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quinta-feira, 18 de outubro de 2012

MOTOR DIESEL MOVIDO A ETANOL



Você já imaginou um caminhão pesado parado no posto ao lado de uma bomba de etanol, enchendo o tanque?

Pois é, isto já existe, a Scania apresentou na FENATRAN 2011 o primeiro caminhão movido a etanol. O objetivo desta iniciativa é a preocupação de atender as novas leis de emissões e aprimorar o estudo de combustíveis alternativos para motores a Diesel, assim como existe estudos avançados com Gás Natural, a Scania vem pelo lado mais ambiental, com etanol.
Por mais que isso pareça estranho, o motor funciona, e apenas com algumas modificações são necessárias, mas vamos comentar mais para frente.

Este estudo com motores movidos a etanol não é uma coisa nova para a Scania. Na Suécia, mais precisamente em Estocolmo, na década de 80 em parceria com a prefeitura da cidade iniciou-se um projeto chamado BEST (Bioethanol sustentable transport) que visa implantar ônibus urbano movido a etanol para reduzir a poluição na cidade. Com resultados satisfatórios o projeto vem-se ampliando e já atinge quase toda a Europa, Ásia e agora o Brasil, chegando a 600 ônibus sendo avaliados e comparados desde o desempenho até a durabilidade com ônibus que utilizam o Diesel como combustível. No Brasil o projeto BEST foi implementado pela prefeitura de São Paulo, que hoje esta monitorando um ônibus que faz a linha Jabaquara – São Mateus pelo sistema EMTU/SP.

Modificações no motor.

Primeiramente deve-se esclarecer que o etanol usado nos motores Diesel não é o mesmo usado nos automóveis convencionais, o etanol que esta nas bombas de todos os postos do Brasil é o E100, que significa 100% de etanol hidratado. Para o projeto BEST é utilizado o E95 (Etmax D), que reflete 95% de etanol hidratado e 5% de aditivos para prover lubricidade e aumento do número de cetano no etanol. Este combustível é fornecido somente pela empresa SEKAB que é sueca. 
O etanol E100 não tem a característica de lubrificante, por conta disto são adicionados ésteres de cadeias longas para aumentar a lubrificação, e em relação ao número de cetano, que no E100 gira em torno de 5 à 15, são adicionados compostos nitrogenados, mas que não são suficientes para alcançar níveis de cetano encontrado no Diesel (45 à 55), por isso foi necessário fazer modificações no motor.

Características gerais do motor diesel movido a etanol aditivado.

Motor Scania DC9 E02   
Combustível Etanol
Volume 8,9 litros
Sequência de ignição  1-2-4-5-3
Cilindros 5 em linha
Cabeçotes de cilindro 5
Válvulas por cilindro 4
Diâmetro x curso  127x140 mm
Taxa de compressão 28:1
Controle de injeção de combustível Scania PDE
Controle de emissões Proconve P7 Scania SCR/ EGR para ônibus
Potência máx. (270 hp) 228 kW a rpm 1900
Torque máx. 1.200 Nm a rpm 1100-1400
Frenagem máx. do motor 170 kW a rpm 2400

A principal modificação esta na taxa de compressão, que primeiramente era de 22:1, mas com a chegada da nova lei de emissão Euro 5 ela passou a ser de 28:1, altíssima se compararmos com motores Diesel convencionais (18:1). Isso se deve ao baixo número de cetano do etanol, dificultando assim a auto ignição do combustível. Outras modificações são injetores e bomba de combustível com maior capacidade volumétrica, pois o etanol tem um menor poder calorifico se comparado com o Diesel, necessitando assim mais combustível para o motor produzir a mesma potência, esse aumento de volume é por volta de 60%, o que significa que para o ônibus percorrer uma distância utilizando 1 litro de Diesel é necessário de 1,6 a 1,7 litros de etanol para percorrer a mesma distância.

Outras modificações são um eixo balanceador, pois como são 5 cilindros é natural produzir muita vibração, e este eixo ajuda a destruir ondas de segunda ordem que provocam tais vibrações. E materiais resistentes à corrosão provocada pelo etanol.

Emissões

A razão para fabricar um motor Diesel movido a etanol são as emissões. 

Estima-se que com o uso do etanol nos motores de ignição por compressão, há uma redução de 80% de CO2, pois não se trata de um combustível fóssil que contém grandes quantidades de carbono na sua composição química. Uma grande redução de CO e HC, pela mesma razão da redução de CO2. 90% a menos de material particulado (MP) pois além do atraso na ignição provocado pelo baixo número de cetano, a baixa temperatura e rápida combustão, há um injeção de hidrogênio na mistura, tudo isso diminui as emissões de fumaça preta e MP. E 62% de redução de NOx, pois como comentado, a baixa temperatura de combustão gerada pela vaporização do etanol, o atraso que ocorre na ignição, acontecendo mais próximo do PMS e a rápida combustão não disponibiliza tempo e temperatura suficiente para a formação do NOx. E ainda há um pequeno aumento no rendimento térmico do motor, por volta de 3%, pois com a rápida combustão (rápida se comparada com o Diesel) não há tempo do calor migrar para o liquido refrigerante.

Na tabela abaixo, pode-se observar os valores dos testes obtidos com motores PROCONVE 5, 6 e o motor DC9 E02 a etanol.

Emissões do motor ciclo diesel movido a etanol aditivado

                               VALORES DE EMISSÃO

                                  CO (g/kWh)   HC(g/kWh)   NOx (g/kWh)   MP (g/kWh)
Ensaio no motor (1)           0, 00                  0,05                       1,7                       0,01
PROCONVE P-5(2)           2,1                      0,66                       5,0                      0,10
PROCONVE P-6(3)           1,5                      0,46                       3,5                      0,02

(1) Ensaio realizado em 13/09/2007, no laboratório RDW, na Holanda
(2) Estabelecidos na Resolução Conama n.o 315/02, em vigor desde 01/01/2006.
(3) Resolução Conama n.º 315/02, Art.15, Tabela 1, linha 2, em vigor até 01/01/2009.

Pode-se observar que os valores obtidos com o motor movido a etanol, atinge-se além dos limites para EURO 5 mas também Euro 6 (PROCONVE 8), que estará em vigor na Europa a partir de 2014.

Consumo de combustível

O consumo de combustível do etanol, como todos sabemos, é mais elevado. No uso em motores ciclo Otto gira em torno de 30%, mas em motores por compressão esse aumento esta por volta de 60%. Mas o uso do etanol nos automóveis esta condicionada ao preço da gasolina e do etanol, por exemplo, se na bomba o preço do álcool estiver mais de 30% mais barato que a gasolina, a opção de uso é o álcool, se não é a gasolina.

Mas no caso deste motor da Scania, não há opção de uso de Diesel ou álcool, é somente o etanol. E tomando por base os preços dos dois combustível nos últimos anos, eles são parecidos, giram em torno de R$ 1,60 a 2,00, dependendo da região do país. O que leva a entender que o consumo operacional do veículo será por volta de 60% superior aos veículos exclusivos a Diesel. Isso sem levar em consideração o custo de manutenção.

Olhando somente para a manutenção, é preciso analisar que o etanol tem um poder corrosivo elevado, portanto o sistema de injeção de combustível terá uma atenção maior, além do óleo lubrificante, que tem uma contaminação maior se comparado com o uso do Diesel, os filtros terão uma frequência maior de trocas. Tudo isso eleva os custos de manutenção também. Podendo chegar ao dobro de um veículo a Diesel segundo a Scania.

Então olhando para este cenário, é difícil de acreditar que este projeto (BEST) esteja operando a mais de 20 anos e ampliando-se em todo o mundo. Mas a razão disto é simples, as prefeituras que adotam este projeto nos transportes públicos tem um acréscimo nos gastos neste setor, mas em contra partida, a redução dos gastos na saúde pública é significante, podendo até amortizar e superar os aumentos no transporte. Pois especialistas estimam que em uma frota de 15.000 ônibus (frota da cidade de São Paulo) rodando com o etanol E95, equivaleria ambientalmente, a uma frota de 3.000 ônibus a Diesel. E lembrando que por volta de 3 milhões de pessoas são internadas anualmente em hospitais decorrente de problemas relacionados a poluição dos centros metropolitanos, o que acarreta milhares de cifras gastas com este problema, então vale a pena investir em debates e discussões para melhorar ainda mais este tipo de iniciativa nos transportes públicos.

Mas pensar nesta alternativa para o transporte rodoviário, acredito que ainda é cedo achar que as grandes transportadoras e até mesmo os autônomos motoristas de caminhão irão absorver este aumento de gastos operacionais.



quarta-feira, 3 de outubro de 2012

SISTEMA DE PARTIDA A FRIO

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O sistema de partida a frio foi desenvolvido para auxiliar a partida do motor em dias frios. Mas o sistema só entra em operação quando o tanque de combustível estiver com mais de 90% de etanol e a temperatura do motor abaixo de 16ºC, se uma destas condições não existir, o sistema não opera.
 
Este sistema não é uma inovação, desde a década de 80 alguns carros a álcool já tinham este mecanismo para ajudar na partida, mas não eram todos, a grande maioria era necessário puxar o afogador, ou insistir bastante para o motor pegar. Com isso, as montadoras, com a chegada dos motores Flex, recolocaram este sistema nos carros, pois se trata da solução mais viável que o afogador.
 
Tudo isso por conta do combustível etanol, que tem uma dificuldade de queimar à temperaturas baixas (< 16ºC), seu ponto de fulgor é de 16ºC, portando não é a temperatura ambiente que determina se o motor funcionará ou não, e sim a temperatura do combustível.
 
Funcionamento do Sistema
Os componentes do sistema são:
 
· Tanque de 1 litro para a gasolina.
Este tanquinho por medidas de segurança e colocado fora do cofre do motor, acima da caixa de rodas e dentro do para-lamas, assim em caso de colisão, a gasolina não é espirrada em cima do motor quente, evitando incêndio.
 
· Bomba elétrica.
A bombinha é instalada no tanquinho pelo lado de fora, para facilitar a manutenção.
 
· Mangueiras flexíveis.
O sistema é composto completamente por mangueiras flexíveis, e são fixadas na carroceria do automóvel.
 
· Filtro de combustível.
· Eletro válvula (solenoide).
Esta válvula tem a função de dosar a quantidade de gasolina que irá para os coletores de admissão. Logo após o motorista girar a chave e as condições de temperatura e a quantidade de etanol no tanque se satisfazer, esta válvula irá atuar com pulsos de injeções. Primeiro, a cada volta do virabrequim um pulso, depois que o motor estiver funcionando, para garantir um funcionamento adequado, a válvula continuará pulsando, mas agora um pulso a cada dois giros do motor, e assim sucessivamente até um pulso a cada 8 giros do motor.
 
Após a eletro válvula, as mangueiras se conectam no coletor de admissão próximo dos injetores de combustível.
 
E como mencionado, a eletro válvula só atua se a temperatura do motor estiver abaixo de 16ºC e o tanque estiver com mais de 90% de etanol. Mas como o modulo sabe que o tanque esta com esta quantidade de etanol?
 
Na partida, o modulo recebe sinal de todos os sensores do motor, inclusive o sensor de temperatura da água. Com relação ao combustível, o modulo tem a informação do último funcionamento do motor, a sonda lambda enviou informação para o modulo até o motor ser desligado, a partir daí o modulo entende qual a quantidade de etanol que estava e esta no tanque. Portanto os fabricantes recomendam, se o usuário esvaziou um tanque de gasolina e abasteceu somente com etanol, é necessário rodar com o veículo pelo menos 12 km para que o sistema de injeção do motor entenda qual é a nova condição de funcionamento (saindo da relação ar/combustível 13,6:1 para 9:1) e assim na próxima partida fria do motor o sistema de partida a frio atuará.
 
Problemas inerentes
Mas o sistema não é infalível, muito pelo contrário, existem vários problemas que acontecem.
 
O mais comum é o motorista esquecer-se de abastecer o tanquinho, e quando for necessário não tem a gasolina para ajudar na partida. O esquecimento não acarreta somente este problema, com o longo período que o tanque fica vazio, o anel de borracha que faz a vedação da conexão bomba elétrica e tanque, resseca, e fica quebradiço, e quando o motorista lembra de abastecer, a gasolina vaza por este anel, ocasionando o mal cheiro.
 
Outro problema é contrário a este, o motorista lembra de abastecer sempre o tanquinho, mas se a temperatura se manter alta por um longo período ou o preço do álcool estiver alto e o motorista utilizar gasolina por um longo período também, aquela gasolina que fica no tanquinho perde a validade, perdendo assim as suas propriedades, e quando for necessário o uso, a gasolina não tem o mesmo efeito.
 
Os outros problemas envolvem falhas nos componentes do sistema, falha na bomba, entupimento do filtro, falha na eletro válvula, etc.
 
Por tudo isso existe inúmeras reclamações dos consumidores a respeito deste sistema. E com isto inúmeros conselhos dos ditos técnicos para o uso deste sistema, por exemplo, não misturar etanol e gasolina no tanque, pois assim (eles dizem) o sistema de injeção fica louco e acarreta falha. Não usar o etanol. Etc. Tudo bobagem. Na verdade é que o projeto mesmo é propicio a falha, pensando nisto e também no custo deste sistema tradicional a Bosch, Magnetti Marelli e Delphi já desenvolveram soluções para o problema.
 
Inovações na partida dos motores Flex
As três empresas estudam este problema a algum tempo, e após o período de pesquisa chegaram a conclusão de que a melhor maneira de dar a partida com etanol é esquentando o mesmo. Então a Bosch desenvolveu o Flex-Start em parceria com a VW, que consiste em uma espécie de resistência elétrica em cada injetor para aquecer o etanol e injeta-los na câmara a uma temperatura ideal de trabalhos, elevando a temperatura do combustível desde -5ºC, a valores de 20º à 30ºC, isso em no máximo 12 segundos. A Magnetti Marelli também desenvolveu um sistema parecido, mas a resistência esta na flauta dos injetores, que segundo eles é mais eficiente, podendo elevar a temperatura do combustível até a 40ºC. A Delphi diz ter um sistema que apenas um injetor fica encarregado de aquecer o combustível.
Mas tudo isso além de ajudar na partida fria do motor, também melhora o consumo de combustível e reduz as emissões de gases, por conta que na partida de qualquer motor, o regime de aquecimento demanda uma pequena aceleração, justamente para aquecê-lo mais rápido, isso eleva o consumo e as emissões por conta de que a câmara de combustão não esta na temperatura ideal de funcionamento dificultando a queima do combustível e aumentando o nível de HC nos gases de escape. Pensando nisto as montadoras estão estudando se seria interessante o uso deste sistema também quando o tanque esta com gasolina, pois as novas leis de emissões que entraram em vigor em 2014 serão mais apertadas e vão fiscalizar também a partida a frio do motor.
O problema de tudo isto é que necessitará de uma bateria maior do motor, fiação com diâmetros maiores e um modulo extra para gerenciar as temperaturas do combustível e das resistências, mas este modulo não pode ser interno no ECM do motor, pois trabalha com uma intensidade de corrente muito elevada justamente por conta das resistências. E o pacote Flex-Start inclui o aumento considerável na pressão do combustível (de 4 para 6 bar) e bicos injetores com 12 furos, em vez de quatro. As duas mudanças servem para diminuir as gotículas de combustível (de 100 para 60 microns) e, assim, melhorar a mistura na câmara de combustão. E mesmo com tudo isto, o Flex-Start é mais barato do que o sistema com tanquinho. Vale a pena o investimento.