CONTRIBUIÇÃO DO CATALISADOR DE REDUÇÃO SELETIVA (SCR) NA REDUÇÃO DOS NÍVEIS DE NOx

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1 CONTRIBUIÇÃO DO CATALISADOR DE REDUÇÃO SELETIVA (SCR) NA REDUÇÃO DOS NÍVEIS DE NOx Adriano Adilson Antunes, Alexsandro Gargalis Nogueira, Gustavo Castagna Robert Bosch Ltda. Diesel Systems Resumo O crescimento econômico e populacional tem gerado um aumento de renda e uma maior demanda por bens e serviços, impactos positivos e negativos em todas as áreas da sociedade tem sido causados por esse crescimento. Uma das áreas que tem contribuído para minimizar os impactos negativos é a tecnologia aplicada aos veículos comerciais, através do aumento da eficiência dos motores de combustão interna que os movem. Ao longo dos anos os governos, através de órgãos de controle ambiental, têm submetido os fabricantes de veículos e motores a trabalharem na redução dos gases nocivos emitidos por esses meios de transporte. Medidas como redução do tamanho dos motores, reutilização de energias desperdiçadas no processo de combustão e tratamento dos gases expelidos são alguns exemplos de ações tomadas para reduzir o impacto negativo desses equipamentos. Para poder atingir tais exigências impostas por estes órgãos, subsistemas precisam ser agregados aos veículos, esses sistemas têm contribuído para que os níveis de emissões de gases nocivos, tanto ao meio ambiente quanto à população sejam reduzidos. Este trabalho se propõe a demonstrar a parcela de contribuição na redução dos níveis de óxido de nitrogênio (Nox) emitidos pelos motores à combustão do ciclo diesel, através da aplicação da tecnologia do sistema de pós-tratamento SCR (Catalisador de Redução Seletiva), viabilizando o cumprimento da norma brasileira de emissões Proconve P7, para veículos pesados. Esta demonstração tem por base a comparação do volume de veículos equipados com sistema de pós-tratamento SCR em circulação desde a entrada em vigor da legislação, frente ao hipotético cenário destes mesmos veículos que atingiam a norma de emissões anterior, Proconve P5 estarem em circulação. O trabalho evidencia a redução do volume de NOx emitidos na atmosfera e a redução no consumo de combustível para uma aplicação específica. O trabalho ainda descreve o caminho tecnológico traçado através da evolução do SCR.

2 Aplicabilidade Motores de ciclo diesel preparados para atingir a norma de emissões Proconve P7 necessitam ser trabalhados mais do que apenas no processo da combustão. Como solução, sistemas de pós-tratamento de gases de escape que reduzem a poluição causada pelos veículos automotores a diesel foram desenvolvidos e ajudaram além de limitar os gases nocivos ao meio ambiente, também a otimizar o consumo de combustível. Objetivo 1. Comparação hipotética de produção de veículos com normas de emissão Proconve P5 e P7 A partir de 1 de Janeiro de 2012 entrou em vigor no Brasil a norma de emissões Proconve P7, para veículos pesados, que reduziu os limites máximos de emissão de poluentes em comparação a norma Proconve P5, implementada em 1 de Janeiro de 2006.

3 LIMITES POLUENTES Fase P-5) Fase P-6 Fase P-7 Desde Desde A partir de 1º/1/2004 1º/1/2009 1º/1/2012 monóxido de carbono (CO em g/kw.h) 2,1 1,5 1,5 hidrocarbonetos (HC em g/kw.h) 0,66 0,46 0,46 óxidos de nitrogênio (NOx em g/kw.h) 5 3,5 2 material particulado (MP em g/kw.h) 0,10 ou 0,13 0,02 0,02 opacidade ELR (m-1) 0,8 0,5 0,5 Tabela 1 Limites máximos de emissão de poluentes para veículos pesados ciclo Diesel, equipados com pós-tratamento (Ciclo de testes ESC/ELR)[1]. De acordo com a tabela 1, os limites máximos de emissão de NOx (Oxido de nitrogênio) para o Proconve P5 eram de 5 g/kw.h, e de 2 g/kw.h no Proconve P7. Para poder atingir este novo patamar os fabricantes de veículos e motores tiveram que implementar sistemas de tratamento de gases de escape. Uma solução de sistema de pós-tratamento para tratar esses gases é o SCR (Selective Catalistic Reduction Catalisador de Redução Seletiva). Esse sistema, SCR, está implementado em grande parte da frota de veículos comerciais vendidos no Brasil, desde que o programa Proconve P7 foi instituído, com o propósito de estes veículos cumprirem essa norma. Desde 1 de Janeiro de 2012 de acordo com relatórios da Anfavea o volume de veículos vendidos no atacado para o mercado interno totalizaram mais de 355 mil veículos, entre caminhões e ônibus. Traçando um cenário hipotético onde, desde a instituição do programa Proconve P7, todos os veículos vendidos no atacado no mercado interno, não estivessem preparados para o cumprimento desta norma, atingindo assim a norma anterior, Proconve P5, teríamos um volume de emissão do gás NOx em uma ordem bem maior se comparado com o cenário atual. Considerando que a frota de veículos comerciais vendida no mercado brasileiro utiliza quase que em sua totalidade o sistema SCR, com exceção de uma montadora, onde uma outra solução de pós-tratamento foi implementada e, essa solução representa

4 aproximadamente 85% das vendas desta marca, o cenário hipotético estaria demonstrado de acordo com a tabela 2. Veículos Proconve P5 (Hipotético) Veículos Proconve P (mil unid) (mil unid) Total (mil unid) Emissão Nox (g/kw.h) 5 2 Emissão Nox Total (g/kw.h) Emissão Nox Total (kg/kw.h) Tabela 2 Cenário de emissão de NOx baseado em vendas hipotéticas de veículos norma de emissão Proconve P5 versus veículos norma de emissão Proconve P7[2]. É importante salientar que neste cenário teórico os veículos emitiriam exatamente a quantidade de NOx limitado pela norma em um ciclo de teste ESC/ELR. Os valores apresentados na tabela 2 demonstram uma redução de aproximadamente 798 kg/kw.h, com a introdução do sistema de SCR frente ao que os veículos estariam emitindo neste cenário hipotético caso ainda estivessem enquadrados na norma Proconve P5 ou seja, uma redução de 60% do volume de emissão deste gás nocivo à saúde e ao meio ambiente. 2. Comparativo de consumo de combustível médio de um motor idêntico Proconve P5 e Proconve P7 em ciclo de emissões ESC A introdução do SCR concede ao motor um grau de liberdade maior, permitindo que o motor trabalhe em uma condição mais eficiente. Quando o motor trabalha nesta condição melhor de eficiência, o consumo de combustível é otimizado e há uma redução nos níveis de CO2 e de material particulado (MP), porém o gás NOx aumenta proporcionalmente a redução do MP. Nesta condição o SCR traz um beneficio de permitir que uma relação ótima entre o melhor consumo de combustível e a emissão de NOx seja alcançada. Um dos objetivos propostos por este trabalho é comparar em uma condição real, um motor de ciclo Diesel com características idênticas no mesmo ciclo padrão de emissões, neste caso o ESC, que analisa o motor em 13 pontos distintos, de acordo com a figura 1.

5 Figura 1 Ciclo padrão de emissões ESC[3] O motor em questão possui a mesma potência, mesma capacidade volumétrica, mesmo torque e mesma configuração em termos de sistema de injeção e turbocompressor, porém com nível de emissões diferente. Um motor, denominado nesta comparação como motor A, que atende a norma de emissões Proconve P5 e um motor denominado como B, que atende a norma de emissões Proconve P7, serão comparados baseados nos resultados de melhora na eficiência, considerando emissão de gás CO, gás NOx, material particulado (MP), hidrocarbonetos (HC) e consumo de combustível (BSFC Brake Specific Fuel Consumption ).

6 Monóxido de carbono (CO em g/kw.h) Hidrocarbonetos (HC em g/kw.h) Óxidos de nitrogênio (NOx em g/kw.h) Material particulado (MP em g/kw.h) BSFC (g/kw.h) Motor A Proconve P5 Motor B Proconve P7 0,40 0,19 0,14 0,08 4,83 1,62 0,075 0, ,4 216,9 Tabela 3 Comparação em ciclo de emissões ESC de motor com características idênticas Proconve P5 e Proconve P7. Observando a tabela é possível concluir que o sistema de tratamento de gases de escape SCR é um forte aliado das outras tecnologias aplicadas ao motor objetivando melhorar sua eficiência. O SCR também permite que o motor economize recursos naturais, ao reduzir o consumo de combustível, neste caso em particular em aproximadamente 10%, considerando a média de acordo com o ciclo testado. Os gases CO e NOx também foram reduzidos na ordem de 52% e 66% respectivamente. Os hidrocarbonetos foram reduzidos em aproximadamente 43% e o material particulado em 76%. Como demonstrado na tabela 4, focando no gás NOx expelido pelo motor antes e depois da aplicação do SCR, é possível também estabelecer uma eficiência média do sistema SCR, que para este caso ficou em aproximadamente 83%, reduzindo a emissão do gás NOx de 9,67 g/kw.h para 1,62 g/kw.h na média do ciclo de teste ESC. Esta melhora na eficiência de catalise obtém avanços a cada nova geração, através da agregação de novas tecnologias.

7 Monóxido de carbono (CO em g/kw.h) Hidrocarbonetos (HC em g/kw.h) Óxidos de nitrogênio (NOx em g/kw.h) Material particulado (MP em g/kw.h) BSFC (g/kw.h) Motor Proconve P7 sem SCR Motor Proconve P7 com SCR 0,19 0,19 0,15 0,08 9,67 1,62 0,018 0, ,9 216,9 Tabela 4 Eficiência do sistema SCR demonstrado em ciclo ESC. 3. Evolução dos sistemas Denoxtronic Historicamente, sistemas baseados na redução de NOx através de tecnologias SCR vem sendo desenvolvidas desde 1989, inicialmente em motores marítimos. Os primeiros sistemas SCR foram instalados em navios cargueiros coreanos [4]. Sistemas SCR foram também aplicados em trens Aurora of Helsingborg em 1992 que ligava a Suécia e a Dinamarca [5]. Desde o inicio dos anos 90 vários desenvolvimentos tem sido conduzidos para adaptar a tecnologia SCR em veículos de motores à combustão de ciclo diesel. Com SOP (Start Of Production inicio de produção) em 2005, o Denoxtronic 1.1 foi aplicado nos sistemas de pós-tratamento SCR dos veículos comerciais para cumprir a legislação de emissões europeia EUIV, similar a aplicada no Brasil em 2012, Proconve P6 (Figura 2).

8 Figura 2 Limites de emissões referentes à NOx e material particulado (MP). O Denoxtronic, sistema de dosagem de ARLA 32 é um dos principais componentes do sistema de SCR que reduz os óxidos de nitrogênio, gerados no escapamento pelos motores à combustão de ciclo diesel, em mais de 90% e mede os parâmetros importantes do motor e do sistema de gases de escape em cada ponto de operação. Com esta tecnologia, motores à combustao de ciclo diesel podem cumprir a legislação de emissões a partir da norma europeia EUIV. [figura 3]

9 Figura 3 Resultado de saída de gases após conversão catalítica. O aumento da pressão do sistema, o aumento da quantidade dosada, a qualidade do spray, a diminuição do tamanho do envelope, o peso dos componentes e o custo são os principais fatores que determinaram a evolução dos sistemas de pós-tratamento Denoxtronic até os dias de hoje. O Denoxtronic 1.1 configurado por um módulo de alimentação, invólucro em uma caixa metálica, integrado a um DCU (Dosing Control Unit), um atomizador e uma unidade de dosagem auxiliada com pressão de ar (figura 4) e completado por outros componentes como reservatório de ARLA 32 auxiliam na redução de NOx.

10 Figura X.X Figura 4 - Layout do sistema Denoxtronic 1.1 [6] O Denoxtronic 2.1 formado por um módulo de alimentação integrado a um DCU (Dosing Control Unit) e um módulo de dosagem resfriado com ARLA 32 e injeção sem auxilio de ar, teve SOP em 2006, possui layout como demonstrado na figura 5.

11 Figura 5 - Layout do sistema Denoxtronic 2.1 [7] O Denoxtronic 2.2 formado por um módulo de alimentação, agora invólucro em uma caixa plástica, um módulo de dosagem resfriado com fluido refrigerante e um DCU, teve SOP em 2009, possui layout como demonstrado na figura 6.

12 Figura 6 - Layout do sistema Denoxtronic 2.2 [7] O Denoxtronic 6-5 formado por um módulo de alimentação, um módulo de dosagem e um DCU, focado no custo beneficio, teve inicio em 2014, principalmente aplicado em mercados emergentes tem layout como demonstrado na figura 7. Para as versões Denoxtronic 2.2 e 6-5, a DCU pode ser integrada a ECU (unidade de controle eletrônico) do motor, dependendo da geração desta, podendo assim reduzir ainda mais o número de componentes do sistema.

13 Figura 7 - Layout do sistema Denoxtronic 6-5 [7] Além das versões Denoxtronic, para veículos comerciais, existem ainda as versões Denoxtronic 3 e Denoxtronic 5 para veículos leves movidos a diesel. Porém no Brasil desde 1976 é proibida a comercialização de veículos leves movidos por esse combustível, tendo como fator motivador a crise do petróleo. A Aprove Diesel (Aliança Pró-Veículos Diesel) que é uma união de empresas líderes no segmento de peças automotivas vem tentando mudar este quadro, pois existem muitos exemplos de casos bem sucedidos em outros países como o Volkswagen Jetta e o Chevrolet Cruze que, além de poluírem menos que carros a gasolina ainda possuem até 50% a mais de torque [8]

14 Conclusão Este trabalho focou na demonstração dos ganhos relacionados à redução de NOx e na melhora da eficiência dos motores de ciclo diesel sendo auxiliados pelos sistemas de SCR, o que comprova que tecnologias cutting edge como esta, auxiliam na melhoria do meio ambiente e que os órgãos responsáveis pela geração da legislação que rege as normas de emissões estão conseguindo extrair grandes resultados das empresas fabricantes destes sistemas bem como das empresas produtoras de motores e veículos.

15 REFERÊNCIAS [1] IBAMA 11/04/ [2] Autodata 14/04/ [3]Dieselnet, 17/04/ [4] Gibson, J., O. Groene, Selective Catalytic Reduction on Marine Diesel Engines, Automotive Engineering, October 1991, [5] Hug, H.T., et al., Off-Highway Exhaust Gas After-Treatment: Combining Urea- SCR, Oxidation Catalysis and Traps, SAE Technical Paper , doi: / [7] Robert Bosch GmbH, BOSCH DS/EVL, Diesel- Engine Management [8] Carplace, 17/04/2014