INOVAÇÕES AUTOMOTIVAS E A NECESSIDADE DE NOVOS COMBUSTÍVEIS Gilberto Gomes Leal Desenvolvimento de Motores DaimlerChrysler do Brasil Ltda.

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1 INOVAÇÕES AUTOMOTIVAS E A NECESSIDADE DE NOVOS COMBUSTÍVEIS Gilberto Gomes Leal Desenvolvimento de Motores DaimlerChrysler do Brasil Ltda. Resumo A necessidade de diminuir as emissões gasosas dos veículos automotoras, para atendimento aos limites regulamentados pela Resolução CONAMA 315/02, Fase P6, validos a partir de 2009, exige não somente a melhoria do processo de combustão e tratamento dos gases de escape dos atuais motores, como também a melhoria das características técnicas dos combustíveis. Neste âmbito, foram analisadas alternativas técnicas para controle da combustão dos motores do ciclo Diesel e para tratamento dos gases de escapamento, correlacionando estas tecnologias com as características técnicas do combustível Diesel. Constatou-se que o atendimento aos limites regulamentados somente poderá ser alcançado compatibilizando-se as inovações tecnológicas com utilização de combustível adequado. A utilização de um combustível para certificação e outro para consumo não permitirá que o meio ambiente aproveite plenamente as vantagens da introdução destas inovações tecnológicas. Introdução A industria automobilística, impulsionada pela crescente necessidade de diminuir as emissões gasosas dos veículos automotores, vem desenvolvendo seus produtos em duas principais direções. A curto prazo, otimizando os atuais motores de combustão interna reduzindo drasticamente seus níveis de emissões, nas datas previamente definidas pelo PROCONVE, Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos Automotores, regulamentado conforme Resolução 315/02 do CONAMA, Conselho Nacional do Meio Ambiente. A longo prazo, desenvolvendo novas tecnologias de propulsão livres de emissões gasosas nocivas. No âmbito da prioridade atual, serão aqui analisadas alternativas de solução para viabilizar o atendimento dos limites estabelecidos pela Resolução CONAMA 315/02, fase P6, que regulamenta as emissões gasosas dos motores do ciclo Diesel para veículos pesados, que serão fabricados a partir de A figura 1, compara o cronograma de aplicação das diferentes tapas de redução de emissões gasosas efetuadas na Europa com as efetuadas no Brasil. Figura 1 Cronograma de aplicação das diferentes fases de redução de emissões gasosas na Europa e no Brasil Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 CONAMA F3 CONAMA F4 CONAMA P5 CONAMA P6 Para efeito de correlação entre as diferentes denominações, pode-se efetuar as seguintes CONAMA P5 equivale aos limites de emissões Euro 3 CONAMA P6 equivale aos limites de emissões Euro 4 1

2 Os limites de emissões gasosas que vigorarão a partir de 2009 para os motores Diesel de veículos comerciais pesados, comparados com os atuais valores válidos, estão demonstrados na tabela 1. Pode-se observar forte tendência de controle das emissões de NOx. Da fase CONAMA P5 para CONAMA P6 há uma redução de 80 % na regulamentação do maxímo valor tolerado para este poluente. Tabela 1 Valores de máximos para emissões nas Fases CONAMA P5 e P6 Poluente Valores máximos em [g/kwh] CONAMA P5 (Euro 3) CONAMA P6 (Euro 4) Redução percentual Monóxido de Carbono CO 2,10 1,50 29 % Hidrocarbonetos HC 0,60 0,46 23 % Óxidos de Nitrogênio NOx 5,00 3,50 30 % Material Particulado PM 0,10 0,02 80 % Dentre estes fatores pode-se afirmar que as maiores dificuldades encontram-se justamente no controle do NOx e no Material Particulado. A figura 2 estabelece a comparação entre estes dois fatores contemplando dados desde a Fase Euro 1 ate a fase Euro 5. Figura 2 Valores de PM m função dos valores de NOx PM [g/kwh] 0,40 0,35 0,30 0,25 Euro 1 0,20 0,15 0,10 0,05 Euro 3 Euro 2 0,00 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 NOx [g/kwh] Euro 5 Euro 4 Dentre as diferentes tecnologias e estratégias adotadas por diferentes fabricantes de motores dois fatores são merecedores de especial atenção, a redução dos Óxidos de Nitrogênio, NOx, e da emissão de Material Particulado, PM. Para redução dos valores de NOx, efetuando-se modificações no processo de combustão, é necessário trabalhar no sentido de redução da temperatura da chama. A principal conseqüência é o aumento do consumo de combustível. Em contra-partida, é possível otimizar o consumo de combustível e ao mesmo tempo diminuir os valores de material particulado desde que a emissão de NOx seja tratada fora do ambiente de combustão. vide figura 3 Figura 3 Influencia no consumo de combustível para redução de NOx, via melhorias internas no motor e possibilidade de otimização de consumo de combustível reduzindo-se ao mesmo tempo o material particulado Limite atual PM Consumo Aumento PM [g/kwh] Consumo Otimizacao Limite futuro PM Limite futuro NOx NOx Limite atual NOx NOx Limite atual NOx 2

3 A redução da emissão dos poluentes HC e CO deverão ser obtidas por melhoria da eficiência de combustão, visto que estes componentes são formados basicamente nos processos de combustão incompleta. Também é possível efetuar-se o tratamento dos gases fora do ambiente de combustão combinandose técnicas de filtragem de partículas com técnicas de redução de NOx, CO e HC. A eficiência de tal combinação é contudo dispendiosa e nem sempre de alta eficiência. A partir destas possibilidades pode-se deduzir que o melhor sistema de tratamento de emissões gasosas será aquele que: a) Efetua o tratamento das emissões diretamente na fonte. b) Maximiza a eficiência de queima de combustível. c) Utiliza combustível com propriedades químicas e físicas adequadas a alta performance. d) É complementado, quando necessário, por processos de pós-tratamento dos gases de escape, confiáveis e capazes de manter alta eficiência por longos períodos de utilização. e) Transforma o mínimo possível de energia em sistemas auxiliares. A partir deste cenário pode-se então desenvolver as possibilidades de tratamento de emissões adequadas a cada tipo e característica de motor. Possibilidades de redução de emissões gasosas Para melhor visualizar as diferentes alternativas, a figura 4 demonstra de forma resumida os possíveis caminhos para redução de emissões gasosas, sem contudo ter a pretensão de ser completa em todas as possibilidades. Figura 4 Possibilidades de atuação no desenvolvimento de soluções de redução de emissões de poluentes gasosos PM Material Particulado Atuando na fonte Aumentando pressão de injeção e adequando ponto de injeção Utilizando Diesel de: menor densidade menor teor de Enxofre menor concentração de aromáticos melhor característica da curva de destilação Redução de emissões em motores Diesel NOx Óxidos de Nitrogênio Efetuando Pós Tratamento Atuando na fonte Utilizando Filtros: de Partículas (DPF) de Regeneração continua (CRT) Diminuindo temperatura da chama: Atrasando o ponto de ignição Efetuando recirculação dos gases de escape (EGR) Utilizando Diesel de: maior numero de Cetano menor Densidade menor concentração de aromáticos Efetuando Pós Tratamento Utilizando Filtros: DeNOx, Catalização passiva Catalisador de estocagem SCR Redutor Catalítico Seletivo 3

4 Tratamentos internos ao motor para redução de Material Particulado - PM A elevada redução dos limites máximos para emissão de material particulado exige um perfeito aprimoramento da combustão. Este aprimoramento pode ser alcançado através de: redesenho da câmara de combustão adiantamento do ponto de injeção aumento da pressão de injeção otimização do direcionamento dos jatos de injeção utilização de pré-injeção Possibilidades de diminuição da emissão de particulados através da melhoria do combustível As principais características do combustível Diesel que afetam as emissões de material particulado são: Teor de Enxofre Conforme World Wide Fuel Charter , a redução do teor de Enxofre de 500 para 30 PPM resulta em uma redução de 7% de emissão de particulados em motores com consumo de 200 g/kwh e de ate 9% em motores com consumo de 270 g/kwh. Curva de destilação Experimentos comparando combustíveis de diferentes características da curva de destilação não são muito conhecidos, contudo a parte contendo a fração pesada da destilação (T95 a 360 C) parece evidente na formação de resíduos de carbono e aumentando a emissão de fuligem, fumaça e material particulado. Concentração de aromáticos Aromáticos são moléculas de combustível que contem no mínimo um anel de benzeno Os poli aromáticos (di+, tri+) contribuem para aumento da formação de particulados. Redução de 9 para 1% na concentração de poli aromáticos possibilita redução de 6,5% de PM em motores diesel leves e de 4 % em motores diesel pesados. Densidade A redução de 855 para 828 kg/m 3 gerou redução de 18% de emissões de PM em motores leves e de 3% em motores diesel pesados, conforme World Wide Fuel Charter Tratamentos internos ao motor para redução de Óxidos de Nitrogênio - NOx A formação de NOx esta intimamente ligada a temperatura da chama, desta forma as principais providencias para sua redução são: Atraso do ponto de ignição Utilização de recirculação dos gases de escapamento (EGR) O atraso do ponto de injeção atua na contramão da melhoria de emissões de particulado e como efeito colateral traz um perceptível aumento de ruído de combustão. Recirculação de gases de escapamento para redução de NOx Na recirculação dos gases de escapamento partes dos gases de escapamento são resfriadas e injetadas novamente na câmara de combustão. Desta forma o volume da câmara de combustão não é preenchido totalmente com ar fresco e a combustão desta mistura alcançara então uma temperatura final mais baixa. 4

5 O rendimento do motor por sua vez também é prejudicado. Já é possível observar redução da ordem de 12 % na potencia por litro de cilindrada de motores pesados quando utilizam EGR de alta recirculação. A figura 5 exemplifica utilização de EGR em motores Mercedes Benz destinado ao mercado norte americano Figura 5 Motor Mercedes Benz OM 906 LA, EPA 2004 equipado com EGR de passagem dupla. Coolant in Coolant out Gas out Gas in A influencia de redução de NOx depende da taxa de recirculação de gases. Quanto mais alta esta taxa menor será a emissão de NOx, contudo em altas taxas de recirculação ocorrera também o aumento da emissão de material particulado, vide figura 6. Conclui-se portanto que o EGR é uma solução de compromisso e que seu pleno efeito depende também de outras alterações no motor de forma a contemplar utilização em zonas de maximização de ganhos A taxa de recirculação, denominada EGR Rate, α, é definida por: α = (Vazão em massa de recirculação / Vazão em massa de admissão) * 100 Massa de admissão = Massa do EGR + Massa de ar fresco Figura 6 Taxa de recirculação dos gases de escape em um sistema EGR refrigerado. Nox PM Aumento NOx e PM EGR - Rate [%] Efeitos colaterais da utilização de EGR Para o resfriamento dos gases de escape antes da sua admissão na câmara de combustão, ocorre o processo de troca térmica entre estes gases e o sistema de arrefecimento do motor. Em regra geral, aproximadamente 10 % da vazão do liquido refrigerante é desviada para o trocador de calor do EGR. Conseqüentemente um aumento na carga térmica do sistema de arrefecimento deve ser previsto. 5

6 A figura 7 exemplifica este processo de troca térmica ao longo do trocador de calor Figura 7 Troca de calor ao longo do trocador de calor do EGR do motor Mercedes Benz OM 926 LA Temperatura dos gases de escape Abgastemperatur [C 1560 U/ min Abgastemperatur [C] Kuhlmitteltemperatur [C] Längeposition nach Eingang [mm] Kühlmitteltemperatur [C Temperatura do liquido de arrefecimento Entrada Saída Influencia do combustível no EGR Figura 8 O trocador de calor do sistema EGR possui quantidades grandes de tubos e câmaras, vide figura 8, por onde escoam gases e líquido refrigerante O sistema sofre variações muito buscas de temperatura e pressão e quando submetido a resíduos gasosos com alta concentração de Enxofre (maior que 500 PPM) pode necessitar a aplicação de materiais extrema extremamente nobres e caros, podendo inviabilizar seu uso. Motores equipados com tal tipo de tecnologia necessitam de diesel com baixo teor de Enxofre 50 PPM. A sobrevivência a longo prazo utilizando diesel com Enxofre variando entre 500 e 1000 PPM, não é ainda conhecida. Possibilidades de diminuição da emissão de NOx através da melhoria do combustível As principais características do combustível Diesel que afetam as emissões de NOx são: Numero de Cetano O numero de Cetano é o indicador do comportamento do combustível para a auto ignição sobre pressão. Um baixo numero de Cetano induz dificuldades de partida a frio, aumenta a emissão de poluentes e o nível de ruído de combustão. Um aumento do numero de Cetano de 50 para 58, provoca, conforme Word-Wide Fuel Chart-2000, redução de ate 10 % das emissões de NOx em cargas parciais e rotações intermediarias e de aproximadamente 5 % em cargas parciais na rotação de potencia máxima do motor. Concentração de aromáticos A presença de aromáticos aumenta a temperatura da chama, conseqüentemente influencia o aumento da emissão de NOx, Redução de 30 para 10% na concentração total de aromáticos possibilita redução de 5,5% de NOx em motores diesel leves e de 4 % em motores diesel pesados. Densidade 6

7 A maior influencia da diminuição da densidade do combustível é percebido nos motores diesel pesados. Uma redução de 855 para 828 kg/m 3 proporciona redução de ate 4,5% na emissão de NOx. Tratamentos externos ao motor para redução de Material Particulado - PM Existem dois tipos de filtros que possibilitam tal objetivo. Filtro de Partículas DPF ou Diesel Particulate Filter São filtros de passagem total, construídos atualmente em três diferentes versões: Cordierite Monolith* Silício Carbide Monolith* Metal Sinterizado envolvido com fibra de cerâmica* * Purem Abgassysteme Gmbh Do ponto de vista de aplicação o filtro de metal sinterizado é o que apresenta a menor taxa de elevação de contra pressão do sistema de escape ao longo do tempo, Chega a ser 46 % menos restritivo que o Cordierite. O filtro de metal sintetizado pode reduzir ate 94 % em relação a um motor Euro 3, das emissões de particulado quando testado num motor Mercedes Benz OM 501 LA no ciclo USA-FTP Filtro de regeneração passiva e continua CRT - Continuously Regenerative Trap Estes filtros basicamente convertem fuligem em CO 2 A eficiência deste tipo de filtro depende quase que totalmente do teor de Enxofre do combustível. Pois apresenta queda de ate aproximadamente 60 % de emissão de PM quando o teor de enxofre é diminuído de 50 para 10 PPM. Utilizando diesel com elevado numero de cetano (Cetano 60), baixo teor de enxofre (< 10PPm) e baixa concentração de aromáticos (< 10% vol.) conseguiu-se alcançar índices de ate 95 % de redução de PM. A influencia do teor de enxofre nos diferentes filtros será discutida em seguida. Tratamentos externos ao motor para redução de Óxidos de Nitrogênio NOx. Existem atualmente três possibilidades de tratamento: Catalisador passsivo Catalisador de acumulação de NOx Diesel Nox Catalisador de Redução Seletiva SCR Catalisador Passivo Possui baixa eficiência de conversão de NOx (aproximadamente 35% sem presença de Enxofre). Estes catalisadores são mais utilizados em carros de passeio e aplicações de motores diesel leves Catalisador de acumulação de NOx Na primeira etapa este catalisador absorve o NO, depois decompõe o NO em NO 2 e por fim as moléculas de NOx reagem com os Hidrocarbonetos não queimados e com molécula s de CO para formar N 2 e CO 2 Estes catalisadores são mais utilizados em carros de passeio e aplicações de motores diesel leves 7

8 Catalisador de Redução Seletiva Este sistema utiliza injeção de Uréia no fluxo do gás de escape após a saída do turbo compressor. A Uréia fornecerá a Amônia necessária para redução dos diferentes poluentes, conforme figura 9 Figura 9 Conversões efetuadas no catalisador seletivo SCR NO NO 2 O 2 N SCR-Catalyst (TiO 2, V 2 O 5, WO 3 ) C N 2 H 2 O Nitrogen Oxides + Oxygen + Ammonia 4 NO + O NH 3 2 NO 2 + O NH 3 Nitrogen + Water 4 N H 2 O 3 N H 2 O Este sistema permite tratar satisfatoriamente os Óxidos de Nitrogênio no lado externo do motor e desta foram otimizar a combustão para buscar uma redução forte dos materiais particulados - PM, mantendo-se o consumo de combustível em patamares aceitáveis e reduzindo-se as trocas térmicas de sistemas auxiliares. Resistência dos diferentes sistemas de filtragens a exposição de Enxofre A Tabela 2 demonstra a resistência dos diferentes tipos de filtros à exposição aos diferentes teores de Enxofre do combustível. 8

9 Tabela 2 Resistência ao teor de Enxofre do combustível dos diferentes sistemas de pós-tratamento Tipo DeNOx Função Redução de Nox Denominação Catalisador de acumulação de Nox Convenção de NOx ou PM Tolerância ao Enxofre Eficiência inicial de conversão de Catalisador Passivo NOx[%] Temperatura de conversão de NOx [C] tolerância ao Enxofre eficiência inicial de conversão de NOx[%] Comportamento na presença de Enxofre Concentração de Enxofre [PPM] = Uso proibitivo = ainda deve ser decidido = Sem Problemas, pode ser utilizado eficiência final de conversão de NOx[%] NOx Conversion Temp. [C] 50% NOx Conversion Temp. [C] 70% NOx Conversion Temp. [C] 90% 320 tolerância ao Enxofre SCR SCR - Catalisador de PM Emission - ESC - [g/kwh], somente redução seletiva com presença de pre catalisador no sistema. Não valido para sistema sem pré catalisador 0,027 0,024 0,018 0,010 >0,005 DPF CRT Controle de Particulados DPF - Filtros de Partículas para Diesel Continuously Regenerativa Traps - CRT Tolerância ao Enxofre Temperatura de conversão [C] tolerância ao Enxofre Temperatura de balanço T(m PM accumulated = m Pm oxides ) PM Emission - ESC - [g/kwh] 0,030 0,026 0,022 0,012 0,006 Da tabela pode então concluir que somente o sistema SCR apresenta condições de sobrevivência em ambientes com combustível Diesel com teor de Enxofre menor que 500 PPM. Resultados práticos da utilização do sistema SCR. A revista Fernfahrer, edição 07/2005 comparou um veiculo Mercedes Benz Actros 1844 Euro 4 com um concorrente também Euro 4, na mesma faixa de potencia, que utiliza a tecnologia Turbocompound, EGR e sistema de injeção de elevada pressão. Os resultados permitem afirmar que: Item Veículo Mercedes Benz Veiculo Concorrente Peso total do trator* kg kg *Carretas foram alternadas durante as medições. Consumo de Diesel 36,0 L/100 km 37,8 L/100 km Consumo de Uréia 1,2 L/100km 0,0 L/100 km Consumo Total 37,2 L/100 km 37,8 L/100 km 85 km/h 21,8 L/100 km 24,1 L/100 km plena carga 96,6 L/100km 100,2 L/100 km Autonomia para Uréia km (Tanque de 90 Litros) Distancia percorrida 768 km 768 km Velocidade média 80,2 km7h 81,0 km/h 9

10 Conclusões A tecnologia disponível para aperfeiçoamento dos motores Diesel permite sem sombra de duvidas atingir os limites estabelecidos pela Resolução CONAM 315/02 Fase P5, mas para tanto serão necessárias implementações de melhorias técnicas no atual combustível Diesel, principalmente no tocante ao teor de Enxofre, as características de destilação, ao numero de Cetano e ao controle da presença de aromáticos e poli aromáticos. Diferentes caminhos e alternativas técnicas são passiveis de utilização. Caberá ao fabricante de motor a responsabilidade de adequá-las de forma energeticamente saudável, e estruturalmente confiável. A alternativa de utilização de um combustível para certificação do motor e outro para consumo publico precisa ser discutida em profundidade e seus resultados necessitam ser submetidos a apreciação dos órgãos públicos responsáveis pelo balanço da poluição ambiental. Bibliografia ACEA data of the sulphur effect on advanced emission control technologies Report July 2000 Association of European Automobile Manufactures World-Wide Fuel Charter Dec Association of European Automobile Manufactures, Alliance of Automobile Manufacturers, CMA Engine Manufactures Association, JAMA Japan Automobile Manufacturers Association, Automotive Innovation and needs of new Fuels World Refining & Fuels Conference, Latin America and the Caribbean Gilberto Leal and Thomas Huch DaimlerChyrsler do Brasil Ltda. Worldwide Emission Standard Tamara Pfrommer DCAG TPC/MPP Saubere Luft und weniger Verbrauch Innovation Symposium 2002 Prof. Michael Schittler DCAG - Resolução ANP 12 de Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis Resolução CONAMA 315/02 Conselho Nacional do Meio Ambiente 10