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quarta-feira, 12 de setembro de 2012

NOVOS MOTORES DIESEL


Os motores Diesel no ano de 2012 sofreram algumas mudanças para atender as novas leis de emissões Euro 5 ou PROCONVE p7.

Em 01/jan/2012 o Brasil implantou uma nova lei de emissões mais restritas para motores de combustões interna, que afetaram diretamente os motores de ciclo Diesel. Essa nova atualização foi um pouco agressiva no Brasil por alguns fatores que podem ser observados com mais detalhes no blog: auto entusiastas - http://autoentusiastas.blogspot.com.br/2009/11/nova-lei-de-emissoes-diesel-2012-o_04.html de Carlos Zilvete.

Mas resumidamente trata-se do seguinte.

Em 2009, um acordo fechado entre governo federal, montadoras e órgãos reguladores decidiram que o Brasil não sofreria as atualizações de emissões passando de Euro 3 para Euro 4 no ano de 2009, por razões econômicas e técnicas, mas estas razões técnicas não eram das tecnologias dos motores, mas sim da Petrobras, que não teria disponível o óleo Diesel S50 (50 ppm de enxofre) necessário para que os motores atingissem os limites de emissões. Portanto foi firmado a prorrogação destas atualizações para o ano de 2012, mas com um detalhe a mais, as leis passariam de Euro 3 para Euro 5, pulando a fase Euro 4, fazendo com que os fabricantes implantasse mais algumas mudanças nos motores.

Com tudo, em 2011 o mercado de caminhões previu uma redução nas vendas no período de transição que era o primeiro semestre de 2012, e assim aumentaram a produção de veículos euro 3 a patamares nunca antes vistos para poder vender estes caminhões, que são mais baratos, e acabar com os estoques até o fim do 3º mês de 2012.

Mas quais foram estas mudanças ?

Até a fase Euro 3, mudanças na calibração dos motores eram suficientes para que estivessem dentro dos limites, mas com a chegada da Euro 5 foi necessário acoplar um sistema de pós tratamento dos gases de escape para que as emissões estejam dentro dos limites.

Existem 3 sistemas inovadores existentes nos mercados internacionais:
  1. EGR ( Exhaust Gas Recirculation)
  2. LNT (lean NOx trap)
  3. SCR (Selective Catalytic Reduction)
Os fabricantes devem escolher entre estes 3 para implantar em seus veículos e motores conforme suas análises e preferências.

Mas fora esses sistemas de pós-tratamentos o motor em si sofreu algumas mudanças também.

Inovações no hardware do motor

Estes 3 sistemas de pós tratamento tem como foco a redução das emissões de NOx. Mas o motor não produz somente NOx, mas HC, CO, PM, Aldeídos, Compostos de enxofre, entre outros, e todos são monitorados pelos órgãos reguladores. E em todos motores de combustão interna, quando se regula para reduzir HC, CO e PM aumenta-se a produção de NOx, e quando se regula para o NOx aumenta-se HC, CO e PM, como pode ser observado no gráfico abaixo.



Então os fabricantes atualizaram as calibrações e aumentaram a pressão de injeção do combustível, necessitando assim mudanças na bomba de alta pressão e nos injetores, que passaram a ter de 6 a 7 furos no bico injetor. Foi necessário também instalar o turbocompressor VGT (Variable Geometry Turbocharger) que melhora o fluxo de ar na admissão em baixa rotação e limita o giro do rotor da turbina quando em alta rotação, provendo turbulência, atomização e uma combustão mais completa, diminuindo a formação de HC e PM. Quanto ao CO, os motores Diesel não emitem em quantidades significativas, pois a mistura em todos os regimes do motor é pobre.

                                                       Bico injetor de motores Diesel

Detalhes dos sistemas de pós tratamento

  1. LNT (Lean NOx Trap)
Esta é uma tecnologia que não esta aperfeiçoada ainda, mas teoricamente tem baixo custo de manutenção e é viável. Mas a tendência de uso será em motores de baixa litragem onde a redução do NOx não é muito requerida. No Japão esta tecnologia tem a tendência de ser usada, mais do que no US e Europa.

Vantagens e desvantagens
  • Não requer tanque extra de uréia
  • Baixa durabilidade
  • Consumo de combustível um pouco elevado
  • Não aceita Flex Fuel
  • alta taxa de diluição do óleo lubrificante

     2. EGR (Exhaust Gas Recirculation)

Este é um sistema amplamente usado no US, na Europa não é o preferido mas também é bastante empregado. É uma tecnologia confiável e robusta, mas no Brasil torna-se mais sensível do que o sistema SCR, isso por conta da qualidade do óleo Diesel encontrado no país.

O sistema funciona com parte do gás de escape sendo injetado novamente no coletor de admissão. Para a nova lei de emissão Euro 5 esses gases necessitam passar por um cooler resfriando-os antes de ser injetado no motor novamente. Veja o esquema abaixo.

                                                             Clique para ampliar


Com a injeção de gases queimados na câmara de combustão, diminui-se assim a temperatura da combustão, pois esses gases que não queimarão novamente toma espaço do ar fresco que entraria na câmara, assim diminui o rendimento da chama e a produção de NOx, deixando este poluente dentro dos parâmetros da lei, mas com um penalti no consumo de combustível. A injeção do gás queimado é controlado pela válvula EGR, que dependendo do regime do motor ela abre ou fecha, sendo comandada pelo modulo eletrônico do motor.

O sistema EGR torna-se mais sensível que o SCR no Brasil por conta do óleo Diesel encontrado em todo território nacional, é sabido que a qualidade de todos combustíveis não é tão confiável quanto a espectativa do consumidor, ainda mais por esta mudança de combustível que é requerida para essa nova lei, saindo do S 500 para o S 50. Esta desconfiança é ainda maior no interior do Brasil, onde se encontra, e muito, o combustível S 1800 (1800 ppm de enxofre).

Quando o motorista não encontrar o S 50 ele é obrigado a encher o tanque com o óleo de baixa quantidade, e como na queima do combustível formam-se compostos de enxofre (SO2 e H2S) e esse gases são reinjetados no motor, a corrosão torna-se mais acentuada, e como estes compostos ligam-se com o carbono e hidrogênio do combustível, a formação de HC aumenta, e com o constante uso do combustível de alta concentração de enxofre a formação de carbonetos (borras) também acentua-se, prejudicando o motor no médio e longo prazo.

Como a formação de HC aumenta com os óleos S 500 e S 1800, o sistema OBD (On-Board Diagnostic) é acionado. Este sistema além de controlar todos os sensores e atuadores do motor, acusando alguma falha, controla os níveis de emissões também.

Então, da mesma maneira que o motorista procura uma assistência técnica quando o sistema OBD acusa alguma falha no motor, ao aparecer algum problema de níveis de emissões, o motorista sera forçado a procurar assistência. O OBD aplicará algumas restrições ao motor:
  • O torque do motor cai 20%
  • A velocidade máxima do veículo é limitada
  • A rotação do motor é limitada
Todos esse "Derate" são aplicados após um ou dois dias de funcionamento inadequado. Deixando o veículo apenas apto a chegar à assistência técnica mais próxima.

Vantagens e desvantagens
  • Não requer tanque extra de uréia
  • Sistema compacto e barato
  • Custo de operação equivalente ao sistema SCR (Apesar de não precisar comprar a uréia, o consumo de combustível é superior ao SCR, deixando os custos operacionais parecidos)
  • Sistema mais sensível que o SCR
  • Motor sofre redução no torque e potência


     3. SCR (Selective Catalytic Reduction)

O SCR é o sistema mais usado na Europa, e esta sendo o preferido agora no Brasil, pela razão de que o EGR tem maior sensibilidade ao óleo Diesel de alta concentração de enxofre. Para se ter uma idéia, quase todas as montadoras de caminhões pesados adotaram este sistema, com exceção da Volkswagen & MAN, que foram de EGR. 
O SCR realmente só se torna desvantajoso em veículo leves a Diesel, por conta dos catalisadores que ocupam espaço no chassis do veículo, espaço este que não é disponível em veículos leves.

O funcionamento do motor com o SCR é o mesmo dos motores Euro 3, Euro 2, etc. Com a diferença que, os gases serão tratados todos nos catalisadores, principalmente o NOx. Veja na figura abaixo. 

                                                                  Clique para ampliar


Mas além das modificações no motor mencionadas no começo desta postagem, como maior pressão de injeção, atualização de calibração e VGT, os fabricantes que optaram pelo SCR aplicaram mais algumas melhorias no motor, como, aumentar a temperatura de combustão, com aumento na taxa de compressão ou aumento no curso do pistão, além da otimização da câmara de combustão para melhorar o nível do Swirl.
Com isso o motor ganha potência e torque sem mexer no consumo, reduzindo ainda mais a formação de HC e PM, tendo como consequência aumento do NOx, mas lembrando que ele será tratado posteriormente no catalisador SCR.

Na figura temos um detalhamento do que acontece com os gases de escape a partir da saída do turbo VGT.

                                                                     Clique para ampliar
Legenda:
DOC - Diesel Oxidation Catalyst
DPF -  Diesel Particulate Filter
ASC - Ammonia Slip Catalyst

Como se pode ver o particulado (C ou PM) e os hidrocarbonetos (HC) são tratados nos primeiros catalisadores (DOC e DPF) com a ajuda do oxigênio (O2) presente em abundância no escape dos motores Diesel (mistura pobre). Eles são transformado em água (H2O) e gás carbônico (CO2) e seguem pela tubulação.

O ARLA 32 (32% de uréia e 67,5% de água) é injetado após o catalisador DFP, no tubo de decomposição, lá a temperatura precisa estar por volta de 300º C para que a molécula de uréia se quebre em amônia e ácido isocianidrico, esses dois gases serão usados no catalisador SCR para reduzir o NO e NO2 vindos do motor. A amônia se liga ao NO e NO2 formando água e gás nitrogênio (N2), e o ácido isocianidrico ajuda a formar mais amônia dentro do catalisador com auxilio da água. Tudo isso deve acontecer se a temperatura se manter por volta de 250º a 300º C.

A injeção do ARLA 32 é em função da temperatura e massa do gás de escape, portanto é necessário 6 pontos de medições de temperatura e pressão do gás de escape, onde o modulo do dosador em conjunto com o ECM (Engine control module) decidirão abrir ou fechar o injetor do ARLA 32.

O último catalisador (ASC) tem a função de reduzir a amônia que escapa do SCR, ligando-se ao oxigênio para formar água e gás nitrogênio. 

Alguns Diagnósticos:
  • A temperatura no catalisador SCR deve ficar entre 100º e 400ºC
  • Em média o fluxo de gás de escape deve se manter acima de 100 g/seg
  • Se a temperatura atingir 700ºC no SCR e permanecer por alguns segundos o motor entra em Derate.
Derates:
  • Torque cai 20%.
  • Velocidade é limitada.
  • Rotação do motor é limitada.
E como acontece com os motores com EGR, estes Derates são controlados pelo OBD, que mantem além dos sensores de temperatura e pressão, sensores de NOx no inicio e fim de toda esta operação.

Comentários finais

A tecnologia para atender a lei Euro 5 já esta madura e é suficiente para manter os motores dentro dos limites de emissões. Mas existe a possibilidade de que em 2014 ou 2016 a Euro 6 chegue no Brasil, e esta hoje é o grande desafio dos fabricantes, como será os motores para esta nova lei, ouve-se falar que um fumante dentro de uma sala fechada poluirá mais o ar que 2 caminhões nesta mesma sala. será que chegaremos a este nível ?








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