engenharia mecânica – automação e...
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Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas
INDICADOR DIGITAL PARA CARROS MOVIDOS À GNV CORRIGIDO DE ACORDO COM A TEMPERATURA.
Leonardo Imbrunito Delben
Campinas – São Paulo – Brasil
Dezembro
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Engenharia Mecânica – Automação e Sistemas
INDICADOR DIGITAL PARA CARROS MOVIDOS À GNV CORRIGIDO DE ACORDO COM A TEMPERATURA.
Leonardo Imbrunito Delben Monografia apresentada à disciplina Trabalho de Conclusão de Curso, do Curso de Engenharia Mecânica da Universidade São Francisco, sob a orientação do Prof. João Hermes Clerici, como exigência parcial para conclusão do curso de graduação. Orientador: Prof. João Hermes Clerici
Campinas – São Paulo – Brasil
Dezembro de 2008
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INDICADOR DIGITAL PARA CARROS MOVIDOS À GNV CORRIGIDO DE ACORDO COM A TEMPERATURA.
Leonardo Imbrunito Delben Monografia defendida e aprovada em 13 de Dezembro de 2008 pela Banca Examinadora assim constituída: Prof Ms. João Hermes Clerici (Orientador)
USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP. Prof Dr. Guilherme Bezzon (Membro Interno)
USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP. Prof Dr. Sergio Adriani David (Membro Interno)
USF – Universidade São Francisco – Campinas – SP.
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Triste século, mais fácil desintegrar um átomo que um preconceito.
(Albert Einsten)
“Que os vossos esforços desafiem as impossibilidades, lembrai-vos de que as grandes coisas do homem foram conquistadas do que parecia impossível.”
(Charles Chaplin)
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Dedicatória
A Deus por tudo que tem me proporcionado na vida. À minha mãe Mazé e ao meu Pai Nelson os quais eu amo muito, pelo exemplo de vida, família e todo carinho. À minha namorada Carol, pelo carinho, compreensão e companheirismo. À todos meus amigos pelas risadas e muitos momentos de lazer. Ao meu orientador João Hermes Clerici por toda atenção e dedicação para realização desse projeto. Sou eternamente grato à todos
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Agradecimentos Agradeço primeiramente ao Professor João Hermes Clerici, meu orientador, que acreditou em mim e incentivou-me para a conclusão deste trabalho, face aos inúmeros percalços do trajeto. Agradeço também aos Professores Osmar Roberto Bagnato e Guilherme Bezzon, companheiros de percurso e de discussões profícuas, dentro e fora do contexto deste trabalho, agraciando-me incontáveis vezes com sua paciência, conhecimento e amizade. Alguns experimentos e vários “entendimentos” não teriam sido possíveis sem a colaboração de todos envolvidos nesse projeto. Eu agradeço fraternalmente a todos.
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Sumário Resumo ...................................................................................................................... 9 Abstract ...................................................................................................................... 9 1 Introdução .......................................................................................................... 10 1.1 Objetivos ..................................................................................................... 12 1.2 Justificativa.................................................................................................. 12
2 Revisão Bibiográfica ...................................................................................... 13
3 Como funciona o Sistema GNV ...................................................................... 20
3.1 Cilindro de armazenamento com válvula; ............................................... 21 3.2 Chaves comutadora de combustível (gás / líquido); ............................... 22 3.3 Tubulação; .............................................................................................. 22 3.4 Emulador; ................................................................................................ 22 3.5 Variador de avanço; ................................................................................ 22 3.6 Válvulas de corte de combustível; .......................................................... 22 3.7 Redutor de pressão; ............................................................................... 22 3.8 Misturador; .............................................................................................. 22 3.9 Válvula de abastecimento; ...................................................................... 23 3.10 Indicador da quantidade de combustível;.............................................. 23 3.11 Distribuição Nacional ......................................................................... 24
4 Projeto do indicador digital ................................................................................ 28
4.1 Descrição do circuito do indicador digital de pressão .......................... 31 4.2 A medida de temperatura..................................................................... 31 4.3 A medida de pressão ........................................................................... 32 4.3 Correção da medida de pressão .......................................................... 32 4.4 Simulação do funcionamento do indicador de pressão ........................ 32
5 Conclusão .......................................................................................................... 33
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Lista de Siglas GNV Gás Natural Veicular GNC Gás Natural Comprimido CO Monóxido de Carbono OIML International Organization of Legal Metrology ABGNV Associação Brasileira de Gás Natural Veicular NIST National Institute os Standards and Technology GT Grupo de Trabalho IT Instrução de Trabalho RTD Resistance Temperature Detector A/D Analógico / Digital HC Hidrocarbonetos CO Monóxido de Carbono SO Óxido de Enxofre HO Óxido de Hidrogênio MP Material Particulado AGA American Gas Association
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Resumo
Em função da problemática mundial envolvendo combustíveis, a área
automobilística tem desprendido muitos recursos para pesquisas em combustíveis
alternativos. O gás natural veicular tem sido umas das alternativas mais exploradas,
com baixo custo e manutenção. O sistema de GNV foi bem implantado e tem sido
muito utilizado, porém nem todos os recursos envolvidos na utilização do gás são
precisos, como exemplo pode ser citado o Indicador de pressão. Este trabalho tem
como principal objetivo elaborar um equipamento mais preciso e seguro para o
usuário. Tal equipamento visa ainda indicar a autonomia que o automóvel pode
proporcionar utilizando-se de princípios de automação.
Palavras chave: Gás Natural Veicular, GNV, Sistemas de Conversão, combustíveis
alternativos, emissões veiculares, veículos leves.
Abstract
Because of the world-wide problematic involving fuels, the automobile area
has unfastened many resources for researches in alternative fuels. The automobile
natural gas has been one of the most explored alternative, with low cost and
maintenance. The GNV system was well implanted and has been very used,
however nor all the involved resources in the use of the gas are precise, for example,
the pressure indicator can be mentioned. This work has the main objective to
elaborate a safer and more precise equipment for the user. Such equipment aims to
indicate the autonomy that the automobile can provide by the use of automation
principles.
Key words: Compressed Natural Gas, CNG, Conversion Systems, alternative fuels,
vehicular emissions, light vehicles.
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1 Introdução
Com a crise do petróleo, na década de 70, e a alta nas taxas de juros
internacionais, a política energética nacional foi redirecionada no sentido da
substituição do petróleo importado por outras fontes de energia. Atualmente o gás
natural veicular (GNV) é uma das principais fontes alternativas de energia e segundo
dados da Petrobrás, as reservas nacionais conhecidas seriam suficientes para mais
de três décadas de consumo.
O gás natural é uma energia de origem fóssil, resultado da decomposição da
matéria orgânica fóssil no interior da Terra, encontrado acumulado em rochas
porosas no subsolo, freqüentemente acompanhado por petróleo, constituindo um
reservatório.
Por ser majoritariamente composto por metano e apresentar baixos teores de
dióxido de carbono, compostos de enxofre, água e contaminantes, como nitrogênio,
o gás natural é considerado um combustível limpo, com baixa emissão de poluentes.
Sua combustão é completa, não gera monóxido de carbono (CO) e libera como
produtos o dióxido de carbono e vapor de água, sendo os dois componentes não
tóxicos. (Ver tabela 1).
O gás natural caracteriza-se por sua eficiência, limpeza e versatilidade. É
utilizado em indústrias, no comércio, em residências, em veículos. É altamente
valorizado em conseqüência da progressiva conscientização mundial da relação
entre energia e o meio ambiente.
Elementos Composição (% volumétrica)
Metano - 88,27
Etano - 7,67
Propano - 1,55
I-Butano - 0,16
N-Butano - 0,29
I-Pentano - 0,08
N-Pentano - 0,065
Hexano e Superiores - 0,075
Nitrogênio - 1,19
Dióxido de Carbono - 0,64
Total - 100
TABELA 1 – Composição do Gás Natural Boliviano.
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As vantagens no uso do GNV não se restringem ao meio ambiente. O gás
natural é também muito vantajoso para o consumidor. Apresenta um menor
consumo por km, proporcionalmente à gasolina, e é mais barato (cerca de R$ 1,29 o
m³, contra R$ 2,40 o litro), propiciando uma economia estimada em cerca de 60%
com despesas de abastecimento.
Motores alimentados a gás sofrem menor desgaste, portanto duram mais e
requerem menos manutenção. Observa-se também a redução da manutenção de
velas e filtros, e o aumento do intervalo das trocas de óleo e escapamento. A
redução com despesas de manutenção e peças de reposição chega a 60%,
segundo a Petrobrás.
O risco de incêndio ou explosão é significativamente menor, pois o gás natural
se inflama quando submetido a uma temperatura superior a 620 graus celsius (o
álcool se inflama 200ºC; a gasolina a 300ºC);
A conversão a gás também traz algumas desvantagens como a baixa
autonomia proporcionada pelos cilindros de armazenamento (13 a 27 m³),
suficientes para rodar, em média, de 180 a 300 quilômetros, o que acarreta em
paradas mais freqüentes para reabastecimento do que no sistema a gasolina. O
baixo numero de postos de abastecimento de GNV agrava o problema da baixa
autonomia.
O espaço ocupado pelo cilindro de gás natural nos automóveis e seu peso
destacam-se também como desvantagem do sistema de gás natural como
combustível automobilístico, tendo como conseqüência um menor desempenho
veicular quando comparado aos veículos movidos a outros combustíveis.
O Indicador da quantidade de gás contida no cilindro é, para este projeto, uma
desvantagem corrigível.
No redutor de pressão do gás há um manômetro com um transdutor que
envia um sinal para o Indicador. Esse Indicador é composto por cinco Led´s, sendo 4
verdes e apenas 1 vermelho. O Led vermelho simboliza que o usuário deve ficar
atento, pois a qualquer momento o gás poderá acabar.
A desvantagem do Indicador está na desigualdade na medição da quantidade
de gás que o cilindro contém.Os Led´s se apagam de maneira desigual, ou seja,
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cada Led representa uma porcentagem desproporcional de autonomia devido a
variação de temperatura que o gás sofre no meio externo do sistema.
1.1 Objetivos
Este projeto tem como objetivo estudar e analisar as condições gerais em que
o gás natural veicular é submetido para que seja possível, a partir desses dados,
projetar um sistema de marcação digital, eficiente e confiável com baixo custo.
1.2 Justificativa
Um dos maiores problemas dos carros movidos a gás natural veicular é o
Indicador. Além de pouco detalhado, o Indicador dos carros movidos a gás não
garante uma proporcionalidade entre as várias marcações (Led´s) que foram
implantadas no sistema.
Esse projeto tem como objetivo garantir ao usuário maior segurança em
relação à quantidade de gás que está contido no cilindro, o que acarreta em um
maior conforto e satisfação ao usuário.
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2 Revisão Bibiográfica
2.1 O Mercado
O mercado do gás natural no segmento veicular é relativamente novo dentro
do contexto mundial do gás natural, possuindo, no entanto grandes perspectivas de
expansão em curto prazo, tanto através da tecnologia do gás natural comprimido -
GNC, como também através do uso do gás natural liquefeito como combustíveis
veiculares. No que tange ao uso do GNC para fins automotivos, utilização esta
conhecida no Brasil como GNV – Gás natural veicular, Argentina e Brasil são os
países que mais se destacam no mundo possuindo hoje respectivamente 1380
postos (1.420.000 de veículos convertidos), e 1090 postos (1.000.000 de veículos
convertidos). (Várias razões contribuem para o sucesso deste mercado tais como os
ganhos ambientais, as vantagens para os proprietários dos veículos convertidos
particularmente os táxis, a alta potencial na geração de empregos que esta atividade
possui etc.).
Um outro aspecto marcante do Mercado de GNV é o fato do mesmo propiciar
a expansão das redes de gás natural nas áreas urbanas, uma vez a abertura de um
posto de abastecimento traz o retorno financeiro necessário para viabilizar a
construção dos dutos e como conseqüência a ligação de outros consumidores
residenciais e comerciais nas suas adjacências. Esta característica desbravadora de
fronteiras que este mercado possui, também se faz presente pelo uso do gás natural
comprimido transportado através de caminhões ou barcaças, solução esta que tem
sido usada recentemente no Brasil (e também por outros países) para localidades
desprovidas de infra-estrutura duto viária, como é o caso das cidades de Teresina
(Nordeste do Brasil) e Manaus (Amazonas) que possuem postos de GNV, cujo
abastecimento de gás é oriundo de estações de compressão localizadas a centenas
de kilômetros de distancia. Atualmente existem várias empresas que dominam esta
tecnologia no MERCOSUL como é o caso do conhecido gasoduto virtual da Galileo
Argentina.
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2.2 A MEDIÇÃO DO GÁS NATURAL DO MERCADO DO GNV
Com o aumento da representabilidade econômica deste segmento do mercado de
gás natural, aumentam as preocupações relacionadas aos instrumentos de medição
utilizados, uma vez que os medidores são as caixas registradoras tanto dos postos
de GNV que os utilizam para a tarifação dos seus consumidores, como para as
empresas distribuidoras de gás no que tange à venda deste energético aos postos.
Estas medições são executadas por sistemas de medição bastante diferenciados,
sendo que não são raras, ocorrências de diferenças entre os volumes de gás
totalizados.
O desenvolvimento dos mercados do GNV e GNC criou uma demanda muito grande
por sistemas de medição de GN para altas pressões. A tecnologia com medidores
tipo Coriolis é praticamente a única viável para esta aplicação, e este medidor teve a
sua utilização estendida aos dispensers dos postos de GNV e também às empresas
de gás natural (vide figura 2.1) Em todo o mundo tem havido, no entanto,
dificuldades no que tange a supervisão metrológica aplicada a este medidor devido à
insipiência deste mercado, baixa economia de escala, e também ao fato do medidor
coriolis representar uma parcela significativa do investimento para a abertura dos
postos de GNV.
Figura 2.1: Medidor coriolis instalado em uma estação de gás natural na Austrália
15
No que tange aos aspectos inerentes à metrologia legal, este assunto tem estado
em discussão há bastantes anos pela OIML na EUROPA (atualmente existe um
“draft” a respeito) e pelo NIST nos USA. A questão das grandezas utilizadas para a
medição do gás natural nos dispensers para a transferência de custódia entre o
posto de GNV e os consumidores (motoristas), é bastante polêmica, pois tem inter-
relações coma transparência das medições ao usuário e com a eficácia da
supervisão metrológica efetuada. Nos Estados Unidos, se utilizam unidades de
energia (galão de gasolina equivalente) enquanto que na Europa se utilizam
unidades de massa (Kg). Na América Latina bem como na Oceania tem sido
utilizado o volume de gás (m3 na condição base a 200oC e 1 atmosfera), sendo que,
no entanto, se cogita no Brasil o uso de unidades de massa (Kg)
2.3 OS SISTEMAS DE MEDIÇÃO DO GÁS NATURAL DO MERCADO DO
GNV
Os postos de GNV utilizam os “dispensers” que são sistemas de medição
constituídos por medidores de massa do tipo coriolis (figura 2.2). Este medidor
consiste basicamente em um tubo em “U” que vibra, sendo que por ele escoa o
fluído a ser medido. A passagem do fluído produz um movimento torcional
ocasionado pela aceleração de coriolis devido à forma do tubo. A amplitude deste
movimento é proporcional à vazão em massa. As forças de Coriolis atuantes no
tubo em forma de “U” possuem sentidos opostos nas duas metades do seu percurso
ocasionando um ângulo de torção. Sensores de proximidade medem este ângulo o
qual é proporcional à vazão mássica. Trata-se, portanto de um medidor
essencialmente mássico. A conversão para o volume é geralmente feita pelo uso de
um valor de densidade fixo para o gás natural.
16
Figura 2.2 : Princípio de funcionamento do medidor coriolis.
Já as companhias distribuidoras de gás utilizam sistemas de medição constituídos
por medidores do tipo rotativo, acoplado a conversores de volume de gás. Os
medidores rotativos são essencialmente volumétricos, sendo constituídos pôr 4
câmaras delimitadas pôr 2 elementos rotativos (vide figura 2.3) de forma que seus
movimentos são transmitidos a um mecanismo de relojoaria, que totaliza o volume
de gás em m3.
Figura 2.3: Medidor rotativo
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Estes medidores contabilizam o volume propriamente dito do gás. Sendo o
gás um fluído compressível, cuja quantidade de massa contida em uma determinada
unidade de volume (um m3 pôr exemplo) é variável em função da pressão e
temperatura, torna-se necessário a conversão deste volume para as condições base
de pressão e temperatura (1 atmosfera e 200ºC), o que é feito por intermédio da
utilização do um conversor de volume micro-processado. Este instrumento é provido
de sensores de pressão e temperatura, e além de realizar a conversão mencionada,
efetiva a conversão da compressibilidade do gás (através da inserção de parâmetros
da composição do gás na sua configuração). Este instrumento quase sempre possui
a capacidade de armazenar registros históricos, o que vem a facilitar enormemente a
realização de auditorias em sistemas de medição. Para efeito de faturamento dos
postos são utilizados os volumes de gás convertidos para a condição base,
multiplicados pelo fator de poder calorífico do gás, obtendo-se assim uma tarifação
equivalente ao montante da energia transacionada.
Cabe colocar que tanto o sistema de medição com medidor coriolis como o
com o medidor rotativo são de fato sistemas na plena acepção da palavra e não
simplesmente instrumentos de medição isolados. Tal fato implica em que ao se
analisar qualquer questão relacionada à medição, deve-se levar em conta, entre
outros aspectos, os componentes do circuito gasoso passíveis de afetar o medidor,
os instrumentos eletrônicos utilizados, as comunicações entre os vários
componentes do sistema, os registros de auditoria, etc.
2.4 DIFICULDADES LIGADAS A MEDIÇÃO NO MERCADO DO GNV
O crescimento do mercado de GNV fez com que naturalmente estes dois
sistemas venham a ser objeto de confrontações por ocasião da ocorrência de
diferenças nos volumes totalizados. As dúvidas acerca da medição geram somente
desgastes e re-trabalhos desnecessários a todas partes envolvidas. E de interesse
de todos o claro entendimento e a transparência dos resultados das medições,
18
evitando assim a extensão do problema a outros setores financeiros das empresas
envolvidas.
Algumas questões básicas devem ser levadas em contam quando se
comparam ambos os sistemas como segue:
O gás natural não existe como uma substância pura. Trata-se de uma mistura
de vários gases com características energéticas diferentes, sendo inclusive alguns
inertes. Esta composição é, portanto variável. A utilização de medidores mássicos,
ainda que providos de medidores de densidade não leva em contas as variações do
poder calorífico do gás, o que vem a aumentar a incerteza global da medição
quando se utilizam sistemas constituídos por medidores do tipo coriolis para a
venda do energético gás natural;
Ambos sistemas de medição (com medidor tipo rotativo e coriolis) são as
únicas alternativas disponíveis no mercado para as suas respectivas aplicações.
Não se cogita, portanto atualmente mudar as modalidade de instrumentos de
medição utilizados;
O confronto entre dois sistemas de medição com princípios de funcionamento
diferente pode vir a ser não um motivo de preocupação, mas sim uma ferramenta de
aprimoramento da qualidade e exatidão das medições para se equacionar um
problema de diferenças de medições;
Deve-se ter em mente que na maioria das vezes uma pendência de medição
não é resolvida somente com a calibração dos instrumentos envolvidos, já que o
assunto exige uma abordagem holística, conforme já mencionado no item anterior. O
que costuma agravar a questão da medição do GNV é o fato dos postos serem
estabelecimentos comerciais típicos e portanto não disporem de corpo técnico
especializado em medição de gás;
Embora exista legislação acerca deste assunto, as cadeias de rastreamento
metrológico de ambos sistemas são distintas e não passam por confrontações
diretas (vide figura 2.4).
As principais diferenças entre os sistemas de medição citados encontram-se
relacionadas na tabela 2.1.
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Figura 2.4: Confronto das cadeias metrológicas: Sistema volumétrico (concessionárias de gás natural)
e mássico (dispensers)
ITEM EM QUESTÃO
SISTEMA CORIOLIS SISTEMA ROTATIVO
ORIGEM Criado para
aplicações típicas de
pesos e medidas..
Criado na indústria do Gás Natural
TEMPO DE USO NA
INDÚSTRIA DO GÁS
NATURAL
De uso recente na
indústria do GN
Usado há bastante tempo na
indústria do gás natural
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GRANDEZA
MEDIDA
Medem a massa do
gás, podendo inferir a
energia ou volume.
Medem o volume de gás, podendo
inferir a energia ou a massa.
CALIBRAÇÃO Calibrados por
padrões mássicos.
Possui procedimentos de calibração
aceito em âmbito mundial.
Calibrados por padrões
volumétricos.
Tabela 2.1: Comparação Sistema de medição com medidor coriolis X Sistema de medição com
medidor rotativo
3 Como funciona o Sistema GNV
A única grande diferença entre um veículo a gasolina e um veículo GNV é o sistema
de combustível. Os veículos são originalmente projetados para uso de combustíveis
líquidos como o álcool, a gasolina e o diesel. Para utilizar o GNV necessitam receber
acessórios (kit de conversão) que são agregados aos equipamentos originais do
veículo, tornando-o bi-combustível. Na figura (3.1) abaixo, Pode-se observar os
principais componentes e suas descrições.
21
Figura 3.1 – Esquema de funcionamento do sistema GNV
O Kit de GNV é dividido basicamente em 10 partes como mostra a figura (3.2).
Dentro de cada item, pode-se relacionar suas principais funções que se dividem:
Figura 3.2 – Esquema macro dos componentes de um Kit de GNV
3.1 Cilindro de armazenamento com válvula;
Fabricados a partir de tubos de aço sem costura, são apropriados para o
armazenamento do GNV a uma pressão de 200 kgf/cm². A válvula instalada nestes
cilindros é dotada de dispositivo de segurança para os casos de excesso de
pressão.
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3.2 Chaves comutadora de combustível (gás / líquido);
Comanda eletricamente as eletro-válvulas de combustível (gás/líquido) controlando a
passagem de um combustível para outro a partir do painel do veículo
3.3 Tubulação;
São as canalizações do sistema por onde passa o GNV
3.4 Emulador;
Responsável pela manutenção da regulagem do motor mesmo após a troca do
combustível.
3.5 Variador de avanço;
Processa as informações recebidas da unidade de comando da ignição eletrônica,
adequando o ponto de ignição em função da rotação e compensando as perdas
decorrentes da diferença de velocidade de propagação de chama entre o
combustível líquido e o gasoso.
3.6 Válvulas de corte de combustível;
São acionadas eletricamente e comandam a passagem de combustível (gás/líquido)
para o motor.
3.7 Redutor de pressão;
Principal item do kit de conversão, é responsável pela redução da alta pressão de
armazenamento do GNV nos cilindros até a pressão de utilização no motor. É
dotado de dispositivos de segurança e de fechamento elétrico ou a vácuo.
3.8 Misturador;
Responsável pelo controle da quantidade de gás dentro do motor, estabelecendo a
relação ar/combustível mais próxima do ideal. Pode ser de concepção mais simples
(misturador) ou eletrônica (injeção direta).
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3.9 Válvula de abastecimento;
Multi-válvula com dispositivo de abastecimento, fechamento rápido e retenção do
gás armazenado nos cilindros. Esta válvula permite que o veículo seja abastecido
com segurança.
3.10 Indicador da quantidade de combustível;
Indicador da quantidade de GNV disponível nos cilindros de armazenamento, onde o
projeto se aplicará.
O indicador de gás dos automóveis movidos à GNV são imprecisos por sofrerem
influência da temperatura externa, ou seja, com a variação da temperatura, a
pressão do cilindro fica inconstante. Hoje no mercado não há um tipo de correção da
pressão.
O sensor de pressão dos carros com Kit GNV (figura 6.3) são de baixa resolução.
São sensores ópticos que não indicam pequenas variações de pressão que o gás
sofre justamente com a variação da temperatura.
Figura 6.3 – Sensor de pressão atual
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3.11 Distribuição Nacional
Este capítulo tem por objetivo apresentar uma breve discussão sobre vários
conceitos importantes para o entendimento das transformações de veículos à
gasolina e álcool para um sistema bi-combustivel utilizando o gás natural veicular. A
participação desse combustível está concentrada em 32% no Oriente Médio, 37% na
comunidade Européia e no restante do mundo atinge 31%.
No Brasil encontram-se várias distribuidoras de gás natural, que operam nas
diferentes regiões do país: a RONGÁS do norte, CEGÁS, BAHIGÁS e ALGÁS da
região nordeste, MSGÁS da região Centro-Oeste, PETROBRÁS, COMGÁS e
COMPAGÁS da região Sudeste e SULGÁS da região Sul.
Encontram-se ainda, diferentes composições químicas para o gás natural
consumido no Brasil, de acordo com a região de extração. Por exemplo, o gás
consumido no Rio de Janeiro apresenta composições de metano na ordem de
89,4% aproximadamente, enquanto na Bahia o gás apresenta uma composição de
88,5% de metano. Nos estados de Alagoas, Rio Grande do Norte, Espírito Santo e
Ceará, o gás apresenta respectivamente 76,9%, 83,4%, 84,8% e 75,5% de metano
enquanto o gás oriundo do Gasoduto Brasil-Bolívia apresenta uma composição de
91,8% de metano.
Em relação aos aspectos técnicos do uso de gás natural veicular, a evolução
dos Sistemas de Conversão acompanha tanto a evolução dos sistemas de injeção
de combustível liquido quanto o aumento das restrições de emissões veiculares
impostas por órgãos competentes. Diversos autores também denominam sistemas
de conversão como “Kit´s de conversão”. A palavra “Kit” tem origem no idioma inglês
e significa equipamento ou conjunto no idioma português.
Os equipamentos encontrados comercialmente a destino da conversão de
veículos podem ser utilizados para qualquer composição do combustível gás natural.
Segundo Pelliza (2003), “geralmente os fabricantes de “Kit´s” de conversão possuem
seus produtos destinados a veículos equipados com injeção eletrônica e catalisador
ou carburador. Os “Kit´s” mais simples são destinados a veículos carburados (sem
injeção eletrônica), e geralmente não possuem controle eletrônico da mistura ar /gás,
sendo dotados basicamente de cilindro de armazenamento de gás, válvula de
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abastecimento, válvula de cilindro, redutor de pressão, misturador e tubulações,
podendo-se instalar um equipamento adicional chamado variador de avanço que
possui a função de melhorar o rendimento do veículo. Para veículos com injeção
eletrônica, tem-se além dos equipamentos listados anteriormente, emulador de
sensor de O2 e eletros-injetores, sendo encontrado também, “Kit´s” com a
capacidade de efetuar eletronicamente o controle da relação ar /gás de forma a
mantê-la estequiométrica. Existem ainda “Kit´s” de conversão com sistema de
injeção direta de GNV (bicos injetores de gás), utilizados em motores com injeção
eletrônica, sensor de O2 e catalisador, projetados e construídos para integrarem-se
com os mais modernos sistemas de injeção eletrônica de forma a manter inalterado
os níveis de emissões em qualquer situação de solicitação do motor”.
Determinados autores preferem dividir a evolução técnica dos sistemas de
conversão de acordo com o sistema de injeção do combustível. Segundo Villanueva
(2002) [25], os sistemas de conversão podem ser caracterizados da seguinte forma:
“- ‘Kit’ de Conversão de 1ª Geração (regulagem mecânica do combustível, sem
controle em malha fechada)”.
- ‘Kit’ de Conversão de 2ª Geração (regulagem mecânica do combustível e
controle de estequiometria em malha fechada ou injeção de combustível, sem controle
em malha fechada).
- ‘Kit’ de Conversão de 3ª Geração (injeção de combustível e controle em malha
fechada).
“- ‘Kit’ de Conversão de 4ª Geração (injeção de combustível e controle em malha
fechada e compatibilidade com o sistema OBD)”.
Quanto aos trabalhos consultados, abordando tecnologias referentes às
transformações de veículos, o de (Podnar, D.J. e Kubesh, J.T., 2000) analisa o
desenvolvimento de uma nova geração de motores a gás natural em substituição
aos motores Diesel, apresentando inovações nos sistemas de ignição e injeção de
gás natural em motor Diesel Jhon Deere de 8100 cm3. Consultou-se ainda (Cox,
G.B. and DelVecchio, K.A.,2000), cujo tema trata do desenvolvimento de uma
injeção direta de gás natural em motores de veículos de serviço pesado, relatando
as pesquisas de escoamento de gases em câmaras de combustão através de
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métodos computacionais e as falhas existentes em bicos injetores após um
determinado tempo de operação. Verificou-se que a grande parte dos trabalhos
disponibilizados pelos autores estrangeiros como (Yang.M. and Min.T.W.,1997) e
(Pascoli,S. e Luzzati.T.,2001), tratam de pesquisas referentes a conversão de
motores Diesel à motores Diesel-Gás, pois o principal objetivo dos paises Europeus,
Asiáticos e Norte Americanos é a redução dos níveis de poluição e ruído urbano,
ocasionados principalmente por motores a Diesel de ônibus e caminhões ficando o
gás natural à alternativa mais econômica e viável para obtenção desses objetivos
em comparação com outras alternativas como veículos elétricos ou alimentados por
células de combustível, basicamente hidrogênio.
Dentre os trabalhos nacionais publicados (Machado, E.,2002), elaborou um
trabalho com o objetivo de fornecer suporte teórico e prático sobre as
transformações de veículos à gasolina e à álcool para gás natural veicular, em um
sistema bi-combustivel, motivados pelas péssimas transformações encontradas no
mercado, procurando encontrar soluções que diminuam os problemas de perdas de
potencia e emissões de poluentes.
Em relação aos aspectos econômicos do Gás Natural, segundo Fernandes
(2000), “dentro da regulamentação dos serviços públicos, a regulação tarifária cumpre o
papel de controle econômico do projeto, garantindo a rentabilidade do investidor e a
preservação do bem-estar do consumidor, dentro de um regime de monopólio natural”.
No âmbito da exploração nacional, a Lei nº 9.478 de 6 de Agosto de 1997
estabeleceu condições para o exercício das atividades econômicas abrangidas pelo
monopólio da União, relativas a Petróleo e Gás Natural. A denominada Lei do Petróleo
viabilizou ainda a regulação, contratação e fiscalização das atividades econômicas
referentes a Petróleo e derivados, Gás Natural e Biocombustíveis.
Referente à formação de preços ao consumidor, a Portaria Interministerial nº 3 de
1º de Abril de 2000 dos Ministérios de Minas e Energia e da Fazenda visava
desregulamentação dos preços dos combustíveis em caráter progressivo, com liberação
dos preços do Gás Natural nacional e importado nos pontos de entrega às
distribuidoras.
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Em relação aos aspectos ambientais do uso de Gás Natural Veicular, a emissão
de poluentes em gases de escape tem sido objeto de estudo de diversas pesquisas.
Segundo Villanueva (2002) :
“Os principais poluentes emitidos pelo escapamento dos veículos automotores
são:“
- Monóxido de Carbono (CO), que tem a sua formação regulada principalmente
pela relação Oxigênio / Combustível presente na câmara de combustão e pela eficiência
da queima da mistura Ar / Combustível.
- Hidrocarbonetos (HC), também conhecidos como combustíveis não
queimados ou ainda como frações de compostos orgânicos, são frações do
combustível que não foram queimadas ou que sofreram apenas oxidação parcial.
- Óxidos de Nitrogênio (NOx), que têm a sua formação regulada, principalmente,
pela temperatura no interior da câmara de combustão.
- Óxidos de Enxofre (SOx), que resultam da oxidação do Enxofre (S) presente
como impureza nos combustíveis fósseis.
- Material Particulado (MP), que resulta da combustão das frações mais
complexas de Hidrocarbonetos em condições de insuficiência de Oxigênio e tempo para
uma queima adequada, bem como de condensação dos aerosóis e vapores e de
desgaste ou deterioração de materiais.
“- Aldeídos (R-CHO) que resultam da oxidação parcial do combustível durante a
queima. Os principais Aldeídos, em termos de quantidade emitida, são o Formaldeído e
o Acetaldeído”.
Entre os combustíveis comercialmente utilizados em veículos leves nacionais -
Gasolina, Álcool e Gás Natural Veicular, o terceiro é popularmente considerado como
alternativa menos poluente, sendo freqüentemente citado em meios de comunicação
como “combustível limpo” e “ecologicamente correto”.
Em relação aos aspectos mercadológicos do uso de Gás Natural Veicular, a
disponibilidade do combustível é fator decisivo para a viabilização de toda sua cadeia de
consumo. Segundo estudos de Oil & Gas Journal (2005), as reservas mundiais
comprovadas de Gás Natural somam 172,0 x 1012 m3, com projeção de reservas de
cerca de 61 anos.
28
No Brasil, de acordo a Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e
Biocombustíveis (2006), as reservas comprovadas de Gás Natural somam 306,4 x 109
m³, com projeção de reservas para um período mínimo de 50 anos.
Estudos realizados por entidades relacionadas com Gás Natural mostram a atual
situação do mercado nacional. Segundo Gasnet (2005), o país dispõe de rede de 1.163
postos de Gás Natural Veicular, distribuídos em 18 Estados e em processo de
expansão.
De acordo com dados do IBP - Instituto Brasileiro de Petróleo e Gás (2006), a
frota nacional de veículos convertidos atingiu 1.053.000 veículos em Dezembro de 2005.
Segundo o INMETRO - Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e
Qualidade Industrial (2005), existem no país 724 oficinas de Conversão para uso de Gás
Natural Veicular operando em condições regulamentadas.
4 Projeto do indicador digital
Para resolver o problema da indicação errada da pressão de gás no reservatório,
projetamos um indicador digital, utilizando microcontrolador para fazer a correção da
medida de pressão em função da temperatura. Para a medida de temperatura foi
utilizado um sensor tipo RTD com precisão de 0,5% e para a medida de pressão foi
utilizado um transdutor, fabricado pela Honeywell, capaz de medir pressão de até 5000
psi, com precisão de 1%.
O projeto do indicador digital foi desenvolvido utilizando o microcontrolador PIC
16F687 (Figura 4.1). Esse microcontrolador apresenta algumas características
interessantes:
Utiliza tecnologia CMOS e apresenta baixo consumo de energia
Possui um conversor A/D de 10 bits;
Possui 2048 bytes de memória FASH;
Baixo preço: R$ 6,00;
Possibilidade de reprogramação com o circuito montado (ICSP – In-Circuit Serial
Programming)
Encapsulamento DIP 20;
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Figura 4.1 - Pinagem do PIC 16F687.
O diagrama de blocos do circuito interno do microcontrolador está mostrado na
Figura 8.2. Como pode ser visto, esse circuito apresenta 3 portas de entrada/saída, um
conversor A/D de 12 entradas e dois circuitos comparadores analógicos. A interface de
comunicação é implementada por uma porta serial síncrona.
Além do microcontrolador e dos sensores, foram utilizados dois amplificadores
operacionais, dois displays de 7 segmentos e alguns componentes analógicos, com
pode ser visto no diagrama esquemático da Figura 4.2.
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Figura 4.2. Diagrama de blocos do circuito interno do PIC 16F687.
31
4.1 Descrição do circuito do indicador digital de pressão
O circuito utiliza um transdutor de pressão modelo MLH 500G, da Honeywell.
Esse transdutor fornece uma tensão de 0 – 5V na saída. A saída do transdutor foi ligada
a um amplificador não inversor de ganho unitário, ligado à entrada AN0 do conversor
A/D do microcontrolador, (Figura 4.3). A medida de temperatura é feita por um RTD
(Resistance Temperature Detector), que apresenta uma resistência nominal de 100Ω. A
variação da resistência do RTD, que é proporcional à temperatura, é convertida para
tensão pelo amplificador IC1A. A saída de IC1A está conectada à entrada AN1 do
conversor A/D.
Figura 4.3: Diagrama esquemático do indicador digital.
4.2 A medida de temperatura
O RTD é um resistor fabricado com um filme de platina e que apresenta a
resistência de 100 Ω a 0oC. Esse resistor apresenta um coeficiente de variação da
resistência padronizado DIN-IEC igual a 0,00385 Ω/oC. A tensão na entrada do
amplificador IC1A é:
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VT = 0,385 X 10-3 V/oC
Para utilizar a máxima resolução do conversor A/D, ajustamos o ganho do
amplificador em 13, assim na entrada do conversor teremos 5 mV/oC, o que produz uma
resolução de 0,2oC.
4.3 A medida de pressão
O transdutor de pressão 1 mV/psi, como a resolução do conversor A/D é de 5
mV/bit, utilizamos um amplificador com ganho unitário e a resolução final da conversão
será de 5 psi/bit ou aproximadamente 0,3 atm.
4.3 Correção da medida de pressão
A correção da medida de pressão com a temperatura é uma tarefa complicada
porque envolve vários parâmetros: temperatura, pressão, densidade, porcentagem de
CO2, porcentagem de N2, composição.
As medidas de pressão e temperatura adquiridas pelos sensores, são
processadas utilizando um algorítimo de correção, baseado na norma NX-19 da AGA
(American Gas Association). Como a composição do GNV depende da fonte produtora,
utilizamos uma média nacional, considerando a composição do gás boliviano, da Bahia
e do Espírito Santo. O fator de compressibilidade, z, foi incorporado nos cálculos
utilizando-se as tabelas da AGA, para a faixa de temperatura de -20oC até 60oC.
4.4 Simulação do funcionamento do indicador de pressão
Simulamos o funcionamento do algorítimo de correção da pressão utilizando um
kit de desenvolvimento fabricado pela Microchip. As condições foram as seguintes:
• Os sensores de pressão e temperatura foram substituídos por resistores
variáveis;
• O volume do tanque de armazenamento de gas foi mantido constante;
• Os valores de pressão e temperatura foram ajustados utilizando-se as curvas de
calibração fornecidas pelo fabricante.
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Comparando-se os valores corrigidos (produzidos pela simulação) com os
valores padronizados, obtivemos um erro de 3%.
Não podemos fazer uma comparação direta entre o indicador de pressão
convencional e o nosso projeto. No indicador convencional, a pressão é indicada por
5 segmentos, se o considerarmos linear (o que não é correto), teremos a indicação
em intervalos de 40 atm. Já no nosso indicador, a pressão é mostrada em
porcentagem, 0 a 99%, utilizando-se dois displays de sete segmentos. A informação
na forma digital, além de mais precisa, permite ao condutor do veículo estimar a
autonomia com maior segurança.
5 Conclusão
O projeto apresentado, além de informar a pressão no formato digital, (que
indiretamente mostra ao condutor a quantidade de GNV disponível no reservatório)
reduz drasticamente o erro na medida de pressão causado pela variação de
temperatura. Embora seja utilizado um microcontrolador, seu custo é pequeno, sendo
que os componentes mais caros são o transdutor de pressão e o RTD (US$ 42,00 e
US$26,00 respectivamente). Os próximos passos no desenvolvimento do projeto seriam
a implementação e testes do protótipo. Visando um aproveitamento comercial do
projeto, seria interessante buscar componentes mais baratos: substituir o transdutor de
pressão piezoelétrico por um capacitivo e substituir o RTD de platina por outro de baixo
custo, tornando o projeto competitivo, em termos de preço, com o produto vendido
atualmente, que é baseado num manômetro de membrana, sem correção de
temperatura.
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12 Referências Bibliográficas ANP. AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS. Rio de Janeiro, 2004. Boletins Anuais de Reservas ANP/SDP. Disponível em: <www.anp.gov.br>. Acesso em: 07 de set. 2008.
ANP. AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS. Rio de Janeiro, 2006. Boletim Mensal do Gás Natural.
ANP. AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS. Rio de Janeiro, 2006. Levantamento de preços.
ANP. AGÊNCIA NACIONAL DO PETRÓLEO, GÁS NATURAL E BIOCOMBUSTÍVEIS. Rio de Janeiro, 2006. Lista de concessionários ativos (exploração, desenvolvimento e produção). Disponível em: <http://www.brasil-rounds.gov.br>. Acesso em: 26 de Jun. 2008.
CETESB. COMPANHIA DE TECNOLOGIA DE SANEAMENTO AMBIENTAL. São Paulo, 2005. Emissões Proconve.
Disponível em: <www.cetesb.sp.gov.br>. Acesso em: 07 de set. 2008. CONAMA. CONSELHO NACIONAL DO MEIO AMBIENTE. São Paulo, 2004. Resolução nº
354 de 13 de Dezembro de 2004. Disponível em: < www.mma.gov.br/conama>. Acesso em: 28 de Jul 2008. CORRÊA, S. M.; ARBILLA, G. Formaldehyde and acetaldehyde associated with the
use of natural gas as a fuel for light vehicles. Atmospheric Environment, n.39, p. 4513–4518, Rio de Janeiro, 2005.
Cox, G.B. and DelVecchio, K.A.,2000. “Development of a Direct-Injected Natural
Gas Engine System for Heavy-Duty Vehicles”, Caterpillar, Inc. Peoria lllinois. DA COSTA, S. G. Perspectivas e Condicionantes do Desenvolvimento do GNV no
Brasil. Fundação Getúlio Vargas, São Paulo, 2005. DE NEVERS, N. Air Pollution Control Engineering. Utah: McGraw-Hill Higher
Education, 2000. p. 471-506. FERNANDES, E. S. L. Mecanismo de Regulação Tarifária na Indústria de Gás
Natural: O Caso do Gasoduto Brasil-Bolívia. 2000. 181 p. Tese (Doutorado) - Programa Interunidades de Pós Graduação em Energia da Universidade de São Paulo. São Paulo, 2000.
GASNET. SITE DO GÁS NATURAL. Brasil, 2005. Postos de GNV. Disponível em: <www.gasnet.com.br>. Acesso em: 12 de Set. 2008. IANGV. INTERNATIONAL ASSOCIATION FOR NATURAL GAS VEHICLES. Auckland, 2006. International Statistics. Disponível em: <www.iangv.org>. Acesso em: 22 de abr. 2008.
35
IBP. INSTITUTO BRASILEIRO DE PETRÓLEO E GÁS. Rio de Janeiro, 2006. Estatística GNV. Raio X do Setor. Disponível em: <www.ibp.org.br>. Acesso em: 25 de jul. 2008. INMETRO. INSTITUTO NACIONAL DE METROLOGIA, NORMALIZAÇÃO E
QUALIDADE INDUSTRIAL. Rio de Janeiro, 2005. Listagem de Instaladores Registrados - GNV. Disponível em:
<www.inmetro.gov.br/infotec/oficinas/listagem.asp>. Acesso em: 15 de Jun. 2008. LORA, E. E. S. Prevenção e Controle da Poluição nos Setores Energético,
Industrial e de Transporte. 2.ed. Rio de Janeiro: Editora Interciência, 2002. LUTGENS, F. K.; TARBUCK, E. J. The Atmosphere - An Introduction to
Meteorology. 7 ed. New Jersey: Prentice Hall, 1998. p. 303-318. Machado E., 2002. “Transformação de Motores Otto para Utilização do Gás
Natural Veicular”, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Departamento de Engenharia Mecânica, Porto Alegre, RS.
O&GJ. OIL & GAS JOURNAL. Oil & Gas Journal Articles. Houston, 2005. Disponível em: <www.ogj.pennnet.com>. Acesso em: 05 de nov. 2008. Pascoli.S. e Luzzati, T., 2001. “Natural Gás, Cars and the Environment. A
(relatively) ‘Clean’and Cheap Fuel Looking for Users”, Dipartimento di Scienze Economiche, Universita di Pisa, Pisa, Italy.
PELLIZA, G. Análise de Veículos Convertidos para o uso do Combustível Gás
Natural. 2003. 123p. Dissertação (Mestrado) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Porto Alegre, 2003.
PETROBRAS. PETRÓLEO BRASILEIRO S/A Rio de Janeiro, 2005. Portal Gasenergia: Sobre
o Gás Natural. Disponível em: <www.petrobras.com.br>. Acesso em: 15 de nov. 2008. Podnar. D.J. and Kubesh, J.T., 2000. “Development of the Next Generation
Medium-Duty Natural Gas Engine” Southwest Research Institute, San Antonio, Texas.
Silva, V.C., 2001. “Gás Natural”, Grupo de Estudos Térmicos e Energéticos,
Programa de Pós Graduação em Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS.
VILLANUEVA, L. Z. D. Uso de Gás Natural em Veículos Leves e Mecanismo de
Desenvolvimento Limpo no contexto brasileiro. 2002. 166p. Tese (Doutorado) - Programa Interunidades de Pós Graduação em Energia da Universidade de São Paulo. São Paulo, 2002.
36
Yang,M. and Min,T.W.,1997. “Compressed Natural Gas Vehicles: Motoring Towards a Cleaner Beijng”, China North Vehicle Research Institute, Beijing, China