Modelação fenomenológica de um motor Diesel marítimo para avaliar efeitos da mudança de combustível

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Neste trabalho inicia-se o estudo da viabilidade da substituição do combustível actualmente utilizado pela Marinha Portuguesa, Destillate, pelo mais económico, Intermediate Fuel Oil, através da construção de um modelo fenomenológico dos eventos que ocorrem em um cilindro do motor, durante os tempos de compressão e expansão e da obtenção de uma estimativa das emissões de NOX e SOX. O Intermediate Fuel Oil, ou IFO, é um fuelóleo pesado constituído por uma percentagem (2% ou 12%) de óleo destilado. O objectivo é que a Marinha possa beneficiar da vantagem económica inerente à utilização do combustível, devendo contudo ser assegurado que são cumpridos quer os requisitos de operação de um navio da Marinha, quer os requisitos ambientais, cada vez mais exigentes. É estudado apenas um tipo de motor, o que equipa a classe de navios «Vasco da Gama», por esta classe apresentar duas formas de propulsão e por ser um dos motores Diesel mais potentes da Marinha Portuguesa, resultando a eventual substituição do combustível numa economia maior. É utilizado um modelo analítico de balanço de energia ao cilindro de um grande motor Diesel semi-rápido, por ser este o tipo de motor do navio em causa. O modelo é válido para o processo desde o fecho da válvula de admissão até à abertura da válvula de escape. Na construção deste modelo foram assumidas algumas simplificações, nomeadamente, não considerar a variação espacial das propriedades do fluido no interior do cilindro e utilizar sub-modelos simplificados para a descrição da adição e da perda de calor. Deste modelo resulta a história de pressão e temperatura de um cilindro. Os picos de pressão e temperatura obtidos são de 164 bar e de 3170 K para IFO e de 168 bar e 2316 K para o Destillate, o que está de acordo com os dados da literatura para este tipo de motores. Para estimar as emissões de óxidos de azoto, utiliza-se o programa Cantera. Este recebe as histórias de pressão e temperatura e utiliza equações da cinética química para estimar as emissões. Calcula-se, também, o valor de óxidos de enxofre emitidos, a partir do conhecimento do teor de enxofre do combustível. A emissão de ambos os poluentes estudados é superior ao legalmente permitido, pelo que se torna necessário actuar sobre a poluição. Os resultados alcançados permitem afirmar que as simplificações assumidas ao longo do trabalho não parecem ser abusivas. A conclusão deste trabalho é que o modelo construído apresenta boa concordância com os resultados da literatura para motores semelhantes e que embora a substituição do combustível utilizado pareça ser viável, serão necessários equipamentos anti-poluição.