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Motores emissionados

Introdução

Nos últimos 20 anos observamos um aumento significativo das indústrias, veículos e equipamentos de várias naturezas. Com eles, o desenvolvimento tornou-se a linha condutora de uma economia globalizada na busca de qualidade de vida e a garantia da nossa própria existência. Toda esta tecnologia iniciada a algumas décadas atrás não se preocupava com as questões ambientais. Eram poucos equipamentos e os resíduos e emissões despejados na natureza não produziam maiores impactos.
Porém, com o passar dos anos e, principalmente com as projeções para o futuro, as emissões provenientes destes equipamentos passaram a interferir diretamente na qualidade do ar que respiramos, essencial às nossas vidas. Todos os motores de combustão interna - diesel, gasolina, etanol, gás natural - produzem emissões de gás contendo dezenas de componentes como monóxido e dióxido de carbono (CO e CO2), hidrocarbonetos (HC), óxido e dióxido de nitrogênio (NOx) entre outros. Além destes gases, os motores a diesel também produzem partículas finas (PM - do inglês particulate matter) que são descarregadas diretamente no meio ambiente.

O que é EPA?



Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (Environmental Protection Agency, EPA). É uma agência federal do governo dos Estados Unidos da América, encarregada de proteger a saúde humana e o meio ambiente: ar, água e terra. A EPA começou a funcionar em 2 de dezembro de 1970, quando foi instituída pelo presidente Richard Nixon.
É chefiada por um administrador, indicado pelo presidente. A EPA não é um ministério de fato, mas o administrador geralmente possui status ministerial. Em 2007, a agência possuía 17 000 funcionários em tempo integral. Mais da metade dos recursos humanos da EPA é composta por engenheiros, cientistas e especialistas em proteção ambiental. A agência realiza avaliação ambiental, pesquisa e educação. Poderes de execução da EPA incluem multas, sanções e outras medidas. A agência também trabalha com as indústrias e todos os níveis de governo em uma ampla
variedade de programas de prevenção de poluição e conservação de energia.

Entendendo as regulamentações de emissões de gás

A maior parte dos motores a diesel está concentrada em caminhões e veículos. Isto levou a Agência de Proteção Ambiental do Estados Unidos (EPA) e as similares na Europa e Japão a direcionar seus esforços na definição de normas de emissões primeiramente para o mercado dos motores veiculares.
Para os motores a diesel dos equipamentos fora de estrada, as normas vieram mais tarde, porém mais rigorosas em relação aos motores veiculares.
As primeiras normas para os novos motores diesel para equipamentos fora de estrada acima de 37 kW(50 hp) foram aplicadas entre 1996 e 1999 (EPA Tier 1 nos Estados Unidos). Normas européias para motores de equipamentos fora de estrada (Estágio I) começaram em 1999. De 2001 a 2008 foram aplicadas as normas seguintes Tier 2 / Estágio II e Tier 3 / Estágio III com tolerâncias mais severas de emissões em relação à norma Tier I / Estágio I. Nos Estados Unidos e Europa as regulamentações Tier 4/ Estágio IV já estão em vigor e deverão ser concluídas até 2015. No Brasil não há ainda uma regulamentação estabelecida para emissão de poluentes para máquinas de terraplanagem.

Regulamentações de emissões de veículos fora de estrada
37 – 560 kW (50 – 750 hp)

Níveis de emissões para Estados Unidos e Europa.

Opções da tecnologia de emissões

A redução de emissões não precisa ser obtida com a diminuição do desempenho do motor. São disponíveis várias tecnologias para redução de emissões que proporcionam excelentes desempenhos com baixo consumo de combustível e alta performance do motor.

Tecnologias disponíveis para reduzir as emissões incluem:
  • Arrefecimento do ar de admissão
  • Soluções em cilindros (design)
  • Recirculação dos gases de escape (EGR)
  • Turbocompressores
  • Sistemas eletrônicos de injeção de combustível (Common Rail)
  • Gerenciamento eletrônico do motor
  • Pós-tratamentos

Motor com certificação de emissão de poluentes Tier 3

Arrefecimento do ar de admissão

Reduzir a temperatura do ar de admissão não só reduz a emissão NOx como melhora a durabilidade  do motor, proporciona aumento no torque em baixas rotações e na potência. É o método mais eficiente de redução nas emissões de poluentes do motor além de promover melhor economia de combustível e baixo custo de instalação.

Soluções em cilindros

Design da câmara de combustão

Quanto melhor a queima da mistura na câmara de combustão, menor será a emissão de poluentes. Por isto, os pesquisadores de desenvolvimento de motores desenharam novos perfis de cabeças de cilindros e válvulas de admissão e escape para que o volume interno proporcione a melhor queima possível. A idéia central é criar a entrada de ar dentro da câmara de combustão com mais turbulência. O ar turbulento, quando se mistura ao combustível, gera uma mistura mais homogênea permitindo assim a queima quase integral de todo o volume. Esta tecnologia reduz a emissão de poluentes e melhora o desempenho do motor com mais economia de combustível.

Ignição com compressão pré-misturada

Na combustão tradicional de diesel, a queima ocorre em regiões de boa pulverização resultando em altas temperaturas e alta emissão de NOx. Com o sistema ignição com compressão pré-misturada (PCI - Premixed Compression Ignition), a mistura é gerada em uma câmara auxiliar. Desta forma ela chega à câmara principal já homogeneizada permitindo assim uma queima mais eficiente. Esta técnica reduz o NOx sem o uso de recirculação dos gases de escape.

Recirculação dos gases de escape (EGR)

Quanto mais baixa a temperatura de combustão de um motor, menor a geração de NOx. EGR (Exhaust Gas Recirculation) é um método eficiente para reduzir o máximo da temperatura de combustão e reduzir o NOx. O conceito é simples, através da válvula EGR uma parte dos gases de escape é encaminhada de volta para o coletor de admissão e misturado com o ar fresco de entrada. Este processo remove parte de oxigênio do ar, reduzindo a temperatura da combustão, diminuindo assim os níveis de NOx.
O sistema EGR é utilizado para a obtenção dos níveis de emissão exigidos na etapa TIER 3 / Estágio III, pois aumenta a eficácia da redução de NOx.

Turbocompressores

Turbocompressores standard ou com válvula wastegate tem a função de comprimir o ar com pressão atmosférica para dentro da câmara de combustão. Esta compressão aumenta o volume do ar dentro da câmara melhorando assim a queima da mistura e o desempenho do motor. Como já vimos anteriormente, a melhor queima da mistura proporciona menor emissão de poluentes. Existem alguns tipos de turbocompressores que possuem uma geometria variável de compressão (VGT - Variable Geometry Turbocharger) que ajuda na recirculação dos gases de escape.
O VGT adapta a quantidade de ar recirculado que se mistura com o ar fresco. Este sistema auxilia o sistema EGR na recirculação de gases, pois gera a quantidade mais precisa para a recirculação.

 

Sistema de injeção de combustível - common rail

Sistema de injeção de combustível common rail de alta pressão

O sistema de injeção de combustível common rail também é uma tecnologia que favorece a redução de emissão de poluentes, pois o combustível chega na câmara de combustão sob alta pressão através de um duto único (daí o termo common rail - duto comum) e é injetado com um volume preciso para a formação da mistura. Este sistema, como um todo, fornece controle constante sobre todas as variáveis de injeção de combustível, tais como tempo, pressão, duração e injeções múltiplas. As pressões de injeção são geradas em torno de 1600 bar (23.500 PSI).

Gerenciamento eletrônico do motor

Outro componente chave na redução das emissões é a unidade de controle do motor (ECU - Electronic Control Unit). Este dispositivo utiliza sensores e softwares para controlar a quantidade de combustível, tempo de injeção, nível da mistura ar-combustível, injeções múltiplas, quantidade de ar para o sistema EGR, e uma série de outros parâmetros para proporcionar o melhor desempenho do motor e maior economia de combustível. Este gerenciamento eletrônico
ajuda a reduzir NOx e PM.

 

Tecnologias para obtenção Tier 4 - Pós-Tratamentos

Redução catalítica seletiva (SCR)

SCR é uma opção de pós-tratamento, que requer um aditivo à base de uréia para reduzir as emissões de NOx. Quando a uréia entra em contato com os gases de escape do motor dentro do catalizador, uma
reação química inicía-se e o NOx presente nos gases de escape é convertido em oxigênio, nitrogênio e água. Este método, apesar do elevado custo por causa do tanque extra, bomba, componentes associados
e o próprio aditivo SCR, além do controle logístico, fornece a melhor eficiência na redução de NOx quando comparado com outros métodos.

 

Filtro de partículas diesel (DPF)

A tecnologia DPF (Diesel Particulate Filter) provavelmente será uma das opções mais usadas para cumprir a redução de partículas em Tier 4 /Classe III B Interino e Tier 4 /Classe IV final. As perguntas que os fabricantes de equipamentos querem resposta são: Quanto vai custar? Qual o tamanho? Quanto tempo eles vão durar antes de precisar de manutenção? Os fabricantes estão trabalhando duro para reduzir o custo e otimizar o tamanho desses dispositivos pós-tratamento. Os sistemas DPF são responsáveis pela eliminação de PM (Particulate Matter) provenientes dos gases de escape. O fluxo de gás passa através dos poros presentes nas paredes do dispositivo e com a ajuda de um catalizador as partículas geradas (PM) na queima são eliminadas.
Em função das elevadas temperaturas de escape necessárias para que esta regeneração ocorra, o desafio é projetar sistemas DPFs que fornecem regeneração consistente em todos os níveis de funcionamento do motor. Filtros de partículas diesel com atuação ativa resolvem este problema, utilizando o aumento da temperatura dos gases de escape e a pressão oposta gerada pelo calor. A tendência é o surgimento de sistemas DPF ativos que vão desempenhar a mesma função em condições normais de operação. Metais e resíduos ou cinzas encontradas no óleo lubrificante podem ficar presos no DPF. Uma vez que as cinzas e metais não podem ser queimados durante a regeneração de fuligem, eles são deixados no filtro. A acumulação pode eventualmente entupir o filtro e precisar de manutenção e limpeza. O uso de óleo lubrificante com baixo teor de cinzas pode aliviar este problema.

Decomposição Catalítica NOx

Consiste na utilização de catalizadores para a eliminação do NOx. Existem dois tipos de decomposição catalítica de NOx com diferentes métodos de regeneração.
O primeiro, porém pouco de baixa eficiência é o catalisador DeNOx. Um sistema a base de metais preciosos que reduz os hidrocarbonetos em uma corrente de escape rico em oxigênio. Sem o uso de controles eletrônicos, a eficiência do catalisador para a redução de NOx é inferior a 10%. Quando os controles eletrônicos são usados, a eficiência aumenta porém não ultrapassa a 30% - com uma desvantagem substancial
na economia de combustível. O catalisador mais eficiente é o adsorvente de NOx (NAC), ou às vezes chamado LNT (Lean-NOx Trap). Deve ser regenerado em uma atmosfera de oxigênio deficiente, exigindo assim controles mais sofisticados. Quando a unidade está limpa, ela pode reduzir o NOx em até 90%. No entanto é muito sensível para aos níveis de enxofre presentes no combustível e pode perder a eficiência rapidamente, quando expostos a altos teores de enxofre. Quando isso acontece, o enxofre tem de ser removido do catalisador. Além de controles sofisticados, este sistema exige termicamente do motor e não proporciona economia de combustível. Com utilizações de controles eletrônicos este tipo de catalisador é capaz de manter a eficiência maior que 60% durante a vida do motor.

Catalizador de oxidação diesel (DOC)

O catalisador de oxidação diesel (DOC) não reduz o NOx, mas é eficaz na redução de monóxido de carbono, hidrocarbonetos (HC), e algumas partículas finas (PM). O fluxo através deste catalisador oxida ambos os gasosos (voláteis) hidrocarbonetos e os semi-voláteis de PM conhecidos como fração volátil orgânica (VOF). Em temperaturas mais elevadas, estes catalizadores também podem oxidar enxofre nos
gases de escape para formar sulfato PM. Os catalizadores de oxidação diesel operam com a máxima eficiência quando as concentrações de enxofre no combustível estão na casa de 0,05% ou menos. A redução nas emissões de partículas estão na faixa de 20%. Para as emissões de hidrocarbonetos a redução chega a em 50% e de monóxido de carbono a 40%.

EPA e EU
Regulamentações de emissões de veículos fora de estrada:

Preparando-se para futuras reduções de emissões

A EPA nos Estados unidos e a União Européia têm emitido normas rigorosas de emissões para os futuros motores diesel fora de estrada. Os fabricantes reconhecem o desafio de atender às normas e estão investindo em novas tecnologias para atingir os regulamentos do Tier 4 / Classe IV.
No Brasil, as primeiras normas de emissão de poluentes estão sendo preparadas pela CONAMA e em breve todos os equipamentos produzidos no país estarão sujeitos às normas brasileiras. Porém, o processo de redução de emissão de poluentes não está restrito apenas às tecnologias do motor. O combustível utilizado deve estar em conformidade com as composições básicas necessárias para que o produto final (emissões) esteja dentro das normas propostas.
A redução de emissão de poluentes já é uma realidade e devemos nos preparar para o futuro buscando soluções ecologicamente corretas.

 

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