otimizaÇÃo do sistema de partida a frio de veÍculos a ... · anderson luiz de souza, engº...

PUC Minas

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

MESTRADO EM ENGENHARIA AUTOMOTIVA

OTIMIZAÇÃO DO SISTEMA DE PARTIDA AFRIO DE VEÍCULOS A ÁLCOOL PARA

REDUÇÃO DAS EMISSÕES NA EXAUSTÃO

Luís Carlos Monteiro Sales

Belo Horizonte, 18 de dezembro de 2001

À minha mãe pela dedicação e carinho.

Ao meu pai pelo exemplo de perseverançae luta. “in memoriam”

À minha esposa Ana e aos meus filhosLuís Gustavo e Mariana, que representamo significado maior de meu esforço.

ii

ii

Agradecimentos

Ao Engº João Irineu Medeiros, por acreditar em meu potencial.

À Dra. Silvana Arrivabeni Rizzioli, pelo seu empenho e colaboração no

intercâmbio entre a Indústria e a Universidade.

Ao Engº Julio Cesar Duarte, pela disponibilidade do Laboratório de Emissões e

Consumo da F.A. Powertrain Ltda.

Ao Prof. Dr. José Ricardo Sodré, pela orientação e aprendizado.

A todos professores e funcionários do Departamento de Engenharia Mecânica

da PUC Minas, que contribuíram para minha formação.

Aos meus colegas da F.A. Powertrain, que constituíram de forma espontânea

a equipe que colaborou para execução deste trabalho: Paulo Donisetti Correa,

Anderson Luiz de Souza, Engº Cláudio Malard Assad, Bl. Química José

Roberto Caetano Machado, Fábio Henrique Barbosa, Robson Rodrigues

Machado, Roberto Cota Coura, Héldio Emilio Martins e Cláudio Henrique da

Silva.

Aos Srs. Guido Spada e Fábio Tarasco, da Magneti Marelli do Brasil.

À Fiat Automóveis S.A. e à F.A. Powertrain Ltda., pela oportunidade e

concessão da bolsa de estudos.

.

RESUMO

Este trabalho descreve um sistema auxiliar de partida a frio otimizado para

veículos a álcool, visando obter um tempo de partida a frio mais curto e

uniforme e diminuir as emissões de poluentes na exaustão durante o período

de aquecimento do motor. O conceito adotado para diminuição de poluentes

consiste na utilização de uma mistura combustível/ar menos rica durante a

partida a frio e no período de aquecimento do motor, através de menores

quantidades de gasolina e álcool injetadas. Para tal, utilizou-se um eletroinjetor

(bico injetor) para uma pulverização mais eficiente da gasolina no coletor de

admissão do motor à vazão e pressão controladas, em substituição ao sistema

convencional, onde a introdução da gasolina é realizada através de um tubo

com furo calibrado. O sistema otimizado proporcionou tempos de partida a frio

uniformes e mais curtos em relação ao sistema convencional na ordem de

31,10%. As reduções observadas nas emissões de HC, CO, NOx e aldeídos

foram em torno de 30,09%, 47,85%, 14,09% e 27,27% respectivamente, com o

veículo dotado de pré-catalisador e catalisador principal.

ABSTRACT

This work describes an optimized auxiliary cold start system for alcohol-fuelled

vehicles, aiming to obtain shorter and uniform cold start time intervals and

reduced exhaust pollutant emissions during the engine warm-up period. The

adopted concept for reduced emissions consists in the utilization of leaner

fuel/air mixtures during the cold start and warm-up periods, through lesser

amounts of injected gasoline and alcohol. For this purpose, an electronic fuel

injector was adopted for a more efficient gasoline pulverization in the intake

system at controlled flow and pressure, in substitution to the conventional

system, where introduction of gasoline is done by a calibrated hole in a pipe.

The optimized system allowed for uniform cold start at shorter time intervals in

comparison to the conventional system, in the order of 31,10%. The observed

reduction on HC, CO, NOx and aldehyde emissions were around 30,09%,

47,85%, 14,09% and 27,27%, respectively, using pre-catalytic and main

catalytic converters in the exhaust system.

SUMÁRIO

LISTA DE FIGURAS ................................................................... IX

LISTA DE TABELAS ................................................................. XV

NOMENCLATURA .................................................................. XVII

CAPÍTULO 1 – INTRODUÇÃO .................................................... 1

1.1 - Motivação .............................................................................. 1

1.2 - Objetivo ................................................................................. 6

1.3 - Estado da Arte ....................................................................... 6

1.4 - Escopo da Dissertação ........................................................... 9

CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ............................. 11

2.1 - Partida e Funcionamento a Frio ............................................. 11

2.1.1 - Carburador Experimental com Atomizador ........................ 11

2.1.2 - Utilização do Composto Etanol-Dietil Éter-Água ................ 12

2.1.3 - Utilização de MTBE (Metil-t-Butil-Éter) ............................. 13

2.1.4 - Utilização da Gasolina .................................................. 13

2.2 - Emissões de Poluentes ........................................................ 13

Sumário vi

2.2.1 - Emissões Durante o Período de Aquecimento ................ 14

2.2.2 - Influência da Razão de Equivalência nas Emissões de

Poluentes ................................................................. 19

2.2.3 - Hidrocarbonetos ........................................................ 21

2.2.4 - Monóxido de Carbono ................................................. 28

2.2.5 - Óxidos de Nitrogênio .................................................. 29

2.2.6 - Aldeídos ................................................................... 31

CAPÍTULO 3 – ANÁLISE DA QUANTIDADE DO

COMBUSTÍVEL INJETADO ....................................................... 34

3.1 - Introdução .......................................................................... 34

3.2 - Equação da Combustão da Mistura Álcool – Gasolina ............ 38

3.3 - Cálculo da Quantidade de Combustível Injetado para a

Relação Estequiométrica ..................................................... 40

3.4 - Quantidade de Gasolina e Álcool Injetados nas Acelerações

Durante o Período de Aquecimento do Motor ........................ 44

CAPÍTULO 4 – METODOLOGIA EXPERIMENTAL .................. 45

4.1 - Aparato Experimental .......................................................... 45

4.1.1 - Característica do Veículo e do Motor ............................... 45

4.1.2 - Sistema de Partida a Frio Convencional ........................... 46

Sumário vii

4.1.3 - Sistema de Partida a Frio com Injetor de Combustível ........ 48

4.1.4 - Instrumentação do veículo .............................................. 52

4.1.5 - Sistema de Aquisição de Dados da Central Eletrônica do

veículo ........................................................................ 53

4.1.6 - Sistema de Medição da Razão de Equivalência

Ar/Combustível (ë) ........................................................ 54

4.1.7 - Instrumentos de Medição ............................................... 54

4.1.8 - Dinamômetro de Chassi ................................................. 55

4.1.9 - Sistema de Amostragem e Análise de HC, CO e NOx .......... 55

4.1.10 - Sistema de Amostragem e Análise de Aldeídos ................. 57

4.2 - Procedimentos Experimentais .............................................. 59

4.2.1 - Ajuste das Quantidades de Álcool e Gasolina ................... 59

4.2.2 - Configuração do Veículo ............................................... 61

4.2.3 - Testes de Emissões ..................................................... 62

4.2.4 - Execução dos Testes de Emissões e Tempo de Partida a

Frio ........................................................................... 64

CAPÍTULO 5 – RESULTADOS .................................................. 66

5.1 - Testes para Determinação dos Tempos de Partida a Frio ........ 66

Sumário viii

5.2 - Avaliação da Aceleração a Frio ............................................. 68

5.3 - Testes de Emissões ............................................................. 69

5.3.1 - Resultados de Emissões nas Configurações

1, 2, 3, e 4 ................................................................ 69

5.4 - Resultados de Emissões das Configurações 5, 6, 7 e 8 .......... 78

CAPÍTULO 6 – CONCLUSÕES ................................................. 83

6.1 - Tempo de Partida a Frio ....................................................... 83

6.2 - Acelerações a frio ............................................................... 83

6.3 - Resultados de Emissões ...................................................... 84

6.4 - Sugestões para Trabalhos Futuros ....................................... 85

APÊNDICE A – TABELAS DE RESULTADOS ......................... 87

APÊNDICE B – ANÁLISE DE INCERTEZAS ............................ 91

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................... 95

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1 - Venda anual de carros a álcool em relação à venda

total de carros e variação percentual entre o preço

do álcool e o preço da gasolina nos anos 80 e 90

( Seminário “Alternativas para o uso do álcool como

combustível” - I.P.T. - São Paulo,2000) .................................... 3

Figura 2.1 - Média das emissões de 20 modelos de veículos anos

1993 – 1994, testados nos 505 s iniciais do ciclo FTP

(Singer et al., 1999) ............................................................. 17

Figura 2.2 - Eficiência de conversão do catalisador em função da

relação ar/combustível (Cortesia da Johnson Matthey

do Brasil, 2001) ...................................................................... 18

Figura 2.3 - Eficiência das reações de oxidação no catalisador em

função da relação ar/combustível (Cortesia da Johnson

Matthey do Brasil, 2001) ........................................................ 19

Figura 2.4 - Variação da concentração de HC, CO, e NO na exaustão

de um motor convencional com ciclo Otto com a razão de

equivalência combustível/ar (Heywood, 1988) ....................... 20

Figura 2.5 - Efeito da razão de equivalência da mistura nas emissões

de aldeídos (Ayyasamy et al., 1981) ...................................... 21

Figura 2.6 - Principais volumes entre pistão e parede do cilindro e

camada de óleo lubrificante (Kaplan e Heywood, 1991) ........ 22

Figura 2.7 - Temperaturas nas paredes do cilindro e no topo do pistão

(Huang et al.,1998) ................................................................. 23

Lista de Figuras x

Figura 2.8 - Variação do volume da fenda no topo do pistão (Huang

et al.,1998) ............................................................................. 24

Figura 2.9 - Concentração de hidrocarbonetos não queimados da

fenda no topo do pistão (Huang et al., 1998) ................... 24

Figura 2.10 - Concentração de hidrocarbonetos formados na camada

de óleo (Huang et al., 1998) .................................................. 26

Figura 2.11 - Hidrocarbonetos provenientes da fenda no topo do cilindro

e da camada de óleo (Huang et al., 1998) ............................ 26

Figura 2.12 - Emissões de CO com gasolina e metanol (Annand e

Gulder, 1980) ........................................................................ 29

Figura 2.13 - Emissões de NO com gasolina e metanol (Annand e

Gulder, 1980) ........................................................................ 30

Figura 2.14 - Efeito da carga do motor nas emissões de aldeídos

(Ayyasamy et al., 1981) ......................................................... 32

Figura 3.1 - Emissões de HC antes do pré-catalisador expressos em

termos percentuais da concentração total emitida na

primeira fase (505 s) .............................................................. 35

Figura 3.2 - Emissões de CO antes do pré-catalisador expressos em


primeira fase (505 s) .............................................................. 36

Figura 3.3 - Distribuição de aldeídos após o catalisador expressos em


primeira fase (505 s) .............................................................. 36

Figura 3.4 - Eficiência de conversão de HC na primeira fase (505 s) ....... 37

Figura 3.5 - Eficiência de conversão de CO na primeira fase (505 s) ....... 37

Lista de Figuras xi

Figura 3.6 - Temperaturas no pré-catalisador na primeira fase

(505 s) .................................................................................... 38

Figura 3.7 - Temperaturas no catalisador principal na primeira fase

(505 s) .................................................................................... 38

Figura 4.1 - Vista geral do Sistema de Partida a Frio Convencional ........ 46

Figura 4.2 - Detalhe do ponto de introdução de gasolina no corpo de

borboleta ............................................................................... 47

Figura 4.3 - Reservatório de Combustível ................................................ 47

Figura 4.4 - Detalhe da eletroválvula e filtro de combustível .................... 48

Figura 4.5 - Vista geral do Sistema de Partida a Frio com Injetor ............ 49

Figura 4.6 - Reservatório equipado com manômetro e regulador de

pressão .................................................................................. 50

Figura 4.7 - Detalhe da posição do injetor e filtro de combustível ............ 50

Figura 4.8 - Detalhe do injetor e da galeria de combustível ..................... 51

Figura 4.9 - Detalhe da pulverização da gasolina .................................... 51

Figura 4.10 - Esquema do sistema de descarga instrumentado ................ 52

Figura 4.11 - Esquema do dinamômetro de chassi, sistema de

amostragem e analisadores de gases .................................. 56

Figura 4.12 - Esquema do sistema de amostragem de aldeídos ............... 58

Figura 4.13 - Esquema do sistema de análise de aldeídos ........................ 59

Lista de Figuras xii

Figura 4.14 - Representação do ciclo urbano para determinação das

emissões pelo escapamento de um veículo conforme a

NBR 6601 .............................................................................. 64

Figura 5.1 - Comparativo dos tempos de partida a frio das quatro

configurações ......................................................................... 67

Figura 5.2 - Comparativo da aceleração a frio com carga ......................... 69

Figura 5.3 - Emissões de HC das configurações sem catalisadores em

termos do percentual do total da concentração no “COLD

505” ........................................................................................ 70

Figura 5.4 - Emissões de CO das configurações sem catalisadores em

termos do percentual do total da concentração no “COLD

505” ........................................................................................ 70

Figura 5.5 - Média das emissões de HC das configurações 1, 2, 3 e 4

no ciclo “COLD 505” ............................................................... 71

Figura 5.6 - Média das emissões de CO das configurações 1, 2, 3 e 4

no ciclo “COLD 505” ............................................................... 72

Figura 5.7 - Comparativo dos valores da razão de equivalência

combustível/ar (φ) .................................................................. 73

Figura 5.8 - Emissões de HC das configurações sem catalisadores

nos 60 s iniciais em termos do percentual do total da

concentração no “COLD 505” ................................................ 73

Figura 5.9 - Emissões de CO das configurações sem catalisadores


concentração no “COLD 505” ................................................ 74

Lista de Figuras xiii

Figura 5.10 - Média das emissões de Aldeídos das configurações 1,

2, 3 e 4 no ciclo “COLD 505” .............................................. 75

Figura 5.11 - Emissões de aldeídos da configuração 4 em termos

percentuais da concentração total no ciclo “COLD 505”

............................................................................................ 75

Figura 5.12 - Emissões de NOx das configurações sem catalisadores

em termos do percentual do total da concentração no

“COLD 505” ........................................................................ 75

Figura 5.13 - Emissões de Aldeídos nos 50 segundos iniciais do ciclo

“COLD 505” das configurações 1 e 4 ............................... 76

Figura 5.14 - Média das emissões de NOx das configurações 1, 2, 3

e 4 no ciclo “COLD 505” ..................................................... 77

Figura 5.15 - Emissões de NOx das configurações sem catalisadores


concentração no “COLD 505” ............................................ 77

Figura 5.16 - Média dos resultados de emissões de HC no ciclo

“COLD 505” das configurações 1, 4, 5, 6, 7 e 8 ................. 79

Figura 5.17 - Média dos resultados de emissões de CO no ciclo


Figura 5.18 - Média dos resultados de emissões de NOx no ciclo


Figura 5.19 - Média dos resultados de emissões de Aldeídos no ciclo


Figura 5.20 - Média dos resultados de emissões de HC no ciclo

urbano da NBR 6601 das configurações 5, 6, 7 e 8 .......... 81

Lista de Figuras xiv

Figura 5.21 - Média dos resultados de emissões de CO no ciclo


Figura 5.22 - Média dos resultados de emissões de NOx no ciclo


Figura 5.23 - Média dos resultados de emissões de Aldeídos no ciclo


Lista de Tabelas xvi

xv

LISTA DE TABELAS

Tabela 1.1 - Limites de emissões do PROCONVE .................................... 5

Tabela 1.2 - Proposta para limites de emissões das Fases IV e V ............ 5

Tabela 1.3 - Características físico-químicas da gasolina e do Etanol

(Amaral, 2000) ........................................................................ 8

Tabela 2.1 - Média da concentração de poluentes medidos no

sistema de exaustão e ventilação do estacionamento

(Singer et al., 1999) .............................................................. 16

Tabela 3.1 - Valores dos parâmetros considerados no cálculo

da vazão ............................................................................... 42

Tabela 3.2 - Vazões de álcool e gasolina na partida a frio para a

combustão completa do composto álcool e gasolina

em função da vazão experimental de ar e do número

de moles de gasolina .....,,.................................................... 43

Tabela 4.1 - Seqüência de ajustes de vazões de gasolina obedecendo

a relação de vazões de álcool e gasolina conforme a

Tabela 3.1 ............................................................................ 60

Tabela 4.2 - Configurações do veículo para os testes de partida

a frio e emissões .................................................................. 62

Tabela A.1 - Resultados de emissões e tempo de partida a frio das

configurações 1, 2, 3 e 4 no ciclo “COLD 505” – Veículo

sem pré-catalisador e catalisador ........................................ 87

Lista de Tabelas xvi

xvi

Tabela A.2 - Resultados de emissões das configurações 5 e 6 no ciclo

“COLD 505” – Veículo com pré-catalisador e catalisador

.............................................................................................. 88

Tabela A.3 - Resultados de emissões das configurações 7 e 8 no ciclo

“COLD 505” – Veículo com catalisador ................................ 88

Tabela A.4 - Resultados de emissões das configurações 5 e 6 no Ciclo

Urbano NBR 6601 – Veículo com pré-catalisador e

catalisador ............................................................................ 89

Tabela A.5 - Resultados de emissões das configurações 7 e 8 no Ciclo

Urbano NBR 6601 – Veículo com catalisador ...................... 90

Nomenclatura xvii

NOMENCLATURA

FA Relação ar/combustível (adimensional)

a,...,j Número de moles dos produtos da combustão do álcool

hidratado e da mistura álcool e gasolina (moles)

C2H4O Concentração molar de Acetaldeído (moles)

C2H6,16O1,08 Concentração molar de etanol hidratado (moles)

C6,39H13,60O0,61 Concentração molar de gasolina com 22% de AEAC

(moles)

C6H5NH2 Concentração molar de Anilina (moles)

CH2O Concentração molar de Formaldeído (moles)

CH3 CH2OCH2 CH3 Concentração molar Dietil – éter (moles)

CH3CH2OH Concentração molar de Etanol (moles)

CH3CHO Concentração molar de Acetaldeído (moles)

CO Concentração molar de Monóxido de Carbono (moles)

CO 2 Concentração molar de Dióxido de Carbono (moles)

COF Concentração Total de CO na Fase “COLD 505” (g/fase)

AF Relação combustível/ar (adimensional)

H Concentração molar de Hidrogênio (moles)

H2O Concentração molar de Água (moles)

Nomenclatura xviii

HC Concentração molar de Hidrocarbonetos Totais (moles)

HCF Concentração Total de HC na Fase “COLD 505” (g/fase)

HCHO Formaldeído (moles)

ICO Incerteza de medição de CO (g/km)

ICOF Incerteza de leitura de CO (g/fase)

IHC Incerteza de medição de HC (g/km)

IHCF Incerteza de leitura de CO (g/fase)

INOx Incerteza de medição de NOx (g/km)

INOx F Incerteza de leitura de NOx (g/fase)

IT Incerteza Total (g/km)

m, p Número de átomos de hidrogênio (adimensional)

n, o Número de átomos de carbono (adimensional)

NO Concentração molar de óxido de nítrico (moles)

NOx F Concentração Total de NOx na Fase “COLD 505” (g/fase)

O 2 Concentração molar de oxigênio (moles)

OH Concentração molar de hidróxido (moles)

álcoolm Massa do álcool injetado por cilindro por ciclo (kg)

álcoolm& vazão mássica média de álcool por cilindro (kg/s)

arm Massa de ar admitido por cilindro por ciclo (kg)

arm& vazão mássica média de ar por cilindro (kg/s)

gasolm Massa da gasolina injetada por cilindro por ciclo (kg)

gasolm& Vazão mássica média de gasolina por cilindro (kg/s)

ar∀& Vazão volumétrica média de ar por cilindro (ml/s)

Nomenclatura xix

gasol∀& Vazão volumétrica média de gasolina por cilindro (ml/s)

arρ Densidade absoluta do ar de admissão (kg/m3)

álcoolρ Densidade absoluta do álcool (kg/m3)

t∆ Intervalo de tempo para um ciclo completo do motor (s)

álcool∀& Vazão volumétrica média de álcool por cilindro (ml/s)

gasolρ Densidade absoluta da gasolina (kg/m3)

2Nn Número de moles de nitrogênio no ar (adimensional)

2On Número de moles de oxigênio no ar (adimensional)

2OW Massa molecular do oxigênio (kg/kmol)

2NW Massa molecular do nitrogênio (kg/kmol)

λ Lâmbda – Razão de Equivalência da Mistura

ar/combustível, ( )

( )tricoestequiomé

real

FA

FA

(adimensional)

φ – Razão de Equivalência da Mistura ar/combustível,

( )( )

tricoestequiomé

real

AF

AF

(adimensional)

Ω Velocidade rotacional (rev/s)

Siglas / Abreviaturas

ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

“SPFI” Sistema de Partida a Frio com Injetor - Ajuste do controle de

Nomenclatura xx

injeção com menos álcool nas acelerações a frio.

ACN Acetonitrila

AEAC Álcool Etílico Anidro Combustível

ANFAVEA Associação Nacional dos Fabricantes de Veículos Automotores

AVC Amostrador de Volume Constante

CONAMA Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos

Automotores

DNPH Dinitrofenilhidrazina

FTP “Federal Test Procedure”

GNV Gás Natural Veicular

HPLC Cromatografia Líquida de Alta Eficiência

IBAMA Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais

Renováveis

IND Infravermelhos não Dispersivos

LQ Luminescência Química

MON “Motor Octane Number”

MPI “Multi Point Injection”

MTBE Metil-t-Butil-Éter

OPEP Organização dos Países Produtores de Petróleo

PROÁLCOOL Programa Nacional do Álcool

RON “Research Octane Number”

Capítulo 1- Introdução 1

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO

1.1- Motivação

Quando, em 1973, os países pertencentes à OPEP (Organização dos Países

Produtores de Petróleo) fizeram do petróleo uma arma política e aumentaram

demasiadamente o seu preço, o mundo mergulhou em uma profunda crise. A

crise ocorreu em um momento de grande consumo de derivados de petróleo e

de constatação da possibilidade de esgotamento das jazidas de petróleo em

um futuro próximo. Surgiu assim, a necessidade de estudos visando a

utilização de combustíveis alternativos para automóveis. Os principais

combustíveis alternativos estudados foram os oxigenados (álcoois, éteres,

etc.), óleos vegetais, combustíveis gasosos (hidrogênio, Gás Liqüefeito do

Petróleo, GNP, etc.) e sintéticos derivados do carvão. Alguns países passaram

a utilizar o metanol como fonte alternativa, porém em pequena escala.

No Brasil, criou-se o Programa Nacional do Álcool, o PROÁLCOOL, cujo

objetivo foi a substituição da gasolina usada como combustível pelos veículos

automotivos por álcool etílico (etanol). Desde 1925, o mundo conhecia a

possibilidade de utilização do álcool como combustível, porém, como a

gasolina era abundante, não houve interesse em aperfeiçoamento tecnológico.

Entre 1977 e 1979, houve uma expansão da produção de álcool de cana-de-

açúcar, que foi o vegetal escolhido para produção de álcool no Brasil. As

facilidades territoriais, o clima propício para a cultura da cana-de-açúcar e o

domínio da tecnologia fizeram do álcool um combustível tipicamente brasileiro.


Em 1978, um novo aumento brutal no preço do petróleo gerou uma nova crise

internacional, provocando no Brasil, um aquecimento no mercado de veículos

a álcool e uma queda nas vendas dos veículos a gasolina. Entretanto, os

veículos a álcool traziam problemas, sendo os principais a dificuldade de

partida e funcionamento a frio e corrosão de peças do motor. A dificuldade da

partida e funcionamento a frio ocorre porque o álcool hidratado possui um

elevado calor latente de vaporização e seu processo de destilação se inicia

somente com a temperatura próxima a 78 graus centígrados.

Em 1980, devido aos problemas de manutenção, a comercialização dos

veículos a álcool praticamente se manteve no mesmo patamar. Além disso,

havia rumores de que a produção brasileira de álcool combustível não seria

suficiente para atender à demanda de consumo.

A partir de 1982, o governo brasileiro investiu no sentido de aumentar as

vendas dos veículos a álcool, criando facilidades de financiamento e incentivos

fiscais. Os fabricantes de veículos também investiram no sentido de melhorar a

qualidade dos motores a álcool. Para minimizar o problema da partida e

funcionamento a frio, os fabricantes passaram a se utilizar de sistemas

auxiliares para a partida a frio, normalmente adicionando gasolina no sistema

de admissão do motor, formando uma mistura que possibilita uma combustão

mais rápida. Com a finalidade de evitar a corrosão, as peças envolvidas no

sistema de alimentação de combustível passaram a ser revestidas com zinco

ou fabricadas em aço inoxidável, e os tanques de combustível revestidos com

estanho. Com todo este esforço do governo e dos fabricantes, a

comercialização dos veículos movidos a álcool no Brasil chegou a ser em

torno de 90% do total.

A Fig. 1.1 mostra a situação do álcool no Brasil nos anos 80 e 90, fazendo um

comparativo entre as vendas de carros a álcool e o total de carros vendidos e

também um comparativo entre a diferença percentual entre os preços do álcool

e da gasolina. Pode-se observar que, de 1979 a 1982, houve um aumento das

vendas devido ao preço do álcool ser favorável, em torno de 60% do preço da

gasolina. Do início de 1982 até o final de 1988, as vendas chegaram a atingir

mais de 90% do mercado. Porém, em 1989, as vendas começaram a cair

vertiginosamente, principalmente devido ao aumento do preço do álcool (80%


do preço da gasolina), à falta de abastecimento de álcool e a consequente

perda de confiança do consumidor. Em 1999, a produção de veículos a álcool

foi novamente estimulada pelo governo através de programas de renovação da

frota pública e da frota de carros de aluguel, e o preço do álcool atingiu 40%

do preço da gasolina. A indústria automobilística brasileira, neste contexto,

assumiu compromissos em favor do álcool combustível, como atender à

demanda do mercado e investir em pesquisa e desenvolvimento sempre que

necessário ao aperfeiçoamento dos veículos movidos a álcool. Entretanto, a

retomada da produção do carro a álcool não ocorreu conforme o esperado.

Recentemente, em meados de 2001, as revendas de veículos a álcool no

Brasil voltaram a registrar uma significativa demanda por estes modelos,

embora ainda pequeno em relação aos modelos a gasolina. O motivo foi a

isenção de impostos para os taxistas e a diferença de preço do álcool em

relação à gasolina. Em média, o litro de álcool ficou menor cerca de 60% do

preço da gasolina.

Figura 1.1 – Venda anual de carros a álcool em relação à venda total de carros

e variação percentual entre o preço do álcool e o preço da gasolina nos anos

80 e 90 (Seminário “Alternativas para o uso do álcool como combustível” –

I.P.T. – São Paulo,2000).

Um outro problema ainda relacionado com os motores a álcool são os níveis

de poluentes emitidos durante o funcionamento a frio. Estudos mostram que,

durante o funcionamento a frio, os níveis de hidrocarbonetos (HC), aldeídos e

monóxido de carbono (CO) são muito elevados. Com o maior rigor das leis

ambientais tornou-se necessário um melhor controle das emissões veiculares,

principalmente quando o motor e o catalisador ainda não atingiram

temperaturas ideais de trabalho.

No Brasil foi institucionalizado o PROCONVE – Programa de Controle da

Poluição do Ar por Veículos Automotores – em 1986 (Resolução CONAMA

18/86), que estabeleceu limites para as emissões de monóxido de carbono

(CO), hidrocarbonetos (HC), óxidos de nitrogênio (NOx), aldeídos e emissões

evaporativas. A Tab. 1.1 mostra a evolução dos limites de emissões no Brasil.


É importante ressaltar que, para atender aos limites impostos pela FASE III, os

fabricantes tiveram que utilizar pré-catalisador em alguns modelos de veículos

movidos a álcool para diminuir principalmente as emissões de hidrocarbonetos,

monóxido de carbono e aldeídos na fase fria de funcionamento. Os óxidos de

nitrogênio são formados em menores quantidades.

Em um futuro próximo, os limites de emissões no Brasil serão ainda menores.

A Tab. 1.2 mostra a proposta do IBAMA (Instituto Brasileiro do Meio Ambiente

e dos Recursos Naturais Renováveis) e dos fabricantes de veículo

representados pela ANFAVEA (Associação Nacional dos Fabricantes de

Veículos Automotores) para a FASE IV e a Fase V do PROCONVE. Os novos

limites induzem a maiores investimentos e desenvolvimento tecnológico dos

veículos, principalmente na fase fria de funcionamento, para atender aos

limites de hidrocarbonetos excluso metano (NMHC) e aldeídos.

Para minimizar o problema de início de funcionamento dos motores a álcool

hidratado e, conseqüentemente, obter melhores resultados de emissões, é de

fundamental importância a otimização da partida e início de funcionamento a

frio destes motores, pois, quanto maior é o tempo de partida, maior é a

quantidade de combustível não queimado na descarga.

Tabela 1.1 – Limites de emissões do PROCONVE


CO HC NOx Aldeídos

I01/06/88

a31/12/91

24,0 2,1 2,0Valorestípicos

3 6,0

II01/01/92

a31/12/96

12,0 1,2 1,4 0,15 2,5 6,0

IIIDesde

01/01/972,0 0,3 0,6 0,03 0,5 6,0

Evaporativas(g/teste)

FASE

COem marcha

lenta(% vol)

POLUENTES (g/km)

Tabela 1.2 – Proposta para limites de emissões das Fases IV e V

CO HC NMHC NOx Aldeídos

2005 40%

2006 70%

2007 100%

2008 40%

2009 70%

2010 100%

IV

V

0,30*2,00

FASE Veículosvendidos

AnoEvaporativas

(g/teste)POLUENTES (g/km)

2,00

2,002,00 0,30* 0,05 0,12 0,02

0,030,250,16

*Aplicável somente em veículos GNV (Gás Natural Veicular)

1.2- Objetivo

O objetivo específico deste trabalho é diminuir as emissões de HC, CO e

aldeídos de um veículo movido a álcool etílico hidratado através da otimização


da partida e do período inicial de funcionamento em carga do motor a frio.

A otimização proposta é proporcionada pela substituição do sistema de partida

a frio convencional por um sistema de adição de gasolina na admissão do

motor através de um eletroinjetor (bico injetor). Este eletroinjetor proporciona

uma pulverização de gasolina no duto de admissão do motor facilitando a

homogeneização da mistura ar/combustível. Desta forma, uma menor

quantidade de gasolina é adicionada no instante da partida e no período inicial

de funcionamento em carga do motor a frio.

Os parâmetros geométricos e de operação do motor, como ângulo de abertura

de válvulas, taxa de compressão e ângulo de avanço de ignição não são

alterados. O trabalho concentra-se na alteração da razão de equivalência da

mistura ar/combustível no início de funcionamento a frio do motor. Propõe-se

utilizar menores quantidades de álcool e gasolina na partida, proporcionando

uma mistura mais pobre, minimizando especialmente a formação de

hidrocarbonetos não queimados neste período.

De um modo geral, este trabalho visa a obtenção de tempos de partida a frio

mais curtos e uniformes. Isto proporciona uma redução nas emissões de

poluentes na fase inicial de funcionamento a frio dos motores a álcool, através

da utilização de uma mistura controlada, composta de álcool etílico hidratado

com gasolina mais 22% de AEAC (álcool etílico anidro combustível). O álcool é

adicionado pelos injetores do sistema multiponto (MPI), e a gasolina por um

injetor do sistema auxiliar de partida a frio.

1.3- Estado da Arte

Como o álcool hidratado possui uma baixa pressão de vapor e alto calor

latente de vaporização, como mostra a Tab. 1.3, ocorre uma deficiência na

partida e funcionamento a frio dos motores que utilizam este combustível. Para

superar esta deficiência os fabricantes atualmente utilizam um sistema auxiliar

de alimentação de gasolina. Este sistema é constituído por um pequeno

reservatório de gasolina, uma eletrobomba e uma eletroválvula, que

proporcionam a adição da gasolina no sistema de admissão de ar para o motor


através de uma tubulação e um furo calibrado. A gasolina é adicionada no

instante da partida a frio, assim como em situações de aceleração enquanto o

motor ainda não atingiu a temperatura ideal de trabalho. As condições de

motor frio e temperatura ambiente são determinadas pelos sensores de

temperatura da água do motor e sensor de temperatura do ar de admissão.

Com estas informações, a central eletrônica de injeção e ignição comanda o

funcionamento do sistema auxiliar de partida a frio, proporcionando o

funcionamento da eletrobomba e a abertura da eletroválvula para a passagem

da gasolina. A quantidade de gasolina é controlada pela central eletrônica de

injeção e ignição através do tempo de funcionamento da eletrobomba.

Existe, ainda, um indicador de nível de gasolina no reservatório, que faz parte

do sistema que equipa os veículos dotados de controle monoponto ou

multiponto de injeção de combustível. Os modelos mais antigos, dotados de

carburador, possuem um sistema com acionamento manual da eletrobomba.

Porém, este sistema apresenta alguns problemas, como esvaziamento da

tubulação devido à evaporação e retorno da gasolina para o reservatório e

entupimento do furo calibrado, proporcionado pela formação de goma com a

oxidação da gasolina ou até mesmo por impureza, tendo como consequência a

inconstância no tempo de partida e no funcionamento a frio.

Um outro artifício utilizado conjuntamente com a adição da gasolina é o

sistema que permite a entrada de ar quente na admissão do motor. O ar da

admissão é aquecido pelo calor liberado pelos gases da combustão, sendo

aspirado de uma tomada posicionada junto ao coletor de escapamento. O ar

quente gera um aumento da taxa de evaporação do álcool, proporcionando

uma mistura ar/combustível em melhores condições para combustão e

dirigibilidade. Este sistema normalmente é composto de um filtro de ar remoto,

constituído por uma tomada dupla de ar (quente e frio), com uma válvula para

dosagem da quantidade de ar quente ou frio destinado à aspiração. A válvula

permite a entrada de ar quente se o motor está frio e de ar frio após o

adequado aquecimento do motor.

Tabela 1.3 – Características físico-químicas da gasolina e do Etanol (Amaral,

2000).


PARÂMETROS(valores médios)

Densidade Absoluta (kg/l)

Poder Calorífico Inferior (kcal/kg)

Relação A/F Estequiométrica

Estrutrura Química

Teor de Carbono (%massa)

Teor de Hidrogênio (%massa)

Teor de Oxigênio (%massa)

Teor de Enxofre (%massa)

Temperatura de Auto-Ignição (°C)

Ponto de Ebulição (°C)

Calor Latente de Vaporização (kcal/kg)

Octanagem RON

Octanagem MON

Pressão de Vapor (bar)

Razão de Compressão

C2H6,16O1,08*

Gasolina com22% de AEAC

Etanol hidratado(93,2 INPM)

0,81

5970

8,70:1

87

29

10,5 a 13:1

0

420

78

237

106

50,59

12,98

36,429,7

0,09

0,74

9400

13,10:1

C6,39H13,60O0,61*

76,7

13,6

80

27,5

8 a 10,5:1

400

40 a 220

105

_

*Valores típicos

Houve, ainda, uma grande evolução tecnológica relacionada aos outros

componentes utilizados, como velas, bobinas, injetores, motores de partida,

etc.. A concepção do motor a álcool recebeu inovações, como modificações na

taxa de compressão, coletor de admissão com geometria que visa uma melhor

distribuição da mistura em rotações de partida e nos tempos de abertura e

fechamento das válvulas de admissão e escape, além do sistema de injeção

multiponto, que possibilita ajuste adequado da quantidade de combustível e

de produção da centelha.


Alguns estudos foram realizados com o intuito de buscar soluções para os

inconvenientes da partida e funcionamento a frio dos veículos movidos a

álcool, como utilização de um carburador com atomizador que proporciona

uma pulverização do fluido combustível, aquecedores elétricos para

vaporização do álcool, utilização de hidrocarbonetos mais voláteis (gasolina,

dimetil-éter) misturados ao álcool durante a partida e período de

funcionamento a frio e, ainda, adição de MTBE (metil-t-butil-éter) como aditivo

ao álcool. Estes trabalhos são mencionados no Capítulo de Revisão

Bibliográfica, a seguir.

1.4- Escopo da Dissertação

Este trabalho apresenta um estudo experimental que mostra como é possível

reduzir as emissões de hidrocarbonetos (HC), monóxido de carbono (CO) e

aldeídos na partida e no funcionamento a frio de motores a álcool, otimizando

o sistema auxiliar de partida a frio.

No Capítulo 2 foram identificados alguns trabalhos de pesquisadores que

estudaram tanto a partida e funcionamento a frio quanto as emissões de

poluentes proporcionadas por motores a álcool.

A análise das quantidades de álcool e gasolina ideais para um menor tempo de

partida e minimização dos níveis de emissões, envolvendo as reações de

combustão, é apresentada no Capítulo 3.

O Capítulo 4 apresenta a metodologia e todo aparato experimental utilizados

para a realização dos testes.

Os resultados experimentais dos testes realizados são apresentados no

Capítulo 5, através de gráficos, acompanhados de comentários e análises

pertinentes.

No Capítulo 6 são apresentadas as conclusões deste trabalho e sugestões

para trabalhos futuros.

Os resultados são apresentados no Apêndice A em forma de tabelas.


A análise de incertezas dos resultados de emissões é feita no Apêndice B.

Capítulo 2 - Revisão Bibliográfica 11

CAPÍTULO 2

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste capítulo são mencionados estudos de outros pesquisadores que tratam

do problema de partida e funcionamento a frio dos veículos a álcool e também

das emissões de poluentes. Estes fatores estão ligados entre si, pois se o

tempo de partida é longo ou a dirigibilidade é ruim, haverá um aumento das

emissões de poluentes, principalmente na fase fria de funcionamento do

motor. Apesar do enfoque deste trabalho ser o motor a álcool etílico hidratado,

são analisados trabalhos que abrangem tanto este combustível quanto o

metanol.

2.1- Partida e Funcionamento a Frio

Com relação à partida e funcionamento a frio do motor a álcool, são

mencionados trabalhos que tem como proposta a otimização do sistema de

alimentação de combustível ou metodologias e sistemas para misturar

compostos mais voláteis ao álcool.

2.1.1- Carburador Experimental com Atomizador

Annand e Gulder (1980) realizaram trabalhos com metanol utilizando um

veículo com motor de quatro cilindros equipado com um carburador provido de

um sistema de atomização. Compararam os resultados de tempos de partida

do carburador convencional e o carburador com atomizador. Os testes foram

realizados em uma faixa de temperatura ambiente de 14ºC a 5ºC. Os

resultados mostraram que a fina divisão do fluido combustível é uma forma de


se conseguir a melhoria da partida a frio de um motor a metanol, pois

possibilita que a mistura ar/combustível seja melhor distribuída entre os

cilindros e o efeito da baixa volatilidade seja minimizado. Na temperatura de

13ºC a partida com carburador convencional ocorreu em 2 minutos, enquanto

que com o carburador com atomizador a partida ocorreu quase

instantaneamente. Atualmente os veículos são providos de sistema de injeção

multiponto de combustível, que proporciona resultados de partida a frio com

álcool puro (etanol ou metanol) dentro dos conceitos da linha de trabalho de

Annand e Gulder.

2.1.2 – Utilização do Composto Etanol-Dietil Éter-Água

Kito et al. (1998) realizaram estudos com a mistura etanol-dietil éter-água como

combustível auxiliar para partida a frio de veículos a etanol. O objetivo era

aumentar a pressão de vapor da mistura e possibilitar a partida a frio em baixas

temperaturas. Os pesquisadores constataram que a pressão de vapor do

etanol puro é insuficiente para sustentar a chama em um vaso fechado

contendo ar em temperaturas inferiores a 13ºC, sugerindo impossibilidade de

partidas de um motor nestas condições. Por outro lado o dietil éter é inflamável

de – 42ºC a 8ºC devido a sua alta pressão de vapor. A adição de dietil éter no

etanol em temperaturas inferiores a 13ºC pode gerar pressão de vapor

suficiente para ocorrer a combustão. Esta mistura é obtida através de um

conversor que aquece o etanol (CH3CH2OH), promovendo sua dissociação em

dietil éter (CH3 CH2OCH2 CH3) e água (H2O).

Para primeira partida foi utilizado o aquecimento do etanol através de uma

resistência elétrica; após o funcionamento do veículo o aquecimento do etanol

foi feito pelo calor liberado pelos gases do escapamento. O combustível auxiliar

(dietil éter e água) é armazenado em um reservatório. Sendo assim, o

combustível composto por etanol-dietil éter e água possuía pressão de vapor

suficiente para partidas e funcionamento a frio em temperaturas inferiores a

30°C negativos. Com base nas relações entre temperatura ambiente, pressão

de vapor e flamabilidade, os autores concluíram que é necessário a conversão

de 40 a 80% de etanol em dietil-éter para a partida e operação do motor a frio.


2.1.3 – Utilização de MTBE (Metil-t-Butil-Éter)

Silva e Sodré (2000) pesquisaram e avaliaram a otimização da partida a frio de

um veículo a álcool utilizando mistura de álcool com MTBE. Os testes foram

conduzidos de forma a se determinar a temperatura limite que o motor poderia

funcionar para cada quantidade de MTBE adicionada no etanol. As

quantidades de 10%, 15%, 20% e 25% foram investigadas. O veículo foi

testado a temperaturas ambientes de 20ºC, 15ºC, 10ºC, 5ºC, 0ºC e –6ºC para

as quatro possibilidades de mistura com MTBE. Com a mistura contendo 25%

de MTBE, foi possível obter partidas a baixas temperaturas (-6ºC) em um

tempo de 2 segundos. Este resultado foi considerado satisfatório, pois os

pesquisadores verificaram que com o sistema auxiliar de adição de gasolina

utilizados em veículos de produção a temperatura ambiente mínima limite para

partida foi de –1ºC. Para o etanol puro a partida não ocorreu em temperaturas

ambiente abaixo de 13ºC, concordando com o resultado obtido por Kito et al.

(1998).

2.1.4 - Utilização da Gasolina

A adição de gasolina constitui-se em um recurso muito utilizado para o auxílio

à partida a frio de motores a álcool. É de fundamental importância que a

mistura dos combustíveis seja bem distribuída entre os cilindros. Pesquisas

demonstraram que a adição de um volume maior de gasolina ao metanol

possibilitou uma diminuição na temperatura mínima da partida a frio, o que foi

confirmado nos testes realizados por Iwai et al. (1981). Haatela e Decker

(1989) mostraram que a adição de 10% de gasolina ao metanol possibilitou ao

motor atingir temperaturas de partida a –25ºC.

2.2 - Emissões de Poluentes

Foram pesquisados trabalhos que abordam as emissões durante a partida a

frio e aquecimento dos motores, além de estudos que incluem métodos para

reduzir as emissões. São apresentados estudos realizados sobre motores

movidos a etanol e metanol que enfocam emissões de hidrocarbonetos (HC),

monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOx) e aldeídos.


2.2.1 - Emissões Durante o Período de Aquecimento

A ineficiência dos sistemas de controle das emissões pela exaustão durante o

período de aquecimento do motor proporciona níveis de emissões de

poluentes mais elevados que os observados após o completo aquecimento do

motor. Dentre os trabalhos que confirmam esta observação, menciona-se

estudo realizado por Singer et al. (1999). Os pesquisadores estimaram a

quantidade de poluentes emitidos durante o aquecimento do motor em

condições reais de funcionamento em um estacionamento subterrâneo. Os

resultados foram baseados em análises e dados disponíveis de laboratórios de

emissões. A entrada e saída dos veículos no estacionamento foi controlada,

sendo as emissões relativas à condição estabilizada dos veículos (motores

totalmente aquecidos) medidas pela manhã, ou seja, na chegada dos mesmos.

As emissões relativas ao período de aquecimento dos motores foram medidas

quando os veículos deixavam o estacionamento durante a tarde. As emissões

associadas ao período de aquecimento do motor foram obtidas através da

diferença entre as medições do período da manhã e da tarde.

Foram medidas as emissões de CO (monóxido de carbono), HC

(hidrocarbonetos), NOx (óxidos de nitrogênio), CO2 (dióxido de carbono) e

NMHC (hidrocarbonetos excluso metano). Após a partida do motor no período

da tarde, os veículos permaneciam em média 60s dentro do estacionamento.

Este período foi comparado com os 200s iniciais de funcionamento, quando

um veículo é submetido a um ciclo de testes realizados em laboratórios de

emissões utilizando dinamômetro de rolos sob condições ambientais

controladas, como temperatura, umidade e pressão.

Para estimativa dos resultados de emissões, os pesquisadores mediram a

concentração de poluentes no ar fornecido ao ambiente coletando amostras

no sistema de ventilação do estacionamento e a concentração total de

poluentes no ar dentro do estacionamento através da coleta de amostras no

sistema de exaustão do estacionamento. A Tab. 2.1 mostra a média de

concentrações de poluentes medidos nos sistema de exaustão e ventilação do

estacionamento nos períodos da manhã e da tarde. A diferença entre as

concentrações nos sistemas de exaustão e ventilação resulta na concentração


de poluentes emitidos pelos veículos. Sendo assim, os valores de

concentrações de CO2 são ligeiramente mais elevadas no período da tarde,

refletindo o maior consumo de combustível em função do aquecimento do

motor. Os níveis das concentrações de CO e NOX foram muito maiores no

período da tarde, refletindo também a influência do aquecimento do motor. Em

contraste, as concentrações de NMHC foram similares nos períodos da manhã

e da tarde, mas durante a chegada pela manhã houve uma importante

contribuição das emissões evaporativas.

Os pesquisadores compararam estes resultados aos 505 segundos iniciais que

compreendem à partida a frio do ciclo FTP (Federal Test Procedure), utilizado

para testes de emissões em laboratório. A Fig. 2.1 mostra a média de

resultados de 20 veículos testados em laboratório de emissões com o ciclo

FTP. Observa-se que somente após 200 segundos de início de funcionamento

do veículo os níveis de emissões de HC (hidrocarbonetos), CO (monóxido de

carbono) e NOx (óxidos de nitrogênio) são reduzidos em função do completo

aquecimento do motor e da eficiência dos catalisadores. Além da redução das

emissões, observa-se também uma redução considerável do consumo de

combustível. Estes resultados são compatíveis com os encontrados nas

condições reais medidas no estacionamento.

Chan e Hoang (1999) estudaram a baixa eficiência dos catalisadores no

período de aquecimento. Os catalisadores normalmente tornam-se eficientes

após atingirem temperaturas em torno de 250ºC a 340ºC. Sendo assim, os

níveis de HC, CO e aldeídos são muito elevados no período de aquecimento

do motor até que esta faixa de temperatura seja atingida. As emissões de NOX

são menos expressivas neste período. Chan e Hoang também estudaram a

transferência de calor e as reações químicas que ocorrem no sistema de

exaustão durante o período de aquecimento do motor. Os pesquisadores

verificaram que um dos problemas que impede o rápido aquecimento dos

catalisadores é o efeito da condensação de água na superfície das células da

monolita dos catalisadores e paredes do tubo de exaustão. Esta condensação

é subseqüente à evaporação de água que ocorre imediatamente após a

partida.


Tabela 2.1- Média da concentração de poluentes medidos no sistema de

exaustão e ventilação do estacionamento (Singer et al, 1999).

Data Local Hora CO2 CO NOx CH4 NMHC(ppm) (ppm) (ppb) (ppm) (ppmC)

Amostras período damanhã11/Mar Estacionamento 7:20 - 9:00 558 8,3 268 Não disp. Não disp.11/Mar Ar Ambiente 7:20 - 9:00 411 0,8 88 Não disp. Não disp.

12/Mar Estacionamento 7:10 - 9:00 558 7,4 273 2,37 3,65

12/Mar Ar Ambiente 7:00 - 9:00 422 0,6 96 2,00 0,31

13/Mar Estacionamento 7:20 - 9:00 596 8,3 374 2,33 4,1513/Mar Ar Ambiente 7:12 - 9:00 450 1,8 172 2,13 0,56


18/Mar Estacionamento 7:15 - 8:45 571 8 267 2,25 3,9118/Mar Ar Ambiente 7:00 - 9:00 429 1 119 2,12 0,39


Amostras período da tarde11/Mar Estacionamento 16:30 -18:00 560 23,3 735 Não disp. Não disp.11/Mar Ar Ambiente 16:30 -18:00 411 0,8 88 Não disp. Não disp.

12/Mar Estacionamento 16:30 -18:00 578 28,2 782 2,22 5,5512/Mar Ar Ambiente 16:30 -18:00 388 0,7 79 1,85 0,29



18/Mar Estacionamento 16:35 18:10 574 26,5 647 2,18 5,6518/Mar Ar Ambiente 16:15 18:00 384 1.1 60 1,95 0,28

19/Mar Estacionamento 16:40 18:10 592 25,5 674 2,18 5,7519/Mar Ar Ambiente 16:15 17:55 407 0,5 90 2,00 0,33


0 100 200 300 400 500 0 16 32 48 64 80 97 13

12 11 9 8 7 5 4 3 5 0

HC Veloc .

g H

C /

l

Vel

oci

dad

e (k

m/h

)

0 100 200 300 400 500 0 16 32 48 64 80 97 661

528

396

264

132

0

CO Veloc .

g C

O /

l

Vel

oci

dad

e (k

m/h

)

0 100 200 300 400 500 0 16 32 48 64 80 97 32

26 21 16 11 5 0

NOx Veloc .

g N

Ox/

l

Vel

oci

dad

e (k

m/h

)

0 100 200 300 400 500 0 16 32 48 64 80 97 0.68

0.61 0.53 0.45 0.38 0.30 0.23 0.15 0.08 0.00

Combustível Velocidade

Co

nsu

mo

Acu

mu

lad

o (

l)

Vel

oci

dad

e (k

m/h

)

Tempo (s)

Figura. 2.1 – Média das emissões de 20 modelos de veículos dos anos 1993 –

1994, testados nos 505 s iniciais do ciclo FTP (Singer et al, 1999).


Algumas propostas foram apresentadas como formas de solucionar o

problema das emissões enquanto os catalisadores não possuem temperatura

suficiente para promover eficientemente as reações de oxidação e redução.

Uma das propostas mais interessantes é a utilização de zeólito na composição

dos catalisadores juntamente com os metais nobres (platina, paládio e ródio )

ou em separado, como no sistema proposto por Burk et al. (1995). O zeólito

retem os hidrocarbonetos durante o aquecimento do catalisador e os libera

quando o catalisador atinge a temperatura ideal de conversão. Desta forma as

emissões dos hidrocarbonetos no período de aquecimento do motor podem

ser minimizadas.

A relação ar/combustível também é um indicador de eficiência de conversão

dos catalisadores. As Figs. 2.2 e 2.3 mostram, respectivamente, a eficiência de

conversão do catalisador e a eficiência das reações de oxidação no

catalisador em função da relação ar/combustível, utilizando-se gasolina. A

eficiência de um catalisador é medida pela redução percentual dos níveis de

emissões.

0

20

40

60

80

100

120

14 14,125 14,25 14,375 14,5 14,625 14,75 14,825 15

Relação Ar/Combustível

Efi

ciên

cia

de

Co

nve

rsão

(%

)

CO HC NOx

Figura 2.2 – Eficiência de conversão do catalisador em função da relação

ar/combustível (Cortesia da Johnson Matthey do Brasil, 2001).


0

20

40

60

80

100

120

14 14,125

14,25 14,375

14,5 14,625

14,75 14,825

15

Relação Ar/Combustível

Efi

ciên

cia

de

Co

nve

rsão

(%)

CO HC

Fig 2.3 – Eficiência das reações de oxidação no catalisador em função da

relação ar/combustível (Cortesia da Johnson Matthey do Brasil, 2001)

2.2.2 – Influência da Razão de Equivalência nas Emissões de Poluentes

Como este trabalho concentra-se na alteração da razão de equivalência da

mistura combustível/ar (φ) no período de aquecimento do motor a etanol, é

importante ressaltar a influência deste parâmetro na determinação das

emissões de poluentes pela exaustão.

Heywood (1988) mostra qualitativamente através da Fig. 2.4 como CO

(monóxido de carbono), HC (hidrocarbonetos) e NO (óxido nítrico) variam com

a razão de equivalência da mistura combustível/ar. O motor do ciclo Otto

normalmente deve operar próximo à razão estequiométrica ( φ = 1) para uma

boa dirigibilidade e funcionamento confiável. É ainda mostrado que misturas

pobres (φ < 1) proporcionam baixos níveis de poluentes até a qualidade da

combustão tornar-se ruim devido à insuficiência de ar (eventual extinção da

combustão), quando então as emissões de hidrocarbonetos aumentam

acentuadamente e o funcionamento do motor piora. As formas das curvas

indicam a complexidade do controle das emissões. No funcionamento a frio do

motor, quando a vaporização do combustível é lenta, o fluxo de combustível é

aumentado para proporcionar uma mistura combustível/ar rica (φ > 1) dentro

do cilindro. As emissões de HC e CO são elevadas e diminuem após o


aquecimento do motor, quando a mistura já não é enriquecida.

Razão de equivalência combustível/ar

Co

nc

en

tra

çõ

es

NO

. C

O.

e

HC

( s

em

es

ca

la)

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3

pobre estequiométrico rico

NO

HC

CO

20 17 15 14 13 12Relação ar/combustível


Co

nc

en

tra

çõ

es

NO

. C

O.

e

HC

( s

em

es

ca

la)


Co

nc

en

tra

çõ

es

NO

. C

O.

e

HC

( s

em

es

ca

la)

0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3


NO

HC

CO


0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3


NO

HC

CO


Figura 2.4 – Variação da concentração de HC, CO, e NO na exaustão de um

motor convencional com ciclo Otto com a razão de equivalência combustível/ar

(Heywood, 1988).

O comportamento das emissões de aldeídos em função da razão de

equivalência da mistura combustível/ar foi estudado por Ayyasamy et al

(1981). Os autores compararam as emissões de aldeídos utilizando os

combustíveis gasolina e metanol. A variação na razão de equivalência da

mistura essencialmente faz variar a temperatura da exaustão e a concentração

de oxigênio, parâmetros importantes para a formação de aldeídos. A Fig. 2.5

mostra que, com a razão de equivalência próxima à estequiométrica, a

elevação da temperatura proporciona níveis mínimos de aldeídos. Os níveis de

aldeídos aumentam quando a mistura torna-se rica ou pobre. Como a


velocidade da chama é máxima próximo ao ponto de estequiometria, a

combustão é mais eficiente, diminuindo o efeito da extinção da chama. Com o

metanol, os níveis de aldeídos aumentam por um fator de 4 em relação a

gasolina, dependendo da razão de equivalência.

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3

400

300

200

100

0

Relação de compressão = 7.8Avanço de ignição = 30º bTDCRotação = 1500 rpmsem carga

combustível:

gasol ina

Metanol

Razão de equivalênciaRicoPobre

Ald

eíd

os

- pp

mA

lde

ído

s - p

pm

Figura 2.5 – Efeito da razão de equivalência da mistura nas emissões de

aldeídos (Ayyasamy et al., 1981).

2.2.3 – Hidrocarbornetos

O controle das emissões entre a partida a frio e o completo aquecimento do

motor tornou-se um fator importante no projeto dos motores para os veículos

modernos. As razões são a grande quantidade de hidrocarbonetos não

queimados devido à câmara de combustão fria e a pouca eficiência do

catalisador proporcionada pela baixa temperatura dos gases de exaustão.

Estudos realizados por Boam et al. (1994) mostraram que na partida a frio,

durante o período de aquecimento do motor e nos períodos de marcha lenta as

principais fontes de hidrocarbonetos não queimados na câmara de combustão


são as seguintes: regiões frias formadas pelas fendas, onde a chama se

extingue ou não consegue penetrar; camada fria de óleo lubrificante que faz a

absorção/liberação do vapor de combustível; paredes frias da câmara de

combustão onde ocorre extinção da chama; combustão incompleta devido a

mistura rica e baixa temperatura de combustão. Os efeitos destas fontes foram

analisados durante a partida a frio e no período de aquecimento do motor,

quando o catalisador ainda não é completamente eficiente. Kaplan e Heywood

(1991) relacionaram através de um modelo computacional a extinção da

chama na entrada das regiões das fendas e camada fria de óleo lubrificante

com a temperatura do motor no período de aquecimento. O modelo é baseado

em relações de expansão térmica. A Fig. 2.6 mostra esquematicamente o

volume formado pelas fendas entre o pistão e a parede do cilindro e também a

camada de óleo lubrificante na parede do cilindro.

Figura 2.6 – Principais volumes entre pistão e parede do cilindro e camada de

óleo lubrificante (Kaplan e Heywood, 1991).

Um modelo para estimar a massa de hidrocarbonetos não queimados foi

elaborado por Huang et al. (1996), considerando os efeitos da fenda entre o

topo do pistão e a parede do cilindro, da camada de óleo lubrificante e dos


depósitos presentes no cabeçote e na superfície do pistão. Este modelo e o

modelo de Kaplan e Heywood foram utilizados em um outro trabalho de Huang

et al. (1998), onde realizaram um estudo com o objetivo de verificar a formação

e origem dos hidrocarbonetos em função da fenda entre o topo do pistão e a

parede do cilindro e também da camada de óleo lubrificante na parede do

cilindro. Os pesquisadores realizaram medições de temperatura no topo do

pistão e parede do cilindro durante o período compreendido pela partida a frio

(20º C) seguido do aquecimento do motor em marcha lenta. Desta forma os

pesquisadores conseguiram fazer uma estimativa da formação de

hidrocarbonetos na fenda entre o topo do pistão e a parede do cilindro e da

parcela proveniente da camada de óleo lubrificante. A Fig. 2.7 mostra a

variação da temperatura no topo do pistão e na parede do cilindro. A

diminuição do volume da fenda no topo do pistão em função do aumento da

temperatura, é mostrada na Fig. 2.8. A Fig. 2.9 mostra a concentração de

hidrocarbonetos na fenda entre o topo do pistão e a parede do cilindro no

período compreendido pela partida a frio e aquecimento do motor. Pode-se

verificar que a massa de hidrocarbonetos entre o topo do pistão e a parede do

cilindro diminui de 40% do valor inicial com o aumento da temperatura e

diminuição do volume da fenda através da expansão térmica.

Tem

pera

tura

(

K )

Topo do pistão

Parede do

440

400

360

320

240 0 50 100 150 200 250 300 350 400

Tempo após partida a frio

280

Parede do cilindro

440

400

360

320

240 0 50 100 150 200 250 300 350 400

Tempo após partida a frio ( s )

280

Figura 2.7 – Temperatura nas paredes do cilindro e do topo do pistão (Huang

et al., 1998).


480

400

320

240

Vo

lum

e d

a f

en

da

no

to

po

do

pis

tão

(

mm

³)

800 50 100 150 200 250 300 350 400

Tempo após partida a frio (s)

160

480

400

320

240

Vo

lum

e d

a f

en

da

no

to

po

do

pis

tão

(

mm

³)

800 50 100 150 200 250 300 350 400


160

480

400

320

240

Vo

lum

e d

a f

en

da

no

to

po

do

pis

tão

(

mm

³)

800 50 100 150 200 250 300 350 400


160

Figura 2.8 – Variação do volume da fenda no topo do pistão (Huang et al.,

1998).

Hid

roca

rbon

etos

não

que

imad

os (p

pmC

)

400

6000


5000

4000

3000

00 50 100 150 200 250 300 350

1000

2000

Hid

roca

rbon

etos

não

que

imad

os (p

pmC

)

400

6000


5000

4000

3000

00 50 100 150 200 250 300 350

1000

2000

6000


5000

4000

3000

00 50 100 150 200 250 300 350

1000

2000

Figura 2.9– Concentração de hidrocarbonetos não queimados da fenda no

topo do pistão (Huang et al., 1998).

A absorção e a liberação de vapor de combustível pela camada de óleo


lubrificante no cilindro é considerada uma das principais contribuições para as

emissões de hidrocarbonetos. O mecanismo da absorção e liberação pode ser

explicado da seguinte forma segundo Heywood (1988): A concentração de

vapor de combustível é confinada dentro cilindro na admissão e compressão.

Desta forma durante a admissão uma parte do vapor de combustível é

absorvida pela camada de óleo. Durante a compressão a pressão de vapor de

combustível aumenta. Pela lei de Henry (que estabelece que a fração molar de

vapor de combustível no óleo é diretamente proporcional à pressão parcial do

vapor de combustível na mistura gasosa no cilindro), a absorção continua até a

saturação do óleo. Durante a combustão a concentração de vapor de

combustível cai essencialmente a zero. Então o vapor de combustível vai ser

liberado pela camada de óleo para dentro dos gases queimados. A liberação

pode continuar na expansão e na exaustão. Parte do vapor de combustível

liberado mistura-se com os produtos da combustão que estão sob alta

temperatura e se oxida. Outra parte do vapor de combustível liberado pode

permanecer na camada limite do óleo e se misturar com os gases frios

retardatários, podendo sair na exaustão sem que ocorra a oxidação,

contribuindo, desta forma, para o aumento das emissões de hidrocarbonetos.

A Fig. 2.10 mostra a estimativa da concentração de hidrocarbonetos não

queimados liberados pela camada de óleo durante o período de aquecimento

do motor obtida por por Huang et al (1998). utilizando o princípio da lei de

Henry. A concentração de hidrocarbonetos liberados pela camada de óleo

lubrificante diminui de 75% do valor inicial após o aquecimento do motor. A

Fig. 2.11 mostra o resultado da estimativa da concentração de hidrocarbonetos

não queimados provenientes da fenda entre a parede do cilindro e o topo do

pistão e da camada de óleo lubrificante.


2000


1800

1600

1400

Hid

roca

rbon

etos

não

que

imad

os (

ppm

C)

10000 50 100 150 200 250 300 350 400

1200

2000


1800

1600

1400

Hid

roca

rbon

etos

não

que

imad

os (

ppm

C)

10000 50 100 150 200 250 300 350 400

1200

Figura 2.10 – Concentração de hidrocarbonetos formados na camada de óleo

(Huang et al., 1998).

8000

6000

4000

Hid

roca

rbon

etos

não

que

imad

os (

ppm

C)

00 100 200 300 400


2000

8000

6000

4000

Hid

roca

rbon

etos

não

que

imad

os (

ppm

C)

00 100 200 300 400


2000

Figura 2.11 – Hidrocarbonetos provenientes da fenda no topo do cilindro e da

camada de óleo (Huang et al., 1998).


No caso específico dos veículos a álcool, a quantidade de hidrocarbonetos não

queimados na câmara de combustão durante o período de aquecimento do

motor é agravada devido à volatilidade do álcool ( Owen e Coley, 1995). O

álcool possui um alto calor latente de vaporização. Desta forma, parte do

combustível admitido não consegue vaporizar-se antes da frente de chama,

pois a temperatura da câmara de combustão ainda é baixa. A vaporização do

álcool ocorre somente após o processo de combustão com o aumento da

temperatura e pressão. Assim, esta parte do combustível que não participa do

processo normal de combustão se aloja nas regiões da câmara de combustão

onde a chama não consegue penetrar (fendas) ou se extingue (paredes frias),

podendo também ser absorvida pela camada de óleo lubrificante. Como existe

a necessidade de uma mistura mais rica para promover a partida a frio e

melhorar a dirigibilidade durante o período de aquecimento do motor, também

por este motivo as emissões de hidrocarbonetos aumentam.

Um modelo computacional foi desenvolvido por Sodré e Yates (1997) para

estimar o total de hidrocarbonetos não queimados, onde também são

consideradas as contribuições da fenda entre o topo do pistão e a parede do

cilindro e o fenômeno da absorção/liberação pela camada de óleo lubrificante.

Os pesquisadores basearam o modelo em um programa zero dimensional, que

não considera os efeitos da turbulência e variações de temperatura ou

propriedades da mistura dentro do cilindro. Sodré (1999) melhorou este

modelo, incluindo os efeitos da queima parcial ou combustão incompleta.

Sendo assim, foram incluídos três fenômenos que contribuem para a

combustão incompleta: a extinção da chama, a falha de ignição e quando a

propagação lenta da chama proporciona a combustão incompleta antes da

abertura da válvula de escape. Alguns fatores influenciam a extinção da chama

ou falha de ignição: o excesso ou falta de turbulência, o excesso de oxigênio

nas misturas muito pobres e a insuficiência de oxigênio para promover a

queima completa do combustível nas misturas muito ricas. Ao considerar este

último caso, o modelo pode auxiliar na estimativa precisa de hidrocarbonetos

não queimados durante o período de aquecimento do motor.


2.2.4 – Monóxido de Carbono

A formação de monóxido de carbono (CO) em motores de ciclo Otto depende

primeiramente da razão de equivalência da mistura combustível/ar. A

necessidade de enriquecimento da mistura (φ>1) quando o motor está frio faz

com que as emissões de monóxido de carbono durante o aquecimento do

motor sejam muito maiores que quando o motor está completamente aquecido

(Heywood, 1998).

Uma comprovação da influência da razão de equivalência da mistura nas

emissões de monóxido de carbono foi o estudo realizado por Amaral e Sodré

(2000). Os pesquisadores avaliaram a influência dos parâmetros de

funcionamento do motor sobre as emissões de poluentes de um veículo a

álcool. Os testes de emissões foram executados com as seguintes variações:

eliminação do sistema de fornecimento de ar adicional ao motor nas

desacelerações, eliminação do sistema de interrupção de combustível nas

desacelerações e enriquecimento da mistura combustível/ar. Os autores

verificaram que somente com o enriquecimento da mistura combustíve/ar os

níveis de monóxido de carbono aumentaram.

Comparações entre as emissões de monóxido de carbono de veículos a

gasolina e a álcool (etanol e metanol) em função da razão de equivalência da

mistura demonstram menores níveis de emissões de monóxido de carbono

quando utiliza-se álcool como combustível. A vantagem dos álcoois sobre a

gasolina é que os motores podem operar com misturas mais pobres (Schafer e

Basshuyser, 1995). A Fig. 2.12 mostra as emissões de monóxido de carbono

da gasolina e do metanol, em função da razão de equivalência da mistura

(Annand e Gulder, 1980). Os pesquisadores utilizaram um motor de quatro

cilindros em condições de carga constante. Nestas condições, observou-se

que com o metanol ocorreu apenas um pequeno aumento nas emissões de

monóxido de carbono quando o motor operava no lado rico, enquanto com a

gasolina ocorreu um aumento mais acentuado.


Figura 2.12 – Emissões de CO com gasolina e metanol (Annand e

Gulder,1980).

2.2.5 – Óxidos de Nitrogênio

Os álcoois oferecem benefícios particularmente relacionados às emissões de

óxidos de nitrogênio (NOx), pois as temperaturas de combustão são

relativamente baixas e a operação do motor com a mistura ar/combustível

pobre é possível. Considerando que os álcoois são altamente resistentes à

detonação, relações de compressão podem ser aumentadas além dos níveis

possíveis para os motores a gasolina. Porém, este benefício pode ser perdido

em função do aumento das temperaturas no final da compressão e combustão

(Schafer e Basshuyser, 1995). Annand e Gulder (1980) compararam as

emissões de óxidos de nitrogênio do metanol com a gasolina, utilizando um

motor de quatro cilindros em condições de carga constante. Os autores

verificaram que existe uma considerável redução das emissões de óxido nítrico

utilizando metanol como combustível, conforme mostra a Fig. 2.13. Verifica-se

que os níveis de emissões de óxidos de nitrogênio diminuem com o

enriquecimento da mistura (Fig. 2.1). Assim, no período de aquecimento do

motor onde é necessário um enriquecimento da mistura, os níveis de óxido de

nitrogênio são mínimos.


Figura 2.13 – Emissões de NO com gasolina e metanol (Annand e

Gulder,1980)

2.2.6 – Aldeídos

Dentre os diversos compostos químicos que formam os aldeídos, são

considerados como poluentes o acetaldeído (C2H4O ou CH3CHO) e o

formaldeído (CH2O ou HCHO). Nos motores a metanol o formaldeído é o que

contribui com a maior parte do total de aldeídos emitidos, enquanto nos

motores a etanol é o acetaldeído que contribui com a maior parte dos aldeídos.

A formação de aldeídos em motores de combustão interna tem sido

pesquisada a muitos anos. Withrow e Rasswuller (1934) constataram a

presença de formaldeído nos gases não queimados no interior do cilindro em

condições de detonação. Estes gases não são responsáveis pela exaustão de

aldeídos, por serem consumidos pela frente de chama no decorrer da


combustão. Estudos computacionais realizados por Browing e Pefley (1977 a;

1977 b) utilizando um motor a metanol mostraram que os aldeídos não

sobrevivem nos gases queimados durante a combustão no interior do cilindro.

Os aldeídos na exaustão são formados como espécies intermediárias da

oxidação do metanol não queimado. Boamet al.(1994), Huang et al. (1996),

Huang et al. (1998), Sodré e Yates (1997) e Sodré (1999) estudaram as fontes

e os efeitos do combustível não queimado, principalmente no período de

aquecimento do motor. O relato destes trabalhos foi feito na seção 2.2.2 deste

capítulo. Ito et al. (1982) mostraram, através de medições próximo à válvula de

escape no sistema de exaustão de um motor a metanol, que a formação de

formaldeído ocorre a partir da oxidação de metanol não queimado sob

temperaturas de 400 a 600º C.

Ito e Kurata (1985) estimaram a formação de aldeídos nos gases da

combustão do etanol a partir da combinação de etanol não queimado

(C2H2OH) e óxidos de nitrogênio (NOx).

Ayyasamy et al. (1981) avaliaram a influência da razão de equivalência

combustível/ar e verificaram que os níveis de aldeídos são mínimos próximo à

razão estequiométrica, conforme mostra a Fig. 2.5. Outra influência analisada

pelos pesquisadores é o efeito da carga do motor nos níveis de emissões de

aldeídos, mostrado na Fig. 2.14.


0 1 2 3 4 5 6

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0

Razão de compressão = 7.8Avanço de ignição = 15º bTDCrotação = 1500 rpm

combustível:

gasolina

metanol

BHP

Ald

eído

s -

ppm

0 1 2 3 4 5 6

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0

Razão de compressão = 7.8Avanço de ignição = 15º bTDCrotação = 1500 rpm

combustível:

gasolina

metanol

BHP

Ald

eído

s -

ppm

Figura 2.14 – Efeito da carga do motor nas emissões de aldeídos (Ayyasamy

et al.,1981).

Comparando a gasolina com o metanol, verificou-se um aumento notável das

emissões de aldeídos para ambos combustíveis (Ayyasamy et al.,1981). As

razões são a redução do tempo de permanência dentro do sistema de

exaustão a uma alta carga e a maior quantidade de combustível não queimado

nas zonas de extinção de chama, sob altas cargas. O tempo de permanência

é determinado como a razão do volume do sistema de exaustão aquecido com

o fluxo volumétrico dos gases. Se a carga for dobrada, o fluxo volumétrico é

reduzido em 50%. O aumento da massa de combustível não queimado nas

zonas de extinção da chama é a causa mais importante para a formação de

aldeídos.


Gabele (1990) comparou as emissões de formaldeído, variando o percentual

de metanol (0, 25, 50, 85 e 100%) na mistura gasolina/metanol no ciclo FTP

(“Federal Test Procedure”). O pesquisador utilizou um veículo com

possibilidade de flexibilidade do tipo de combustível utilizado. Nos testes com a

mistura contendo 85% de metanol e com metanol puro, mais da metade do

valor total das emissões de formaldeído ocorreram durante os 125 segundos

iniciais, que compreende o período de aquecimento do motor após a partida a

frio. Neste período existe uma combinação de excesso de combustível não

queimado e carga aplicada ao motor.

Para controle das emissões de aldeídos, Ayyasamy et al. (1981) pesquisaram

a utilização da adição de anilina (C6H5NH2) e água ao álcool. Os

pesquisadores mostraram que a adição de anilina ao álcool reduz

significativamente a formação de aldeídos. Porém, a utilização de anilina pode

resultar em aumento indesejável de componentes aromáticos na exaustão, se

sua queima não for completa. Segundo o autor, este método não é

recomendável, pois a anilina contêm nitrogênio na superfície da molécula e

pode aumentar, mesmo que de forma desprezível, os níveis de NOx. Além

disso, deve-se considerar o aumento da temperatura de combustão para

efeitos de surgimento da detonação. A mistura de água ao álcool é um método

eficaz para a redução de emissões de aldeídos e NOx, conforme os

pesquisadores. A adição de 5%, 10% e 15% de água no metanol resultou em

uma redução progressiva nas emissões de aldeídos. As emissões de

hidrocarbonetos foi invariável até a quantidade adicionada de 10% de água,

mas aumentou acentuadamente com a adição de 15%. Houve também

progressiva perda de potência do motor com a adição da água. É provável que

a adição de água no metanol possa influenciar o ambiente termocinético

predominante dentro do cilindro do motor, de modo desfavorável às reações

de formação de aldeídos.

34

CAPÍTULO 3

ANÁLISE DA QUANTIDADE DO

COMBUSTÍVEL INJETADO

Neste capítulo é realizada uma análise teórica das reações de combustão do

álcool hidratado e da mistura álcool hidratado com gasolina mais 22% de

AEAC, mistura esta utilizada para auxílio à partida a frio e dirigibilidade no

período de aquecimento do motor. A seguir, é também apresentada uma

estimativa da quantidade de combustível injetado idealizada para melhorar a

mistura ar/combustível a partir da análise teórica, com o auxílio de dados

experimentais.

3.1- Introdução

As emissões veiculares do veículo a álcool compõem-se de gases

provenientes da combustão do álcool etílico hidratado (C2H6,16O1,08). No

entanto, nos veículos a álcool providos de um sistema auxiliar de partida a frio,

ocorre também a combustão de uma mistura do álcool etílico hidratado com

gasolina (C6,39H13,60O0,61). A gasolina é adicionada no momento da partida a

frio e como auxílio à dirigibilidade no início das acelerações enquanto o motor

ainda está frio. A necessidade de uma mistura rica (φ › 1) para permitir um

bom funcionamento do motor, tanto na partida quanto no período de

aquecimento, proporciona a formação de uma grande quantidade de poluentes,

pois as condições ainda são muito desfavoráveis à combustão e o catalisador

não é totalmente eficiente nesta fase em função de sua baixa temperatura.

Os poluentes controlados pela legislação e que incidem em grande quantidade

neste período de início de funcionamento a frio do motor a álcool são os

hidrocarbonetos (HC), aldeídos e monóxido de carbono (CO). Além destes,

existem ainda os óxidos de nitrogênio (NOx), que aparecem em menor

Capítulo 3 – Análise da Quantidade do Combustível Injetado 35

quantidade neste período. Previamente, será mostrado o comportamento das

emissões no início de funcionamento a frio do motor a álcool do veículo

protótipo utilizado neste trabalho.

Analisando os resultados de emissões de HC e CO antes do pré-catalisador na

primeira fase do ciclo urbano da NBR 6601 (descrito no Capítulo 4), que

compreende a partida a frio e o período de aquecimento do motor. Verifica-se

que, até o tempo de 55 segundos desde de início de funcionamento do motor,

as concentrações de HC e de CO representam respectivamente cerca de 40%

e 30% do total emitido nesta fase do ciclo de emissões. Além disso, os

aldeídos totais medidos após o catalisador neste mesmo período são de

aproximadamente 70% do total emitido na primeira fase do ciclo de emissões.

As Figs. 3.1, 3.2 e 3.3 mostram, respectivamente, o comportamento das

emissões de HC, CO e aldeídos na primeira fase do ciclo urbano da NBR 6601.

Os elevados níveis destes poluentes são evidenciados principalmente nas

acelerações a frio, onde ocorre uma combinação do efeito de carga do motor,

mistura muito rica em função da otimização da dirigibilidade e condições de

combustão desfavoráveis devido à baixa temperatura do motor. Após este

período verifica-se uma diminuição acentuada dos níveis destes poluentes. Os

poluentes produzidos neste período representam grande parcela no resultado

final das emissões, pois o catalisador ainda é ineficiente.

0,00

0,505

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Tempo (s)

HC

/ H

C t

ota

l (

%)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Velo

cidad

e (km/h

)

% do total de HC

Velocidade

Figura -3.1 – Emissões de HC antes do pré-catalisador expressos em termos

percentuais da concentração total emitida na primeira fase (505 s).


0,00

0,50

0,100

0,15

0,2020

0,2525

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Tempo (s)

CO

/ C

O t

ota

l (%

)

0

10

20

30

40

50 60

70

80

90

100

Velo

cidad

e (km/h

)

% do total de CO Velocidade

Figura 3.2 – Emissões de CO antes do pré-catalisador expressos em termos

percentuais da concentração total emitida na primeira fase (505 s)

4,4

9,8 15,1

6,0

12,3

5,4 5,7 5,7

35,6

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0 30,0

35,0

40,0

10 20 30 40 50 60 70 80 505

Tempo (s)

Ald

eíd

os

/A

lde

ído

s t

ota

is (

%)

% Aldeídos Totais

Figura 3.3 – Distribuição de aldeídos após o catalisador expressos em termos

percentuais da concentração total emitida na primeira fase (505 s).

As Figs. 3.4 e 3.5 mostram a baixa eficiência do pré-catalisador do veículo nos

50 segundos iniciais, resultado de sua baixa temperatura. A eficiência de um

catalisador é definida como sendo o percentual de diminuição do poluente,

verificado pelas concentrações medidas antes e depois do catalisador. A Fig.

3.6 mostra que somente próximo aos 50 segundos é que a temperatura interna

do pré-catalisador atinge a faixa de temperatura necessária para início das

reações exotérmicas de oxidação (250º C a 350º C). Nas Figs. 3.4, 3.5 e 3.6

pode-se verificar que quando a temperatura interna do pré-catalisador passa a


ser maior que a temperatura na entrada iniciam-se as reações de oxidação dos

poluentes. Próximo aos 100 segundos, a temperatura interna do catalisador

principal atinge a faixa dos 400º C, passando ser maior que a da entrada, como

mostra a Fig. 3.7. Com o início das reações exotérmicas dentro do catalisador,

ocorre uma atuação combinada dos dois catalisadores, minimizando ainda

mais o nível das emissões após os 50 s iniciais de funcionamento do motor.

Estes resultados demonstram a necessidade de uma mistura ar/combustível

que possa resultar em menores níveis de emissões neste período que é

compreendido pela partida a frio e período de aquecimento do motor,

principalmente quando os catalisadores ainda estão inativos.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Tempo (s)

Efi

ciên

cia

(%)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Velo

cidad

e (km/h

)

Eficiência HC Velocidade

Figura 3.4 Eficiência de conversão de HC na primeira fase (505 s).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

100

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

Tempo (s)

Efi

ciên

cia

(%)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Velo

cidad

e (km/h

)

eficiência CO velocidade

Figura 3.5 -Eficiência da conversão de CO na primeira fase (505 s).


0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

1000

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Tempo (s)

Tem

per

atu

ra (º

C)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Velocidade (km

/h) entrada pré cat interior pré cat saída pré cat velocidade

Figura 3.6 – Temperaturas no pré-catalisador na primeira fase (505 s).

0 100 200 300 400 500 600 700 800

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Tempo (s)

Tem

pera

tura

(ºC

)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Velocidade (km

/h)

entrada catalisador interior catalisador saída catalisador velocidade

Figura 3.7 – Temperaturas no catalisador principal na primeira fase (505 s).

3.2 – Equação da Combustão da Mistura Álcool - Gasolina

Demonstra-se que, a partir da diminuição dos volumes de álcool hidratado e de

gasolina com 22% de AEAC, ocorre uma redução das emissões (ver Figs. 2.4

e 2.5) e no tempo de partida a frio. A boa dirigibilidade e a melhoria da partida

a frio é possível devido a níveis energéticos adequados para uma combustão

eficiente, proporcionada pelo melhor aproveitamento da ação da gasolina

pulverizada no coletor de admissão.


Os principais produtos da combustão do álcool mais gasolina para uma mistura

rica ou pobre podem ser identificados na seguinte reação:

( )

jHiOHhOgOfCOeNOdHcN

ObHaCOONyqrypm

yonOHyCOHC qpormn

++++++++

++→+

+

−+

++++

222

222276,324

1φ (3.1)

Para o etanol hidratado (C2H6,16O1,08 ) mais gasolina(C6,39H13,60O0,61) utilizados

neste trabalho, a Eq. (3.1) pode ser reescrita como:

( ) ( )[ ]

jHiOHhOgOfCOeNOdHcNObHaCO

OyNyOHyCOHC

+++++++++

→+++++

22222

2261,060,1339,608,116,62 48,900,364,3528,111

φ (3.2)

A combustão completa ( Ô =1) da mistura álcool mais gasolina pode ser

representada da seguinte forma:

( ) 2222276,324

cNObHaCOONyrym

ynOHyCOHC qpoqpormn ++→+

+−

+++++ (3.3)

Para o etanol hidratado (C2H6,16O1,08 ) mais gasolina (C6,39H13,60O0,61) utilizados

neste trabalho a Eq. (3.3) pode ser reescrita como:

( ) ( )[ ]( ) 222

2261,060,1339,608,116,62

)64,3528,11()79,608,3(39,62

48,900,364,3528,11

NyOHCOy

OyNyOHyCOHC

+++++

→+++++ (3.4)

Assim, observa-se que, teoricamente, a queima da mistura na razão

estequiométrica evita a formação de emissões de CO e NO. Na prática, a

eliminação total destes elementos não ocorre, mas, sim, relativamente baixos

níveis de formação. Os hidrocarbonetos não queimados e os aldeídos não são

produtos da combustão e, portanto, não foram representados nas Eqs. (3.1) e

(3.3). Hidrocarbonetos não queimados e aldeídos são formados por outros

processos (ver Seções 2.2.3 e 2.2.6). Assim como para CO e NOx

(representado por NO nas Eqs. (3.1) e (3.2) por ser o elemento mais relevante

no composto), na queima da mistura na razão estequiométrica obtém-se

relativamente baixos níveis de emissões de HC e aldeídos. O empobrecimento

da mistura além da razão estequiométrica não é recomendável, pois pode

ocasionar um aumento na formação de HC e dificultar a partida a frio.


3.3 –Cálculo da Quantidade de Combustível Injetado para a Relação

Estequiométrica

Para as massas de álcool e de gasolina injetadas por cilindro por ciclo do

motor pode-se escrever as seguintes relações:

=

∆∆

=

ar

álcool

ar

álcool

ar

álcool

m

m

tm

tm

m

m

&

& (3.5)

=

∆

∆=

ar

gasol

ar

gasol

ar

gasol

m

m

tm

tm

m

m

&

& (3.6)

As Eqs. 3.5 e 3.6 podem ser reescritas da seguinte forma:

=

∀⋅∀⋅

ar

álcool

arar

álccolálcool

m

m&

&

ρρ

(3.7)

=

∀⋅

∀⋅

ar

gasol

arar

gasolgasol

m

m&

&

ρ

ρ (3.8)

As Eqs. (3.9) e (3.10) abaixo determinam, respectivamente, as vazões de

álcool e gasolina necessárias para uma queima completa da mistura no

cilindro.

ararálcool

álcoolarálcool m

m∀⋅

⋅

⋅=∀ &&

ρρ

(3.9)

arargasol

gasolargasol m

m∀⋅

⋅

⋅=∀ &&

ρ

ρ (3.10)

Onde:

álcoolm - massa do álcool injetado por cilindro por ciclo (kg)

álcoolm& - vazão mássica média de álcool por cilindro (kg/s)

arm - massa de ar admitido por cilindro por ciclo (kg)


arm& - vazão mássica média de ar por cilindro (kg/s)

gasolm - massa da gasolina injetada por cilindro por ciclo (kg)

gasolm& - vazão mássica média de gasolina por cilindro (kg/s)

álcool∀& - vazão volumétrica média de álcool por cilindro (ml/s)

ar∀& - vazão volumétrica média de ar por cilindro (ml/s)

gasol∀& - vazão volumétrica média de gasolina por cilindro (ml/s)

álcoolρ - densidade absoluta do álcool (kg/m3)

arρ - densidade absoluta do ar de admissão (kg/m3)

gasolρ - densidade absoluta da gasolina (kg/m3)

t∆ - intervalo de tempo para um ciclo completo do motor (s)

A vazão média do ar admitido por cilindro pode ser pode ser calculada através

da Eq. 3.11, onde Ω é a velocidade rotacional (rev/s), ∀ é o deslocamento

volumétrico total (ml), ciln indica o número de cilindros do motor que, neste

caso, é igual a 4, e volη é a eficiência volumétrica, adotada como 1,0 neste

trabalho. A divisão por 2 indica que o fluxo de ar que entra no cilindro ocorre

uma vez a cada 2 voltas do eixo virabrequim.

volcil

ar nη⋅

⋅∀⋅Ω

=∀2

& (3.11)

A densidade absoluta do ar admitido é determinada através da Eq. (3.12):

TR

Par ⋅

=ρ (3.12)

Onde P é pressão absoluta no coletor de admissão (kN/m2), T é a temperatura

absoluta do ar admitido e R é a constante do ar (287 J/kg.K). A densidade

absoluta média da gasolina mais 22% de AEAC é 740 kg/m3 e a densidade

absoluta média do álcool hidratado é 810 kg/m3. Para a estimativa da massa

teórica de ar (kg), utiliza-se a seguinte relação:


2222 OONNar WnWnm ⋅+⋅= (3.13)

Onde:

2Nn - número de moles de nitrogênio no ar (adimensional)

2On - número de moles de oxigênio no ar (adimensional)

2OW - massa molecular do oxigênio (kg/kmol)

2NW - massa molecular do nitrogênio (kg/kmol)

De forma análoga, pode-se estimar as massas teóricas de álcool hidratado e

gasolina mais 22% de AEAC injetadas por cilindro por ciclo:

álcoolálcoolálcool Wnm ⋅= (3.14)

gasolgasolgasol Wnm ⋅= (3.15)

As estimativas das vazões experimentais de álcool e de gasolina na partida a

frio foram obtidas a partir de variações aleatórias do número de moles de

gasolina (y) por mol de álcool na reação representada pela Eq. (3.4) e

considerando os parâmetros medidos, como velocidade rotacional do motor,

temperatura absoluta do ar admitido e pressão absoluta no coletor de

admissão (ver Tab. 3.1). A Tab. 3.2 mostra as vazões calculadas de álcool e

gasolina a partir das Eqs. (3.4) a (3.15).

Tabela 3.1 – Valores dos parâmetros considerados no cálculo da vazão

Velocidade rotacional - Ω (rev/s) 4,27

Temperatura absoluta do ar admitido - T (K)

298,00

Pressão absoluta no coletor de admissão - P (kN/m2) 89,65

Massa molecular do nitrogênio - WN2 (g) 28,01

Massa molecular do oxigênio - WO2 (g) 32,00

Massa molecular do ar- War (g) 289,70

Massa molecular do álcool - Wálcool (g) 47,51

Massa molecular da gasolina - Wgasol (g) 100,21


Tabela 3.2 – Vazões de álcool e gasolina na partida a frio para a combustão completa do composto álcool e gasolina em função davazão experimental de ar e do número de moles de gasolina.


3.4– Quantidade de Gasolina e Álcool Injetados nas Acelerações durante

o Período de Aquecimento do Motor.

Nos períodos de aceleração, enquanto o motor ainda não está suficientemente

aquecido, podem ocorrer problemas de dirigibilidade, como funcionamento

irregular ou falhas na aceleração. Assim, é comum ocorrer um aumento do

fluxo de combustível injetado, de forma a enriquecer a mistura e superar este

inconveniente. Nos motores a álcool esta situação é agravada pela própria

característica do combustível. A introdução de gasolina é feita para melhorar

as condições de combustão neste período. Para que este auxílio seja feito de

forma eficaz, esta adição de gasolina deve ser feita de forma pulverizada e no

momento exato do início da aceleração. O sistema proposto neste trabalho,

detalhado no Capítulo 4, não consegue adicionar a gasolina de forma

proporcional à aceleração ou abertura da borboleta. Desta forma, o ajuste da

vazão de gasolina determinado na partida a frio deve ser mantido também

para o início das acelerações a frio. Busca-se com o sistema proposto, ao

introduzir a gasolina de forma pulverizada e quase instantânea, uma

aceleração a frio satisfatória. No Capítulo 4 é mostrada a metodologia

experimental para a definição do ajuste da quantidade de gasolina injetada

nas acelerações durante o período de aquecimento do motor.

Capítulo 4 - Metodologia Experimental 45

45

CAPÍTULO 4

METODOLOGIA EXPERIMENTAL

Neste capítulo são apresentados os equipamentos e os procedimentos

experimentais adotados para a obtenção dos resultados deste trabalho.

4.1 – Aparato Experimental

4.1.1 – Características do Veículo e do Motor

Os testes foram realizados utilizando-se um veículo protótipo equipado com um

motor de combustão interna com as seguintes características: combustível

álcool etílico hidratado, quatro tempos, quatro cilindros em linha com duas

válvulas por cilindro, deslocamento volumétrico total de 994 cc, taxa de

compressão 11,4:1, duas válvulas por cilindro, eixo de comando de válvulas no

cabeçote, sistema de ignição mapeada, sistema de injeção multiponto com

pressão constante de alimentação de combustível de 3,0 bar, com recirculação

no tanque, câmara de combustão formada pelo cabeçote e pistão, sistema de

recirculação de gases do carter e sistema auxiliar de partida a frio (adição de

gasolina). O veículo possui câmbio manual com cinco marchas para a frente e

uma para trás. No sistema de escapamento do veículo um pré-catalisador e um

catalisador principal foram utilizados em alguns testes e removidos em outros.

Os testes de emissões, onde se incluiu a verificação dos tempos de início de

funcionamento do motor frio, foram realizados para comparação da influência

da configuração do sistema de partida a frio nos resultados. Foi realizada

também uma análise conjunta da alteração da razão de equivalência da

mistura na partida a frio e na fase de aquecimento do motor em função da

configuração do sistema de partida frio. O sistema de partida a frio auxilia a


partida e o início de acelerações quando o motor a álcool ainda encontra-se

frio. Este auxílio é feito através da introdução de gasolina no coletor de

admissão. A seguir são descritas as duas configurações do sistema de partida

a frio que foram utilizadas e analisadas neste trabalho.

4.1.2 – Sistema de Partida a Frio Convencional

O sistema de partida a frio convencional é composto dos seguintes

componentes: reservatório de gasolina, bomba elétrica de combustível,

eletroválvula, filtro de combustível, tubo com furo calibrado para adição de

gasolina, sistema pressurizado a 0,4 bar e vazão de 2,0 ml/s e válvula

unidirecional. O funcionamento do sistema é determinado pela central

eletrônica do veículo. Quando ocorre a partida a frio do motor ou início de

aceleração a frio, a central eletrônica do veículo proporciona o funcionamento

da bomba elétrica de combustível instalada no reservatório de gasolina e

permite a passagem de uma corrente elétrica através da eletro-válvula que se

abre liberando a passagem da gasolina até o tubo com furo calibrado no corpo

de borboleta. A pressão do sistema é ajustada através de um furo calibrado na

tubulação de retorno para o reservatório. O tempo de funcionamento do

sistema é ajustado de forma a não permitir uma quantidade excessiva de

gasolina. As Figs. 4.1 a 4.4 mostram detalhes do sistema convencional.

Figura 4.1 – Vista geral do Sistema de Partida a Frio convencional


Furo calibrado Furo Calibrado

Figura. 4.2 – Detalhe do ponto de introdução de gasolina no corpo de borboleta

bomba Bomba

Figura 4.3 – Reservatório de combustível


eletroválvula

filtro

Eletroválvula

Filtro

Figura 4.4 – Detalhe da eletroválvula e filtro de combustível

4.1.3 – Sistema de Partida a Frio com Injetor de Combustível

O sistema de partida a frio com injetor e proposto como uma otimização do

sistema convencional é composto dos seguintes componentes: reservatório de

gasolina, bomba elétrica de combustível, injetor de combustível, filtro de

combustível, modulador de freqüência de abertura e fechamento do injetor na

pressão de 1,5 bar e vazão de 1,2 ml/s. Um regulador de pressão e um

manômetro foram instalados para auxílio do ajuste e monitoramento do sistema

durante os experimentos. O modulador de freqüência controla os tempos de

abertura e fechamento do injetor, tornando possível o ajuste da quantidade de

gasolina injetada no coletor de admissão. A sua tensão de alimentação deve

ser de 12 V, constituindo-se de um oscilador variável que permite variar a

abertura e fechamento do injetor na unidade de tempo, um potenciômetro, que

permite alterar o comprimento de onda, e um divisor de freqüência. A faixa de

atuação do modulador de freqüência é de 70 Hz a 840 mHz, ou seja, o tempo

de abertura/fechamento pode ser ajustado de 14,3 ms a 1,2 s. As Figs. 4.5 a

4.9 mostram detalhes do sistema de partida a frio com injetor proposto neste

trabalho.

Na Fig. 4.8 pode-se observar a galeria de combustível. Na galeria de

combustível a gasolina é armazenada e, mesmo após um longo tempo sem


ocorrer pressurização do sistema, ou seja, longos períodos sem partida do

motor, existe a possibilidade da presença de um mínimo de gasolina para

auxílio imediato na partida. A existência da galeria de combustível é combinada

com a pressão do sistema, que é cerca de três vezes maior que a do sistema

convencional, melhorando a velocidade de enchimento da linha de

alimentação. Desta forma o efeito do esvaziamento da linha devido às perdas

por evaporação ou retorno para o reservatório pode ser minimizado. O

funcionamento do sistema é determinado pela central eletrônica do veículo.

Quando ocorre a partida a frio do motor ou início de aceleração a frio, a central

eletrônica do veículo proporciona o funcionamento da bomba elétrica de

combustível instalada no reservatório de gasolina e permite a passagem de

uma corrente elétrica através do modulador de freqüência, que por sua vez faz

funcionar o injetor de gasolina. O injetor de gasolina é acionado em tempos de

abertura e fechamento conforme o ajuste do modulador de freqüência. A

pressão do sistema é controla e ajustada por um regulador de pressão. Este

pode ser suprimido, se o controle for realizado de forma análoga ao sistema

convencional, ou seja, através de um furo calibrado na tubulação de retorno

para o reservatório. O tempo de funcionamento do sistema é ajustado de forma

a não permitir uma quantidade excessiva de gasolina. A Fig. 4.9 mostra o

detalhe da pulverização da gasolina pelo injetor.

Figura 4.5 – Vista geral do Sistema de Partida a Frio com Injetor


manômetro

Reg ulador de Pressão

Manômetro

Reg ulador de Pressão

Figura 4.6 – Reservatório equipado com manômetro e regulador de pressão

Figura 4.7 – Detalhe da posição do injetor e filtro de combustível


Galeria de Combustível

injetor


injetor


Injetor

Figura 4.8 – Detalhe do injetor e da galeria de combustível

Figura 4.9 – Detalhe da pulverização da gasolina


4.1.4 – Instrumentação do Veículo

No veículo foram instalados instrumentos para o monitoramento e registro dos

parâmetros de funcionamento e dados necessários para os cálculos. No

sistema de escapamento foram instalados termopares no coletor de descarga,

no pré-catalisador (entrada, interior e saída) e no catalisador principal (entrada,

interior e saída). Para o registro da razão de equivalência ar/combustível (λ) foi

instalada uma sonda lambda linear antes do pré-catalisador ou próximo ao

coletor de descarga quando os testes eram realizados sem o pré-catalisador e

o catalisador principal. A Fig 4.10 mostra o esquema da descarga

instrumentada com o pré-catalisador e o catalisador principal, onde T1, T2, T3,

T4 ,T5 e T6 representam, respectivamente, as temperaturas na entrada, interior

e saída do pré-catalisador e catalisador principal. A razão de equivalência

ar/combustível é indicada por λ, medida na saída dos cilindros 1, 3 e na

confluência dos quatro cilindros.

Fig. 4.10 – Esquema do sistema de descarga instrumentado

Um termopar foi instalado na extremidade da vareta de verificação do nível de

óleo para um acompanhamento adequado do aquecimento do motor. A

condição de temperatura do motor também foi monitorada pela temperatura do

líquido de arrefecimento. O valor da tensão elétrica em um dos injetores do

sistema de injeção do veículo e do sistema de partida a frio foi monitorada.

Com o valor da tensão no injetor e o tempo de injeção pode-se estimar a sua


vazão dinâmica (volume injetado). A tensão elétrica do sistema de partida a frio

foi utilizada para verificação do tempo de funcionamento deste sistema. Estes

dados foram registrados em um osciloscópio a uma freqüência de 10 Hz.

O veículo também foi equipado com uma unidade eletrônica que fez a interface

com a central eletrônica do sistema de injeção e ignição, possibilitando a

aquisição dos parâmetros de funcionamento do motor que possibilitam o

controle do ponto de ignição e quantidade de combustível injetada em cada

condição de funcionamento do motor. Os parâmetros utilizados neste trabalho

foram a temperatura da água de arrefecimento, a velocidade angular do motor,

o tempo de injeção, a temperatura do ar e a pressão no coletor de admissão.

A modificação de parâmetros de funcionamento, como o tempo de injeção,

também é possível através desta interface. Estes dados foram registrados em

um microcomputador a uma freqüência de 10 Hz.

4.1.5 – Sistema de Aquisição de Dados da Central Eletrônica do Veículo

O veículo era dotado de uma central eletrônica que controla o sistema de

injeção/ignição.O sistema de aquisição dos dados da central eletrônica do

veículo era composto de um cabo ligado ao chicote do sistema elétrico através

de um conector. Este conector contem as linhas de acesso às informações

disponíveis na central eletrônica de injeção referentes ao controle dos sistemas

de injeção e ignição. O cabo era ligado a um sistema de processamento dos

sinais gerados na central eletrônica, possibilitando a visualização, o acesso a

modificações dos parâmetros medidos e o armazenamento dos mesmos no

decorrer do tempo. Este procedimento era possível devido a um programa

específico instalado em um micro computador conectado ao sistema de

processamento. Este sistema de processamento foi utilizado para registrar os

parâmetros como velocidade rotacional do motor (rotação), temperatura do ar e

pressão no coletor de admissão, temperatura da água do motor e tempo de

injeção de combustível. Estes dados foram utilizados para caracterizar a

partida a frio e o regime de funcionamento do veículo no período de

aquecimento do motor.


4.1.6– Sistema de Medição da Razão de Equivalência Ar/Combustível (λλ)

O sistema de medição da razão de equivalência ar/combustível era composto

principalmente de uma unidade de controle e um sensor lambda linear. O

sensor lambda era pré-aquecido (800º C), possuindo um tempo de resposta na

faixa de 0,08 s a 0,15 s, podendo realizar medições na faixa de temperatura

dos gases do sistema de exaustão do motor de –7ºC a 900ºC. A faixa de

medição da razão de equivalência era de 0,50 a 2,50, com resolução de 0,01.

4.1.7 – Instrumentos de Medição

- Termopares Tipo K

Empregados nas medições das temperaturas na faixa de 0º C a 200º C, estes

termopares possuem incerteza de ± 4,0%. Foram utilizados para medições das

temperaturas da água de arrefecimento e do óleo do motor, dos catalisadores e

dos gases da exaustão no coletor de descarga do motor.

– Osciloscópio

Um osciloscópio digital com freqüência máxima de 500 Hz foi utilizado para

receber os sinais dos termopares tipo K e sinais do sistema de medição da

razão de equivalência. A freqüência de aquisição dos dados foi ajustada para

10 Hz. O osciloscópio também foi utilizado para registrar a tensão do sistema

de partida a frio durante o tempo de acionamento deste.

– Manômetro

Este instrumento foi utilizado para verificação da pressão da linha de

combustível do sistema de partida a frio. O manômetro apresentava faixa de

medição até 4,0 bar, com resolução de 0,1 bar.

– Regulador de Pressão

O regulador de pressão foi utilizado para ajustar e manter constante a pressão

do sistema de partida a frio com injetor de combustível. A pressão foi ajustada

para 1,5 bar.


- Proveta Graduada

Foi utilizada uma proveta graduada na medição da vazão de gasolina do

sistema de partida a frio com capacidade de 25 ml, com resolução de 1,0 ml.

4.1.8 – Dinamômetro de Chassi

O dinamômetro de chassi é utilizado para simular em laboratório a resistência

ao deslocamento do veículo. A determinação da resistência ao deslocamento é

feita submetendo o veículo a uma desaceleração livre em pista de rolamento,

conforme a NBR 10312. O dinamômetro possui uma unidade elétrica de

absorção de potência para simular as condições de carga do veículo (potência

resistiva). A potência resistiva no rolo do dinamômetro é determinada em

função de fatores relacionados com a desaceleração do veículo, como inércia

equivalente, arrasto aerodinâmico e a resistência ao rolamento. A inércia

equivalente do veículo é simulada no dinamômetro através de um conjunto de

massas de inércia que são acopladas ao eixo do rolo que reproduzem um

efeito dinâmico equivalente à massa de inércia do veículo em movimento

linear. O equipamento possui um rolo de 1220 mm de diâmetro e pode medir

velocidades na faixa de 0 a 160 km/h com resolução de 0,01% do fundo de

escala e potencia até 150 hp. O dinamômetro é mostrado esquematicamente

na Fig. 4.11.

4.1.9 – Sistema de Amostragem e Análise de HC ,CO e NOx

O sistema de amostragem dos gases é do tipo amostrador de volume

constante (AVC). O sistema permite a medição das massas reais das

substâncias emitidas pelo motor através do tubo de descarga do veículo. O

volume total da mistura gás de escape/ar de diluição é medido, sendo que uma

parte deste volume é continuamente coletado para análise. O sistema é

provido de balões de coleta de amostras para o ar de diluição e para o gás de

escape diluído. Estes balões são confeccionados em material especial para

impedir alterações nas análises dos gases por eles armazenados. O sistema

de amostragem está indicado na representação esquemática da Fig. 4.11.

O sistema de analisadores de HC, CO e NOx podem realizar análise em tempo

real antes e depois do catalisador, além da análise das amostras que são


coletadas e armazenados nos balões durante o teste. Os analisadores de

gases estão representados na Fig. 4.11. A análise dos gases foi realizada

segundo a Norma NBR 6601 (ABNT, 1995).

CO

CO2

HCNOx

CO

HC

NOx

CO2

ºC TEMP. AMB.

bar PRESSÃO

% UMID. RELATIVA

AR

UNIDADE AUXILIAR MOTORISTA( DRIVE AID ) AR

LINHA AQUECIDA

BALANÇA( CONSUMO )

HC - CO( MARCHA LENTA )

IMPRESSORA

REGISTRADOR

HORIBA

CO

CO2

HCNOx

ANTES DOCATALISADOR

DEPOIS DOCATALISADOR

ANTES OU DEPOISCO

CO2

HCNOx

CO

HC

NOx

CO2

ºC TEMP. AMB.

bar PRESSÃO

% UMID. RELATIVA

ºC TEMP. AMB.

bar PRESSÃO

% UMID. RELATIVA

AR

UNIDADE AUXILIAR MOTORISTA( DRIVE AID ) AR

LINHA AQUECIDA

BALANÇA( CONSUMO )

HC - CO( MARCHA LENTA )

IMPRESSORA

REGISTRADOR

HORIBA

CO

CO2

HCNOx

ANTES DOCATALISADOR

DEPOIS DOCATALISADOR

ANTES OU DEPOIS

Fig. 4.11 – Esquema do dinamômetro de chassi, sistema de amostragem e

analisadores de gases.

A medição dos hidrocarbonetos totais é realizada passando o gás coletado

através de uma chama de hidrogênio. Os hidrocarbonetos na amostra

produzem uma corrente de íons proporcional ao total de átomos de carbono

presentes. Um eletrodo que envolve a chama mede a corrente de íons. A

quantidade de hidrocarbonetos de uma amostra é expressa em ppm-C.

Usando-se o propano (C3H8) como gás de referência, por exemplo, a resposta

é três vezes maior do que a obtida com o metano (CH4), que apresenta um

único carbono por molécula. Para análise em tempo real a linha de coleta é

aquecida, e sua faixa de medição é de até 3000 ppmC, com incerteza de ±

0,5%. Para os gases coletados nos balões a faixa de medição é de até 300

ppmC, com incerteza de ± 0,5%.


– Analisadores de Monóxido de Carbono (CO)

Os analisadores de CO utilizam detectores por absorção de raios

infravermelhos não dispersivos (IND). A amostra de gás é bombeada para

dentro de uma câmara por onde atravessa uma luz infravermelha. O

comprimento de onda da luz é especialmente selecionado dependendo da

composição do gás detectado. A composição presente na amostra absorve a

luz e diminui a intensidade da luz que sai da câmara. A intensidade é

comparada com uma fonte de luz de referência, e o resultado da diferença é

expresso em concentração da composição da amostra. Para análise em tempo

real a linha de coleta é aquecida, e sua faixa de medição é de até 20000 ppm,

com incerteza de ± 0,5% . Para os gases coletados nos balões a faixa de

medição é de até 1000 ppm, com incerteza de ± 0,5%.

– Analisadores de Óxidos de Nitrogênio (NOx)

Os analisadores de NOx utilizam o método de luminescência química (LQ),

para detectar a reação entre o óxido nítrico (NO) e o ozônio (O3). A reação

emite um fóton de luz. O número de fótons emitidos é proporcional a

concentração de NO. Para a detecção de NOx a amostra é guiada através de

um conversor, onde o NOx é dissociado em NO. Para análise modal a linha de

coleta é aquecida e sua faixa de medição é de até 5000 ppm, com incerteza de

± 0,5% . Para os gases coletados nos balões a faixa de medição é de até 300

ppm, com incerteza de ± 0,5%.

4.1.10 - Sistema de Amostragem e Análise de Aldeídos

O sistema de amostragem de aldeídos é composto por frascos lavadores de

gás montados em série dois a dois, mantidos a uma temperatura entre 2º C e

6º C. Para um ciclo completo de condução compreendido de três fases são

utilizados quatro pares, um para cada fase e outro para amostragem do ar de

diluição. Para amostragem em intervalos de tempos menores utiliza-se quantos

pares forem necessários. São utilizadas soluções de DNPH

(dinitrofenilhidrazina) e ACN (acetonitrila) para a absorção dos aldeídos e

cetonas contidos no gás de descarga, resultando em derivados carbonílicos. A

Fig. 4.12 mostra esquematicamente o sistema de amostragem de aldeídos.


As amostras correspondentes a cada uma das fases do ciclo de condução e o

ar de diluição são preparadas, ou seja, avolumadas com ACN em balões de

100 ml. Estas amostras, após a preparação, são armazenadas em solução de

DNPH/ACN, injetadas e analisadas por cromatografia líquida de alta eficiência

(HPLC). A Fig. 4.13 mostra o esquema da análise de aldeídos pelo sistema

DNPH/HPLC. A determinação de aldeídos totais é feita segundo a Norma NBR

12026 (ABNT, 1997)

FILTRO

1 2 31 | 2 | 3 | 4 | 5

TOTALIZADORDE VOLUME

INDICADOR DETEMPERATURA

INDICADOR DOVOLUME DO GÁS

ROTAMETRO

BOMBA

BOMBA EXAUSTORADO SISTEMA AVC-VC

SOLUÇÃO REAGENTE - DNPH/ACN

BANHO DE GELOBANHO DE GELO

FRASCOS LAVADORES

PONTO DEAMOSTRAGEM

ALDEÍDOS

SAÍDA PARA OS SACOS DE AMOSTRAGEM

AR AMBIENTE

PONTO DEAMOSTRAGEM

AR DE DILUIÇÃO

EXAUSTÃO

VEICULARCICLONE

EXAUSTÃO

FILTRO

1 2 31 2 31 | 2 | 3 | 4 | 5

TOTALIZADORDE VOLUME

INDICADOR DETEMPERATURA

INDICADOR DOVOLUME DO GÁS

ROTAMETRO

BOMBA

BOMBA EXAUSTORADO SISTEMA AVC-VC

SOLUÇÃO REAGENTE - DNPH/ACN

BANHO DE GELOBANHO DE GELO

FRASCOS LAVADORES

PONTO DEAMOSTRAGEM

ALDEÍDOS

SAÍDA PARA OS SACOS DE AMOSTRAGEM

AR AMBIENTE

PONTO DEAMOSTRAGEM

AR DE DILUIÇÃO

EXAUSTÃO

VEICULARCICLONE

EXAUSTÃO

Fig. 4.12 – Esquema do sistema de amostragem de aldeídos


DETECTORDETECTOR

INTEGRADORINTEGRADOR

EE

REGISTRADORREGISTRADOR

SISTEMASISTEMA

DEDE

BOMBEAMENTOBOMBEAMENTO

RESERVATÓRIO

DA FASE

MÓVEL AVOLUMAGEM

DA AMOSTRA

COLETADA

INJEÇÃO DA

AMOSTRA

C

O

L

U

N

A100ml

MEDIDORDE PRESSÃO

VÁLVULA DEAMOSTRAGEM

6.34 5.10 RT3210 2370 ÁREA2.11 1.70 CONC.

6.34

5.10


EE


SISTEMASISTEMA

DEDE


RESERVATÓRIO

DA FASE

MÓVEL AVOLUMAGEM

DA AMOSTRA

COLETADA

INJEÇÃO DA

AMOSTRA

C

O

L

U

N

A100ml

MEDIDORDE PRESSÃO


6.34 5.10 RT3210 2370 ÁREA2.11 1.70 CONC.

6.34

5.10DETECTORDETECTOR


EE


SISTEMASISTEMA

DEDE


RESERVATÓRIO

DA FASE

MÓVEL AVOLUMAGEM

DA AMOSTRA

COLETADA

INJEÇÃO DA

AMOSTRA

C

O

L

U

N

A100ml

MEDIDORDE PRESSÃO


6.34 5.10 RT3210 2370 ÁREA2.11 1.70 CONC.

6.34

5.10

Fig. 4.13 – Esquema do sistema de análise de aldeídos

4.2 - Procedimentos Experimentais

Nesta seção são descritos os procedimentos experimentais que foram

utilizados para instrumentação do veículo, o ajuste da quantidade de álcool e

gasolina na partida a frio e acelerações no período de aquecimento do motor,

testes de verificação do tempo de partida a frio e os testes de emissões.

4.2.1– Ajuste das Quantidades de Álcool e Gasolina

As quantidades de álcool e de gasolina necessárias para a partida a frio foram

definidas a partir da reação de combustão completa do composto álcool mais

gasolina, em função da vazão de ar calculada para um cilindro e do número de

moles da gasolina. A vazão de ar no cilindro foi determinada através da

medição dos valores de pressão e temperatura no coletor de admissão nas

condições de partida a frio.

Para ajuste da partida a frio optou-se pela manutenção da quantidade de álcool

(0,34 ml/s) e a variação da quantidade de gasolina. A vazão de álcool é obtida

através do tempo de injeção, pela tensão elétrica no injetor e características do

próprio injetor, como a vazão estática. A variação da vazão de gasolina


injetada no coletor de admissão foi feita através do modulador de freqüência de

abertura e fechamento do bico injetor. Os ajustes de vazão de gasolina

obedeciam às relações entre vazões de álcool e gasolina definidas na Tab. 3.2.

Após cada ajuste de freqüência de abertura/fechamento do injetor a vazão era

verificada através da coleta de gasolina por 10 s na proveta graduada de 25 ml.

Sendo assim, a cada ajuste era realizada uma tentativa de partida com o motor

frio e temperatura ambiente entre 20º C e 30º C. As temperaturas do líquido de

arrefecimento e óleo do motor estavam em equilíbrio com a temperatura

ambiente. A vazão de ar era a mesma vazão determinada para a partida para

uma combustão completa do combustível, ou seja, o excesso de álcool e

gasolina em relação às quantidades de ar determinadas na Tab. 3.2 tornou a

mistura rica. A mistura rica é uma condição para a partida a frio do motor. O

objetivo do ajuste era obter um menor tempo de partida e continuidade do

funcionamento do motor. A Tab. 4.1 mostra a seqüência de ajustes de vazão

de gasolina obedecendo a proporcionalidade da relação entre álcool e

gasolina. O motor era considerado em funcionamento quando o mesmo atingia

uma velocidade rotacional de 600 rpm (10 rev/s). Os resultados apresentados

na Tab. 4.1 conduzem ao ajustes das vazões de gasolina e álcool para cada

cilindro de 1,20 ml/s e 0,34 ml/s respectivamente.

Tabela 4.1 – Seqüência de ajustes de vazões de gasolina obedecendo a

relação de vazões de álcool e gasolina conforme a Tab. 3.1.

1,15 motor não funcionou

motor funcionou em 2,0 s2,31 e parou de funcionar em

seguidamotor funcionou em 1,0 s

3,46 e manteve o funcionamento

0,34

Observações

0,34 1,20

0,34 0,80

0,40

álcool

gasol

⋅

⋅

∀

∀ ( )smlálcool /⋅

∀ ( )smlgasol /⋅

∀

As quantidades de álcool e gasolina necessárias para o início das acelerações

a frio foram definidas para o bom funcionamento do motor na partida a frio. Por


praticidade, foi mantida a vazão de 1,20 ml/s de gasolina através do injetor,

pois desta forma não seria necessário um novo ajuste após a partida a frio com

o motor em funcionamento. O desempenho satisfatório no início da aceleração

a frio também permitiu uma redução média de 17% na quantidade de álcool ao

longo de todo o período da aceleração. O sistema de partida a frio com injetor

introduz de forma quase instantânea a gasolina no coletor de admissão, pois a

sua pressão de alimentação é de 1,5 bar, cerca de 3 vezes maior que a do

sistema convencional, além de proporcionar uma pulverização homogênea. A

avaliação do comportamento do motor incluía a partida a frio seguida de uma

aceleração brusca. Para este procedimento a temperatura do líquido de

arrefecimento e do óleo do motor estavam a 25º C, em equilíbrio com a

temperatura ambiente.

4.2.2. – Configuração do Veículo

Os testes de verificação do tempo de partida a frio e de emissões foram

realizados com as seguintes configurações: (1) sistema de partida a frio

convencional e ajuste do sistema de controle do motor de referência; (2)

sistema de partida a frio com injetor e ajuste do controle do motor de

referência; (3) sistema de partida a frio convencional e ajuste do sistema de

controle do motor com menos álcool na aceleração a frio, aqui denominado de

ajuste SPFI (Sistema de Partida a Frio com Injetor); (4) sistema de partida a frio

com injetor e ajuste do controle do motor SPFI. Estas quatro configurações

foram testadas com o veículo desprovido de pré-catalisador e catalisador.

Foram realizados testes de emissões utilizando as configurações 1 e 2 com o

veículo equipado com o pré-catalisador e catalisador principal e com o veículo

equipado apenas com o catalisador principal. Como resultado destas

combinações obteve-se oito configurações diferentes. A Tab. 4.2 mostra as oito

configurações do veículo para os testes de emissões e partida a frio .

O ajuste SPFI é caracterizado por possuir as quantidades de álcool e gasolina

definidas na seção 4.2.1 para a partida a frio e início de acelerações a frio,

respectivamente. Os testes de partida a frio foram realizados juntamente com

os testes de emissões, aproveitando a partida a frio do motor, quando o


sistema de descarga do veículo estava sem os catalisadores. O pré-catalisador

e o catalisador principal foram envelhecidos simultaneamente 12.000 km.

Tabela 4.2 – Configurações do veículo para os testes de partida a frio e

emissões.

4.2.3 – Testes de Emissões

A determinação das emissões de hidrocarbonetos (HC), monóxido de carbono

(CO), óxidos de nitrogênio (NOx) é feita de acordo com a NBR 6601 e a

determinação de aldeídos de acordo com a NBR 12026. O teste de emissões é

realizado com o veículo simulando uma viagem de percurso médio de

aproximadamente 18 km em área urbana. Este percurso é definido como ciclo

urbano que se define por um gráfico contínuo de velocidade em função do

tempo. Consiste em seqüências não repetidas dos regimes de marcha lenta,

acelerações, velocidade de cruzeiro e desacelerações em magnitudes e

combinações variadas. Para garantir esta simulação, a tolerância na

velocidade, em qualquer instante no ciclo de condução, é definida por dois

limites, um inferior e outro superior. O teste consiste na partida do motor e na

operação do veículo em um dinamômetro de chassi, através de um ciclo de

condição específica. O teste completo é formado por dois ciclos, sendo um

ciclo de 12,1 km com partida a frio e o outro ciclo com 5,8 km com partida a

quente. O resultado da medição das emissões é a média ponderada entre os

dois ciclos, representando assim uma viagem com percurso de 18 km. Entre as

duas partes do teste (partida a frio e a quente) existe um intervalo, no qual o

veículo permanece sobre o dinamômetro de chassi por 10 minutos, com o capô

do veículo fechado.

O teste de partida a frio tem a duração de 1371 s e é subdividido em 2 partes.

A primeira inicia-se no instante em que o motor é acionado a frio, denominada

Fase I (fase transitória da partida a frio), onde o veículo simula um percurso de

aproximadamente 5,8 km. A Fase I termina no final da desaceleração que é

programada para ocorrer aos 505 s contados do início do ciclo. A segunda

parte inicia-se imediatamente após a Fase I, sem interrupção do


funcionamento do motor, e é denominada de Fase II (fase estabilizada),

consistindo na conclusão do ciclo, incluindo o desligamento do motor. A Fase

III que é o teste de partida a quente, consiste de um período que representa a

fase quente, e termina com o final da desaceleração aos 505 s. O teste

completo para determinação das emissões no ciclo urbano é composto pelas

Fases I, II e III.

Para avaliação das emissões após a partida a frio e no período de

aquecimento do motor, foi utilizado neste trabalho a primeira fase do ciclo

urbano ( Fase I), denominada “COLD 505”. A Fig. 4.14 mostra como é dividido

o ciclo urbano para determinação das emissões pelo escapamento de um

veículo conforme a Norma NBR 6601 (ABNT, 1995). Neste trabalho foram

também realizados testes para determinação de aldeídos em intervalos de 10

em 10 s e de 50 em 50 s dentro da Fase I (“COLD 505”) do ciclo urbano, para

identificação dos períodos em que as emissões de aldeídos eram mais

acentuadas.

A análise em tempo real de HC, CO e NOx antes e depois dos catalisadores foi

utilizada para determinação da eficiência de conversão dos catalisadores. As

amostras de gases coletadas nos balões foram utilizadas para a determinação

dos resultados de emissões em g/km.


5,8 km 6,4 km 10 min. 5,8 km

505 s 866 s 600 s 505 s

FASE I FASE II INTERVALO FASE IIIkmh

100

50

Tempo

Distância total:18,0 kmTempo total: 2.478 seg.

5,8 km 6,4 km 10 min. 5,8 km

505 s 866 s 600 s 505 s

FASE I FASE II INTERVALO FASE IIIkmh

100

50

Tempo

Distância total:18,0 kmTempo total: 2.478 seg.

Fig. 4.14 – Representação do ciclo urbano para determinação das emissões

pelo escapamento de um veículo conforme a NBR 6601

4.2.4 – Execução dos Testes de Emissões e Tempo de Partida a Frio

Foram realizados testes utilizando o ciclo urbano completo de emissões e

utilizando a parte do ciclo urbano com partida a frio (“COLD 505”). O veículo

era submetido ao pré-condicionamento, que consiste na execução de um ciclo

urbano completo no prazo de 12 a 36 horas antes do teste de emissões. Neste

período de 12 a 36 horas o veículo permanecia estacionado em uma sala de

ambientação com temperatura entre 20 e 30º C, que é a mesma faixa de

temperatura exigida para o ambiente do teste de emissões com partida a frio.

Desta forma pode-se avaliar os níveis de emissões após a partida a frio e no

período de aquecimento do motor, além do tempo de partida a frio. As

velocidades para troca de marchas utilizadas nos testes foram as seguintes:

de 1ª para 2ª marcha – 22 km/h; de 2ª para 3ª marcha – 44 km/h; de 3ª para 4ª

marcha – 62 km/h; de 4ª para 5ª marcha – 82 km/h.

Foram realizados três testes “COLD 505” para cada configuração (Tab. 4.2) e

dois testes com o ciclo urbano completo para as configurações do veículo

utilizando pré-catalisador e catalisador principal. Os resultados apresentados


no Capítulo 5 representam a média obtida para os testes com cada

configuração.

Capítulo 5 - Resultados 66

CAPÍTULO 5

RESULTADOS

Neste capítulo são apresentados os resultados dos testes experimentais

realizados para determinação do tempo de partida a frio, determinação das

emissões pela exaustão e avaliação da aceleração a frio do veículo a álcool

hidratado. Os resultados são apresentados em forma de tabelas e gráficos

comparando as configurações testadas. Os testes de emissões foram

realizados seguindo o ciclo “COLD” 505 e também o ciclo urbano completo,

ambos descritos no Cap. 4.

5.1 – Testes para Determinação dos Tempos de Partida a Frio

Os testes para determinação dos tempos de partida a frio foram realizados

com as configurações 1, 2, 3 e 4, que possuíam o sistema de exaustão do

veículo desprovido de pré-catalisador e catalisador principal, conforme descrito

na Seção 4.2.4. Nestes testes a temperatura do motor estava em equilíbrio

com a temperatura ambiente. O veículo foi submetido ao pré-condicionamento,

que consiste na execução de um ciclo urbano completo no período de 12 a 36

horas antes do teste de emissões. Neste período de pré-condicionamento o

veículo permanecia estacionado em uma sala com temperatura entre 20 e 30º

C, que é a mesma faixa de temperatura exigida para o ambiente do teste de

emissões com partida a frio. O tempo de partida para cada configuração foi

definido como o tempo necessário para o motor atingir a rotação de 600 rpm.

Os tempos de partida para cada configuração representam a média de 3

testes, e são mostrados na Fig 5.1.


0

300

600

900

1200

1500

1800

2100

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5Tempo ( s )

Vel

oci

dad

e ro

taci

on

al (r

pm

)

Ajuste Ref.- Part. Frio injetor (2)Ajuste SPFI-Part. Frio injetor (4)Ajuste Ref.-Part. Frio Conv.(1)Ajuste SPFI-Part. Frio Conv. (3)

Figura 5.1-Comparativo dos tempos de partida a frio das quatro configurações.

A configuração 4 mostrou um menor tempo de partida que a configuração 1,

inferior em 31,11%, e um desvio padrão 80,76% menor que o desvio padrão

verificado para o tempo de partida da configuração 1. Isto significa que, além

de se obter uma diminuição no tempo de partida a frio, os valores com a

configuração 4 foram mais repetitivos. Com a pulverização da gasolina a uma

pressão mais elevada obteve-se uma distribuição mais uniforme do

combustível entre os cilindros, o que explica os resultados obtidos. No sistema

de partida a frio convencional existe a possibilidade do esvaziamento parcial

da linha de alimentação de gasolina, em função de perdas por evaporação ou

retorno da gasolina para o reservatório. Como o sistema com injetor possui

uma galeria de combustível junto ao injetor, este problema é minimizado e

normalmente no momento da partida do motor a frio existe gasolina disponível

para injeção. A configuração 2 em relação à configuração 1 também

apresentou melhoria de 24,44% no tempo de partida e um desvio padrão

menor 61,51%, demonstrando a influência isolada do injetor. Observa-se que

nas configurações em que o sistema de partida a frio com injetor foi

comparado com o sistema convencional o tempo de partida a frio foi menor e o

funcionamento pós partida, analisado através do aumento de rotação, também

foi mais satisfatório. A configuração 3 apresentou um tempo de partida próximo

ao da configuração 1, pois ambas utilizaram o sistema de partida a frio

convencional. Os tempos de partida de cada teste, juntamente com as médias

e desvios padrões, são mostrados na Tab. A.1 do Apêndice A.


5.2 – Avaliação das Acelerações a Frio

Além do tempo de partida foi analisado o funcionamento do motor quando

submetido a uma aceleração a frio com carga. Este comportamento foi

avaliado durante as primeiras acelerações no ciclo de emissões, quando a

temperatura do líquido de arrefecimento ainda estava entre 20 e 30º C. Nesta

condição a gasolina é introduzida no coletor de admissão no início de cada

aceleração, para auxiliar na dirigibilidade com o motor frio. Na Fig. 5.2 pode-se

observar que, no início da aceleração ocorre uma diminuição momentânea da

rotação em função do empobrecimento repentino da mistura com a abertura da

borboleta. A recuperação da aceleração depende principalmente da resposta

do sistema de injeção e da quantidade de combustível. Nesse caso a

consistência do início da aceleração depende também da introdução de

gasolina no coletor de admissão. O veículo, mesmo com a configuração 4, que

possuía um ajuste do sistema de controle do motor caracterizado por uma

diminuição da quantidade de álcool em torno de 17% para as acelerações a

frio, comportou-se praticamente da mesma forma que as outras três

configurações, sem falhas ou dificuldade em atingir as velocidades

necessárias para acompanhar o ciclo de emissões.

Ressalta-se que a configuração 3 utilizou o sistema de partida a frio

convencional, e a configuração 4 o sistema com injetor. Porém, com a

configuração 3 observou-se uma queda da rotação no final da primeira

aceleração, podendo significar uma ausência de combustível para sustentar a

aceleração, ou seja, o sistema de partida a frio convencional pode não ter

fornecido gasolina suficiente para compensar a diminuição de álcool do ajuste

“SPFI”. Desta forma, demonstra-se que o sistema de partida a frio com injetor,

mesmo proporcionando vazão de combustível 66,67% menor que a do sistema

de partida a frio convencional, permite um início de aceleração a frio

consistente, proporcionado pela homogeneidade da pulverização e resposta

mais rápida em função da maior pressão e melhor distribuição e

aproveitamento da gasolina entre os cilindros. A maior quantidade de gasolina

utilizada pelo sistema a frio convencional pode ser prejudicial em termos de

emissões. Esta mesma consideração se aplica principalmente à configuração

1, que além de possuir uma vazão maior de gasolina, possui também uma


quantidade maior de álcool durante a aceleração a frio.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

Tempo ( s )

Vel

oci

dad

e R

ota

cio

nal

(r

pm

)

Ajuste Ref.- Part. Frio injetor (2)

Ajuste SPFI-Part. Frio injetor (4)

Ajuste Ref.-Part. Frio Conv.(1)Ajuste SPFI-Part. Frio Conv. (3)

Figura 5.2 – Comparativo da aceleração a frio com carga

5.3 – Testes de Emissões

5.3.1 – Resultados de Emissões nas Configurações 1, 2, 3 e 4

Os testes de emissões nas configurações 1, 2, 3 e 4 foram realizados para

avaliar os resultados sem a influência do pré-catalisador e catalisador principal.

As Figs. 5.3 e 5.4 mostram o comportamento das emissões de HC e CO ao

longo de todo ciclo de emissões “COLD 505”, evidenciando que as diferenças

estão concentradas na partida a frio e, principalmente, nas acelerações a frio.

No restante do ciclo o comportamento das emissões das duas configurações é

praticamente o mesmo, pois não existem diferenças de ajuste da quantidade

de álcool ou introdução de gasolina. Os resultados de emissões do ciclo

“COLD 505” das configurações 1, 2, 3 e 4 estão relacionados na Tab. A .1 do

Apêndice A.


0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Tempo ( s )

HC

/ H

C t

ota

al (

%) Ajuste SPFI-Part. Frio injetor (4)

Ajuste Ref.-Part. Frio Conv. (1)

Figura 5.3 – Emissões de HC das configurações sem catalisadores em

termos do percentual do total da concentração no “COLD 505”.

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Tempo ( s )

CO

/ C

O t

ota

l (%

) Ajuste SPFI-Part. Frio injetor (4)


Figura 5.4 – Emissões de CO das configurações sem catalisadores em termos

do percentual do total da concentração no “COLD 505”.

Nas Figs 5.5 e 5.6 tomando como base a configuração 1 verificou-se que as

demais configurações apresentaram melhores resultados de HC e CO. A Fig.

5.5 mostra que a configuração 2 emitiu concentrações menores de HC e CO

menores que a configuração 1, respectivamente 0,73% e 3,30%. Este

resultado pode ser atribuído isoladamente à introdução de gasolina pelo injetor

na configuração 2 e à menor quantidade de gasolina injetada, já que as duas

configurações utilizaram o mesmo ajuste do sistema de injeção (referência).

Na configuração 2 utilizou-se menor quantidade de gasolina na partida a frio e

no início das acelerações a frio. Além disso, o tempo de partida a frio foi

menor 24,44%, proporcionando uma diminuição de combustível não queimado.


A configuração 3 apresentou emissões de HC 3,09% menores que a

configuração 1, e 10,80% menos emissões de CO (Figs. 5.5 e 5.6). Neste

caso, a diferença entre as configurações 1 e 3 foi a utilização do ajuste SPFI

na configuração 3, lembrando que este ajuste é caracterizado pela menor

quantidade de álcool nas acelerações a frio. Como ambas utilizaram o sistema

de partida a frio convencional, o tempo de partida a frio de ambas foi próximo.

Logo, a diferença pode ser atribuída ao ajuste do sistema de injeção nas

acelerações a frio.

A configuração 4 apresentou os melhores resultados de HC e CO em relação

a configuração 1, com níveis de emissões respectivamente 8,58% e 17,18%

menores (Figs. 5.5 e 5.6). Estes resultados podem ser justificados

principalmente pela combinação de dois fatores na configuração 4: a utilização

do sistema de partida a frio com injetor e o ajuste SPFI. Todos os resultados

estão coerentes com os estudos realizados e apresentados no Capítulo 2. As

principais causas de emissões de HC no período de aquecimento do motor é a

grande quantidade de hidrocarbonetos não queimados que se acumulam nas

fendas e paredes frias da câmara de combustão. Desta forma, diminuindo-se a

quantidade de gasolina e ou álcool na mistura ar/combustível, torna-se

possível a redução de emissões de HC no período de aquecimento do motor.

A redução das emissões de CO depende também do empobrecimento da

mistura.

1,780

1,679

1,823 1,837

1,50 1,60 1,70 1,80 1,90 2,00

1 2 3 4 Configurações

HC (g

/km)

Figura 5.5 – Média das emissões de HC das configurações 1, 2, 3 e 4 no ciclo

“COLD 505”.


8,7978,507

7,847

7,286

5,00

5,50

6,00

6,50

7,00

7,50

8,00

8,50

9,00

1 2 3 4

Configurações

CO

(g

/km

)

Figura 5.6 – Média das emissões de CO das configurações 1, 2, 3 e 4 no ciclo

“COLD 505”.

A Fig. 5.7 mostra o comparativo dos valores da razão de equivalência

combustível/ar (φ) das configurações 1 e 4 nos primeiros 60 segundos do ciclo

“COLD 505”. Assim, pode ser visualizado principalmente o empobrecimento da

mistura da configuração 4 em relação à configuração 1 no período de

acelerações a frio. Em média os valores da razão de equivalência

combustível/ar neste período crítico para emissões de HC e CO foi de 1,04

para configuração 4 e 1,22 para configuração 1. Estes valores expressos como

razão de equivalência ar/combustível (λ) seriam 0,96 para configuração 4 e

0,82 para configuração 1.

As Figs. 5.8 e 5.9 mostram o comportamento das emissões de HC e CO nos

60 segundos iniciais do ciclo “COLD 505” nas configurações 1 e 4. Nas figuras

evidencia-se principalmente o efeito do empobrecimento da mistura

combustível/ar no período das acelerações a frio com carga aplicada ao motor,

explicando parcialmente os menores níveis de emissões com a configuração 4.


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

Tempo ( s )

φφ


Ajuste Ref.-Part. Frio Conv.(1)

Figura 5.7 - Comparativo dos valores da razão de equivalência

combustível/ar (φ).

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60Tempo ( s )

% d

o t

ota

l de

HC



Figura 5.8 – Emissões de HC das configurações sem catalisadores nos 60 s

iniciais em termos do percentual do total da concentração no “COLD 505” .


0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60Tempo ( s )

CO

/ C

O to

tal (

%)



Figura 5.9 – Emissões de CO das configurações sem catalisadores nos 60 s


O resultado obtido para as emissões de aldeídos (Fig. 5.10) não apresentaram

diferenças significativas como os resultados de HC e CO (Figs 5.5 e 5.6). As

emissões de aldeídos ocorrem também de forma acentuada (cerca de 70% do

total do “COLD 505”) quando o motor encontra-se aquecido, conforme

ilustrado na Fig. 5.11. Nos estudos realizados por Ito e Kurata (1985), os

pesquisadores analisaram a formação de aldeídos nos gases da combustão do

etanol a partir da combinação do etanol não queimado (C2H2OH) com os

óxidos de nitrogênio (NOx). Comparando o diagrama da Fig. 5.12, que mostra

o comportamento das emissões de NOx das configurações 1 e 4, com o

diagrama da Fig. 5.11, verifica-se a relação entre NOx e aldeídos após os 50

segundos iniciais. A grande concentração de aldeídos nos 50 segundos iniciais

pode ser explicada pela elevada concentração de hidrocarbonetos não

queimados, disponíveis no período pós combustão, conforme os estudos de

Browing e Pefley (1977a; 1977b). Na Fig. 5.5 o diagrama do comportamento

das emissões de HC confirma a grande presença de hidrocarbonetos não

queimados no início de funcionamento a frio do motor. No caso das quatro

configurações testadas, o veículo estava desprovido do pré-catalisador e

catalisador principal, minimizando o efeito da alteração da razão de

equivalência combustível/ar processada no período de aquecimento do motor,

ou seja, dentro dos 50 segundos iniciais.


0,349 0,346 0,3420,341

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

1 2 3 4

Configurações

Ald

eíd

os

(g

/km

)

Figura 5.10 – Média das emissões de Aldeídos das configurações 1, 2, 3 e 4

no ciclo “COLD 505”.

29,4

14,3

9,5 10,3

12,4

1,7 1,3

16,7

7,5 7,2

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

50

100

150

200

250

300 350

400

450

500

Tempo (s)

Ald

eíd

os

/ Ald

eíd

os

tota

l(%

)

Aldeídos totais

Figura 5.11 – Emissões de aldeídos da configuração 4 em termos percentuais

da concentração total no ciclo “COLD 505”.

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Tempo ( s )

NO

x /

NO

x to

tal

(%)



Figura 5.12 – Emissões de NOx das configurações sem catalisadores em

termos do percentual do total da concentração no “COLD 505” .


Quando se compara as emissões de aldeídos nestes primeiros 50 segundos,

verifica-se uma diminuição na concentração de 9,4% da configuração 4 em

relação a configuração 1, conforme mostrado na Fig. 5.13. Este resultado da

configuração 4 é uma conseqüência da menor quantidade de hidrocarbonetos

não queimados, em função do menor tempo de partida a frio, da diminuição da

quantidade de álcool durante as acelerações a frio e do valor da razão de

equivalência combustível/ar (Ô), em média 1,04, próximo da faixa de menores

níveis de emissões de aldeídos, ou seja de 0,9 a 1,0 (Fig. 2.5).

4,771

4,325

3,50

4,00

4,50

5,00

1 4

Configurações

Ald

eíd

os

(p

pm

)

Figura 5.13 – Emissões de Aldeídos nos 50 segundos iniciais do ciclo “COLD

505” das configurações 1 e 4.

As emissões de NOx, conforme mostra a Fig. 5.14, praticamente não

apresentaram diferenças ao se comparar as emissões das configurações 1, 2,

3 e 4, pois nos 50 segundos iniciais os níveis são irrelevantes se comparados

com CO e HC. Grande parte das emissões deste poluente ocorrem após este

período (Fig. 5.12), minimizando o efeito das alterações realizadas. Porém, se

analisados somente os 60 segundos iniciais é possível verificar que o

empobrecimento da mistura proporcionou um pequeno aumento nas emissões

de NOx, ( Fig 5.15).


1,340 1,3261,320 1,357

1,20

1,25

1,30

1,35

1,40

1,45

1,50

1 2 3 4

Configurações

NO

x (

g/k

m)

Figura 5.14 – Média das emissões de NOx das configurações 1, 2, 3 e 4 no

ciclo “COLD 505”.

0,0000,0050,0100,0150,0200,0250,0300,0350,0400,0450,050

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60Tempo ( s )

NO

x / N

Ox

tota

l (%

)



Figura 5.15 – Emissões de NOx das configurações sem catalisadores nos 60 s



5.4 –Resultados de Emissões das Configurações 5, 6, 7 e 8

Os testes de emissões das configurações 5, 6, 7 e 8 foram realizados para

comparar o efeito do pré-catalisador e catalisador principal nos resultados do

ciclo “COLD 505” e também no ciclo urbano completo, conforme a Norma NBR

6601 (ABNT 1995). A configuração 5 era caracterizada pelo ajuste do sistema

de injeção de “Referência” e a configuração 6 pelo ajuste do sistema de

injeção SPFI. Nos testes realizados no ciclo “COLD 505” verificou-se que as

emissões de HC, CO e aldeídos com a configuração 6 foram ainda melhores

que os testes realizados sem o pré-catalisador e catalisador, em relação a

configuração 5. Isto pode ser atribuído à eficiência dos catalisadores,

principalmente ao pré-catalisador, cuja eficiência de conversão tem início em

torno dos 50 segundos após a partida a frio. Assim, a maior parte das

emissões concentram-se dentro do período no qual foram realizadas

alterações nas configurações. Desta forma, as alterações representam um

efeito maior no resultado final do “COLD 505” quando utiliza-se o pré-

catalisador e o catalisador. As Figs 5.16 a 5.19 mostram que a configuração 6

apresenta melhorias em relação à configuração 5 de 29,22%, 50,19% e

10,46% para HC, CO e aldeídos, respectivamente. Por outro lado, o pequeno

aumento de NOx proporcionado pela configuração 4 nas acelerações a frio

(Fig. 5.15) gerou também um efeito maior no resultado final do “COLD 505”

com a configuração 6 em função do início da eficiência do catalisador. Como

conseqüência, a maior parte da concentração de NOx situou-se no período em

que foram realizadas alterações que caracterizaram as configurações. Este

mesmo argumento é válido para os resultados obtidos com as configurações 7

e 8 no ciclo “COLD 505”. Neste caso a influência isolada do catalisador

manteve praticamente as diferenças de resultados proporcionadas pela

utilização do pré-catalisador. Com a configuração 8 os níveis de HC, CO e

aldeídos foram menores 27,81%, 57,33% e 10,65% respectivamente. O efeito

da utilização isolada do catalisador também gerou um aumento nas emissões

de NOx .

Com as configurações 5, 6, 7 e 8 também foram realizados testes de emissões

no ciclo urbano da Norma NBR 6601 (ABNT,1995), como mostra as Figs. 5.20

a 5.23. Verifica-se que os resultados de emissões de HC, CO e aldeídos da


configuração 6 em relação a configuração 5 continuam mostrando menores

concentrações. No entanto, o resultado de NOx da configuração 6 melhorou

em 14% em relação a configuração 5, podendo ser explicado pela participação

das Fases II e III (motor aquecido) no resultado final do ciclo urbano. Nestas

fases a emissão de NOx é muito maior que no “COLD 505” (Fase I). Verifica-

se que os resultados apresentaram menores emissões de HC, CO e aldeídos

na configuração 8 em relação à configuração 7. O inverso ocorreu para as

emissões de NOx , provavelmente em função das variações das Fases II e III

do ciclo urbano.

1,837

0,517

0,935

0,730 0,675

1,679

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

1 4 5 6 7 8

Configurações

HC

(g

/km

)

Figura 5.16 – Média dos resultados de emissões de HC no ciclo “COLD 505”

das configurações 1, 4, 5, 6, 7 e 8.

8,797

7,286

3,375

1,440 1,780

3,573

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00

1 4 5 6 7 8

Configurações

CO

(g

/km

)

Figura 5.17 – Média dos resultados de emissões de CO no ciclo “COLD 505”



1,340 1,326

0,130 0,165

0,070 0,097 0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

1 4 5 6 7 8

Configurações

No

x (

g/k

m)

Figura. 5.18 – Média dos resultados de emissões de NOx no ciclo “COLD 505”


0,0869 0,0972 0,0397 0,0443

0,342 0,349

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

1,25

1 4 5 6 7 8

Configurações

Ald

eíd

os

(g/k

m)

Figura 5.19 – Média dos resultados de emissões de Aldeídos no ciclo “COLD

505” das configurações 1, 4, 5, 6, 7 e 8.


0,2495

0,1695

0,1150

0,1645

0,00

0,10

0,20

0,30

5 6 7 8

Configurações

HC

(g

/km

)

Figura 5.20 – Média dos resultados de emissões de HC no ciclo urbano da

NBR 6601 das configurações 5, 6, 7 e 8.

0,7565 0,7030

0,3945 0,3075

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

5 6 7 8

Configurações

CO

(g

/km

)

Figura 5.21 – Média dos resultados de emissões de CO no ciclo urbano da



0,221 0,146 0,125 0,206

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

5 6 7 8

Configurações

NO

x (

g/k

m)

Figura 5.22 – Média dos resultados de emissões de NOx no ciclo urbano da


0,011

0,0225

0,018

0,008

0,00

0,01

0,02

0,03

5 6 7 8

Configurações

Ald

eíd

os

(g

/km

)

Figura 5.23 – Média dos resultados de emissões de aldeídos no ciclo urbano

da NBR 6601 das configurações 5, 6, 7 e 8.

Capítulo6 - Conclusões 83

CAPÍTULO 6

CONCLUSÕES

Neste capítulo são apresentadas as conclusões obtidas dos resultados dos

testes experimentais realizados neste trabalho. Também são feitas sugestões

para trabalhos futuros.

6.1 – Tempo de Partida a Frio

• Os resultados mostraram que, nas configurações onde foi utilizado o

sistema de partida a frio com injetor, ocorreu uma diminuição do tempo

de partida a frio em relação ao sistema de partida a frio convencional.

Além do menor tempo de partida, o sistema de partida a frio com injetor

apresentou resultados mais repetitivos, ou seja, com desvio padrão

menor que o sistema convencional. O funcionamento do sistema de

partida a frio com injetor é mais previsível devido aos aspectos

operacionais e construtivos, como pressão de alimentação de gasolina,

pulverização e galeria de combustível. A galeria de combustível onde se

aloja o injetor minimiza o efeito do esvaziamento da tubulação de

gasolina. Com isto, o sistema de partida a frio com injetor exerce menor

influência nas variações dos resultados de emissões.

6.2 – Acelerações a frio

• Não houve diferença significativa no comportamento do veículo nas

acelerações a frio com carga aplicada ao motor, dentre as

configurações testadas, com exceção da configuração 3, que


apresentou uma pequena falha no final da primeira aceleração a frio.

Porém, a menor quantidade de gasolina introduzida de forma

pulverizada, proporcionou menores níveis de emissões. Estes

resultados poderiam ser ainda melhores se a vazão do injetor de

gasolina pudesse ser controlada de forma proporcional à abertura da

borboleta durante toda aceleração a frio. Desta forma, a redução da

quantidade de álcool neste período poderia ser maior que 17%,

melhorando ainda mais os resultados de HC e aldeídos, através do

melhor aproveitamento das propriedades físico-químicas da gasolina

para a combustão. Ficou demonstrado que o sistema de partida a frio

com injetor, mesmo proporcionando uma vazão 66,67% menor que a do

sistema de partida a frio convencional, permitiu um início de aceleração

a frio consistente, proporcionado pela homogeneidade da pulverização

e resposta mais rápida em função da maior pressão.

6.3 – Resultados de Emissões

• A utilização do sistema de partida a frio com injetor proporcionou

emissões reduzidas de HC, CO e aldeídos em todas as situações nas

quais foi utilizado. Os menores e mais constantes tempos de partida

com menor quantidade de gasolina introduzida no coletor resultaram em

níveis menores destes poluentes no início do funcionamento a frio. Um

tempo de partida menor diminuiu a quantidade de combustível não

queimado nas fendas e paredes frias da câmara de combustão e no

sistema de exaustão do motor, minimizando a formação de HC e

aldeídos. A menor quantidade de gasolina e a melhor distribuição entre

os cilindros proporcionada pela pulverização a uma pressão maior do

sistema de partida a frio com injetor também contribuiu para a

diminuição do CO. A diminuição da quantidade de álcool na mistura

combustível/ar foi o fator predominante na redução das emissões de

HC, CO e aldeídos. Desta forma a razão de equivalência combustível/ar

(Ô) foi em média de 1,04 durante as acelerações a frio.

• Quando se utilizam catalisadores, a redução das emissões de HC, CO e

aldeídos são ainda maiores com a utilização do sistema de partida a frio


com injetor e ajuste com menor quantidade de álcool nas acelerações a

frio. Como a conversão do pré-catalisador tem início em torno dos 50

segundos após a partida a frio, a influência do sistema com injetor e do

novo ajuste torna-se mais evidente, pois a maior parte das emissões

concentram-se dentro do período no qual foram realizadas alterações

nas configurações. Desta forma as alterações representam um efeito

maior no resultado final do “COLD 505” e ciclo urbano da NBR 6601.

No caso do HC, comparando os resultados das configurações 4 e 1 no

ciclo “COLD 505”, onde o veículo era desprovido do pré-catalisador e

catalisador principal, a redução foi de 8,58%. Porém, quando foram

utilizados os dois catalisadores, esta redução passou para 29,22%.

Comparando as emissões de aldeídos da configuração 4 com a

configuração 1 sem os catalisadores, a redução foi de apenas 2,20%.

Entretanto, quando o sistema de exaustão do motor foi composto pelos

catalisadores esta redução passou para 10,46%.

• Houve um pequeno aumento das emissões de NOx, em função

principalmente do empobrecimento da mistura nas acelerações a frio.

Porém, o aumento observado não é preocupante, pois na fase de

aquecimento do motor não existe grande concentração deste poluente.

• Os resultados de emissões obtidos com a configuração 6, que

combinou a utilização do sistema de partida a frio, ajuste do sistema de

injeção com menos álcool nas acelerações a frio e sistema de exaustão

do motor com pré-catalisador e catalisador principal, são compatíveis

com os novos limites de emissões sugeridos para a Fase IV no Brasil.

• Os resultados experimentais obtidos neste trabalho concordam e são

coerentes com os trabalhos estudados na revisão bibliográfica.

6.4 – Sugestões para Trabalhos Futuros

• Estudo do melhor posicionamento do injetor do sistema de partida a frio

em função da análise fluidodinâmica do coletor de admissão, e a

especificação de um injetor ideal para esta aplicação.


• Avaliação e determinação das quantidades de álcool e gasolina para

partidas e funcionamento a temperaturas inferiores a 20º C,

principalmente a temperaturas menores que 13º C, onde a combustão

do álcool é mais difícil de ocorrer.

• Desenvolvimento de um sistema de partida a frio com o injetor sendo

comandado diretamente pela central eletrônica do veículo,

possibilitando um ajuste da vazão de gasolina de forma proporcional a

abertura da borboleta, carga aplicada ao motor e temperatura do motor.

Desta forma, seria possível um melhor aproveitamento dos benefícios

das propriedades físico-químicas da gasolina no funcionamento a frio do

motor a álcool.

• Combinação da utilização do sistema de partida a frio com injetor com

alterações geométricas do motor a álcool, como taxa de compressão

mais elevada que a do motor utilizado neste trabalho (11,4:1).

APÊNDICE A

TABELAS DE RESULTADOS

Tabela A.1 – Resultados de Emissões e Tempo de Partida a Frio das

configurações 1, 2, 3 e 4 no Ciclo “COLD 505” – Veículo sem Pré-Catalisador e

Catalisador .

Tabela A.2 – Resultados de Emissões das Configurações 5 e 6 no Ciclo

“COLD 505” - Veículo com Pré-Catalisador e Catalisador.

HC CO NOx Aldeídos

0,740 3,900 0,040 0,0454 Veículo com pré-catalisador e catalisador

0,670 2,900 0,090 0,0458 Sistema de partida a frio convencional (5)

0,780 3,920 0,080 0,0417 Ajuste do sistema de injeção do motor de Referência

0,730 3,573 0,070 0,0443 MÉDIA

0,056 0,583 0,026 0,0023 DESVIO PADRÃO

0,510 1,750 0,080 0,0390 Veículo com pré-catalisador e catalisador

0,540 1,850 0,090 0,0410 Sistema de partida a frio com injetor (6)

0,500 1,740 0,120 0,0390 Ajuste do sistema de injeção do SPFI

0,517 1,780 0,097 0,0397 MÉDIA

0,021 0,061 0,021 0,0012 DESVIO PADRÃO

29,224 50,187 -38,095 10,459 %diferença das médias

62,612 89,570 21,320 48,919 %diferença dos desvios padrões

EMISSÕES "COLD 505" (g/km)CONFIGURAÇÃO


“COLD 505” - Veículo com Catalisador.

Apêndice A – Tabelas de Resultados 88

HC CO NOx Aldeídos

0,960 3,910 0,150 0,0916 Veículo com catalisador. Partida a frio convencional.

0,910 2,840 0,110 0,1028 Ajuste do sistema de injeção do motor de referência. (7)

0,935 3,375 0,130 0,0972 MÉDIA

0,035 0,757 0,028 0,0079 DESVIO PADRÃO

0,670 1,320 0,140 0,0861 Veículo com catalisador. Partida a frio com injetor.

0,680 1,560 0,190 0,0876 Ajuste do sistema de injeção do motor SPFI. (8)

0,675 1,440 0,165 0,0869 MÉDIA

0,007 0,170 0,035 0,0011 DESVIO PADRÃO

27,807 57,333 -26,923 10,648 %diferença das médias

80,000 77,570 -25,000 86,607 %diferença dos desvios padrões

EMISSÕES "COLD 505" (g/km)CONFIGURAÇÃO


Urbano NBR 6601 - Veículo com Pré-Catalisador e Catalisador.

HC CO NOX ALDEÍDOS

0,156 0,687 0,141 0,010

0,173 0,826 0,150 0,012

0,1645 0,7565 0,1455 0,0110

0,01202 0,09829 0,00636 0,00141

0,117 0,393 0,113 0,008

0,113 0,396 0,137 0,008

0,1150 0,3945 0,1250 0,0080

0,00283 0,00212 0,01697 0,00000

30,09 47,85 14,09 27,27 % diferença das Médias

76,47 97,84 -166,67 100,00 % diferença Desvio Padrão

Média

Desvio Padrão

Média

Desvio Padrão

6

Emissões (g/km)

Ciclo Urbano NBR 6601 CONFIGURAÇÃO

5



Urbano NBR 6601 - Veículo com Catalisador.


HC CO NOX ALDEÍDOS

0,259 0,674 0,198 0,022

0,240 0,732 0,213 0,023

0,2495 0,7030 0,2055 0,0225

0,01344 0,04101 0,01061 0,00071

0,166 0,281 0,220 0,018

0,173 0,334 0,222 0,018

0,1695 0,3075 0,2210 0,0180

0,00495 0,03748 0,00141 0,00000

32,06 56,26 -7,54 20,00 % diferença das Médias

63,16 8,62 86,67 100,00 % diferença Desvio Padrão

Emissões (g/km)

Ciclo Urbano NBR 6601 CONFIGURAÇÃO

7

Média

Desvio Padrão

Média

Desvio Padrão

8

91

APÊNDICE B

ANÁLISE DE INCERTEZAS

• Testes de Emissões de Poluentes

A incerteza nas leituras dos poluentes HC, CO e NOx é especificada pelo

fabricante dos analisadores como sendo 0,5%. Para o cálculo da incerteza

máxima das medições foram utilizados os resultados de emissões da

configuração 1, em g/fase.

%5,0⋅±= HCFIHCF (B.1)

fasegIHCF

IHCF

/053,0

005,060,10

±=⋅±=

%5,0⋅±= COFICOF (B.2)

fasegICOF

ICOF

/25,0

005,036,50

±=⋅±=

%5,0⋅±= FNOFINO xx (B.3)

fasegFINO

FINO

x

x

/04,0

005,071,7

±=⋅±=

Onde:

COF - concentração total de CO na fase COLD 505 (g/fase)

HCF - concentração de total HC na fase COLD 505 (g/fase)

FNOx - concentração total de NOx na fase COLD 505 (g/fase)

ICOF - incerteza de leitura de CO (g/fase)

IHCF - incerteza de leitura de HC (g/fase)

FINOx - incerteza de leitura de NOx (g/fase)

Apêndice B – Análise de Incertezas 92

A incerteza máxima da distância registrada pelo equipamento é de %1,0± .

Logo, a incerteza da distância, )(kmId é dada por:

%1,0⋅= dId (B.4)

kmId

Id

006,0

001,076,5

=⋅=

• Incerteza Máxima das Emissões de HC

A incerteza máxima da concentração de hidrocarbonetos medidos, em g/km,

deve considerar as incertezas acumuladas de leitura do poluente e da

distância. Utilizando a metodologia de Kline e McClintock (1953):

d

HCFHC = (B.5)

22

⋅

∂∂

+

⋅

∂∂

±= Idd

HCIHCF

HCF

HCIHC (B.6)

2

2

21

⋅

−+

⋅

±= Id

d

HCFIHCF

dIHC (B.7)

Onde:

HC – concentração de HC emitido (g/km)

IHC – incerteza de medição das emissões de HC (g/km)

Calculando a incerteza máxima:

( )

2

2

2

006,076,5

60,10053,0

76,5

1

⋅

+

×

±=IHC

kmgIHC /009,0±=

O desvio padrão das medições efetuadas é de 0,05 g/km. Logo, a incerteza

total das emissões de HC para a configuração 1 pode ser calculada como:

kmgIT

IT

/05,0

05,0009,0 22

=+=

• Incerteza Máxima das Emissões de CO

Em procedimento similar ao cálculo efetuado para HC, a incerteza máxima das


emissões de CO é dada pela sequência abaixo.

d

COFCO = (B.8)

22

⋅

∂∂

+

⋅

∂∂

±= Idd

COICOF

COF

COICO (B.9)

2

2

21

⋅

−+

⋅

±= Id

d

COFICOF

dICO (B.10)

Onde:

CO – concentração de CO emitido (g/km)

ICO – incerteza de medição das emissões de CO (g/km)


( )

2

2

2

006,076,5

36,5025,0

76,5

1

⋅

+

⋅

±=ICO

kmgICO /044,0±=

O desvio médio das medições efetuadas é de 0,24 g/km. Logo, a incerteza

total das emissões de CO para a configuração 1 pode ser calculada como:

kmgIT

IT

/24,0

24,0044,0 22

=+=

• Incerteza Máxima das Emissões de NOx

O procedimento de cálculo da incerteza máxima dos resultados para NOX é

similar ao adotado para HC e CO.

d

FNONO x

x = (B.11)

22

⋅

∂∂

+

⋅

∂∂

±= Idd

NOFINO

FNO

NOINO x

xx

xx (B.12)

2

2

21

⋅

−+

⋅

±= Id

d

FNOFINO

dINO x

xx (B.13)

Onde:

NOx – concentração de NOx emitido (g/km)


INOx – incerteza das emissões de NOx (g/km)


( )

2

2

2

006,076,5

71,704,0

76,51

⋅

+

⋅

±=xINO

kmgINOx /007,0±=

O desvio médio das medições efetuadas é de 0,02 g/km. Logo a incerteza total

das emissões de NOx para a configuração 1 pode ser calculada como:

kmgIT

IT

/021,0

02,0007,0 22

=+=

• Incerteza Máxima das Emissões de Aldeídos

Os testes de emissões de aldeídos são sensíveis ao modo de condução do

veículo e os valores medidos são muito pequenos. Assim, no Laboratório de

Emissões onde os testes foram executados são realizadas verificações

periódicas por órgãos de homologação, ou sempre que a dispersão das

medições for maior que a especificada para o sistema analisador. A incerteza

máxima da medição de aldeídos, de acordo com estas verificações, é definida

como 8,0% do valor medido. Assim, para o valor médio registrado para a

configuração 1 (0,349 g/km), a incerteza máxima calculada é de ±0,0279 g/km.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• ABNT, 1995, “Veículos Rodoviários Automotores Leves – Determinação

de hidrocarbonetos, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e dióxido

de carbono no gás de escapamento”, ABNT, Norma NBR 6601,

Associação Brasileira de Normas Técnicas.

• ABNT, 1997, “Veículos Rodoviários Automotores Leves – Determinação

da emissão de aldeídos e cetonas contidas no gás de escapamento, por

cromatografia líquida – Método DNPH”, ABNT, Norma NBR 12026

Associação Brasileira de Normas Técnicas.

• Amaral, R.A. e Sodré, J.R., 2001,”Aldehyde Emissions from Ethanol-

Fuelled Vehicle as Influenced by Engine Geometric Parameters.” SAE

Technical Paper Series, nº 2001-01-1998, pág. 1-6.

• Amaral, R.A., 2000, “Influência de Parâmetros Geométricos e de

Funcionamento do Motor nas Emissões de Aldeídos por um Veículo a

Álcool”, Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia

Mecânica, PUC Minas, Belo Horizonte, MG, Brasil.

• Annand, W.V.D., and Gulder, O. L., 1980, “Exhaust Emissions and Cold

Starting of a Four-Cilinder Engine Using Methanol as Fuel”, Proc. Instn.

Mech. Engrs., vol.194, pág. 139-143.

• Ayyasamy, R., B., Nagalingam, V., Ganasan, K., Gopalakrishnan, V. e

Murthy B.S., 1981, “Formation and Control of Aldehydes in Alcohol

Fueled Engines” SAE Techinical Paper Series nº. 811220.

• Boam, D.J., Finlay, I.C., Biddulph, T.W., Lee, R., Richardson S.H,

Bloomfield, J., Wallace, S., Woods, W.A. e Brown, P., 1994, “The Sources

of Unburnet Hydrocarbon Emissions from Spark Ignition Engines During

Referências Bibliográficas 96

Cold Starts and Warm-up.”, Proc. Institute Mechanical Engineers, vol

208, pág 1-11.

• Browning, L.H., e Pefley, R.K., 1977, “Predicted Methanol-Water Fueled

S.I. Engine Performance and Emissions”, Second International

Symposium on Alcohol Fuel Technology, Wolfsburg, Germany.

• Burk, L. H., Anderson, S., Tuaster, S.J., Tolentino, C.O., Rogalo, G.M.,

Niejako, M., Punk, A. e Dahle, U., 1995, “Cold-Start Hydrocarbon

Emissions Control”, Automotive Engineering, Outubro, pág. 47-52.

• Chan, S. H. e Hoang, D.L., 1999, “Heat transfer and chemical reactions

in exaust system or a cold-start engine”, International Journal of Heat and

Mass Transfer, vol. 42, pág. 4165-4183.

• Gabele, P.A.,1990, “Characterization of Emissions from a Variable

Gasoline/Metanol Fueled Car”, Journal of Air & Waste Management

Association, vol. 40 nº 3, pág. 296-304.

• Haatela, O., e Decker, G., 1989, “Present and Future Fuels and

Lubricants in Cold Climate Operation”, SAE Paper 890032, Society of

Automotive Engineers.

• Heywood, J.B., 1988, Internal Combustion Engine Fundamentals,

McGraw-Hill Book Company, Singapore.

• Huang, Z., Pang, J. Pan, K., Jiang, D., Zhou, L. e Yang, Z., 1998,

“Investigation into Hydrocarbon Emissions from Crevice and Oil film

During Cold start and Idling Periods in a Spark Ignition Engine”, Institute

of Internal Combustion Engine, School of Energy and Power Engineering,

People’s Republic of China. Proc. Institute Mechanical Engineers, vol 12

Part. D, pág. 501-505.

• Huang, Z., Pang, J., Pan, K., Jiang, D., Zhou, L. e Yang, Z., 1996, “An

Investigation on Simulation Models and Reduction Methods of Unburned


Hydrocarbon Emissions in Spark Ignition Engines” College of Energy &

Power Engineering, – People’s Republic of China. Combust. Sci. Tech.,

vol. 115, pág. 105-123.

• Ito, K., e Kurata, K., 1985, “Photochemical Reactions of the Exhaust Gas

from an Alcohol-Fueled Engine (Formation of Aldehydes).” Bolletin of the

JSME, vol. 28 nº 243, pág. 2028-2033.

• Ito, K., Yano, T., e Nagazaka, R., 1982, “Unburned Methanol and

Formaldehyde in Exhaust Gases from a Methanol Fueled S.I. Engine”,

Bolletin of the JSME, vol. 25 nº 210, pág. 1938-1944.

• Iwai, N., 1981, “A Study on Cold Startability and Mixture Formation of

High-Percentage Methanol Blends”, SAE paper 880044, Society of

Automotive Engineers, Warrendale, PA, 1981.

• Kaplan, J.A. e Heywood, J.B., 1991, “Modeling the Spark Ignition Engine

Warm-Up Process to Predict Component Temperatures and Hidrocarbon

Emissions.”, SAE Paper, nº 910302, pág. 361-376.

• Kito, B. T., Pacas, A. D., Selim, S., e Cowley, S.W., 1998, “Properties of

an Ethanol-Diethyl Ether-Water Fuel Mixture for Cold-Star Assistance of

an Ethanol-Fueled Vehicle”, American Chemical Society, Colorado.

• Kline, S. J, e McClintock, F.A., 1953, “Describing Uncertainties in Single

Sample Experiments”, Mechanical Engineering, vol 75, pág. 3-8.

• Owen, K., e Coley, T., 1995, “Automotive Fuels Reference Book”, Second

Edition, SAE, Inc.

• Pischinger F.F. e Kramer, K., 1979 “The Influence of Engine Parameters

on the Aldehyde Emissions of a Methanol Operated Four-Stroke Otto

Cycle Engine”, Third International Symposium on Alcohol Fuel

Technology, Asilomar, California, Maio 28-31.


• Schafer, F., e Basshuyser, R., 1995, Reduced Emissions and Fuel

Consumption in Automobile Engines”, SAE, Inc.

• Silva, N.R. e Sodré J.R., 2000, “Using Additive to Improve Cold Start in

Ethanol-Fuelled Vehicles”, SAE 2000-01-1227, SI Combustion (SP-

1517), SAE, Inc., pág. 203-207.

• Singer, B. C., Kirchstter, T. W., Harley, R.A., Kendall, G. R., e Hesson J.

M., 1999, “A Fuel-Based Approach to Estimating Motor Vehicle Cold-Start

Emissions”, Journal of Air & Waste Management Association, vol. 49,

pág. 125-133.

• Sodré, J.R. e Yates, D.A., 1997, “ An Improved Model for Spark Ignition

Engine Exaust Hydrocarbons”, SAE 971011, Issues in Emissions Control

Technology (SP-1248), SAE, Inc., pág. 135-152.

• Sodré, J.R., 1999, “Further Improvement on a HC Emissions Model:

Partial Burn Effects”, SAE 990222, SI Engine Modeling (SP-1451), SAE,

Inc., pág. 155 –161.

• Withrow, L., e Rasswuller, G. M., 1934, “Formaldehyde Formation”

Industrial and Engineering Chemistery, vol. 26 nº 12.

otimizaÇÃo do sistema de partida a frio de veÍculos a ... · anderson luiz de souza, engº...

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