Utilização de Gás Natural em Motores e Cenário do Uso no Brasil

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1 Utilização de Gás Natural em Motores e Cenário do Uso no Brasil Guilherme B. Machado PETROBRAS/CENPES/PDAB/DPM Tadeu C. Cordeiro de Melo PETROBRAS/CENPES/PDAB/DPM Luiz Fernando Martins Lastres PETROBRAS/CENPES/PDAB/LPE Universidade Petrobras Maio 2007

2 Sumário da Apresentação Propriedades e características do gás natural GNV em veículos leves GNV em veículos pesados

3 Propriedades e características do gás natural Composição Típica do Gás Natural 88% Metano 9% Etano 1% Propano 2% Frações mais pesadas e gases inertes Poder Calorífico Superior = Kcal/ m 3 Densidade Relativa ao Ar = 0,623

4 Propriedades e características do gás natural Características da Combustão de Gás Natural em Motores Maior Relação Hidrogênio / Carbono Queima mais limpa; Menor formação de depósitos; Menor desgaste do motor. Estado Gasoso nas Condições Normais Carburação mais simples; Distribuição homogênea para os cilindros; Partida a frio mais fácil. Característica Anti-detonante Taxas de compressão mais elevada.

5 Propriedades e características do gás natural Número de Metano Característica calculada com base na composição do gás que determina a tendência a DETONAÇÃO 100 (Metano) 34 (Propano) O propano (C 3 H 8 ) detona sob as mesmas condições de teste que uma mistura de 34% de metano com 66% de hidrogênio detonaria 0 (Hidrogênio) Cálculos: Paper Avl com gráficos de misturas ternárias Software Petrobras Software Avl

6 Propriedades e características do gás natural Número de Metano

7 Propriedades e características do gás natural Número de Metano X Octanagem equivalente Composição amostrada RJ -Cromatografia: 90,40% Metano 7,51% Etano 1,11% Propano 0,03% Butano 0,56% Nitrogênio 0,39% Gás Carbônico Número de Metano = 79,3 (Método da AVL) MON equivalente = 126,1 (Método GRI, MON=0,679XMN+72,3) MON mínimo especificado gasolina = 82

8 Propriedades e características do gás natural Índice Wobbe IW = hvo ρ, onde: ρ 0 IW = Índice Wobbe a 0 ºC, MJ/ m 3 hvo = Poder Calorífico Superior do Gás a 0 ºC, MJ/ m 3 ρ = Densidade do ar a 0 ºC, Kg/ m 3 = Densidade do gás a 0 ºC, Kg/ m 3 ρ 0 Em um venturi, onde a relação ar / combustível é mantida constante, a vazão da energia é proporcional ao Índice Wobbe. Desse modo o IW permite prever o desempenho de um gás em um dado motor.

9 Propriedades e características do gás natural Aspectos de Segurança Limite de inflamabilidade da mistura ar + gás - 6,5 a 17% de gás natural no ar. GLP(Propano 2,1 a 9,5%, Butano 1,9 a 8,5%) Temperatura de auto-ignição = 650 ºC. GLP (Propano C, Butano C) Densidade 0,60 a C. Mais leve que o ar e havendo vazamento, se dispersa. GLP (Propano 1,56, Butano 2,05) Toxidez Não é tóxico em baixas concentrações. Em concentrações altas pode causar vômitos e asfixia Precauções Odorização para que uma concentração de 0,5% seja detectada

10 Sumário da Apresentação Propriedades e características do gás natural GNV em veículos leves GNV em veículos pesados

11 GNV em veículos leves Sumário Introdução Fatores responsáveis pelo crescimento da frota de veículos a GNV Motores do ciclo Otto Tecnologia dos kits de conversão Legislações atuais e futuras Ensaios de emissões em veículos a GNV Novas tecnologias automotivas Conclusão

12 GNV em veículos leves INTRODUÇÃO Disponibilidade de GNV no país e elevada diferença de preços dos combustíveis Desenvolvimento dos kits de conversão para veículos leves a GNV Em 1996 liberado uso do GNV para frota. Rápido crescimento ( veículos em 2002) INMETRO Padronização da instalação e dos itens de segurança do kit IBAMA Preocupação ambiental Limites de emissões RESOLUÇÃO CONAMA nº 291 (04/2002) RESOLUÇÃO CONAMA nº 315 (29/10/2002) OBS: FROTA EM 2006 DE 1 MILHÃO E 200 MIL VEÍCULOS (2ª maior do mundo)

13 GNV em veículos leves Sumário Introdução Fatores responsáveis pelo crescimento da frota de veículos a GNV Motores do ciclo Otto Tecnologia dos kits de conversão Legislações atuais e futuras Ensaios de emissões em veículos a GNV Novas tecnologias automotivas Conclusão

14 GNV em veículos leves Fatores que levaram ao crescimento da frota Aumento do preço do barril de petróleo; Diferencial de preço atrativo; Padronização da instalação e dos componentes dos kits de conversão; Incentivos fiscais nas licenças dos veículos; Oferta de gás natural no Brasil; Aumento da malha dutoviária; Aumento da rede de distribuição de GNV em território nacional; Especificação do GNV (Portaria ANP nº 104/2002).

15 GNV em veículos leves Sumário Introdução Fatores responsáveis pelo crescimento da frota de veículos a GNV Motores do ciclo Otto a gás natural Tecnologia dos kits de conversão Legislações atuais e futuras Ensaios de emissões em veículos a GNV Novas tecnologias automotivas Conclusão

16 GNV em veículos leves Motores Otto à gás natural O funcionamento de um motor de ignição por centelha com combustíveis líquidos ou gasosos se dá de forma análoga Características particulares do uso de gás em motores de ignição por centelha: a) Resfriamento do sistema de admissão e da câmara de combustão: Combustíveis líquidos Transferência de calor do carburador e do coletor de admissão para vaporizar o combustível Combustíveis gasosos não há remoção do calor O Sistema de arrefecimento deve estar limpo e em perfeito funcionamento

17 GNV em veículos leves Motores Otto à gás natural Características particulares do uso de gás em motores de ignição por centelha (cont.): b) O gás admitido ocupa um volume maior se comparado aos combustíveis líquidos. Perda de potência da ordem de 10% c) Mistura ar + gás ioniza menos o ambiente. Sistema de Ignição em boas condições de uso d) Combustão gera pequena formação de carbono Menores taxas de desgaste do que com combustíveis líquidos

18 GNV em veículos leves Motores Otto à gás natural Características particulares do uso de gás em motores de ignição por centelha (cont.): e) O óleo lubrificante não é contaminado por resíduos de fuligem nem sofre diluição Período de troca pode ser aumentado com base em acompanhamento laboratorial f) O gás natural possui um elevado poder anti-detonante possibilitando a obtenção de maiores rendimentos sem detonação Conversão de motores à álcool, flexfuel e emprego de dispositivo de avanço automático

19 Motores Otto à gás natural Características particulares do uso de gás em motores de ignição centelha (cont.): por g) Emissões Ausência de enxofre e tendências de menores emissões de CO (combustível não queimado), CO 2 e NMHC. Tendências de maiores emissões de NOx e CH 4 não queimado OBS: Motores convertidos: a depender do nível tecnológico da conversão Implantação efetiva da Resolução CONAMA 291

20 GNV em veículos leves Sumário Introdução Fatores responsáveis pelo crescimento da frota de veículos a GNV Motores do ciclo Otto a gás natural Tecnologia dos kits de conversão Legislações atuais e futuras Ensaios de emissões em veículos a GNV Novas tecnologias automotivas Conclusão

21 GNV em veículos leves Tecnologia dos kits de conversão E V O L U Ç Ã O Kit de conversão 1ª geração 2ª geração 3ª geração 4ª geração 5ª geração Veículos Carburados (mecânico e eletrônico) Carburados ou com injeção eletrônica Injeção eletrônica multiponto Características Acionamento pneumático para a liberação do fluxo de gás; Regulagem mecânica e manual da vazão do gás, com chave comutadora de três estágios. Alimentação do gás através de um mesclador; Possuem emuladores de bicos injetores e de sonda lambda. Controle eletrônico da vazão da mistura GNV+ar em função da sonda lambda, rotação e carga do motor; Acionamento eletrônico da alimentação por um motor de passo. Injeção de gás por bicos injetores de forma paralela no coletor de admissão; Redutor de pressão de dois estágios; Eliminação da ocorrência do retorno de chama. Injeção de gás por bicos injetores de forma seqüencial no coletor de admissão; Redutor de pressão de dois estágios; Eliminação da ocorrência do retorno de chama; Menor comprometimento de desempenho do motor. Valor (UU$) , , ,000.00

22 GNV em veículos leves Tecnologia dos kits de conversão Componentes de um kit de conversão (1ª e 2ª Gerações) Válvula de Cilindro Cilindro de armazenamento Chave comutadora US$ Tubulação de gás de alta pressão Válvula de abastecimento Manômetro Regulador de pressão Mesclador Eletroválvula de gasolina Emulador de sonda Lambda - Os kits de 1ª e 2ª geração, apesar de não atenderem aos limites de emissões de poluentes, são os mais utilizados nas conversões de veículos automotores para GNV; - Os kits de 3ª geração podem atender PROCONVE fase 3; - Os kits de 4ª e 5ª gerações podem atender PROCONVE fase 4.

23 GNV em veículos leves Sumário Introdução Fatores responsáveis pelo crescimento da frota de veículos a GNV Motores do ciclo Otto a gás natural Tecnologia dos kits de conversão Legislações atuais e futuras Ensaios de emissões em veículos a GNV Novas tecnologias automotivas Conclusão

24 Portaria ANP 104: A resolução ANP 104 regulamenta a especificação para o GNV (2002). No caso do gás da região Norte (URUCU), a ANP publicou em 2005 portaria autorizando uso em projeto experimental na cidade de Manaus por 30 meses (elevado teor de N 2 e baixo teor de CH 4 ) GNV em veículos leves Legislações atuais e futuras Limite Carcterística Unidade Norte Nordeste Sul, Sudeste e Centro-Oeste Poder Calorífico Superior kj/m a a kwh/m 3 9,47 a 10,67 9,72 a 11,67 Índice de Wobbe kj/m a a Metano, min. % vol. 68,0 86,0 Etano, máx. % vol. 12,0 10,0 Propano, máx. % vol. 3,0 Butano e mais pesados, máx. % vol. 1,5 Oxigênio, máx. % vol. 0,8 0,5 Hidrogênio % vol. Anotar Inertes (N 2 + CO2), máx. % vol. 18,0 5,0 4,0 Nitrogênio, máx. % vol. Anotar 2,0 Enxofre total, máx. mg/m 3 70 Gás Sulfídrico (H 2 S), máx. mg/m 3 10,0 15,0 10,0 Ponto de Orvalho de Água a 1 atm, máx. C Hidrocarbonetos Líquidos mg/m 3 Anotar

25 GNV em veículos leves Legislações atuais e futuras Resolução Conama nº 291: - Emissão do Certificado Ambiental para Uso do Gás Natural em Veículos Automotores CAGN, pelo IBAMA com validade anual; - Inclui o Modelo de Kit / Tipo de Motorização / Combustível; Homologação por faixa de motorização: Classe A: até 1000 cc; Classe B: de 1000 a 1500 cc; Classe C: de 1500 a 2000 cc; Classe D: de 2000 a 2500 cc e Classe E: acima de 2500 cc Os níveis de emissões de CO, NO x, HC emitidos por veículos convertidos para GNV devem ser iguais ou inferiores aos medidos com o combustível original. Data Limites de Emissões de poluentes CONAMA nº 291 CO (g/km) HC (g/km) NO x (g/km) HCO (g/km) PROCONVE L-3 01/01/1997 2,0 0,3 0,6 0,03

26 GNV em veículos leves Legislações atuais e futuras Resolução Conama nº 315: Dispõe sobre as novas etapas do Programa de Emissões Veiculares PROCONVE. Limites de Emissões de poluentes Data CO (g/km) THC* (g/km) NMHC (g/km) CONAMA nº NO x (g/km) 315 HCO** (g/km) PROCONVE L-4 01/01/2007 2,0 0,30 0,16 0,25 0,03 PROCONVE L-5 01/01/2009 2,0 0,30 0,05 0,12 0,02 * Somente para veículos a gás natural ** Exceto para veículos a gás natural

27 GNV em veículos leves Sumário Introdução Fatores responsáveis pelo crescimento da frota de veículos a GNV Motores do ciclo Otto a gás natural Tecnologia dos kits de conversão Legislações atuais e futuras Ensaios de emissões em veículos a GNV Novas tecnologias automotivas Conclusão

28 GNV em veículos leves Ensaios de emissões Os resultados apresentados na tabela a seguir foram obtidos a partir de testes, realizados pela PETROBRAS, para avaliação de emissões veiculares em veículos leves convertidos a GNV, segundo a norma ABNT-NBR Foi utilizado um kit de 3ª geração. Veículo THC (g/km) CO (g/km) NOx (g/km) CO2 (g/km) Gasolina 0,11 0,38 0,31 189, GNV RJ 0,25 0,25 0,34 136, Álcool 0,09 0,96 0,07 188, GNV RJ 0,24 1,23 0,02 154,60 Para atender ao PROCONVE L-3, foram feitos diversos ajustes nos componentes do kit, uma vez que os ajustes originais provenientes da convertedora não permitiam o atendimento aos limites.

29 GNV em veículos leves Ensaios de emissões Veículo sendo ensaiado no CENPES Computador utilizado no ajuste do motor de passo Veículo

30 GNV em veículos leves Ensaios de emissões Veículo sendo ensaiado no CENPES Veículo

31 GNV em veículos leves Sumário Introdução Fatores responsáveis pelo crescimento da frota de veículos a GNV Motores do ciclo Otto a gás natural Tecnologia dos kits de conversão Legislações atuais e futuras Ensaios de emissões em veículos a GNV Novas tecnologias automotivas Conclusão

32 GNV em veículos leves Novas tecnologias automotivas Sistema OBD On Board Diagnosis Veículos a GNV da montadora Veículos tri e tetra-fuel

33 GNV em veículos leves Novas tecnologias automotivas Sistema OBD On Board Diagnosis: Sistema eletrônico, composto de um conjunto de sensores e de um software, instalado a bordo do veículo e conectado ao módulo eletrônico de controle, que visa: Identificar deteriorização ou mau funcionamento de componentes do sistema de controle de emissões; Alertar ao usuário do veículo para proceder à manutenção ou reparo do sistema de controle de emissões; Armazenar e prover acesso às ocorrências de defeitos e ou desregulagens no sistema de controle; Implementação da tecnologia nos veículos leves para fins de inspeção veicular prevista para 2007; IMPACTO: pode encarecer o custo da conversão (desenvolvimento de novos componentes), em função das dificuldades na interligação do kit ao módulo dos veículos sem que haja geração de erros.

34 Veículos a GNV da montadora: Não há previsão no Brasil de se fabricar veículos leves exclusivamente a GNV; Tende a apresentar um melhor resultado de emissões; GNV em veículos leves Novas tecnologias automotivas Veículo sai da montadora com motor e chassis preparado para o uso de GNV, sendo a conversão feita em concessionárias autorizadas. O custo ~ R$ 3.100,00 Veículos tri e tetra-fuel: Equipados com tecnologia multicombustível que permite ao motor trabalhar com álcool e/ou gasolina ou GNV, utilizando uma mesma unidade de gerenciamento; Ao optar por GNV, o sistema bloqueia automaticamente a alimentação por combustível líquido; O chaveamento dos combustíveis é controlado por sistema eletrônico que ajusta o funcionamento do motor de forma otimizada quanto a consumo, desempenho e emissões de poluentes; Pode ser equipado com turbocompressor no motor, que pode, de acordo com as montadoras, garantir um ganho de até 50% de rendimento com GNV.

35 GNV em veículos leves Novas tecnologias automotivas SIENNA TETRA-FUEL: E0, E22, E100 E GNV. Lançado em Julho de Roda preferencialmente em GNV. Quando necessita de mais potência injeta gasolina automaticamente.

36 GNV em veículos leves Sumário Introdução Fatores responsáveis pelo crescimento da frota de veículos a GNV Motores do ciclo Otto a gás natural Tecnologia dos kits de conversão Legislações atuais e futuras Ensaios de emissões em veículos a GNV Novas tecnologias automotivas Conclusão

37 GNV em veículos leves Conclusão Entre os desafios desse mercado destacam-se o equacionamento de questões relacionadas à oferta de gás no mercado interno e o pleno atendimento da atual legislação 291, uma vez que os ajustes de homologação dificilmente são levados para as oficinas convertedoras. Também são comercializados kits de 1 e 2ª geração e também kits de 3ª geração sem CAGN; Rio de Janeiro liminar desobriga o atendimento da legislação ambiental 291, levando ao uso de um grande número de kits de 1ª e 2ª geração, dessa forma poluindo mais; Em 2007, com os novos limites de NOx, será necessário o uso de kits de 4 e 5ª geração de custo mais elevado; A entrada de novas tecnologias automotivas, poderá acarretar em uma mudança de configuração dos kits, implicando no desenvolvimento de novos componentes; Calibrações com mão-de-obra mais especializada e equipamentos sofisticados serão necessárias para garantir aos kits desempenho, consumo e emissões adequadas; Caso nenhuma das recomendações anteriores seja atendida por parte dos convertedores e caso os órgãos governamentais exerçam uma fiscalização rigorosa, a frota de veículos a GNV no Brasil pode ser reduzida. O Controle de emissões é fundamental para o crescimento sustentado do mercado de GNV Atenção deve ser data ao equacionamento de custos.

38 Sumário da Apresentação Propriedades e características do gás natural GNV em veículos leves GNV em veículos pesados

39 GNV em veículos pesados Introdução Motor do Ciclo Otto Dedicado (Original de Fábrica) Ottolização Diesel-gás Considerações sobre emissões Conclusões

40 GNV em veículos pesados Introdução Aplicação do GNV Transporte público - ônibus urbanos Brasil ainda é incipiente Existe em diversas cidades do mundo Três rotas tecnológicas existentes: Diesel-gás Ottolização Motor Otto a GNV original de fábrica

41 GNV em veículos pesados Sumário Introdução Motor do Ciclo Otto Dedicado (Original de Fábrica) Ottolização Diesel-gás Considerações sobre emissões Conclusões

42 GNV em veículos pesados Motor do ciclo Otto dedicado Conceitos Experiências com o ônibus a gás do Ciclo Otto Desafios tecnológicos

43 GNV em veículos pesados Motor do ciclo Otto dedicado Conceitos Princípio idêntico ao motor a gasolina Motor a gás do Ciclo Otto Desenvolvimento de motores dedicados: dois enfoques Motores de mistura pobre Combustão prémisturada Taxa de compressão mais baixa em relação ao ciclo Diesel Motores estequiométricos Menor eficiência, o que não significa menor desempenho Maior consumo Vantagens: Motores OEM, melhor compromisso entre desempenho consumo e emissões, baixo nível de ruído. Desvantagens: Preço do veículo, baixa flexibilidade, uma montadora com veículo Euro II (Produção parou em Dez. 2006).

44 GNV em veículos pesados Motor do ciclo Otto dedicado Conceitos Experiências com o ônibus a gás do Ciclo Otto Desafios tecnológicos

45 GNV em veículos pesados Motor do ciclo Otto dedicado Experiências com o ônibus a gás do Ciclo Otto -Brasil Experiências passadas (80 e 90) - Motor sem gerenciamento eletrônico; - Consumo: 1,7 km/m 3 (sem Ar Cond.). Experiências atuais - Motor com gerenciamento eletrônico; - Consumo: 1,8 km/m 3 (Ar Cond.); - Desempenho totalmente compatível. Consumo médio Diesel - Consumo: 2,35 km/l (Ar Cond.). Poder Calorífico GNV x Diesel - 1m 3 GNV equivalente 1litro Diesel. Eficiência energética - Ciclo Diesel > Ciclo Otto (23%). Preço dos combustíveis - Deve compensar diferença de eficiências.

46 Experiências com o ônibus a gás do Ciclo Otto - Mundo Ônibus urbanos a GNV Panorama mundial País Frota Total Frota GNV GNV em veículos pesados Motor do ciclo Otto dedicado Correspondência (%) Estados Unidos ,9 Itália ,5 Austrália ,3 China ,6 França ,2 Grécia Espanha ,4 O Brasil possui uma frota de ônibus, dos quais circulam em cidades com disponibilidade de gás natural Fonte: Petrobras

47 Motores Otto - Daimler Chrysler MERCEDES-BENZ M447hLAG 6 cilindros, 12 litros; 250 e 326 cv 1050 e 1250 Nm (1000 a 1400 rpm); Ciclo Otto com turbocooler, lean burn; Recentemente certificado para limites EEV (mais rigoroso que o Euro V); Catalisador de oxidação; Caminhões, Ônibus, Articulados; Produzido no Brasil e exportado para Europa. GNV em veículos pesados Motor do ciclo Otto dedicado MERCEDES-BENZ M366LAG 6 cilindros, 6 litros; 231 cv a 2600 rpm; 720 Nm a 1560 rpm; Ciclo Otto com turbocooler, lean burn; Atende CONAMA P4_Euro II com valores bem mais baixos que os limites; potencial para superar EEV e EPA 2004; Sem catalisador; Caminhões, Ônibus; Produzido no Brasil para o Mercado brasileiro.

48 Motores Otto - Cummins Westport C GAS PLUS cv; 895 e 1152 Nm (1400 rpm); CNG/LNG; Atende U.S. EPA 2004, Euro III; Caminhões e Ônibus. GNV em veículos pesados Motor do ciclo Otto dedicado L GAS PLUS 320 cv; 1356 Nm; CNG/LNG; Atende U.S. EPA 2005, Euro V; Caminhões, Ônibus e Articulados. B GAS PLUS E B GAS PLUS INTERNATIONAL 195 a 230 cv; 570 a 678 Nm a 1600 rpm; CNG/LNG; Atende U.S. EPA 2004, Euro III; Caminhões, Ônibus, Vans, Pick ups; Possui versão internacional desenhada para montagem local na China, Índia e Europa (150 a 230 cv). Possui versão a LPG (propano líquido) 195 cv. L GAS PLUS

49 GNV em veículos pesados Motor do ciclo Otto dedicado Conceitos Experiências com o ônibus a gás do Ciclo OTTO Desafios tecnológicos

50 Desafios tecnológicos para o Brasil GNV em veículos pesados Motor do ciclo Otto dedicado Limites de emissões Euro III e Euro IV Priorização dos fabricantes Melhoria da assistência técnica Treinamento para técnicos das concessionárias e operadoras Política estruturada para a substituição do Diesel pelo GNV em ônibus urbanos Novos fabricantes no mercado

51 GNV em veículos pesados Sumário Introdução Motor do Ciclo Otto Dedicado (Original de Fábrica) Ottolização Diesel-gás Considerações sobre emissões Conclusões

52 GNV em veículos pesados Ottolização Conceitos Experiências no Brasil e no Mundo Desafios tecnológicos

53 GNV em veículos pesados Ottolização Conceitos Ottolização Redução na taxa de compressão; Instalação de sistema de alimentação e ignição do GNV; Eliminação do sistema de alimentação de Diesel. Transformação do ciclo Diesel em Otto kit de conversão Vantagens: Possibilidade de reconversão, baixo nível de ruído, mercado de veículos usados. Desvantagens: Custo de conversão, baixa flexibilidade, disponibilidade de kits, enquadramento de emissões.

54 GNV em veículos pesados Ottolização Conceitos Experiências no Brasil e no Mundo Desafios tecnológicos

55 Experiências no Brasil Década de 80 - Algumas experiências (elevados preços internacionais do barril do petróleo). Década seguinte : - Programa descontinuado. Entre 2005 e Experiência com ônibus ottolizado na cidade de Porto Alegre, projeto GASBUS, da RedeGasEnergia, iniciativa da Petrobras e da Sulgás (Companhia de Gás do Estado do Rio Grande do Sul) Destaques no desempenho e consumo. Dificuldades de enquadramento de emissões catalisador. Experiências mundiais - Poucas iniciativas pela aplicação de kits de Ottolização. - Argentina: OM 366, OM 366 LA (turbo), OM França: existe o centro de pesquisas de máquinas térmicas (CRMT) que possui experiência e tecnologia disponível nessa rota. - Cummins-Westport oferece re-potencialização. GNV em veículos pesados Ottolização

56 GNV em veículos pesados Ottolização Experiências no Brasil Conversão de motor OM-366LA de Diesel para operação com Gás Natural (Tomasetto Achille) - Substituição do cabeçote; - Sistema de ignição por velas; - Pistões modificados; - Coletor de admissão modificado; - Sistema de armazenamento de gás; - Consumo: 2,3km/m 3 ; - Desempenho compatível.

57 GNV em veículos pesados Ottolização Conceitos Experiências no Brasil e no Mundo Desafios tecnológicos

58 Desafios tecnológicos para o Brasil Disponibilização de kits emissionados Serviço de assistência técnica adequado Atendimento a limites de emissões cada vez mais restritivos Investimentos em desenvolvimento Pesquisa revelou reduzido número de patentes (kits Ottolização) pelo mundo (E.U.A. (3), Espanha (1), Grã-Bretanha (1), Austrália (1), China (1) e Dinamarca (1)), de empresas desconhecidas do mercado.

59 GNV em veículos pesados Sumário Introdução Motor do Ciclo Otto Dedicado (Original de Fábrica) Ottolização Diesel-gás Considerações sobre emissões Conclusões

60 GNV em veículos pesados Diesel-gás Conceitos Experiências no Brasil e no Mundo Desafios tecnológicos

61 Conceitos Tecnologia Diesel-Gás GNV em veículos pesados Diesel-gás Adaptação do motor original a Diesel Não é preciso instalar sistemas de ignição kit de conversão Princípio de Funcionamento Aspiração da mistura ar+gnv Injeção piloto de diesel Exaustão dos gases Compressão da mistura ar+gnv Explosão da mistura ar+gnv Vantagens: Flexibilidade, eficiência do ciclo Diesel, baixo nível de ruído, mercado de veículos usados. Desvantagens: Custo de conversão, disponibilidade de kits, enquad. de emissões.

62 GNV em veículos pesados Diesel-gás MISTURADOR COMUTADOR DE SISTEMA SENSOR DE ROTAÇÃO

63 GNV em veículos pesados Diesel-gás Funcionamento de motores diesel convertidos para o uso de gás natural no sistema dual fuel : Admissão e compressão da mistura ar + gás; Injeção de pequena parcela de óleo diesel do final da compressão injeção piloto; Auto-ignição do óleo diesel dando início à frente de chama (função análoga à vela de ignição); Combustão da mistura ar + gás de forma semelhante à verificada nos motores OTTO A Injeção piloto é responsável por aproximadamente 20% da energia total fornecida ao motor.

64 GNV em veículos pesados Diesel-gás Motores de ignição por compressão (Ciclo DIESEL) alimentados por Gás + Diesel Ciclo Misto Ciclo DIESEL até a Injeção Piloto Ciclo OTTO após a Injeção Piloto

65 GNV em veículos pesados Diesel-gás Características do Sistema dual fuel : a) b) Projeto do Motor Não sofre alterações Possibilidade da utilização de ambos os sistemas de alimentação através de uma chave comutadora; Aumento da autonomia; Utilização em regiões onde não exista rede de distribuição de gás. Mistura ar + gás Mistura homogênea e bem distribuída; Pico e taxa de elevação de pressão reduzidos; Funcionamento mais silencioso Geralmente utilizam-se misturas mais próximas da estequiométrica

66 GNV em veículos pesados Diesel-gás Características do Sistema dual fuel (cont.): c) Injeção Piloto - Cada gotícula de óleo Diesel funciona como uma frente de chama Motor OTTO com várias centelhas; Maior eficiência de queima; Utilização de misturas pobres. Desejável: Quantidade mínima de injeção piloto Elevados níveis de substituição Necessário: Bomba injetora em boas condições de uso para propiciar uma distribuição homogênea para os cilindros; O óleo diesel funciona como refrigerante do bico injetor e deve ser observada a temperatura máxima especificada pelo fabricante; Injeção Piloto no mínimo 5% do Débito em Potência Nominal

67 GNV em veículos pesados Diesel-gás Características do Sistema dual fuel (cont.): d) Variação de carga da mistura ar + gás Especialmente em motores com controle primário Cargas Elevadas Aumento do Rendimento em até 15%. Excesso de ar e facilidade de mistura; Aproveitamento da elevada taxa de compressão. Cargas Baixas Diminuição do Rendimento. Menor velocidade e/ou descontinuidade da frente de chama; Queima incompleta ou atrasada; Elevação dos teores de HC e CO. Utilização de componentes que limitam a entrada de gás para cargas superiores a 30%

68 Características do Sistema dual fuel (cont.): e) Fatores que influenciam da Detonação: Número de Metano; Temperatura e Pressão da mistura admitida; Taxa de compressão. GNV em veículos pesados Diesel-gás Temperaturas e pressões altas ao final da compressão + propagação da frente de chama Detonação da mistura ar + gás não queimada Velocidade baixa maior tendência a detonação devido a tempo maior de pré-reação

69 GNV em veículos pesados Diesel-gás Características do Sistema dual fuel (cont.): f) Técnicas de Admissão de Gás Carburação - Bastante simples e geralmente empregada em motores com pequeno cruzamento de válvulas Motores 4 tempos de aspiração natural Injeção Sincronizada Injeção de gás em quantidades e períodos pré-estabelecidos e em sincronismo com o funcionamento das válvulas com benefícios para emissões e rendimentos Motores 2 tempos, eletrônicos e superalimentados

70 Características do Sistema dual fuel (cont.): GNV em veículos pesados Diesel-gás g) Desgaste do Motor e Estado do Óleo Lubrificante (CENPES-1991) Menor formação de depósitos; Menores taxas de desgaste; Maior durabilidade dos lubrificantes; Maior vida útil do motor. h) Emissões (CENPES-1991) Isento de Enxofre Redução drástica da fuligem Redução significativa de material particulado Hoje: Limites de emissões mais severos e incluindo novos poluentes Dificuldades de enquadramento Cruzamento de válvulas do motor Diesel emissões de HC elevadas

71 GNV em veículos pesados Diesel-gás Conceitos Experiências no Brasil e no Mundo Desafios tecnológicos

72 Experiências no Brasil e no Mundo GNV em veículos pesados Diesel-gás No Brasil - No período de 1983 a 1991, foram realizadas no CENPES avaliações desses sistemas em ensaios em banco de provas e em campo (parceria com uma empresa canadense). Resultados positivos (Rendimento térmico e consumo). - Atualmente a Delphi e a Bosch têm projetos seguindo esta rota tecnológica, porém ainda não foi lançado comercialmente um produto. - Operação de um ônibus com essa tecnologia (Parceria: Companhia distribuidora de gás do Rio de Janeiro CEG, Prefeitura de Duque de Caxias e o Consórcio Civic/Diesel-Gás). Cabe verificação de adequação de emissões do sistema. - Petrobras avaliação de kits importados, com ênfase na adequação de emissões do sistema e participação em novos desenvolvimentos com universidades e empresas do segmento automotivo.

73 Motor Mercedes-Benz OM 366 com Kit Eletrônico AFS CENPES 1991 Resultados em Banco de Provas Desempenhos semelhantes; Redução das emissões de particulados; Rendimentos mais elevados; Substituição de 70 a 89% de óleo diesel GNV em veículos pesados Diesel-gás Acompanhamento em Campo Empresa... Rodoviária A. Matias Linha Acompanhada (Lins Praça 15) Quilometragem Analisada km Índice de Substituição Volumétrica... 72% Equivalência Operacional (m3 gás/ l óleo diesel)... 0,96 Autonomia com Gás (6 cil. 80 litros) km Economia do Sistema com GNC... 17%

74 GNV em veículos pesados Diesel-gás Motor Mercedes-Benz OM 366 com Kit Eletrônico AFS CENPES CURVAS DE DESEMPENHO DO MOTOR OM 366 TORQUE (Nm) REFERÊNCIA AFS DIESEL DIESEL+GAS ROTAÇÃO (rpm)

75 GNV em veículos pesados Diesel-gás Motor Mercedes-Benz OM 366 com Kit Eletrônico AFS CENPES RENDIMENTO TÉRMICO À PLENA CARGA MOTOR OM 366 RENDIMENTO ( % ) REFERÊNCIA AFS DIESEL DIESEL+GAS ROTAÇÃO (rpm)

76 GNV em veículos pesados Diesel-gás Motor Mercedes-Benz OM 366 com Kit Eletrônico AFS CENPES 1991 COEFICIENTES DE ABSORÇÃO DE LUZ ( K ) (K) 2,5 2 TORQUE MÁXIMO POTÊNCIA MÁXIMA 1,5 1 0,5 0 DIESEL PURO DIESEL+GAS PROCONVE 1993

77 Experiências no Brasil e no Mundo Mundialmente - Países que fazem uso dessa tecnologia: EUA, Canadá, Rússia e Argentina (Pequenas escalas / motores específicos). - Aplicação em maiores escalas: Índia, China e Paquistão. GNV em veículos pesados Diesel-gás - Não conformidade em relação aos limites de emissões aplicados no Brasil atualmente. - Desenvolvimentos de motores originais: Cummins-Westport, injetores bicombustíveis.

78 GNV em veículos pesados Diesel-gás Conceitos Experiências no Brasil e no Mundo Desafios tecnológicos

79 Desafios tecnológicos para o Brasil GNV em veículos pesados Diesel-gás Disponibilização de kits emissionados Serviço de assistência técnica adequado Atendimento a limites de emissões cada vez mais restritivos Investimentos em desenvolvimento

80 GNV em veículos pesados Sumário Introdução Motor do Ciclo Otto Dedicado (Original de Fábrica) Ottolização Diesel-gás Considerações sobre emissões Conclusões

81 Controle de emissões, breve histórico - EUA foram o primeiro país a estudar e a implementar uma política de controle de emissões veiculares (Década de 60). - Os países menos desenvolvidos costumam adotar os limites americanos ou europeus (cronograma defasado). -No Brasil, o controle de emissões por veículos automotores existe desde 1986 (criação do PROCONVE, vinculado ao IBAMA). Controle de emissões, operacionalização GNV em veículos pesados Considerações sobre emissões -Legislação de emissões apresenta limites e procedimentos de testes diferenciados para veículos leves e veículos pesados. - Obtenção de autorização de comercialização no país: contempla ensaios de verificação de emissões e homologação em dinamômetros de chassis (veículos leves) ou homologação em dinamômetros de motor (veículos pesados).

82 Controle de emissões, operacionalização GNV em veículos pesados Considerações sobre emissões - Poluentes legislados no Brasil: CO (monóxido de carbono), THC (hidrocarbonetos totais), NO x (óxidos de nitrogênio) e, no caso de veículos pesados, também o MP (material particulado). - Aplicação GNV em veículos pesados: a partir 2007, limites para CH 4 e NMHC. - CO 2 ainda não é legislado (contribui para o Efeito Estufa).

83 Controle de emissões, conversões - Resolução CONAMA nº 291, nos veículos leves convertidos para GNV, limites de emissões igual ou menores que o veículo original. - Legislação não estabelece limites para conversões de motores pesados do ciclo Diesel para operar como Diesel-gás, nem contempla a Ottolização. Risco de desenvolvimento do mercado sem contemplar emissões. Vantagens do GNV GNV em veículos pesados Considerações sobre emissões - Na substituição do Diesel: significativa redução de MP (eliminando a fumaça negra característica dos motores a Diesel) e de NMHC. - Tendência de redução na emissão de CO2 (Efeito estufa). - Redução dos demais poluentes legislados dependerá dos patamares tecnológicos dos motores e kits de conversão. - Potencial para atender limites futuros com menores custos. Desenvolvimentos adequados Sem DPF

84 GNV em veículos pesados Considerações sobre emissões Limites de emissões Europa e Brasil g/ kwh Euro I Euro II Euro Euro IV Euro III V CO 4,5 4-2,1 1,5 1,5 EUROPA HC 1,1 1,1-0,66 0,46 0,46 PROCONVE NOx ,5 2 Part. 0,36 0,25 0,15 0,1 0,02 0, Fase II Fase III Fase IV P-5 (ESC) P-6 (ESC) 2009 P-6 (ETC) CO 11,2 4,9 4 2,1 1,5 4 BRASIL HC Totais 2,45 1,23 1,1 0,66 0,46 1,1 HC NMHC ,55 NOx 14, ,5 3,5 Part ,4/ 0,7 0,15 0,1 / 0,13 0,02 0,03 Opac (ELR) ,8 (ELR) 0,5 (ELR) -87% -81% -76% -95%

85 GNV em veículos pesados Considerações sobre emissões Novas tecnologias para Euro III, IV e V (Diesel), Maiores custos

86 GNV em veículos pesados Sumário Introdução Motor do Ciclo OTTO Dedicado (Original de Fábrica) Ottolização Diesel-gás Considerações sobre emissões Oportunidades Conclusões

87 GNV em veículos pesados Oportunidades Pontos importantes - Estrategicamente para o Brasil é mais interessante a aplicação controlada do GNV em veículos pesados em substituição parcial ao Diesel. - Políticas direcionadas para ônibus urbanos, condicionadas ao equacionamento de questões relacionadas à oferta de gás no mercado interno. Responsabilidades do Ministério das Cidades, de Minas e Energia, Governos Estaduais e Municipais. - Disponibilização de tecnologias: Ottolização e Diesel-gás. - Desenvolvimento de normas de testes e limites de emissões para conversões. - Entrada de novos fabricantes no mercado disponibilizando motores dedicados a GNV Euro III, Euro IV e Euro V. - Mudanças de cultura, Treinamentos. - Assistência Técnica.

88 GNV em veículos pesados Sumário Introdução Motor do Ciclo OTTO Dedicado (Original de Fábrica) Ottolização Diesel-gás Considerações sobre emissões Conclusões

89 GNV em veículos pesados Conclusão Brasil Pioneiro no uso em larga escala de combustíveis veiculares alternativos Destaca-se mundialmente pelo uso do GNV em veículos leves. 2ª frota mundial GNV em veículos pesados A partir do equilíbrio da oferta de gás no mercado interno Três rotas tecnológicas Desafios tecnológicos Melhoria das condições ambientais nos centros urbanos Passo importante Limites de emissões Disponibilização de tecnologias Programas nacionais / incentivos