combustíveis utilizados neste

trabalho.

Óleo Diesel 42,0%

Gasolina A 28,7%Óleo Combustível 12,1%

GLP 10,7%

QAV 6,4%

Outros 0,1%

3

2. Revisão Bibliográfica

2.1. Motor ciclo diesel

Os motores de combustão têm como propósito a conversão de energia química,

presente no combustível utilizado, em energia mecânica através da queima desses

combustíveis. Neste trabalho, foram utilizados motores que funcionam segundo o ciclo

diesel, que são máquinas térmicas alternativas, de combustão interna, destinadas ao

suprimento de energia mecânica ou força matriz de acionamento.

Tal nome se deve ao engenheiro alemão Rudolf Diesel, quem desenvolveu o

primeiro motor do gênero, entre 1893 a 1898 [3]. Seu conceito de iniciar a combustão a

partir da injeção de combustível líquido no ar aquecido apenas por compressão. Desta

forma, permitiu-se o alcance de maior eficiência, aproximadamente 26%, se comparado

com outros motores de combustão interna da época, como os motores a gasolina, que

alcançavam rendimento de cerca de 20%, e os a vapor, que tinham rendimento em torno

de 10%.

O motor desenvolvido, trabalhando no ciclo de quatro tempos, possui

basicamente duas grandes diferenças em relação a um motor a gasolina:

a. O motor aspira e comprime apenas ar no chamado tempo de compressão;

b. Presença de um sistema de injeção que dosa, distribui e pulveriza o

combustível nos cilindros. O combustível inflama-se ao entrar em contato com

o ar fortemente aquecido pela compressão. Motores a diesel utilizam uma alta

razão de compressão, podendo chegar a 24:1, se comparado aos motores de

ignição por centelha, como motores a gasolina (entre 8:1 e 12:1) ou a etanol

(entre 12:1 e 14:1).

Há uma grande variedade de projetos de motores a diesel em uso para diversas

aplicações – transporte rodoviário, ferroviário ou marítimo, geração de energia. O

princípio por trás do funcionamento do motor a diesel é o ciclo de ignição por

compressão [4]. O movimento descendente do pistão faz com que dentro do cilindro do

motor o ar seja admitido, onde este é comprimido no curso ascendente do pistãoErro!

Fonte de referência não encontrada.. Essa compressão é a responsável pelo

aquecimento do ar no interior do cilindro. O combustível é injetado pelo bico injetor

quando o pistão se aproxima do final do curso de compressão, chamado de Ponto Morto

Superior (PMS), e se inflama espontaneamente. O deslocamento alternativo do pistão

ao longo do cilindro transforma-se em movimento de rotação por meio do mecanismo

biela/manivela.

4

O princípio do motor de ignição por compressão se difere do motor de ignição

por centelha pelo fato deste último possuir um dispositivo, a vela, que provoca uma

centelha dentro da câmara de combustão, na presença da mistura comprimida ar-

combustível. A centelha fornece a energia inicial necessária ao processo de combustão

neste tipo de motor e, então, a mistura queima, expandindo dentro da câmara enquanto

empurra o pistão para baixo. A razão de compressão acaba sendo limitada pela

resistência à autoignição do combustível utilizado. Este tipo de ignição é mais comum

em motores de ciclo Otto

2.1.1. Ciclo termodinâmico

No motor a diesel, no ciclo termodinâmico a quatro tempos, ilustrado na Figura

2, cada cilindro requer quatro cursos de seu respectivo pistão - duas revoluções do

virabrequim - para completar a sequência de eventos que produz a potência. Para

melhor entendimento do funcionamento do motor de ciclo diesel, os quatros tempos de

um cilindro funcionando sob tal ciclo são descritos [3]:

Figura 2. Ciclo operacional do motor diesel de quatro tempos. Retirado de [5].

(a) Admissão: começa com o pistão no ponto morto superior (PMS), iniciando o

movimento em direção ao ponto morto inferior (PMI) ao mesmo tempo em que a

válvula de admissão se abre, possibilitando a admissão de ar no cilindro, e

termina quando o pistão alcança o PMI, ao tempo em que a válvula de admissão

se fecha.

(c) (d) (b) (a)

Válvula de admissão Injetor Válvula de exaustão

5

(b) Compressão: inicia-se com o pistão no PMI e termina com o mesmo no PMS.

Ambas as válvulas, de admissão e exaustão, estão fechadas e o ar contido no

cilindro é comprimido a uma pequena fração de seu volume inicial. Ao final do

curso de compressão, quando o pistão se aproxima do PMS, inicia-se a injeção

de combustível pelo bico injetor.

(c) Expansão: caracterizado pelo processo de combustão. Este é o tempo em que

o pistão começa no PMS e termina no PMI, quando os gases de alta temperatura

e pressão empurram o pistão para o PMI e forçam a manivela a girar. Conforme

o pistão se aproxima do PMI, a válvula de exaustão se abre para iniciar o

processo de exaustão e aliviar a pressão do cilindro para se aproximar da

pressão de exaustão.

(d) Exaustão: tempo em que ocorre a descarga dos gases produzidos durante o

processo de combustão. Estes gases são varridos pelo pistão enquanto este se

move em direção ao PMS. Conforme o pistão se aproxima do PMS, a válvula de

admissão é aberta. Logo após o pistão chegar ao PMS, a válvula de exaustão

se fecha e o ciclo recomeça.

2.1.2. Tipos de sistema de combustão

Os motores de ciclo a diesel [3] são divididos em duas categorias básicas de

acordo com o projeto de sua câmara de combustão:

• Motores de injeção direta: possuem uma única câmara de combustão na

qual o combustível é injetado diretamente. Este tipo de sistema é mais comum

em motores de médio e grande porte. Têm como característica a combustão

mais eficiente e o menor consumo do combustível; e

• Motores de injeção indireta: possuem câmara de combustão dividida em

duas regiões, sendo o combustível injetado na “pré-câmara de combustão”

que é ligada à câmara principal (localizada acima da coroa do pistão). Este

sistema é de uso exclusivo em motores de menor porte. Têm como

característica a fácil manutenção e alta confiabilidade.

2.1.3. Motores marítimos

São projetados para possuir elevados níveis de confiabilidade, resistência a

corrosão e desempenho adequada aos mais variados tipos de embarcação. São

motores que se destacam pela manutenção simples e econômica, podendo inclusive

ser reparados sem a necessidade de remoção da embarcação. Existem dois tipos [6]:

6

• Motor de combustão auxiliar (gerador): projetado para fins de geração de

energia elétrica, dentro da embarcação, em geral são motores de rotação

constante acoplados a um gerador. Seu torque varia de acordo com a carga

solicitada pelos utilizadores do navio; e

• Motor de combustão principal (propulsão): projetado para fins de

locomoção da embarcação, que podem ter sua rotação e torque exercido

variados. Para atingir seu objetivo de locomoção, esse equipamento é

auxiliado por lemes e hélices independentes, permitindo maior mobilidade da

embarcação, tanto em deslocamento quanto em aproximação para

atracamento ao cais.

2.1.4. Razão de compressão

A razão de compressão é a relação matemática que indica quantas vezes o ar

aspirado para dentro dos cilindros é comprimido pelo pistão dentro da câmara de

combustão antes que se inicie o processo de queima, como ilustrado na Figura 3.

Figura 3. Representação genérica da razão de compressão de 8:1. Retirado de [7].

Do ponto de vista termodinâmico, a razão de compressão é diretamente

responsável pelo rendimento térmico do motor. Assim, quanto maior a razão de

compressão, melhor será o aproveitamento energético do motor em relação ao

combustível consumido. É por este motivo que os motores diesel consomem menos que

7

um similar a gasolina: funcionando com razões de compressão altíssimas (17:1 nos

turbo-diesel e até 22:1 nos diesel aspirados), geram potência equivalente consumindo

menos combustível.

2.1.5. Poder calorífico

A cada uma das reações elementares de combustão completa está associada

uma quantidade de calor liberada característica, denominada poder calorífico (PC). Para

combustíveis cuja composição específica não é conhecida, a entalpia dos reagentes

não pode ser determinada a partir das entalpias de formação das espécies reagentes.

O poder calorífico do combustível é então medido diretamente.

O poder calorífico é a magnitude do calor da reação a pressão constante ou a

volume constante a uma temperatura padrão, geralmente 25 °C, para a combustão

completa da massa unitária de combustível. Mais explicitamente, entende-se por poder

calorífico de um combustível sendo o calor liberado durante a combustão completa de

um quilograma do mesmo (no caso de combustíveis sólidos e líquidos), ou de um metro

cúbico (no caso de combustíveis gasosos). A combustão completa caracteriza-se pela

conversão de todo carbono em dióxido de carbono (CO2), todo hidrogênio em água

(H2O), e do enxofre em dióxido de enxofre (SO2) [3].

O termo Poder Calorífico Superior (PCS) é utilizado quando o H2O formado é

todo condensado para a fase líquida. Poder Calorífico Inferior (PCI) é utilizado quando

o H2O formado é todo no estado gasoso.

Podemos obter o valor real da energia liberada pelo combustível ao

correlacionarmos os valores do PCI e a massa de combustível (mcomb).

2.1.6. Processo de combustão

O processo de combustão inicia-se após a injeção do combustível. É

apresentado [3] que no processo de combustão, o combustível líquido é injetado, no

final do tempo de compressão, para que o combustível seja distribuído em um jato, ou

em vários jatos, em toda ou parte da câmara de combustão.

A distribuição do combustível, a mistura com o ar, a evaporação e a difusão para

produzir uma mistura gasosa e reações químicas para queimar o combustível, tudo tem

que ser realizado em um período extremamente curto de tempo para que o motor seja

eficiente. O combustível é, portanto, injetado através do bico injetor, que direciona os

jatos para a câmara de combustão a uma alta pressão. Isso produz injeção rápida e a

uma alta velocidade do jato em relação ao ar. Devido a essa alta velocidade, o jato se

desintegra em gotículas de combustível formando um spray, que se mistura com o ar.

8

O processo de combustão ocorre em um tempo muito pequeno, em geral dado

em milissegundos ou em graus do ângulo do virabrequim. Para melhor entendimento, o

processo foi dividido em quatro fases [8]:

2.1.6.1. Fase de atraso de ignição

O atraso de ignição é a primeira fase do processo de combustão, definida como

o intervalo de tempo entre o início da injeção e o início da combustão [3]. Nesta etapa,

a temperatura se eleva devido a compressão do ar, causando a autoignição do

combustível injetado ainda não queimado. O atraso de ignição é composto pelo atraso

físico (tempo em que a atomização, vaporização e mistura de ar combustível ocorrem)

e pelo atraso químico (atribuído às reações de pré-combustão).

Basicamente, a pressão de injeção e a pressão e a temperatura do ar admitido

no interior da câmara de combustão que definem o atraso físico, enquanto que o atraso

químico é definido pela qualidade do combustível. Os atrasos físico e químico ocorrem

simultaneamente [8].

Um longo atraso de ignição resulta em acúmulo de combustível na câmara de

combustão que, ao ocorrer a ignição, queima rapidamente resultando em um aumento

abrupto da pressão que pode acarretar um funcionamento irregular e, por vezes, danos

no motor.

Este é um parâmetro importante na preparação do combustível antes de injetá-

lo no motor, bem como na seleção do momento ideal de injeção. Nos motores a diesel

de injeção direta, a estimativa do atraso de ignição é de grande importância devido ao

seu efeito sobre a capacidade de atingir a temperatura de autoignição do combustível,

o ruído e as emissões.

Há diversas causas que incidem durante a operação do motor que modificam o

atraso de ignição: o avanço de injeção, a carga do motor, a rotação de funcionamento

e a taxa de injeção. Um aumento da pressão média efetiva e da temperatura do ar de

admissão facilitam a ignição e contribuem para um menor atraso de ignição, como pode

ser visto na Figura 4, em que se pode observar a diminuição do atraso de ignição ao se

aumentar a pressão média efetiva e a temperatura de admissão.

9

Figura 4. Efeitos no atraso de ignição com a variação da pressão média efetiva e da temperatura de admissão. Adaptado de [3].

2.1.6.2. Fase pré-misturada

Em seguida, vem o chamado período de combustão pré-misturada ou

combustão rápida, em que após um pequeno atraso de ignição, o calor da compressão

faz com que a ignição espontânea ocorra, e um período de combustão rápida e

descontrolada ocorre à medida que o vapor acumulado formado durante a fase de

injeção inicial é queimado vigorosamente.

A elevação brusca na pressão, característica desta fase, é a responsável pelo

ruído característico do funcionamento dos motores diesel. Um pico na taxa de variação

da pressão significa uma aplicação espontânea de carga na estrutura do motor,

podendo levar à falha por fadiga em casos mais graves.

2.1.6.3. Fase difusiva

A terceira fase, combustão difusiva, é o período da combustão controlada que

mantém a pressão no pistão e é caracterizada inicialmente pela combustão constante e

uniforme do combustível à medida que este continua sendo injetado no motor, e termina

com a queima completa do combustível após o fim de sua injeção.

Durante as fases dois e três, a pressão no cilindro do motor aumenta

rapidamente e esforços consideráveis são impostos ao pistão. É desejável que a

pressão suba a uma taxa mais baixa possível, e isso é conseguido garantindo que a

10

quantidade mínima de combustível esteja presente no cilindro antes da ignição. Isso

significa que o período de atraso de ignição deve ser o mais curto possível.

A potência de saída do motor tende a melhorar caso a ignição ocorra quando o

pistão estiver mais perto do PMS e for seguida por uma combustão suave e rápida. Para

satisfazer estes requisitos, é necessário, na prática, iniciar a injeção de combustível

antes do PMS, para permitir o efeito do atraso de ignição.

2.1.6.4. Fase residual

A última fase da combustão, também conhecida como “cauda da combustão”,

acontece ao fim da etapa de expansão e é definida pela queima do combustível

remanescente, que acontece a uma proporção menor que nas etapas anteriores.

2.1.7. Número de cetano

A ignição por compressão depende também das propriedades do combustível.

O tempo de atraso dessa ignição deve ser adequado para garantir que o motor funcione

de forma suave, com maior eficiência de conversão da energia do combustível,

reduzindo vibrações, ruídos e emissão de particulado. A qualidade da ignição do

combustível é medida através do Número de Cetano (NC).

No motor de ciclo a diesel, os combustíveis com maior NC terão um menor atraso

de ignição. Tal comportamento pode ser observado na Figura 5, em que quanto maior

o número de cetano, menor será o atraso de ignição e, portanto, mais fácil o combustível

será queimado.

Figura 5. Influência do número de cetano no atraso de ignição. Adaptado de [3].

11

O método utilizado para a determinação do parâmetro em questão é o ASTM D-

613 [17], Método de Teste Padrão para o Número de Cetano do Óleo Diesel. Este

método de teste determina a classificação do óleo diesel em termos de uma escala

arbitrária de NC usando um cilindro único padrão, ciclo de quatro tempos, com razão de

compressão variável e motor diesel com injeção indireta.

Não há benefícios em utilizar combustíveis com NC maior do que o especificado

pelo fabricante do motor. Como exposto na Especificação Padrão ASTM para Óleos

Diesel Combustível (D-975), “os requisitos do número de cetano dependem do design

do motor, tamanho, velocidade, variações de carga e das condições de partida e

atmosféricas. O aumento no número de cetano em relação aos valores realmente

necessários não melhora significativamente o desempenho do motor. Assim, o número

de cetano especificado deve ser o mais baixo possível para garantir a máxima

disponibilidade de combustível". Esta citação ressalta a importância de se corresponder

aos requisitos de cetano do motor com o número de cetano do combustível.

O uso de combustíveis que atendam aos requisitos de operação do motor traz

benefícios à partida a frio, reduz a fumaça durante a partida, aumenta a economia de

combustível, reduz as emissões de exaustão, aumenta a durabilidade do motor e reduz

ruídos e vibrações. Estes requisitos de combustível do motor são publicados no manual

de instruções para cada motor ou veículo específico.

Por outro lado, a utilização de combustíveis diesel com número de cetano inferior

aos requisitos mínimos do motor podem causar uma operação irregular do motor. Neste

caso, os motores têm maiores dificuldades em darem partida, especialmente em climas

frios ou em grandes altitudes. Muitos combustíveis com baixo teor de cetano aumentam

os depósitos do motor durante a operação, resultando em maior emissão de gases de

exaustão e maior desgaste do motor.

12

2.1.8. Trabalho indicado por ciclo

A combustão promove um aumento de pressão e temperatura dentro do cilindro,

causando uma expansão dos gases. Esta pressão desenvolvida no cilindro e seu

volume correspondente podem ser expressos no diagrama da pressão em função do

volume, como ilustrado na Figura 6, usado para calcular o trabalho transferido dos gases

para o pistão.

Figura 6. Diagrama pressão-volume genérico de um ciclo diesel.

2.1.9. Liberação de calor pela queima do combustível

A taxa de liberação de calor durante a combustão em motores diesel é um

parâmetro importante por diversas razões, incluindo a avaliação de desempenho,

formação de poluentes e controle [9]. A quantidade de calor liberado pela queima do

combustível é diretamente ligada à massa de combustível admitida no cilindro, por ciclo,

e ao poder calorífico inferior do combustível.

O processo de combustão e consequente liberação de calor em motores diesel

com injeção direta pode ser idealizado através da curva da taxa de liberação de calor

pelo combustível em função do ângulo do virabrequim.

4

P

V PMS PMI

0 1

3 2

13

Figura 7. Modelo de curva de liberação de energia. Adaptado de [3].

A partir da Figura 7, pode-se observar as quatro fases da combustão, conforme

visto anteriormente na Subseção 2.1.6:

• Fase I: atraso de ignição, entre a, início de injeção (start of injection - SOI) e b,

início da combustão;

• Fase II: combustão pré-misturada ou combustão rápida (rapid combustion), entre

b e c;

• Fase III: combustão difusiva ou controlada pela taxa de mistura, entre c e d, é a

fase onde ocorre o fim da injeção de combustível (end of injection - EOI); e

• Fase IV: combustão terminal ou residual, a partir de d.

2.1.10. Eficiências

A medição das eficiências é um importante parâmetro para comparação de

desempenho de motores de combustão interna.

2.1.10.1. Eficiência da combustão

Nos gases de exaustão de um motor de combustão interna são encontrados

produtos da combustão incompleta (por exemplo, CO e hidrocarbonetos não

queimados) e da combustão completa (CO2 e H2O). Sob condições de operação pobre

em combustível, as quantidades de produtos de combustão incompleta são pequenas,

uma vez que sob condições de operação ricas em combustível, essas quantidades se

tornam mais substanciais, pois não há oxigênio suficiente para completar a combustão.

Taxa

de

Lib

era

çã

o d

e C

alo

r

Ângulo de Virabrequim

14

Como uma fração da energia química do combustível não é totalmente liberada

dentro do motor durante o processo de combustão, é cabível definir uma eficiência de

combustão. O motor pode ser analisado como um sistema aberto que troca calor e

trabalho com o ambiente circundante (a atmosfera), como ilustrado na Figura 8.

Reagentes fluem para o sistema; produtos fluem para fora [3].

Uma baixa eficiência de combustão tem como consequência uma menor taxa de

crescimento de pressão e pressão máxima na câmara de combustão alcançada,

resultando em uma combustão incompleta do combustível.

2.1.10.2. Eficiência global

Na eficiência global, analisa-se a eficiência total do ciclo, com base no calor que

efetivamente se transforma em trabalho útil e o calor equivalente ao trabalho que

poderia ser obtido com a queima de combustível.

2.1.10.3. Eficiência térmica

A energia térmica liberada na combustão não é totalmente aproveitada para a

realização de trabalho pelo motor. A eficiência térmica é dada pela relação entre a

potência indicada e a potência calorífica entregue, ou seja, é a eficiência da

transformação de calor em trabalho, para um ciclo.

Motor

Combustível

Ar

Volume de controle

Gases de exaustão

Figura 8. Volume de controle do motor.

15

2.1.11. Emissões de óxidos de nitrogênio (NOx)

As emissões de NOx são formadas pela combinação de monóxido de nitrogênio

(NO) e dióxido de nitrogênio (NO2), que são altamente nocivos aos seres vivos. A

formação dos NOx ocorre pela oxidação do nitrogênio a elevadas temperaturas [3].

Desta forma, a temperatura da combustão exerce grande influência na formação dos

NOx, bem como a concentração de oxigênio presente na combustão.

A IMO (International Maritime Organization), uma agência das Organização das

Nações Unidas (ONU), é a autoridade global de definição de normas para segurança,

proteção e desempenho ambiental do transporte marítimo internacional, que tem como

principal papel a criação de uma estrutura regulatória para o setor de transporte

marítimo [10].

As regras [11] de emissão por embarcações da IMO estão contidas na

“Convenção Internacional sobre a Prevenção da Poluição por Embarcações”, conhecida

como MARPOL1 73/78. Em 27 de setembro de 1997, a Convenção MARPOL foi alterada

pelo “Protocolo de 1997”, que inclui os “Regulamentos para a Prevenção da Poluição

do Ar por Embarcações” que, entre outras determinações, estabelece limites para a

emissão de NOx de embarcações.

Os padrões limite de emissão de NOx determinados pela IMO são comumente

chamados de padrões Tier I, II ou III. As normas Tier I foram definidas na versão de

1997, enquanto as normas Tier II, em 2008. Para operações em áreas de controle de

emissão2, começaram a valer as normas Tier III a partir de 2016 para os Estados Unidos

e Canadá, e apenas a partir de 2021 para a Europa.

Os limites de emissão de NOx da MARPOL aplicam-se a cada motor diesel

marítimo com uma potência superior a 130 kW instalada em uma embarcação. Os

limites de emissões de NOx são definidos para motores a diesel, dependendo da

velocidade máxima de operação do motor, conforme apresentados Figura 9. Os limites

Tier I e Tier II são globais, enquanto os padrões Tier III se aplicam somente em áreas

de controle de emissões de NOx.

1 MARPOL 73/78, acrônimo de Maritme Pollution (Poluição marítima), 73 devido ao ano (1973) da Convenção Internacional sobre a Prevenção da Poluição por Embarcações e 78 devido ao ano (1978) da modificação. 2 As áreas de controle de emissões existentes incluem: • Mar Báltico (NOx: 2016/2021) • Mar do Norte (NOx: 2016/2021) • A maior parte da costa dos EUA e do Canadá (NOx: 2010/2012). • Caribe, incluindo Porto Rico e Ilhas Virgens dos EUA (NOx: 2011/2014).

16

Figura 9. Limites de emissão de NOx – MARPOL. Retirado de [11].

2.2. Combustíveis

O combustível é a substância utilizada para produzir calor, que é utilizado para

acionar os motores. O diesel é um derivado do petróleo utilizado em motores de ignição

por compressão. Para melhor análise e entendimento dos resultados experimentais, são

apresentadas as características e propriedades específicas dos combustíveis utilizados

neste trabalho, óleo diesel marítimo e diesel rodoviário S500, que influenciam

diretamente os resultados das medições experimentais.

2.2.1. Diesel em aplicações marítimas

Em aplicações marítimas, são utilizados dois tipos de diesel: um com alta

viscosidade, o óleo bunker ou óleo pesado (heavy fuel oil - HFO), e o óleo diesel

marítimo (marine diesel oil - MDO), que tem como característica a alta concentração de

enxofre em sua composição. Devido às suas características, o HFO tem custo menor

comparado ao MDO, além de ter menor qualidade de combustão [9].

O diesel marítimo é utilizado prioritariamente nos sistemas auxiliares de geração

de energia ou de emergência de embarcações. Entretanto são utilizados em motores

principais, de propulsão, em embarcações de médio e pequeno porte [12]. Existem

normas estabelecidas que definem algumas propriedades destes combustíveis, como o

teor de enxofre, acidez, massa específica, viscosidade, ponto de fluidez, entre outros.

17

Os requisitos de qualidade do diesel marítimo são semelhantes aos do diesel de

aplicação automotiva. Contudo, o óleo diesel marítimo possui menores exigências com

relação a qualidade da combustão, mas requer um ponto de fulgor (temperatura na qual

o líquido se torna inflamável na presença de uma chama) mais elevado, por ser

armazenado em ambientes confinados, dentro de tanques de navios, exigindo maiores

níveis de segurança.

2.2.1.1. Óleo diesel marítimo

Neste trabalho, foi utilizado o óleo diesel marítimo, também denominado de MDO

ou DMB (diesel marítimo B). O óleo diesel marítimo é um combustível destinado ao uso

em motores de embarcações, tanto na propulsão, como em motores auxiliares,

classificados em destilados médios ou óleos diesel marítimos e residuais ou óleos

combustíveis marítimos. Algumas de suas propriedades são regulamentadas pela

Agência Nacional de Petróleo, Gás Natural e Biodiesel (ANP) (Apêndice A.1 –

Especificações dos óleos marítimos, de acordo com a Resolução ANP nº 52 de 29 de

dezembro de 2010).

2.2.1.2. Biodiesel

Vale ressaltar a discussão em torno da adição de biodiesel no diesel marítimo.

Atualmente, de acordo com a resolução da ANP, admite-se um teor máximo de 0,1%

em volume de biodiesel aos óleos diesel marítimos3. Porém, houve o descumprimento

da determinação da lei 11.097 de janeiro de 2005, que determinava que todo diesel

marítimo consumido em território brasileiro passaria a receber a adição de 5% de

biodiesel a partir do começo de 2011. No entanto, a adição obrigatória de biodiesel aos

combustíveis aquaviários, de acordo com a ANP, será reavaliada quando as condições

técnico-operacionais para o uso seguro da mistura estiverem estabelecidas [13].

Duas propriedades do biodiesel tornam difíceis a sua adição no diesel marítimo:

a) O biodiesel é altamente higroscópico (absorve a umidade do ar com

facilidade), e isso torna o combustível susceptível à proliferação de

microrganismos; e

b) Prazo de validade relativamente curto, formando borras quando oxida.

3 pelo método ABNT NBR 15568 ou ENN 14078

18

2.2.2. Diesel rodoviário

O diesel rodoviário é classificado pelo seu teor máximo de enxofre presente em

sua composição, o qual é um elemento químico indesejável tanto no ponto de vista dos

motores, devido à corrosão de suas partes metálicas, quanto do ponto de vista

ambiental, devido às emissões de enxofre, altamente nocivo ao meio ambiente. Neste

trabalho, foi utilizado o óleo diesel rodoviário S500, devido às suas propriedades se

assemelharem àquelas do diesel marítimo, como por exemplo, massa específica e

quantidade de enxofre mais elevada.

O diesel rodoviário S500, analogamente ao diesel marítimo possui suas

classificações regulamentadas pela ANP (Apêndice A.2 – Especificações do óleo diesel

de uso rodoviário, de acordo com a Resolução ANP n° 50 de 23/12/2013). O número

500 que acompanha a letra “S”, designando o tipo de diesel automotivo, representa o

teor máximo de enxofre contido no combustível, em mg/kg, o que significa que o diesel

S500 possui teor máximo de enxofre de 500 mg/kg.

19

3. Procedimento Experimental

Nesta seção, são descritos os procedimentos experimentais realizados neste

trabalho: propriedades dos combustíveis utilizados, aquisição dos dados referentes aos

testes no motor MAN e CFR, além da determinação dos valores de poder calorífico dos

combustíveis. Todos os experimentos citados anteriormente foram realizados nas

dependências do Laboratório de Máquinas Térmicas (LMT), localizado no Centro de

Tecnologia da Universidade Federal do Rio de Janeiro.

3.1. Combustíveis

Cabe à ANP proteger os interesses dos consumidores quanto a preço, qualidade

e oferta de produtos, bem como especificar a qualidade dos derivados de petróleo, gás

natural e seus derivados e dos biocombustíveis, considerando a obrigação de evitar

riscos à segurança dos consumidores, conforme estabelecido no Código de Defesa do

Consumidor.

Algumas das especificações da ANP referentes às propriedades dos

combustíveis MDO (resolução ANP n° 52 de 29/12/2010, Apêndice A.1) e do S500

(resolução ANP n° 50 de 23/12/2013, Apêndice A.2) são apresentadas na Tabela 1.

Tabela 1. Alguns valores especificados pela ANP para MDO e S500.

Propriedade MDO S500 Unidade

Água, máx. 0,30 0,05 % volume

Enxofre total máx. Não especificado 0,5 % massa

Índice de cetano, mín. 35 Não especificado -

Número de cetano, mín. Não especificado 42 -

Massa específica a 20 °C, máx. 896,8 815,0 a 865,0 kg/m³

Ponto de fulgor, mín. 60 38 °C

Viscosidade cinemática a 40 °C Máx. 11,0 2,0 a 5,0 mm²/s

O MDO e o S500 foram obtidos do estoque do LMT. As massas específicas dos

combustíveis MDO e S500 foram determinadas a partir de amostras, com o auxílio de

uma balança de precisão e proveta graduada.

3.2. Poder calorífico

Em geral, para combustíveis industriais, costuma-se determinar de forma

experimental a quantidade de calor liberada (poder calorífico) por uma amostra

mediante a realização de ensaio em laboratório, sob condições padronizadas.

20

Para a obtenção do poder calorífico dos combustíveis utilizados neste projeto,

foi utilizado o Calorímetro C 200 da fabricante IKA, mesmo modelo mostrado na Figura

10, presente no Laboratório de Máquinas Térmicas da UFRJ.

Figura 10. Calorímetro modelo C200, fabricante IKA. Retirado de [14].

Este calorímetro fornece o poder calorífico superior (PCS) de amostras a partir

de uma amostra do combustível. O único dado de entrada para o cálculo do PCS, é a

massa do combustível a ser analisada.

3.3. Motores utilizados

Os dados utilizados neste projeto foram obtidos através da operação de dois

motores, ambos instalados nas dependências do Laboratório de Máquinas Térmicas

(LMT) da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), os quais são comentados nas

subseções 3.3.1 e 3.3.2.

3.3.1. MAN Innovator 4C

Neste trabalho foram utilizados dados experimentais obtidos anteriormente em

testes no motor marítimo do ciclo diesel, operando com o combustível óleo diesel

marítimo, do fabricante MAN, o Innovator 4C, do tipo GenSet (grupo gerador), localizado

na bancada de testes Bunker I, Figura 11.

21

Figura 11. Sala de testes Bunker I localizado no LMT da UFRJ.

O motor em questão, mostrado na Figura 12, tem como objetivo a realização de

testes e pesquisas com óleos combustíveis pesados e lubrificantes, e possui

especificações conforme indicadas na Tabela 2.

Tabela 2. Características do motor MAN.

Ciclo 4 tempos

Combustível MDO ou HFO

Cilindros 5

Configuração Em linha

Tipo de injeção Direta

Potência 500 kW

Velocidade de rotação 1200 rpm

Diâmetro (cilindro) 160 mm

Curso (cilindro) 240 mm

Comprimento da biela 690 mm

Relação biela manivela 5,75

Ângulo de injeção - 4° (4° antes do PMS)

Cilindrada 4800 cm³ (por cilindro)

Área do pistão (por cilindro) 201 cm²

Razão de compressão 15,2:1

22

O motor MAN Innovator 4C opera segundo o ciclo diesel de quatro tempos,

possui 5 cilindros configurados em linha que funciona a uma rotação constante de 1200

rpm e opera acoplado a um gerador WEG GPA 400. Juntos, os 5 cilindros fornecem um

total de 500 kW de potência. O motor possui sistema de turbocompressão que aumenta

a massa de ar injetada nos cilindros através de uma maior massa específica resultante

da compressão no dispositivo. Desta forma, mais combustível é queimado, aumentando

a potência do motor para um mesmo volume admitido nos cilindros. O motor também

possui um intercooler que tem o objetivo de resfriar o ar antes de ser admitido pelo

cilindro, aumentando sua massa específica.

Figura 12. Motor marítimo diesel MAN Innovator 4C instalado no LMT da UFRJ.

A sala de controle é equipada com um computador que é conectado ao módulo

base do motor, mostrando as leituras dos sensores que medem a variação do ângulo

do virabrequim e a pressão dentro da câmara de combustão, além de sensores que

medem o levantamento da agulha do bico injetor.

A medição do ângulo do virabrequim é captada por um sensor eletromagnético,

modelo Honeywell 3010AN. Para a pressão na câmara de combustão é feita a medição

pelo sensor da AVL modelo GU21D. O dispositivo para a medição da pressão na câmara

de combustão em função do ângulo do virabrequim permite a obtenção de dados a uma

frequência de medição a cada 0,25°. O ângulo de virabrequim igual a 0° representa o

pistão no PMS, ao final do tempo da compressão e início do tempo de expansão [15].

23

A partir dos dados das medições realizadas anteriormente pela equipe do LMT,

três percentuais diferentes da carga do motor (50%, 75% e 100%) foram consideradas

neste trabalho e, para cada carga, 200 ciclos completos foram monitorados e medidos.

3.3.2. Waukesha CFR F-5

O motor ASTM Cetano CFR (Cooperative Fuel Research), modelo F-5

(APÊNDICE B – CFR método F-5), fabricado pela Waukesha Motor Co. em 1973,

mostrado na Figura 13, foi projetado de acordo com as especificações da norma ASTM

D-613 e tem como objetivo a determinação do número de cetano de combustíveis

utilizados em motores de ignição por compressão.

Figura 13. Motor ASTM Cetano CFR, modelo F-5.

24

O motor CFR – cetano ASTM D-613 tem como característica o ajuste de

parâmetros de operação durante o seu funcionamento, exceto pela sua rotação, a qual

é fixa no valor de 900 rpm, uma vez que esta é controlada por um motor elétrico síncrono

e responsável pela partida do motor CFR.

O motor, é equipado com um sistema de aquisição e controle de dados, e permite

as seguintes medições:

• Atraso de ignição: O motor CFR é equipado com um medidor digital, 115

VAC (50 ou 60 Hz), Figura 14, que mede e exibe o avanço de injeção e atraso

de ignição dos combustíveis de teste e de referência, em graus do ângulo do

virabrequim.

Figura 14. Medidor do avanço de injeção e atraso de ignição.

• Pressão no interior da câmara de combustão: O volante, Figura 15,

permite a variação da razão de compressão enquanto o motor opera. A razão

de compressão deste motor pode variar de 8:1 a 36:1, permitindo que uma

grande variedade de combustíveis diesel seja testada sem mudança do

cabeçote. Quanto maior a razão de compressão, menor o atraso de ignição.

Figura 15. Volante responsável pela variação da razão de compressão.

Retirado de [16].

25

• Avanço de injeção: é alterado através de um micrômetro, Figura 16, que

modifica o ângulo de defasagem da bomba injetora.

Figura 16. Micrômetro do avanço de injeção do motor CFR. Retirado de [17].

• Vazão de combustível: é ajustada através da cremalheira, ilustrada na

Figura 16, que controla quanto de combustível é fornecido. O sistema de

injeção de combustível se dá através da injeção indireta de combustível, que

é realizada por um injetor emparelhado com uma bomba de injeção de alta

pressão.

• Temperatura de admissão do ar: é controlada através de uma resistência

elétrica que entra em contato com o ar no duto de admissão.

• Temperatura do bico injetor: é modificada através de uma válvula que

controla o fluxo de água responsável pelo arrefecimento da camisa d’água

que envolve o bico injetor.

• Temperatura do óleo lubrificante: o óleo lubrificante não possui controle de

temperatura.

A determinação do NC segue a norma ASTM D-613 [17], por isso, os parâmetros

operacionais do motor, tais como rotação, vazão de combustível, atraso de ignição,

avanço de injeção e temperatura do ar de admissão, são ajustados e fixados seguindo

a norma, de acordo com a Tabela 3.

26

Tabela 3. Parâmetros do motor CFR.

Parâmetro Valores de referência

Rotação 900 ± 9 rpm

Avanço de injeção 13° antes do PMS

Início da combustão 13° após início da injeção

Razão de compressão (variável) Acerto dos 13° do “delay”

Vazão de combustível 13 ± 0,2 mL/min

Temperatura do ar de admissão 150 ± 1 °F

Temperatura da água de arrefecimento do injetor 100 ± 5 °F

Temperatura da água de arrefecimento do motor 212 ± 3 °F

Pressão do óleo lubrificante 25 a 30 psi

Temperatura do óleo lubrificante 135 ± 15 °F

3.3.3. AVL IndiCom

Para a medição de parâmetros durante os testes realizados no motor MAN

Innovator 4C e CFR, ambos foram instrumentados com sensores que medem pressão

no interior da câmara de combustão e a posição (ou levantamento) da agulha do bico

injetor em função do ângulo do eixo de manivela.

Para a captação dos dados referentes às medições nos sensores foi utilizado o

software AVL IndiCom [18], Figura 17, específico para análises de processos de

combustão, instalado nos respectivos computadores das salas de controle das

bancadas de teste.

Figura 17. Tela inicial do software utilizado para leitura dos dados experimentais

durante os testes.

27

4. Metodologia

Uma análise teórica do ciclo termodinâmico do motor de combustão interna o

classificaria como um ciclo aberto, com o fluido de trabalho composto por uma mistura

de gases. Uma boa aproximação prática do ponto de vista da engenharia, contudo, é

considerá-lo um ciclo fechado, com um fluido de trabalho padrão (ar). Para essa análise,

consideramos verdadeiras as seguintes hipóteses:

• Uma massa fixa de ar (gás perfeito) é considerada durante todo o processo.

Desta forma, não seria necessário considerar os fluxos de fluidos através das

válvulas;

• O processo de combustão é substituído por uma transferência de calor de

uma fonte externa;

• Os processos de entrada e saída de ar são substituídos por processos de

transferências de calor;

• Processos de compressão e expansão são considerados reversíveis; e

• CP e CV são considerados constantes.

4.1. Modelagem termodinâmica

4.1.1. Primeira Lei da Termodinâmica

Os modelos termodinâmicos de simulação dos processos em motores de ciclo a

diesel se baseiam em expressões derivadas da primeira Lei da Termodinâmica que, em

sua forma diferencial e em função do ângulo do eixo de manivela (θ), é escrita como [3]:

𝑑𝑈

𝑑𝜃=

𝛿𝑄𝑇𝑜𝑡

𝛿𝜃−

𝛿𝑊

𝛿𝜃 ( 1 )

sendo 𝛿𝑄𝑇𝑜𝑡 o diferencial inexato de calor total, 𝛿𝑊 o diferencial inexato do trabalho

realizado pelo pistão e 𝑑𝑈 é o diferencial da energia interna. A taxa de calor total é uma

relação entre 𝛿𝑄𝑐𝑜𝑚𝑏 e 𝛿𝑄𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒, dada por:

𝛿𝑄𝑇𝑜𝑡

𝛿𝜃=

𝛿𝑄𝑐𝑜𝑚𝑏

𝛿𝜃−

𝛿𝑄𝑝𝑎𝑟𝑒𝑑𝑒

𝛿𝜃 ( 2 )

28

4.1.2. Razão de compressão

É o valor numérico da relação entre o volume total da câmara de combustão

(quando o pistão se encontra no PMI) e o volume da mesma completamente comprimida

(quando o pistão se encontra no PMS), ou seja [3]:

𝑟𝑐 =𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜 𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜 𝑑𝑜 𝑐𝑖𝑙𝑖𝑛𝑑𝑟𝑜=

𝑉𝑚+𝑉𝑑

𝑉𝑚 ( 3 )

onde Vm é o volume morto do cilindro, e Vd é o volume deslocado pelo movimento do

pistão entre o PMS e o PMI.

4.1.3. Volume do cilindro

O volume do cilindro pode ser determinado, qualquer que seja sua posição, de

acordo com a seguinte relação:

𝑉(𝜃) = 𝑉𝑚 + 𝜋𝐵²

4 [𝐿 + 𝐶 − 𝑠(𝜃)] ( 4 )

onde s(θ) é a distância entre o eixo da manivela e o eixo do pino do pistão, descrito

como:

𝑠(𝜃) = 𝐶 𝑐𝑜𝑠𝜃 + √(𝐿² − 𝐶2 𝑠𝑒𝑛2 𝜃) ( 5 )

A geometria do cilindro pode ser observada na Figura 18, onde é possível

verificar as representações do diâmetro do pistão (B), comprimento da biela (L), raio da

manivela (C) e ângulo da manivela (θ).

Figura 18. Geometria do conjunto cilindro-biela-virabrequim.

PMS

PMI

θ

C

L

s(θ)

B

29

4.1.4. Consumo horário de combustível

O consumo horário de combustível injetado na câmara de combustão pode ser

determinado através do consumo específico de combustível (specific fuel consumption

– SFC). A vazão mássica de combustível, ṁcomb, pode ser determinada por:

�̇�𝑐𝑜𝑚𝑏 = �̇� ∙ 𝑆𝐹𝐶 ( 6 )

onde �̇� é a potência do motor operando a mesma carga que o valor de SFC usado.

4.2. Número de cetano

O método utilizado para a determinação do número de cetano é descrito pela

norma ASTM D-613 [17]. Neste método, o NC de um tipo de diesel é determinado pela

comparação de suas características de combustão no motor de teste padronizado, o

CFR, com combustíveis de referência, cujos NC são conhecidos.

O teste é realizado utilizando o volante que varia a razão de compressão do

motor CFR para a amostra e cada um dos dois combustíveis de referência para obter

um atraso de ignição específico, permitindo a interpolação do número de cetano em

termos da leitura do volante.

Os combustíveis de referência considerados neste trabalho foram o T-22 (NC

=74,8) e o U-15 (NC = 18,7), utilizados para obter misturas intermediárias com NC

variável. A Tabela 4, obtida pela equipe do LMT previamente ao presente trabalho,

fornece o NC com relação à porcentagem da quantidade de T-22 no U-15.

30

Tabela 4. Número de cetano com relação a porcentagem do T22 e U15.

A partir da seleção dos 11 valores destacados na Tabela 4, foi feita,

anteriormente à realização deste trabalho pela equipe do LMT, a composição da curva

que informa o número de cetano em função da posição do volante que desloca o êmbolo

da pré-câmara de combustão, responsável por variar a razão de compressão do motor.

Pode-se observar esta relação na Curva do Motor CFR Cetano feita pela equipe do LMT

em 29 de agosto de 2006, conforme ilustrado na Figura 19.

31

Figura 19. Curva do Motor CFR Cetano (29/08/2006).

Para a determinação do número de cetano dos combustíveis analisados, o motor

CFR é abastecido, e quando os parâmetros do motor, indicados na Tabela 3 (rotação,

atraso de ignição, vazão de combustível, etc), estão nos intervalos determinados pelo

teste ASTM D-613, é realizada a leitura do volante utilizado para variar a razão de

compressão.

O volante possui um leitor que permite determinar sua posição e fazer uma

correlação com a razão de compressão. A partir da leitura do volante pode-se

determinar o NC do combustível, através da Curva do Motor CFR Cetano, e a razão de

compressão, conforme valores indicados na Tabela 5.

32

Tabela 5. Conversão da leitura do volante para razão de compressão. Retirado de

[19].


Neste trabalho, para os cáclulos referentes ao poder calorífico foi utilizado o

poder calorífico superior (PCS) obtido através do calorímetro C200, ao invés do inferior

(PCI). Muito embora o valor do PCS seja maior do que o valor do PCI, os resultados

obtidos serviram como base de comparação os combustíveis analisados aqui.

4.4. Atraso de ignição

Como já visto em sua definição na subseção 3.3.2, o atraso de ignição depende

da determinação dos momentos de início da injeção do combustível e de início da

combustão. A Figura 20 ilustra como é obtido o atraso de ignição, baseado nos dados

da abertura do bico injetor (injector needle lift) e a curva da taxa de liberação de calor.

Em seguida, são apresentados os métodos utilizados para obtenção do atraso

de ignição e os dados experimentais do motor a diesel da MAN utilizados no presente

trabalho.

33

Figura 20. Atraso de ignição a partir das curvas do levantamento da agulha e taxa de liberação de calor. Adaptado de [4].

4.4.1. Ângulo de início de injeção

O ângulo de início da injeção foi determinado através dos dados experimentais

de posição da agulha do bico injetor. Um método para a determinação do ângulo de

início de injeção é aquele em que a velocidade da agulha em função do ângulo do

virabrequim, obtida após um pós-processamento dos dados de sua posição, apresenta

seu primeiro pico, ilustrada na Figura 21. Este critério costuma ser de fácil aplicação e

de alta precisão, pois a abertura do bico se dá de forma brusca e com pouco ruído nos

dados do sensor [20].

Figura 21. Curva genérica de levantamento da agulha injetora, lN, em função de θ com indicação do máximo de sua derivada. Adaptado de [3].

4.4.2. Ângulo do início da combustão

São conhecidos diversos métodos para a identificação do início da combustão a

partir das curvas de pressão e de taxa de calor liberado pela combustão. Para se obter

o ângulo do início de combustão, uma das formas mais utilizadas na literatura [3], é

através da identificação do momento, ou ângulo do virabrequim, em que a curva da taxa

de liberação de calor em função do ângulo de virabrequim possui a maior inclinação.

Início da Injeção

Atraso de

ignição

Levantamento da agulha injetora

θ

Início da combustão

Taxa de liberação de calor

PMS θ

34

Existem outras maneiras de determinar o início da combustão a partir das curvas

experimentais de pressão na câmara de combustão. Uma delas, é através do primeiro

máximo local das curvas da derivada segunda da pressão em relação ao ângulo do

virabrequim [21], outra maneira é através do máximo local das curvas da derivada

terceira da pressão em relação ao ângulo do virabrequim [22].

Existe ainda o método em que se identifica o início da combustão através da

determinação do ponto de mínimo local da curva d(ln P)/dθ [23].

De maneira geral, os métodos baseados na segunda e terceira derivadas da

curva da pressão da câmara de combustão apresentam resultados similares, que

coincidem com uma inspeção visual da curva de pressão para baixas cargas, onde é

possível identificar claramente o início da combustão [20].

4.5. Trabalho indicado

O trabalho indicado (Wi) realizado pelo motor é calculado da seguinte forma [3]:

𝑊𝑖 = ∫ 𝑃(𝜃)𝑑𝑉𝜃𝑎𝑣

𝜃𝑓𝑣 ( 7 )

onde θfv e θav são, respectivamente, os ângulos de fechamento da válvula de admissão

e de abertura da válvula de descarga e P é a pressão na câmara de combustão e V o

volume desta, e que ambos variam com o ângulo de virabrequim θ.

4.6. Liberação de calor pela queima de combustível

A taxa de liberação de calor pela queima de combustível foi determinada a partir

dos dados experimentais da pressão dentro da câmara de combustão em função do

ângulo do virabrequim e da aplicação da Primeira Lei da Termodinâmica.

Para a estimativa da taxa de liberação de calor pela queima de combustível, a

mistura formada dentro do cilindro de combustão foi considerada um gás ideal com

propriedades uniformes. A partir desta consideração e da equação de estado para um

gás ideal, juntamente com a Primeira Lei da Termodinâmica, a Eq. ( 8 ) pode ser obtida

quando as válvulas de admissão e exaustão estão fechadas [3]:

𝑑𝑃

𝑑𝜃= −𝛾

𝑃

𝑉

𝑑𝑉

𝑑𝜃−

(𝛾−1)

𝑉

𝑑𝑄

𝑑𝜃 ( 8 )

Onde P(θ) é a pressão, que varia com o tempo, θ é o ângulo do virabrequim, V(θ) é o

volume instantâneo do cilindro, Q(θ) é o calor liberado e γ é o coeficiente politrópico,

que foi assumido constante e igual a 1,33. A quantidade de energia que o combustível

35

libera durante a combustão (que ocorre dentro do cilindro após a injeção), pode ser

determinada pelo poder calorífico inferior (PCI), uma vez que a água presente no

produto da reação química está no estado de vapor [3]. Contudo, para fins de

comparação, serão utilizados os valores de poder calorífico superior (PCS) dos

combustíveis, determinados a partir de testes no calorímetro C200. Logo, para

determinar a quantidade de calor total liberada pela queima de combustível (Qcomb):

𝑄𝑐𝑜𝑚𝑏 = 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑃𝐶𝑆 ( 9 )

onde mcomb é a massa de combustível admitida no cilindro por ciclo.

4.7. Eficiência térmica

É o valor adimensional que tem por finalidade medir a eficiência de um motor,

adotando em sua formulação o calor obtido pela combustão e a potência do eixo, dado

por [24]:

𝜂𝑇 = 𝑃𝑜𝑡

�̇�𝑐𝑜𝑚𝑏 𝑃𝐶𝑆 100% ( 10 )

onde Pot é a potência gerada e ṁcomb é a vazão mássica do combustível, que varia de

acordo com o percentual da carga do motor.

36

5. Resultados e análises

Nesta seção, a partir da metodologia descrita no Cap. 4, são mostrados os

resultados e análises dos testes de operação anteriormente realizados pela equipe do

LMT no motor MAN Innovator 4C operando com combustível MDO, e mais

recentemente no motor Waukesha CFR F-5, operando com o MDO e o S500.

Os resultados desta seção foram obtidos através da média de 200 ciclos em

cada carga específica (50%, 75% e 100%) de cada teste realizado no motor MAN

Innovator 4C. No motor Waukesha CFR F-5, a média de 200 ciclos foi obtida para cada

combustível utilizado (MDO e S500).

5.1. Massa específica dos combustíveis

Para obtenção da massa específica das amostras dos combustíveis, MDO e

S500, o ambiente foi condicionado, com a intenção de aproximar a temperatura do

laboratório a 20 °C, que é a temperatura de referência para as massas específicas

tabeladas nas especificações da ANP (Apêndices A.1 – Especificações dos óleos

marítimos, de acordo com a Resolução ANP nº 52 de 29 de dezembro de 2010 e A.2 –

Especificações do óleo diesel de uso rodoviário, de acordo com a Resolução ANP n° 50

de 23/12/2013).

Além disso, foi verificada a estabilidade da balança, verificando se esta não

variava a leitura ao se colocar uma massa sobre ela.

Para a determinação da massa específica do MDO, primeiramente foi aferida a

massa da proveta, obtendo-se uma leitura de mproveta= 284,9 g. Em seguida, a proveta

foi preenchida com o combustível até a marca de 250 mL. Então ela foi pesada

novamente, desta vez com combustível, m(MDO + proveta) 1 = 495,6 g.

Para garantir a confiabilidade dos dados, o procedimento foi repetido mais duas

vezes, encontrando as seguintes leituras da proveta preenchida com combustível:

m(MDO + proveta) 2 = 495,5 g e m(MDO + proveta) 3 = 495,5 g.

Sabendo que a massa específica (𝜌) é a relação entre a massa (m) da

substância em questão e o volume ocupado por ela (V),

𝜌 = 𝑚

𝑉 ( 11 )

foram obtidos três valores para a massa específica do combustível MDO: 𝜌𝑀𝐷𝑂1= 842,8

kg/m³, 𝜌𝑀𝐷𝑂2= 842,4 kg/m³ e 𝜌𝑀𝐷𝑂3 =842,4 kg/m³.

37

A partir dos valores acima, foi realizada a média, obtendo-se a massa específica

𝜌𝑀𝐷𝑂= 842,6 kg/m³ para combustível MDO, utilizada para os cálculos referentes a este

combustível no presente trabalho. O valor está de acordo com as determinações da

resolução da ANP n° 52 de 29/12/2010, Apêndice A.1, que determina o valor máximo

da massa específica 𝜌𝑀𝐷𝑂𝑚á𝑥 = 896,8 kg/m³.

O processo análogo foi feito para o diesel S500, obtendo os seguintes valores

de massa específica: 𝜌𝑆5001 = 849,5 kg/m³, 𝜌𝑆5002 = 849,0 kg/m³ e 𝜌𝑆5003 = 849,1 kg/m³.

A partir dos valores supracitados, foi realizada a média, obtendo-se a massa

específica 𝜌𝑆500 = 849,2 kg/m³ para o combustível S500, utilizada para os cálculos

referentes a este combustível aqui. O valor está de acordo com as determinações da

resolução da ANP n° 50 de 23/12/2013, Apêndice A.2, que determina os valores máximo

e mínimo da massa específica deste combustível (815,0 < 𝜌𝑆500 < 865,0 kg/m³)


O Calorímetro C 200, utilizado neste projeto, fornece o poder calorífico superior

(PCS) das amostras analisadas. Para o MDO, o valor encontrado para o PCS foi de

45,047 MJ/kg (Figura 22) e para o diesel S500, PCS de 44,744 MJ/kg (Figura 23). Os

testes foram realizados durante a execução deste projeto, em agosto de 2018.

Figura 22. Calorímetro C 200 fornecendo o poder calorífico superior do MDO.

Figura 23. Calorímetro C 200 fornecendo o poder calorífico superior do S500.

38

A partir da proximidade entre os valores de poder calorífico superior encontrados,

espera-se uma quantidade de energia liberada similar em ambos os combustíveis ao

operar no mesmo motor (Waukesha CFR F-5) sob os mesmos parâmetros de operação

(determinados pelo método ASTM D-613 [17]).

5.3. MAN Innovator 4C

Os dados apresentados nesta seção, são referentes à operação do motor MAN

com o combustível MDO em novembro de 2013 pela equipe do LMT, anteriormente ao

início deste trabalho, a partir dos quais foram gerados os gráficos e tendências

analisados na presente seção.

5.3.1. Curvas de pressão

A Figura 24 apresenta os comportamentos das curvas de pressão em função da

variação do volume dentro da câmara de combustão para os diferentes percentuais da

carga do motor MAN operando com o MDO. Os valores obtidos são com base nas

respectivas médias de 200 ciclos das diferentes porcentagens da carga do motor MAN.

Figura 24. Curvas experimentais da pressão em função do volume dentro da câmara de combustão operando a 50%, 75% e 100% da carga do motor MAN operando com

MDO.

O trabalho por ciclo aumenta conforme aumenta o percentual da carga do motor

MAN, calculado a partir da integração pelo método dos trapézios da curva da pressão

em função do volume na câmara de combustão, Tabela 6:

0

30

60

90

120

150

180

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000

P (

bar)

Volume (cm³)

100% da carga

75% da carga

50% da carga

PMI PMS

39

Tabela 6. Trabalho por ciclo no motor MAN a rotação de 1200 rpm utilizando MDO.

% Carga do motor Potência nominal (kW) Trabalho (J)

50% 250 5.234,34

75% 375 7.471,00

100% 500 9.699,54

A partir dos dados numéricos de pressão na câmara de combustão, gerados

durante os ensaios realizados anteriormente com o motor MAN Innovator 4C apresenta-

se, no presente trabalho, a geração de resultados gráficos (Figura 25) onde observa-se

os diferentes comportamentos do motor quando submetido às cargas de 50%, 75% e

100%.

Figura 25. Curvas experimentais da pressão em função do ângulo do virabrequim operando a 50%, 75% e 100% da carga do motor MAN com MDO.

Numa análise mais criteriosa, pode-se afirmar que: para cada curva de pressão

para diferentes cargas, existe o aumento brusco da pressão na câmara de combustão

ocorrendo perto do PMS (θ = 0°), indicando a ocorrência da combustão. É possível

observar também a diferença da suavidade com que ocorre a combustão em cada caso.

Enquanto para carga de 100% a combustão ocorre de maneira mais suave e contínua,

para cargas menores, como ocorre na curva de 50% de carga, é observada uma

combustão mais brusca. Esse comportamento se deve, entre outros fatores, ao atraso

de ignição, como será visto na Subseção 5.3.3.

0

30

60

90

120

150

180

-50 -25 0 25 50 75 100 125 150

P (bar)

θ (°)

100% da carga

75% da carga

50% da carga

40


A vazão mássica de combustível injetada na câmara de combustão do motor

MAN, Tabela 7, determinada através da Eq. ( 6 ), utiliza os valores da potência do motor

(�̇�) e o respectivo consumo específico de combustível (SFC), retirado do manual do

motor [25], cujos valores por percentual da carga, no motor MAN, são listados na Tabela

7.

Tabela 7. SFC e consumo horário de combustível por carga no motor MAN.

Carga Potência (kW) SFC (g/kWh) �̇�𝒄𝒐𝒎𝒃 (kg/h)

25% 125 230 28,75

50% 250 199 49,75

75% 375 187 70,50

100% 500 188 94,00

5.3.3. Atraso de ignição

As curvas da Figura 26 mostram o comportamento da agulha de injeção de

combustível antes, durante e depois da injeção do combustível para diferentes cargas.

É possível observar que quanto maior a carga utilizada no motor, maior o tempo que a

agulha de injeção de combustível fica aberta, consequentemente, mais combustível é

injetado na câmara de combustão.

O critério utilizado para a determinação do início da injeção, foi o ângulo (θSOI)

em que a agulha do bico injetor sai de sua posição de repouso, θSOI = -4°. O ângulo de

injeção no motor MAN é fixo, logo é o mesmo para as três cargas.

Figura 26. Curvas da abertura da agulha de injeção de combustível em função do ângulo de virabrequim.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

-20 -10 0 10 20 30

Levanta

mento

da a

gulh

a d

o b

ico

inje

tor

(m

m)

θ (°)

100% de carga75% de carga50% de carga

PMS -4

41

Para a determinação do início da combustão nas Figura 27, Figura 28 e Figura

29, indicadas pelas circunferências cujas as cores referem-se à carga utilizada. Os

métodos utilizados foram descritos na Sec. 4.4, obtidos a partir das curvas de pressão

para cada carga aplicada em função do ângulo do virabrequim (Figura 25).

Figura 27. Identificação do início da combustão através do primeiro máximo local das curvas d²P/dθ².


curvas d³P/dθ³.

Figura 29. Identificação do início da combustão através do primeiro mínimo local das curvas d(ln P)/dθ.

Os valores encontrados para cada método são apresentados na Tabela 8, em

que é possível relacionar o início da combustão mais tardia para menores percentuais

de carga do motor. Vale ressaltar que tais valores são uma estimativa, uma vez que

θ (°)

d²P

/dθ²

(bar/

°²)

d³P

/dθ³

(bar/

°³)

d(ln P

)/dθ (

1/°

)

θ (°)

θ (°)

42

para se obter uma análise mais detalhada do início da combustão, seria necessário

considerar a variabilidade das 200 curvas de cada carga que compõem as médias

analisadas.

Tabela 8. Valores para início da combustão no motor MAN para os diferentes métodos.

Carga Método Início da combustão (°)

50% 𝑑²𝑃

𝑑𝜃²

0,00

75% -1,25

100% -1,75

50% 𝑑³𝑃

𝑑𝜃³

-1,00

75% -1,75

100% -3,25

50% 𝑑(𝑙𝑛 𝑃)

𝑑𝜃

-2,00

75% -2,00

100% -2,50

A partir da determinação dos inícios da injeção e da combustão (este calculado

a partir da média dos valores encontrados para cada método em cada percentual de

carga do motor utilizada), é possível determinar o atraso de ignição para os diferentes

percentuais da carga do motor MAN, como mostrado na Tabela 9.

Tabela 9. Valores de atrasos de ignição para cada percentual de carga do motor MAN.

Carga Início de injeção (°)

𝜽𝑺𝑶𝑰 Início da combustão (°)

𝜽𝑺𝑶𝑪 Atraso de ignição (°)

|𝜽𝑺𝑶𝑪 − 𝜽𝑺𝑶𝑰|

50% - 4,00°

- 1,00 3,00

75% - 1,67 2,33

100% - 2,50 1,50

A partir dos valores de atraso de ignição para os diferentes percentuais de carga

do motor MAN (lembrando que o início de injeção é fixo para todas as cargas) é possível

observar na Tabela 9Tabela 4 a relação inversamente proporcional com a carga, ou

seja, quanto maior a carga, menor é o atraso de ignição.

Um menor atraso de ignição leva a combustão a ocorrer de forma mais suave,

como pode ser notado através de uma inspeção visual das curvas de pressão em função

do ângulo do virabrequim para cada carga na Figura 25. Na curva de pressão a 50% de

carga, é possível observar uma elevação mais brusca da pressão na câmara de

combustão do que na curva de 100% de carga, em que esta elevação da pressão ocorre

de maneira mais suave e contínua.

Uma carga mais baixa, implica em maior atraso de ignição devido à menor

temperatura na câmara de combustão (se comparado com cargas maiores), fazendo

43

com que o tempo levado pelo combustível para começar a queimar seja maior, a

combustão pré-misturada será mais intensa do que nas cargas altas, o que justifica o

aumento brusco da curva de pressão ao se aproximar do PMS para as cargas baixas.

O motor MAN Innovator 4C, possui um sistema de injeção mecânico, ou seja, o

início da injeção do combustível na câmara de combustão foi pré-definido pelo

fabricante. Desta forma, o início da combustão ocorre antes do ponto morto superior.

Assim, a combustão é otimizada, uma vez que os máximos das curvas de pressão

apresentam seus máximos absolutos o mais próximo do PMS.

5.3.4. Taxa de liberação de calor para diferentes cargas

As curvas de taxa de liberação de calor em função do ângulo de virabrequim,

ilustradas na Figura 30, foram obtidas pelo orientador Prof. Marcelo J. Colaço, através

da utilização dos dados da pressão na câmara de combustão em função do ângulo de

virabrequim, dados da geometria do motor e métodos descritos por Pasqualette [15].

Figura 30. Curvas experimental e de tendência de dQ/dθ em função do θ para as diferentes cargas do motor MAN.

O calor liberado para as curvas de 50%, 75% e 100% da carga do motor MAN,

valores apresentados na Tabela 10, foram determinadas a partir da integração pelo

método dos trapézios das curvas dQ/dθ em função do ângulo θ, Figura 30, em que foi

observada uma maior liberação de calor conforme o aumento de carga no motor.

As curvas de tendência foram obtidas através da suavização das respectivas

curvas calculadas a partir dos dados experimentais, utilizado os recursos do Excel.

-200

0

200

400

600

800

1000

-10 0 10 20 30 40 50 60

dQ/dθ (J/°)

θ (°)

Calculado a partir dos dadosexperimentais (100% da carga)Calculado a partir dos dadosexperimentais (75% da carga)Calculado a partir dos dadosexperimentais (50% da carga)Tendência (100% da carga)

Tendência (75% da carga)

Tendência (50% da carga)

44

Tabela 10. Calor liberado para cada percentual de carga do motor MAN operando com o MDO.

% Carga do motor Integral 𝒅𝑸/𝒅𝜽 (J)

50% 10.874,54

75% 15.664,30

100% 20.113,54

5.3.5. Eficiências

A Figura 31 apresenta a tendência da curva da eficiência térmica baseada no

PCS do MDO para diferentes percentuais da carga do motor MAN operando a 1200

rpm. Para melhor análise da tendência, foi adicionada a eficiência térmica para o motor

operando com 25% da carga do motor.

Figura 31. Eficiência térmica do MDO baseada no PCS para os percentuais da carga do motor MAN.

Para o cálculo destas eficiências, foi utilizado o poder calorífico superior (PCS)

do MDO. A análise da serve apenas como comparação entre as eficiências dos

diferentes percentuais da carga do motor.

Pode-se observar, através da análise da Figura 31, o aumento da eficiência

térmica com o aumento da carga, isto é, quanto maior a carga, melhor o aproveitamento

do combustível, devido às melhores condições dentro da câmara de combustão, onde

temperatura e pressão são mais elevadas à medida que a carga aumenta.

As eficiências térmicas baseadas nos dados experimentais do motor MAN,

mostradas na Tabela 11, foram calculadas a partir dos valores do trabalho por ciclo para

os diferentes percentuais da carga do motor (obtidos através das curvas da Figura 24)

34,7%

40,2%42,7% 42,5%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

0% 25% 50% 75% 100%Re

nd

imen

to té

rmic

o d

o M

DO

(%

)

Carga do motor (%)

Rendimento a 25% da carga máxima Rendimento a 50% da carga máxima

Rendimento a 75% da carga máxima Rendimento a 100% da carga máxima

45

e dos respectivos valores de energia liberada ao longo das combustões (obtidos através

das curvas da Figura 30).

Tabela 11. Eficiência térmica calculada a partir dos dados experimentais do motor MAN para diferentes cargas.

% da carga do motor W (J) 𝑸𝒄𝒐𝒎𝒃 (J) Eficiência do motor (%)

50% 5.234,34 10.874,54 48,13

75% 7.471,00 15.664,30 47,69

100% 9.699,54 20.113,54 48,22

5.4. Waukesha CFR F-5

Para a obtenção dos dados referente ao número de cetano do MDO e S500, foi

utilizado o motor Waukesha CFR F-5, seguindo como referência as condições

determinadas na norma ASTM D-613. As telas da interface gráfica de controle do motor

são mostrados na Figura 32 e Figura 33 para os combustíveis S500 e MDO,

respectivamente. Na Figura 32 e Figura 33 também é possível ver as condições usadas

nos testes. Os testes foram realizados durante a execução deste trabalho, em agosto

de 2018.

Figura 32. Condições registradas no sistema de aquisição no momento da obtenção do número de cetano do combustível S500.

46

Figura 33. Condições registradas no Logs no momento da obtenção do número de cetano do combustível MDO.

5.4.1. Curvas de pressão

Na Figura 34, é apresentado o comportamento das curvas de pressão em função

da variação do volume dentro da câmara de combustão dos combustíveis MDO e S500.

Os valores obtidos pelo AVL Indicom (Subseção 3.3.3) são com base nas respectivas

médias de 200 ciclos dos diferentes combustíveis testados.

Figura 34. Curvas experimentais da pressão em função do volume dentro da câmara de combustão dos combustíveis MDO e S500.

0

10

20

30

40

50

0 100 200 300 400 500 600 700

P (bar)

V (cm³)

MDO

S500

PMI PMS

47

Os trabalhos por ciclo para cada combustível no motor CFR, calculado a partir

da integração pelo método dos trapézios da curva da pressão em função do volume na

câmara de combustão, são 296,77 J para o MDO e 305,82 J para o S500.

A Figura 35 ilustra as curvas de pressão experimental na câmara de combustão

para o ciclo médio dos combustíveis MDO e S500 no motor CFR. O ponto morto superior

(PMS) ocorre quando θ = 0°.

Figura 35. Curvas experimentais da pressão em função do ângulo do virabrequim do motor CFR operando com MDO e S500.

Nas Figura 34 e Figura 35, é possível observar que as curvas de pressão, para

ambos os combustíveis, têm comportamento similar e, consequentemente, os trabalhos

realizado por ciclo são parecidos (diferença de cerca de 3% entre os valores).


No motor CFR, lembrando que a vazão volumétrica de combustível determinada

pelo método ASTM D-613 [17] é de 13 mL/min, e conhecendo as massas específicas

dos combustíveis, o consumo horário para o MDO é de ṁMDO (CFR) = 0,644 kg/h, enquanto

que para o diesel rodoviário S500, é de ṁMDO (CFR) = 0,648 kg/h.

A potência do motor utilizada foi aferida no trabalho de Valéria Pimentel e o Prof.

Carlos Belchior [26] a partir de medições de um dinamômetro hidráulico, projetado para

ser instalado diretamente no eixo do motor CFR F-5, que capturou a leitura da potência

de 2,6 kW para a vazão de 13 mL/min.

O SFC do motor CFR para cada combustível, determinado a partir dos valores

da potência do motor e da vazão volumétrica dos respectivos combustíveis, são

apresentados na Tabela 12.

0

10

20

30

40

50

-30 -20 -10 0 10 20 30 40

P (bar)

θ (°)

MDO

S500

48

Tabela 12. SFC e consumo horário do motor CFR operando com o MDO e o S500.

Combustível Potência (kW) SFC (g/kWh) ṁcomb (kg/h)

MDO 2,6 247,69 0,644

S500 2,6 243,23 0,648

Tabela 13. SFC e consumo horário de combustível por carga no motor MAN.

Carga Potência (kW) SFC (g/kWh) ṁcomb(kg/h)

25% 125 230 28,75

50% 250 199 49,75

75% 375 187 70,50

100% 500 188 94,00

A partir dos valores de SFC para o combustível MDO encontrados para os

motores CFR F-5 e MAN pode-se observar que para gerar a mesma potência, o CFR F-

5 precisa utilizar mais combustível do que o motor MAN.

5.4.3. Liberação de calor pelos combustíveis MDO e S500

A partir das curvas de calor liberado pelos combustíveis MDO e S500 em função

do ângulo do virabrequim (θ), Figura 36, foram obtidas as respectivas curvas de energia

liberada acumulada ao longo da combustão, Figura 37, ambas obtidas pelo AVL

Indicom.

Figura 36. Energia liberada instantaneamente em função do ângulo do virabrequim para os combustíveis MDO e S500.

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

-21 -15 -9 -3 3 9 15 21 27 33

Q (kJ/m³°)

θ (°)

MDO

S500

49

Figura 37. Energia liberada acumulada ao longo da combustão em função do ângulo do virabrequim para os combustíveis MDO e S500.

Ao fim da combustão, para cada teste com os diferentes combustíveis, os calores

liberados foram de 970,63 J pelo MDO e 1010,62 J pelo S500. Os valores foram obtidos

a partir da integração pelo método dos trapézios da curva da energia liberada

instantaneamente em função do ângulo de virabrequim. É possível observar que o

comportamento das curvas de liberação de energia para ambos os combustíveis ocorre

de maneira similar, isso se atribui ao fato de que ambos os combustíveis possuem os

valores de poder calorífico e de massa específica semelhantes, além de ambos os

combustíveis terem operado no motor CFR sob as condições da norma ASTM D-613.

5.4.4. Número de cetano

A Tabela 13, apresenta os resultados dos testes realizados no motor CFR para

a determinação do número de cetano dos combustíveis analisados no presente trabalho.

Tabela 13. Registros de operação do motor CFR

Parâmetros Combustível Unidade MDO S500

Temperatura do ar de admissão 151 151 ºF

Temperatura do bico injetor 103,5 103,7 ºF

Temperatura do óleo lubrificante 125 123 ºF

Tempo de consumo de 13 mL 60 60 s

Posição da cremalheira 697 697 -

Posição do avanço de injeção 1190 1177 -

Posição do volante 1605 1555 -

Número de cetano4 50,2 44,5 -

Razão de compressão 12,29:1 12,58:1 -

4 Número de cetano referenciado à curva de calibração do motor, 29 de agosto de 2006

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

-21 -15 -9 -3 3 9 15 21 27 33

Q (J)

θ (°)

MDOS500

50

Através da leitura da posição do volante do motor CFR para cada combustível,

obtemos as respectivas razões de compressão: 12,29:1 para o MDO e 12,58:1 para o

S500. Como pode ser observado na Tabela 13, apesar de um maior número de cetano

encontrado para o MDO em relação ao NC do S500, esta superioridade não refletiu em

um melhor processo de combustão, como visto nos comportamentos das curvas de

pressão, liberação de calor e os valores de trabalho e energia liberada por ciclo. Isso se

deve ao fato de que a utilização de combustíveis com número de cetano maior do que

o especificado pelo fabricante do motor, não traz grandes benefícios, como visto na

subseção 2.1.7.

5.4.5. Eficiências

Como foi visto na revisão bibliográfica realizada no Cap. 2, a razão de

compressão é um parâmetro que está diretamente relacionado à eficiência do motor.

Logo, é esperado que as eficiências sejam semelhantes para ambos os combustíveis,

uma vez que os valores das respectivas razões de compressão são próximos.

As eficiências térmicas do motor CFR F-5 para os diferentes combustíveis

utilizados são 32,26% operando com o combustível MDO e 32,22% operando com o

diesel rodoviário S500.

A partir dos valores de energia liberada acumulada ao longo das combustões

dos diferentes combustíveis (obtidos através das curvas da Figura 37) e dos valores do

trabalho por ciclo por combustível (obtidos através das curvas da Figura 34), ratifica-se

a relação entre a razão de compressão e eficiência. Além disso, é visto que a utilização

de combustível com maior número de cetano do que o especificado pelo fabricante, não

melhora significativamente o desempenho do motor. Esta tendência ocorre uma vez que

para ambos os combustíveis de teste, foram obtidas eficiências térmicas baseadas nos

dados experimentais similares, de aproximadamente 30%, como mostrado na Tabela

14.

Tabela 15. Eficiência térmica calculada a partir dos dados experimentais do motor CFR para o MDO e S500.

Combustível W (J) 𝑸𝒄𝒐𝒎𝒃 (J) Eficiência térmica (%)

MDO 296,77 970,63 30,57

S500 305,82 1010,62 30,26

Fazendo um comparativo dos valores dos consumos específicos de combustível

(SFC) e das eficiências térmicas encontrados para a motor MAN Innovator 4C e o CFR

F-5, pode-se observar que o motor MAN é mais eficiente e econômico. Isso se deve ao

fato de o motor CFR F-5 ser um motor de injeção indireta, possuir injeção lateral de

51

combustível, possuir apenas duas válvulas (uma de injeção e outra de descarga), operar

com razão de compressão baixa e ter operado de acordo com parâmetros determinados

pela norma ASTM D-613, que não otimiza o processo de combustão. Por outro lado, o

motor MAN possui sistema de injeção direta, injeção de combustível central, quatro

válvulas (duas de admissão e duas de descarga), possui sistema de turbocompressão,

além de possuir uma concepção de projeto mais moderna.

52

6. Conclusões

O conhecimento mais profundo sobre os combustíveis e suas propriedades evita

gastos excessivos com o combustível e com a manutenção do motor, permite maior

aprendizado sobre as necessidades do motor a ser utilizado e atendimento aos

requisitos de segurança. Neste trabalho, foram comparados e analisados os resultados

experimentais da combustão de diferentes combustíveis em diferentes motores.

No motor MAN Innovator 4C, operando com óleo diesel marítimo em diferentes

cargas:

• observa-se as evoluções bruscas das curvas de pressão, para cada percentual da

carga do motor, ao aproximarem-se de seus respectivos PMS e que quanto maior

é o percentual de carga no motor, mais suave e contínua é a combustão, além de

uma maior pressão máxima alcançada;

• constata-se a relação direta entre o atraso de ignição e a qualidade da combustão;

• observa-se que quanto maior a carga utilizada no motor, maior é a liberação de

calor por ciclo; e

• ratifica-se, através da curva de tendência da eficiência térmica, a relação entre

uma melhor combustão e o aumento do percentual de carga do motor, devido às

melhores condições dentro da câmara de combustão.

No motor Waukesha CFR-F5, operando com o óleo diesel marítimo e diesel

rodoviário S500:

• observa-se que para combustíveis com número de cetano e poder calorífico

similares operando sob as mesmas condições (método ASTM D-613), o

comportamento das curvas de pressão e de liberação de calor, trabalho realizado

por ciclo, razões de compressão, consumo específico de combustível e eficiências

se assemelham; e

• ratifica-se a informação de que a utilização de combustível com NC maior do que

o especificado pelo fabricante do motor não traz grandes benefícios ao processo

de combustão.

A partir de uma comparação dos valores de consumo específico de combustível

e das eficiências utilizando o combustível MDO nos motores MAN e CFR F-5, pode-se

verificar que o motor MAN tem um melhor aproveitamento do combustível no processo

de combustão, isso se deve, entre outros fatores, à concepção mais moderna do projeto

deste motor e o tipo de injeção de combustível.

Desta forma, pôde-se confirmar as informações expostas na bibliografia deste

trabalho, permitindo o uso mais eficiente dos combustíveis e motores analisados.

53

7. Referências

[1] L. P. CAETANO, “Mapemento e Projeção do Consumo de Óleo Diesel no Brasil,”

Rio de Janeiro, 2013.

[2] AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS

(ANP), “Anuário Estatístico Brasileiro do Petróleo, Gás Natural e

Biocombustíveis,” ANP, 2018.

[3] J. B. HEYWOOD, Internal combustion engine fundamentals, New York: McGraw-

Hill, 1988.

[4] C. P. G. LEWIS, C. SCHENK, W. J. M. STASSEN, Ignition Quality of Residual

Fuels in Diesel Engines, Amsterdam: Shell Research and Technology Centre

Amsterdam.

[5] ENCYCLOPEDIA BRITANNICA INC., 2007.

[6] O. C. NOGUEIRA, “Estudo comparativo de motores diesel marítimos através da

análise de lubrificantes usados e engenharia de confiabilidade,” Engevista, vol. v.

13, pp. 244-254, 2011.

[7] CANAL DA PEÇA, “Canal da Peça,” 2017 04 18. Disponível em:

https://www.canaldapeca.com.br/blog/o-que-e-taxa-de-compressao-e-cilindrada/.

Acesso em: 02 de fevereiro de 2019.

[8] J. LAMB, The Burning of Boiler Fuels in Marine Diesel Engines, vol. LX, The

Institute of Marine, 1948.

[9] M. A. PASQUALETTE, D. C. ESTUMANO, F. C. HAMILTON, M. J. COLAÇO, A.

J. K. LEIROZ, H. R. ORLANDE, et al., “Bayesian estimate of pre-mixed and

diffusive rate of heat release phases in marine diesel engines” Journal of the

Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, vol. 39, maio 2017.

[10] INTERNATIONAL MARITIME ORGANIZATION, “International Maritime

Organization”. Disponível em: http://www.imo.org/en/About/Pages/Default.aspx.

Acesso em: 30 de janeiro de 2019.

[11] DIESELNET, “DieselNet” . Disponível em:

https://www.dieselnet.com/standards/inter/imo.php. Acesso em: 30 de janeiro de

2019.

[12] PETROBRAS, “Informações Técnicas Combustíveis Marítimo”.

54

[13] F. RODRIGUES, “Diesel marítimo: ainda sem previsão,” BiodieselBR. Disponível

em: https://www.biodieselbr.com/revista/027/ainda-sem-previsao. Acesso em: 18

de janeiro de 2019.

[14] LABCONTROL INSTRUMENTOS CIENTÍFICOS LTDA., “Manual Pré Instalação:

C 200,” Labcontrol Instrumentos Científicos Ltda., São Paulo.

[15] M. A. PASQUALETTE, “Estimativa Inversa Bayesiana da Taxa de Liberação de

calor de um motor marítimo Diesel Usando Filtros de Partículas para a Análise da

Combustão e suas Fases,” Trabalho de conclusão de curso. Universidade

Federal do Rio de Janeiro. Rio de Janeiro. Rio de Janeiro. Brasil., 2014.

[16] WAUKESHA ENGINE DIVISION, “CFR F-5 Cetane Method Diesel Fuel Rating

Unit”.

[17] ASTM, “Standard Test Method for Ignition Quality of Diesel Fuels By the Cetane

Method” em ASTM D 613, 1985.

[18] AVL, AVL Indicom Mobile 2015 - User's Guide, 2014.

[19] ASTM, ASTM Manual for Rating Motor, Diesel and Aviation Fuels, 1972.

[20] M. PASQUALETTE, M. COLAÇO, J. ANTUNES, A. LEIROZ, “Métodos para a

Determinação do Atraso de Ignição em um Motor Marítimo Diesel Operando com

Óleo Diesel Marítimo,” 2014.

[21] D. B. LATA, A. MISRA, “Analysis of Ignition Delay Period of a Dual Fuel Diesel

Engine with Hydrogen and LPG as Secondary Fuels,” International Journal of

Hydrogen Energy, vol. 36, pp. 3746-3756, Março 2011.

[22] T. KATRASNIK, F. TRENC E S. R. OPRESNIK, “A New Criterion to Determine

the Start of Combustion in Diesel Engines”, ASME, vol. 128, pp. 928 - 933, 2006.

[23] E. ZERVAS, Comparative Study of Some Experimental Methods to Characterize

the Combustion Process in a SI Engine, vol. 30, 2005, pp. 1803 - 1816.

[24] F. F. FILHO, “Desempenho de um Motor Diesel Operando no Modo Bi-

Combustível Diesel-Álcool”, Rio de Janeiro, 2008.

[25] MAN DIESEL & TURBO, Manual MAN L16/24: Project Guide, 1ª ed., 2010.

[26] V. S. B. PIMENTEL, C. P. R. BELCHIOR, Análise e diagnose de diesel geradores

operando com óleo de dendê "in natura". In: Encontro de Energia no Meio Rural,

4, Campinas, 2002.

55

APÊNDICE A – Especificações dos combustíveis

A.1 – Especificações dos óleos marítimos, de acordo com a Resolução

ANP nº 52 de 29 de dezembro de 2010

Característica Unidade

Tipo Método

DMA DMB ABNT

NBR ASTM/IP/ISO

Aspecto - LII(5) anotar Visual -

Cor ASTM, máx. - 3 - 14483 ASTM D1500

Enxofre Total, máx. % massa 0,5 14533

ASTM D2622

ASTM D4294

ASTM D5453

ISO 8754

ISO 14596

Massa específica a 20° 𝐶, máx

𝑘𝑔/𝑚³ 876,8 896,8 7148

14065

ASTM D1298

ASTM D4052

ISO 3675

ISO 12185

Ponto de Fulgor, mín. °𝐶 60,0 14598 ASTM D93

ISO 2719

Viscosidade a 40°𝐶 𝑚𝑚²/𝑠 1,5 - 6,0 máx. 11,0 10441 ASTM D445

ISO 3104

Ponto de Fluidez, máx.

Tipo inverno °𝐶

-6 0 11349

ASTM D97

ISSO 3016 Tipo verão 0 6

Índice de Cetano, mín. - 40 35 14759 ASTM D4737

ISSO 4264

Resíduo de Carbono no resíduo dos 10% finais de destilação, máx.

% massa 0,25 - 15586

ASTM D4530

ISO 10370

Resíduo de Carbono, máx. % massa - 0,30

Cinzas, máx. % massa 0,010 9842 ASTM D482

ISO 6245

Água, máx. % vol. - 0,30 14236 ASTM D95

ISO 3733

Sedimentos, máx. % massa - 0,10(6) - ASTM D4870

ISO 10307-1

5 Límpido e isento de impurezas 6 A determinação desta característica é requerida quando o produto não se apresentar límpido e isento de impurezas.

56

A.2 – Especificações do óleo diesel de uso rodoviário, de acordo com

a Resolução ANP n° 50 de 23/12/2013

Característica(7) Unidade

Tipo Método

Tipo A e B ABNT

NBR ASTM / EN

S10 S500

Aspecto(8) - Límpido e isento de impurezas

14954 D4176

Cor - (9) Vermelho(10

)

Cor ASTM, máx.(11) - 3,0 14483

D1500 D6045

Teor de biodiesel(12) % volume (13) 15568 EN 14078

Enxofre total, máx. 𝑚𝑔/𝑘𝑔

10,0(14) - - D2622 / D5453 / D7039 / D7212/ D7220

- 500 14533 D2622 / D4294 / D5453 / D7039 / D7220(15)

Destilação

10% vol., recuperados,mín.

°𝐶

180,0 Anotar

9619 D86

50% vol., recuperados 245,0 a 295,0

245,0 a 310,0

85% vol., recuperados,máx. - 360,0

90% vol., recuperados - Anotar

95% vol., recuperados,máx. 370,0 -

Massa específica a 20 °𝐶 𝑘𝑔/𝑚³ 815,0 a 850,0(16)

815,0 a 865,0

7148

14065

D1298

D4052

7 Poderão ser incluídas nesta especificação outras características, com seus respectivos limites, para óleo diesel obtido de processo diverso de refino e processamento de gás natural ou a partir de matéria prima distinta do petróleo. 8 Deverá ser aplicado o procedimento 1 para cada método. 9 Usualmente de incolor a amarelada, podendo apresentar-se ligeiramente alterada para as tonalidades marrom e alaranjada devido à coloração do biodiesel. 10 O corante vermelho, especificado, deverá ser adicionado no teor de 20 mg/L de acordo com o artigo 12. 11 Limite requerido antes da adição do corante. 12 Aplicável apenas para o óleo diesel B 13 No percentual estabelecido pela legislação vigente. Será admitida variação de ± 0,5 % volume. A norma EN 14078 é de referência em caso de disputa para a determinação do teor de biodiesel no óleo diesel B. 14 Para efeito de fiscalização nas autuações por não conformidade, será admitida variação de +5 mg/kg no limite da característica teor de enxofre do óleo diesel B S10, nos segmentos de distribuição e revenda de combustíveis. 15 Aplicável apenas para óleo diesel A. 16 Será admitida a faixa de 815 a 853 kg/m3 para o óleo diesel B.

57

Ponto de fulgor, mín. °𝐶 38,0 7974

14598

D56 / D93 / D3828 / D7094

Viscosidade Cinemática a 40°𝐶 𝑚𝑚²/𝑠 2,0 a 4,5 2,0 a 5,0 10441 D445

Ponto de entupimento de filtro a frio, máx.

°𝐶 (17) 14747 D6371

Número de cetano, mín., ou Numero de cetano derivado (NCD), mín.

- 48 42(18) -

D613

D6890

D7170

Resíduo de carbono Ramsbot-tom no resíduo dos 10% finais da destilação, máx.

% massa 0,25 14318 D524

Cinzas, máx. % massa 0,010 9842 D482

Corrosividade ao cobre, 3h a 50°C, máx.

- 1 14359 D130

Teor de água(19), máx. 𝑚𝑔/𝑘𝑔 200 500 - D6304

EN ISO 12937

Contaminação total(20), máx. 𝑚𝑔/𝑘𝑔 24 - - EN 12662

Água e sedimentos, máx. % volume - 0,05 - D2709

Hidrocarbonetos policíclicos aromáticos, máx.

% massa 11 - - D5186 / D6591 / EN 12916

Estabilidade à oxidação(21), máx. 𝑚𝑔/100𝑚𝐿

2,5 - - D2274 / D5304(22)

Índice de Acidez Mg

KOH/g Anotar - 14248 D664 / D974

Lubricidade, máx. 𝜇𝑚 (23) ISO 12156 / D6079

17 Limites de acordo com o mês e a unidade da federação. 18 Para o óleo diesel A, alternativamente, fica permitida a determinação do índice de cetano calculado pelo método ASTM D4737, quando o produto não contiver aditivo melhorador de cetano, com limite mínimo de 45. No caso de o resultado ser inferior a 45, o ensaio de número de cetano deverá ser realizado. Quando for utilizado aditivo melhorador de cetano, esta informação deverá constar no Certificado da Qualidade. 19 Aplicável na produção e na importação do óleo diesel A S10 e A S500 e a ambos os óleos diesel B na distribuição. 20 Aplicável na importação, antes da liberação do produto para comercialização. 21 Os resultados da estabilidade à oxidação e dos hidrocarbonetos policíclicos aromáticos poderão ser encaminhados ao distribuidor até 48 h após a comercialização do produto de modo a garantir o fluxo adequado do abastecimento. A partir de 1º de janeiro de 2015, o resultado do teor hidrocarbonetos policíclicos aromáticos deverá constar no Certificado da Qualidade no ato da comercialização do produto. 22 Os métodos ASTM D2274 e D5304 aplicam-se apenas ao óleo diesel A. 23 Poderá ser determinada pelos métodos ISO 12156 ou ASTM D6079, sendo aplicáveis os limites de 460 µm e 520 µm, respectivamente. A medição da lubricidade deverá ser realizada em amostra com biodiesel, no teor estabelecido pela legislação vigente, em conformidade com o § 9º do Art. 9º.

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Condutividade elétrica(24), mín. 𝜌𝑆/𝑚 25 25(25) - D2624 / D4308

24 Limite requerido no momento e na temperatura do carregamento/bombeio do combustível pelo produtor, importador e distribuidor. Para o óleo diesel A S500 deverá ser informado no Certificado da Qualidade a concentração de aditivo antiestático adicionada. 25 Limite requerido no momento e na temperatura do carregamento/bombeio do combustível pelo produtor, importador e distribuidor. Para o óleo diesel A S500 deverá ser informado no Certificado da Qualidade a concentração de aditivo antiestático adicionada.

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APÊNDICE B – CFR método F-5

anÁlise termodinÂmica e experimental da...

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