Sistema de Partida a Frio Eletrônico Auto-Controlável para Veículos Flex

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1 Prêmio AEA Projetos de Meio Ambiente Sistema de Partida a Frio Eletrônico Auto-Controlável para Veículos Flex Tadeu Amaral, Fábio Moreira, Fernando Yoshino, Heitor Cavalhieri, Roberta Cruz Centro Tecnológico MAHLE METAL LEVE S.A. RESUMO O desenvolvimento dos motores flex representa uma das iniciativas de maior sucesso já realizadas pela engenharia automotiva no Brasil. Além de atender a demanda dos consumidores finais em abastecer seus veículos com gasolina ou etanol conforme as variações de preços e disponibilidade destes combustíveis, a tecnologia dos motores flex estimulou pesquisa e evolução da indústria [1]. Contudo, uma solução definitiva para o problema de partida com etanol em baixas temperaturas não foi concretizada nas primeiras gerações de motores flex. As soluções de reservatório com gasolina e de sistemas eletrônicos existentes ainda têm potenciais de melhoria. No caso da partida a frio com etanol em baixa temperatura, geralmente existe a necessidade de injeção de uma grande quantidade de combustível para garantir a partida. Nestas condições, excesso de combustível injetado gera aumento do nível de emissão de gases do motor, demandando a necessidade de novas soluções para este desafio. Este artigo apresenta o conceito e resultados de testes de uma nova tecnologia em sistemas de partida a frio para motores flex. O Sistema Eletrônico de Partida a Frio Auto- Controlado representa uma evolução nos conceitos até então existentes. Resultados obtidos em testes de veículos confirmam ganhos expressivos da nova tecnologia em redução do tempo de partida, redução do tempo de pré-aquecimento do etanol, menor energia consumida e drástica redução de gases poluentes em testes de emissões, abrindo também possibilidades de uso do combustível renovável etanol em países de clima frio. APLICABILIDADE Partida a frio de veículos flex (gasolina e etanol), etanol e metanol. Também pode ser aplicado como sistema de redução de emissão de gases poluentes para qualquer motor de combustão interna.

2 OBJETIVO Desenvolvimento de nova tecnologia em sistema de aquecimento de combustível, visando melhorar a partida a frio do veículo em baixas temperaturas, além da redução de níveis de emissões de poluentes. 1. Introdução Impulsionado inicialmente pelo aspecto técnico-econômico, o etanol tem sido há décadas o principal substituto de combustíveis derivados do petróleo no Brasil, contribuindo para o crescimento industrial e desenvolvimento tecnológico em diferentes áreas. Além disso, na medida em que programas ambientais tomam importância global, o uso do etanol ganha força devido aos seus apelos ecológicos: produzido a partir de fonte de energia renovável e biomassa, contribui para a redução de dióxido de carbono e do efeito estufa; sua estrutura bioquímica de fácil decomposição colabora com a redução de contaminação do solo e do lençol freático quando comparado a derivados do petróleo [2]. No contexto da indústria automotiva, a utilização do etanol foi expandida pelo desenvolvimento da tecnologia de motores flex. Esta tecnologia possibilita ao consumidor final a escolha sobre qual combustível abastecer o carro, dependendo apenas da diferença de preços da gasolina e etanol e não mais da sazonalidade e disponibilidade de etanol nos postos de combustíveis como ocorria no passado brasileiro. Atualmente, os motores com tecnologia flex representam mais de 90% dos veículos passageiros fabricados no Brasil. No entanto, existem ainda desafios que afetam o desempenho da tecnologia. Em particular, a dificuldade de partida em baixas temperaturas está entre os maiores desafios até então não completamente solucionado. A partida a frio de motores flex é um grande desafio devido às propriedades químicas do etanol. Diferente da gasolina, que entra em combustão mesmo em baixas temperaturas, o etanol precisa estar acima de 18 C para conseguir uma partida de motor sem longos tempos de injeção ou sem falha. Para resolver este problema, os denominados sistemas de partida a frio foram criados. O conceito lançado nos primeiros motores flex foi o popularmente conhecido tanquinho de gasolina. Neste conceito ocorre injeção de gasolina por um sistema auxiliar no momento da partida quando em temperaturas frias, formando uma mistura etanol/gasolina que possibilita partidas abaixo de 18 C. No entanto, este sistema apresenta diversos pontos negativos: aumenta drasticamente o nível de emissões de gases poluentes devido à alta quantidade de gasolina inserida na partida, promove maior risco na segurança veicular por armazenar gasolina em um reservatório próximo ao motor e acarreta incômodo ao usuário porque este geralmente esquece o abastecimento do tanquinho, podendo não partir o veículo em dias frios. Com o intuito de resolver os inconvenientes do tanquinho auxiliar de gasolina, uma nova geração de sistemas de partida a frio foi recentemente desenvolvida pela indústria automotiva baseada no princípio de aquecimento elétrico do etanol. Nestes sistemas, não existe a injeção de gasolina. Resistências elétricas com altas temperaturas de superfície são acionadas durante fase anterior à partida (pré-aquecimento) para que o combustível

3 atinja temperatura adequada. Nestas maiores temperaturas, o etanol que passa pelos injetores atinge melhor atomização (figura 1). (a) (b) Figura 1. Comparativo entre injeção de etanol: baixa atomização (a), alta atomização por aquecimento de combustível (b) [2] Entretanto, para que esta alta temperatura gerada pelas resistências elétricas não chegue a limites que causem problemas, existe uma unidade eletrônica de controle de aquecimento. A função deste controlador eletrônico é o ajuste fino em tempo real do funcionamento do sistema. Sem este controle preciso, o etanol pode sobreaquecer formando vapores de combustível que impedem partida do motor e causando danos ao próprio sistema de aquecimento como vazamento de combustível. De qualquer modo, a necessidade da unidade de controle de aquecimento aumenta a complexidade da arquitetura elétrica veicular e requisita definição de mapas de temperaturas na fase de calibração do motor com alto nível de precisão para que modos de falhas não aconteçam. 2. Criação e Desenvolvimento do Novo Conceito O objetivo do desenvolvimento do sistema de partida a frio eletrônico auto-controlável MAHLE surgiu com o objetivo de trazer ao mercado novos patamares de desempenho no quesito partida a frio e buscar funcionalidades adicionais ao sistema de aquecimento do combustível. Para tanto, as seguintes condições de contorno foram definidas: promover o aquecimento do combustível de forma rápida e adequada, evitando sobreaquecimento; melhorar a dirigibilidade do veículo no pós-partida; melhorar a eficiência da combustão durante e após a partida pela atomização adequada do combustível, e assim reduzir a emissão de gases poluentes; melhorar o consumo energético de modo a preservar a carga de bateria do veículo; não exceder o consumo de corrente elétrica para evitar custos adicionais de chicotes elétricos; proteção intrínseca contra curto-circuito e falhas elétricas; redução da complexidade de calibração do motor em partida a frio; tamanho reduzido para fácil instalação em qualquer motor. Dentre os conceitos desenvolvidos, dois componentes chaves compõe o novo conceito criado, satisfazendo todas as condições de contorno do projeto: o termistor de coeficiente de temperatura positiva (PTC) e trocador de calor otimizado. O termistor de coeficiente de temperatura positiva (PTC) é o aquecedor do sistema de

4 partida a frio eletrônico auto-controlável. Fabricado com material cerâmico policristalino e dopado de semi-condutores, a composição do termistor pode ser customizada para atingir um determinado comportamento termo-elétrico. Quando tensão elétrica é aplicada aos terminais do termistor PTC, corrente elétrica começa a fluir através do componente, convertendo potência elétrica em potência térmica. Devido a sua característica de coeficiente de temperatura positiva, quando o termistor aquece, sua estrutura de material se modifica de modo a aumentar a resistência elétrica do componente, e por consequência, diminuindo sua potência elétrica sem a necessidade de nenhum sinal de controle (comportamento ilustrativo do PTC na figura 2). Figura 2. Comportamento ilustrativo do termistor PTC [2] Quanto mais frio o combustível, maior será a potência elétrica do PTC. Se o fluxo de combustível for elevado, a superfície do PTC terá uma troca de calor mais rápida, mantendo o aquecimento do PTC. Quando não houver fluxo de combustível, o PTC atinge a máxima temperatura definida e interrompe o aquecimento. O PTC também é sensível a sobrecargas de bateria (tensão elétrica) e corrente elétrica, interrompendo sua potência instantaneamente quando um curto-circuito for detectado. Assim, é um componente sensível a qualquer variação direta ou indireta de sua temperatura, funcionando intrinsecamente como uma dupla proteção contra sobreaquecimento, eliminando a necessidade de uma unidade eletrônica de controle de aquecimento utilizada pelos sistemas de aquecimento. O segundo componente chave dentro do sistema de partida a frio eletrônico autocontrolável é o trocador de calor (elemento situado ao redor do PTC e dentro do núcleo de aquecimento ilustrado na figura 3). A função principal deste componente é melhorar a transferência de calor do PTC para o combustível. Este processo é feito através da maximização da área de transferência térmica e redução da espessura de etanol a ser aquecida. O trocador de calor também possui geometria específica de modo a prever e corrigir o fenômeno de convecção térmica do combustível, melhorando ainda mais o desempenho do sistema. Isto previne a formação de vapores de combustível e riscos de sobreaquecimento.

5 Figura 3. Imagem em corte simplificada do sistema de partida a frio eletrônico autocontrolável [2] O sistema de partida a frio eletrônico auto-controlável é montado entre a galeria de combustível e injetores de combustível (figura 4) buscando minimizar o impacto na instalação do componente nos veículos existentes com a tecnologia de motores flex. Figura 4. Sistema de partida a frio eletrônico auto-controlável montado em aplicação veicular ilustrativa [2] 3. Resultados de Testes em Veículo Para comprovação de desempenho do sistema de partida a frio eletrônico autocontrolável foram realizados testes comparativos em veículo. Nesta comparação direta, um veículo em produção de série com sistema de partida a frio baseado no conceito de aquecimento com resistência elétrica convencional foi utilizado. Este conceito até então, é a referência de sistema de partida a frio no mercado automotivo brasileiro. Neste artigo, resultados desta configuração original foram denominados sistema base.

6 Utilizando mesmo veículo e mesmas condições de testes, removeu-se o sistema base juntamente com sua unidade de controle eletrônico de aquecimento e foi instalado o sistema de partida a frio eletrônico auto-controlável MAHLE para obtenção de resultados comparáveis. Com os dois sistemas, testes de partida a frio e emissões de gases poluentes foram feitos com o acompanhamento de engenheiros da própria montadora para confirmação dos resultados obtidos Testes de Partida a Frio Em testes de partida a frio existem três principais parâmetros a serem avaliados: tempo de pré-aquecimento, o tempo de partida e a energia elétrica consumida. O tempo de pré-aquecimento é o tempo em que o sistema de partida a frio eletrônico deve aquecer o combustível antes da partida. Neste período o usuário não pode dar a partida no motor. Dependendo da estratégia de cada montadora, o tempo de préaquecimento impacta no usuário final que deve aguardar até que o sistema fique nas condições ideais de partida. O segundo item é o tempo de partida. Este é aqui definido como o intervalo de tempo em que o motor de partida entra em funcionamento até o momento em que o motor atinge determinada rotação definida pela montadora com dirigibilidade adequada. Quanto menor o tempo de partida, maior é a qualidade de partida do veículo (indicativo de partida suave e robusta). O terceiro item é a energia elétrica consumida. Quanto menor energia elétrica for consumida durante a partida, maior será a preservação da bateria e carga para o motor de arranque. A partida a frio é influenciada não apenas pela construção geométrica do motor e sistema de partida a frio utilizado, mas também pela calibração de partida a frio de cada veículo. A calibração tende a ajustar cada veículo ao correlato sistema de partida a frio. Portanto para cada tipo de veículo ou para cada tipo de sistema de partida a frio, existe uma calibração específica. Em primeiro momento, testes comparativos foram executados utilizando a calibração original do veículo, ou seja, a calibração específica ideal para o sistema base para avaliação dos dois sistemas. Também se utilizou mesmo tempo de pré-aquecimento do veículo original. A figura 5 mostra os resultados comparativos em três diferentes temperaturas (10 C, 0 C e -5 C). Para cada temperatura o veículo ficou 6 horas condicionado dentro da câmara climática.

7 Como resultado, o sistema de partida a frio eletrônico auto-controlável apresentou melhoria de até 17,8% em tempo de partida, mesmo utilizando calibração feita para outro sistema de aquecimento (figura 5). Figura 5. Testes de partida a frio em veículo, comparando sistema base versus sistema MAHLE Durante o mesmo teste, a energia elétrica consumida por cada sistema foi medida. A figura 6 mostra que o sistema de partida a frio eletrônico auto-controlável apresenta até 18,3% de redução de energia, mesmo utilizando calibração não específica do sistema. Figura 6. Consumo de energia durante a fase de pré-aquecimento, medido durante os testes comparativos de partida a frio

8 Tais resultados demonstram melhor condição de aquecimento do combustível e potencial para obtenção de resultados ainda melhores se uma calibração específica para o novo sistema for aplicada, como ocorre geralmente no desenvolvimento de novos veículos. A seguir são apresentados os resultados de partidas em temperatura de 10 C (comum no inverno brasileiro) com diminuição dos tempos de pré-aquecimento (figura 7). Neste caso, foi possível reduzir em 25% o tempo de pré-aquecimento sem aumento de tempo de partida e sem modificação da calibração. Depois deste ponto, a diminuição do tempo de pré-aquecimento aumenta o tempo de partida. Neste caso, a modificação da calibração tem efeito complementar ao sistema, minimizando o aumento de tempo de partida. Figura 7. Teste de partida a frio do sistema MAHLE com ajustes de calibração do veículo, avaliando potencial de diminuição de tempo de pré-aquecimento e tempo de partida Cada montadora objetiva melhor relação entre tempo de pré-aquecimento e tempo de partida. Ou seja, havendo possibilidade de tempos de partidas maiores, tempos de préaquecimento extremamente curtos podem ser utilizados. Neste caso, seria possível a utilização de tempo de pré-aquecimento 67% menor em relação à condição inicial considerando que o tempo de partida abaixo de 3 segundos fosse o objetivado. Neste caso, o consumo de energia elétrica também foi mensurado. Com redução do tempo de pré-aquecimento e desempenho superior do sistema de aquecimento, temos diminuição de até 71% no consumo de energia (figura 8) comparado ao sistema até então referência do mercado (sistema base).

9 Figura 8. Gráficos com resultados de redução de consumo de energia do sistema MAHLE em função da otimização do tempo de pré-aquecimento Em resumo, nos testes em partida a frio comparativo dos dois sistemas tivemos resultados melhores com o sistema de partida a frio eletrônico auto-controlável em todos os requisitos, demonstrando o potencial de utilização da tecnologia na solução do problema de partida a frio dos motores flex Testes de Emissões de Gases Poluentes No Brasil, a emissão de gases poluentes de veículos passageiros é homologada pela norma NBR7024. Neste ensaio, o veículo é testado em uma câmara de emissões em temperatura ambiente (por volta de 23 C) e o técnico de ensaios dirige o veículo sobre o dinamômetro de rolo seguindo o perfil de velocidade requisitado pela norma. Equipamentos instalados nesta câmara de emissões coletam os gases emitidos e, seguindo padrão listado na norma, existe o cálculo dos resultados finais. Historicamente valores obtidos durante o ciclo de emissões em veículos flex típicos mostram que aproximadamente 90% da emissão de hidrocarbonetos e 70% da emissão de monóxido de carbono ocorrem durantes os primeiros 200 segundos após a partida do veículo (figura 9). Isto ocorre devido à necessidade de aquecimento do sistema de escape até uma temperatura mínima quando o catalisador consegue atingir condições ideais de trabalho.

10 Figura 9. Ensaio típico de emissões de hidrocarboneto e monóxido de carbono em veículo flex passageiro, nos primeiros segundos imediatamente após a partida Deste modo, uma maneira de reduzir a emissão de gases é melhorar as condições da combustão nos primeiros 200 segundos. Neste contexto, o sistema de partida a frio eletrônico auto-controlável tem a função de aquecer o combustível mesmo com alto fluxo de combustível, evitando a necessidade de injeção de quantidade exagerada de combustível e antecipando o funcionamento do sistema de escape pelo aquecimento mais rápido do catalisador. Isto ocorre devido ao trocador de calor otimizado que entrega melhor homogeneidade de temperatura ao combustível que está passando pelo sistema de aquecimento e pelo termistor PTC que regula as temperaturas na condição ideal. Primeiramente, o veículo de produção, com o sistema base de aquecimento e catalisador original, foi testado quanto à emissão de gases poluentes seguindo a norma NBR7024. Em segundo momento, o sistema de aquecimento base foi desligado e o veículo novamente testado buscando simular condição de não funcionalidade do sistema de aquecimento no ciclo de emissões. Por fim, o mesmo veículo teve o sistema base com sua unidade de controle de aquecimento eletrônico removido e substituídos pelo sistema auto-controlável. Em adição, apenas nos testes com o sistema MAHLE, catalisador com menor quantidade de metais nobres (50% menos paládio em sua composição) foi utilizado para substituir o catalisador original, visando demonstrar apelo ambiental e potencial de redução de custos do veículo na medida em que catalisador mais barato e menos nobre poderia ser usado quando o sistema de aquecimento MAHLE fosse aplicado ao mesmo veículo. Como resultado, os níveis de emissões de monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e hidrocarbonetos não-metanos com desconto de etanol não-queimado destas três configurações são mostrados na figura 10. Os resultados são mostrados em relação aos níveis de emissões da legislação Proconve L5, já que o projeto do veículo utilizado nos testes segue tal regulamentação. Tais testes foram executados utilizando mesmo banco de emissões e pelo mesmo técnico de testes com acompanhamento da própria montadora do veículo de produção.

11 Comparado ao sistema de aquecimento base, o sistema auto-controlável promove a redução de 26% de hidrocarboneto não-metano com desconto de etanol não queimado, 34% de monóxido de carbono e 14% de óxidos de nitrogênio, mesmo utilizando catalisador com menor quantidade de metais nobres. Comparado ao veículo com sistema de aquecimento desligado, o sistema auto-controlável utilizando catalisador inferior, promove a redução de 35% de hidrocarboneto não-metano com desconto de etanol não queimado, 42% de monóxido de carbono e 17% de óxidos de nitrogênio. Figura 10. Ensaio de emissões de gases poluentes, com relação ao limite permitido pela legislação Proconve L5 A figura 11 mostra que o veículo com o sistema de partida a frio eletrônico autocontrolável e equipado com o catalisador mais barato atenderia a especificação de engenharia baseada na nova legislação de emissões Proconve L6. Já utilizando o veículo sem sistema de aquecimento ou usando o veículo com o sistema de partida a frio base, mesmo com catalisador com maior quantidade de metal nobre, ambos estariam acima dos limites especificados pela engenharia da montadora.

12 Figura 11. Ensaio de emissões de gases poluentes, com relação ao limite permitido pela nova legislação Proconve L6 CONCLUSÕES O novo sistema de partida a frio eletrônico auto-controlável é uma tecnologia capaz de substituir sistemas de partida a frio por injeção de gasolina ( tanquinho de gasolina ) e também os mais recentes sistemas elétricos de partida a frio, com melhor desempenho de partida, maior simplicidade de implementação, eliminando riscos de superaquecimento e eliminando controles eletrônicos adicionais complexos. Além disso, o sistema autocontrolável representa redução de emissões de poluentes, extrapolando a função principal do produto. Isso é importante para se atingir regulamentações cada vez mais rígidas de emissões, como também reduzir a utilização de metais nobres no sistema de escape, permitindo reduzir custos com a tecnologia de catalisadores. Deste modo, a tecnologia contribui para a preservação do meio ambiente na medida em que veículos com menor emissão de poluentes podem ser encontrados nas ruas brasileiras e motivações adicionais existem para os clientes continuarem a utilizar motores flex rodando com etanol sem problemas de desempenho em baixas temperaturas, além de contribuir para a minimização de utilização de metais mais nobres em catalisadores. Novos campos de trabalho também se abrem para a tecnologia de aquecimento de combustível, expandindo a utilização de combustíveis renováveis como o etanol para países de inverno rigoroso sem a necessidade de adição de gasolina, como ocorre nos Estados Unidos e na Europa.

13 REFERÊNCIAS [1] AMARAL, T., CAVALHIERI, H., ROMANO, M., Self-Controlled Electronic Cold Start System Vehicle Tests Demonstration, SIMEA PAP45, [2] AMARAL, T., MOREIRA, F., YOSHINO, F., CAVALHIERI, H., CRUZ, R., SCHADLER, W., Self-Controlled Electronic Cold Start System for Flexible Fuel Vehicles, SAE , 2014.