utilização de gás natural em motores e cenário do uso

Universidade Petrobras – Maio 2007

Utilização de Gás Natural em Motores e Cenário do Uso no Brasil

Guilherme B. Machado – PETROBRAS/CENPES/PDAB/DPMTadeu C. Cordeiro de Melo – PETROBRAS/CENPES/PDAB/DPMLuiz Fernando Martins Lastres – PETROBRAS/CENPES/PDAB/LPE

http://www.cenpes.petrobras.com.br/servlet/CalandraRedirect?temp=0&proj=Home&pub=T&db=caldb

Sumário da ApresentaçãoSumário da Apresentação

Propriedades e características do gás natural

GNV em veículos leves

GNV em veículos pesados

Composição Típica do Gás Natural

• 88% Metano• 9% Etano• 1% Propano• 2% Frações mais pesadas e gases inertes

Poder Calorífico Superior = 9.500 Kcal/ m3

Densidade Relativa ao Ar = 0,623

Propriedades e características do gás naturalPropriedades e características do gás natural

Características da Combustão de Gás Natural em Motores

Maior Relação Hidrogênio / Carbono– Queima mais limpa;– Menor formação de depósitos;– Menor desgaste do motor.

Estado Gasoso nas Condições Normais– Carburação mais simples;– Distribuição homogênea para os cilindros;– Partida a frio mais fácil.

Característica Anti-detonante– Taxas de compressão mais elevada.


Número de Metano

100 (Metano)

34 (Propano)

0 (Hidrogênio)

Característica calculada com base na composição do gás que determina a tendência a DETONAÇÃO

O propano (C3 H8 ) detona sob as mesmas condições de teste que uma mistura de 34% de metano com 66% de hidrogênio detonaria

Cálculos: “Paper Avl” com gráficos de misturas ternárias“Software” Petrobras“Software” Avl


Número de Metano


Número de Metano X Octanagem equivalente


Composição amostrada RJ -Cromatografia:

• 90,40% Metano• 7,51% Etano• 1,11% Propano• 0,03% Butano• 0,56% Nitrogênio• 0,39% Gás Carbônico

Número de Metano = 79,3 (Método da AVL)

MON equivalente = 126,1 (Método GRI, MON=0,679XMN+72,3)

MON mínimo especificado gasolina = 82

Índice Wobbe

IW = hvo √ ρ , onde: √ ρ0

IW = Índice Wobbe a 0 ºC, MJ/ m3

hvo = Poder Calorífico Superior do Gás a 0 ºC, MJ/ m3

ρ = Densidade do ar a 0 ºC, Kg/ m3

ρ0 = Densidade do gás a 0 ºC, Kg/ m3

Em um venturi, onde a relação ar / combustível é mantida constante, a vazão da energia é proporcional ao Índice Wobbe. Desse modo o IW permite prever o desempenho de um gás em um dado motor.


Aspectos de SegurançaLimite de inflamabilidade da mistura ar + gás - 6,5 a 17% de gás natural no ar. GLP(Propano – 2,1 a 9,5%, Butano – 1,9 a 8,5%)

Temperatura de auto-ignição = 650 ºC. GLP (Propano - 466° C, Butano - 405°C)

Densidade – 0,60 a 0,81 @20°C. Mais leve que o ar e havendo vazamento, se dispersa. GLP (Propano – 1,56, Butano – 2,05)

Toxidez – Não é tóxico em baixas concentrações. Em concentrações altas pode causar vômitos e asfixia

Precauções – Odorização para que uma concentração de 0,5% seja detectada


Introdução

Fatores responsáveis pelo crescimento da frota de veículos a GNV

Motores do ciclo Otto

Tecnologia dos kits de conversão

Legislações atuais e futuras

Ensaios de emissões em veículos a GNV

Novas tecnologias automotivas

Conclusão

GNV em veículos levesGNV em veículos levesSumárioSumário

Disponibilidade de GNV no país e elevada diferençade preços dos combustíveis

Desenvolvimento dos kitsde conversão para veículos

leves a GNV

INMETROPadronização da

instalação e dos itens de segurança do kit

Em 1996 – liberado uso do GNV para frota.

Rápido crescimento (740.000 veículos em 2002)

IBAMA• Preocupação ambiental

• Limites de emissões

RESOLUÇÃO CONAMAnº 291 (04/2002)

RESOLUÇÃO CONAMAnº 315 (29/10/2002)

GNV em veículos levesGNV em veículos levesINTRODUÇÃOINTRODUÇÃO

OBS: FROTA EM 2006 DE 1 MILHÃO E 200 MIL VEÍCULOS

(2ª maior do mundo)

Introdução


Motores do ciclo Otto





Conclusão


Aumento do preço do barril de petróleo;

Diferencial de preço atrativo;

Padronização da instalação e dos componentes dos kits de conversão;

Incentivos fiscais nas licenças dos veículos;

Oferta de gás natural no Brasil;

Aumento da malha dutoviária;

Aumento da rede de distribuição de GNV em território nacional;

Especificação do GNV (Portaria ANP nº 104/2002).

GNV em veículos levesGNV em veículos levesFatores que levaram ao crescimento da frotaFatores que levaram ao crescimento da frota

Introdução


Motores do ciclo Otto a gás natural





Conclusão


GNV em veículos leves Motores Otto à gás natural

O funcionamento de um motor de ignição por centelha com combustíveis líquidos ou gasosos se dá de forma análoga

Características particulares do uso de gás em motores de ignição por centelha:

a) Resfriamento do sistema de admissão e da câmara de combustão:

Combustíveis líquidos – Transferência de calor do carburador e do coletor de admissão para vaporizar o combustível

Combustíveis gasosos – não há remoção do calor

O Sistema de arrefecimento deve estar limpo e em perfeito funcionamento

Características particulares do uso de gás em motores de ignição por centelha (cont.):

b) O gás admitido ocupa um volume maior se comparado aos combustíveis líquidos.

Perda de potência da ordem de 10%

c) Mistura ar + gás ioniza menos o ambiente.

Sistema de Ignição em boas condições de uso

d) Combustão gera pequena formação de carbono

Menores taxas de desgaste do que com combustíveis líquidos



e) O óleo lubrificante não é contaminado por resíduos de fuligem nem sofre diluição

Período de troca pode ser aumentado com base em acompanhamento laboratorial

f) O gás natural possui um elevado poder anti-detonante possibilitando a obtenção de maiores rendimentos sem detonação

Conversão de motores à álcool, flexfuel e emprego de dispositivo de avanço automático



g) Emissões – Ausência de enxofre e tendências de menores emissões de CO (combustível não queimado), CO2 e NMHC. Tendências de maiores emissões de NOx e CH4 não queimadoOBS: Motores convertidos: a depender do nível tecnológico da conversão

Implantação efetiva da Resolução CONAMA 291

Motores Otto à gás natural

Introdução







Conclusão


Kit de conversão Veículos Características Valor

(UU$)

1ª geraçãoCarburados (mecânico e eletrônico)

Acionamento pneumático para a liberação do fluxo de gás;Regulagem mecânica e manual da vazão do gás, com chave comutadora de três estágios.

780.00

2ª geraçãoCarburados ou com injeção

eletrônica

Alimentação do gás através de um mesclador;Possuem emuladores de bicos injetores e de sonda lambda. 975.00

3ª geração

Injeção eletrônica multiponto

Controle eletrônico da vazão da mistura GNV+ar em função da sonda lambda, rotação e carga do motor;Acionamento eletrônico da alimentação por um motor de passo.

1,300.00

4ª geração

Injeção de gás por bicos injetores de forma paralela no coletor de admissão;Redutor de pressão de dois estágios;Eliminação da ocorrência do retorno de chama.

1,700.00

5ª geração

Injeção de gás por bicos injetores de forma seqüencial no coletor de admissão;Redutor de pressão de dois estágios;Eliminação da ocorrência do retorno de chama;Menor comprometimento de desempenho do motor.

2,000.00

EVOLUÇÃO

GNV em veículos levesGNV em veículos levesTecnologia dos kits de conversãoTecnologia dos kits de conversão

- Os kits de 1ª e 2ª geração, apesar de não atenderem aos limites de emissões de poluentes, são os mais utilizados nas conversões de veículos automotores para GNV;- Os kits de 3ª geração podem atender PROCONVE fase 3;- Os kits de 4ª e 5ª gerações podem atender PROCONVE fase 4.

Componentes de um kit de conversão (1ª e 2ª Gerações)

Mesclador8

Regulador de pressão7

Manômetro6

Válvula de abastecimento5

Tubulação de gás de alta pressão4

Chave comutadora3

Cilindro de armazenamento2

Válvula de Cilindro1

Eletroválvula de gasolina Emulador de

sonda Lambda

US$ 975.00

GNV em veículos levesGNV em veículos levesTecnologia dos kits de conversãoTecnologia dos kits de conversão

Introdução







Conclusão


Portaria ANP 104: A resolução ANP 104 – regulamenta a especificação para o GNV (2002). No caso do gás da região Norte (URUCU), a ANP publicou em 2005 portaria autorizando uso em projeto experimental na cidade de Manaus por 30 meses(elevado teor de N2 e baixo teor de CH4)

GNV em veículos levesGNV em veículos levesLegislações atuais e futurasLegislações atuais e futuras

Limite

Carcterística Unidade Norte Nordeste Sul, Sudeste e Centro-Oeste

Poder Calorífico SuperiorkJ/m3 34.000 a 38.400 35.000 a 42.000

kWh/m3 9,47 a 10,67 9,72 a 11,67

Índice de Wobbe kJ/m3 40.500 a 45.000 46.500 a 52.500

Metano, min. % vol. 68,0 86,0

Etano, máx. % vol. 12,0 10,0

Propano, máx. % vol. 3,0

Butano e mais pesados, máx. % vol. 1,5

Oxigênio, máx. % vol. 0,8 0,5

Hidrogênio % vol. Anotar

Inertes (N2 + CO2), máx. % vol. 18,0 5,0 4,0

Nitrogênio, máx. % vol. Anotar 2,0

Enxofre total, máx. mg/m3 70

Gás Sulfídrico (H2 S), máx. mg/m3 10,0 15,0 10,0

Ponto de Orvalho de Água a 1 atm, máx. °C - 39 - 39 - 45

Hidrocarbonetos Líquidos mg/m3 Anotar

Resolução Conama nº 291: - Emissão do Certificado Ambiental para Uso do Gás Natural em Veículos Automotores – CAGN, pelo IBAMA com validade anual; - Inclui o Modelo de Kit / Tipo de Motorização / Combustível;Homologação por faixa de motorização: Classe A: até 1000 cc; Classe B: de 1000 a 1500 cc; Classe C: de 1500 a 2000 cc; Classe D: de 2000 a 2500 cc e Classe E: acima de 2500 cc

• Os níveis de emissões de CO, NOx , HC emitidos por veículos convertidos para GNV devem ser iguais ou inferiores aos medidos com o combustível original.

Limites de Emissões de poluentesCONAMA nº 291

Data CO(g/km)

HC(g/km)

NOx(g/km)

HCO(g/km)

PROCONVE L-3 01/01/1997 2,0 0,3 0,6 0,03


Limites de Emissões de poluentes – CONAMA nº 315

Data CO(g/km)

THC*(g/km)

NMHC(g/km)

NOx(g/km)

HCO**(g/km)

PROCONVE L-4 01/01/2007 2,0 0,30 0,16 0,25 0,03

PROCONVE L-5 01/01/2009 2,0 0,30 0,05 0,12 0,02

* Somente para veículos a gás natural ** Exceto para veículos a gás natural

• Dispõe sobre as novas etapas do Programa de Emissões Veiculares – PROCONVE.

Resolução Conama nº 315:


Introdução







Conclusão


Os resultados apresentados na tabela a seguir foram obtidos a partir de testes, realizados pela PETROBRAS, para avaliação de emissões veiculares em veículos leves convertidos a GNV, segundo a norma ABNT-NBR 6601. Foi utilizado um kit de 3ª geração.

Veículo THC (g/km) CO (g/km) NOx (g/km) CO2 (g/km)

1.0 - 1999 -Gasolina 0,11 0,38 0,31 189,9

1.0 - 1999 -GNV RJ 0,25 0,25 0,34 136,91

1.8 - 2002 - Álcool 0,09 0,96 0,07 188,02

1.8 - 2002 - GNV RJ 0,24 1,23 0,02 154,60

Para atender ao PROCONVE L-3, foram feitos diversos ajustes nos componentes do kit, uma vez que os ajustes originais provenientes da convertedora não permitiam o atendimento aos limites.

GNV em veículos levesGNV em veículos levesEnsaios de emissõesEnsaios de emissões

Veículo sendo ensaiado no CENPESVeículo sendo ensaiado no CENPES

Veículo 1.8 - 2003

Computador utilizado no ajuste do motor de passo


Veículo 1.0 - 1999

Veículo sendo ensaiado no CENPES


Introdução







Conclusão


Sistema OBD – On Board Diagnosis

Veículos a GNV da montadora

Veículos tri e tetra-fuel

GNV em veículos levesGNV em veículos levesNovas tecnologias automotivasNovas tecnologias automotivas

Sistema eletrônico, composto de um conjunto de sensores e de um software, instalado a bordo do veículo e conectado ao módulo eletrônico de controle, que visa:

Identificar deteriorização ou mau funcionamento de componentes do sistema de controle de emissões;Alertar ao usuário do veículo para proceder à manutenção ou

reparo do sistema de controle de emissões;

Armazenar e prover acesso às ocorrências de defeitos e ou desregulagens no sistema de controle;

Implementação da tecnologia nos veículos leves para fins de inspeção veicular prevista para 2007;

IMPACTO: pode encarecer o custo da conversão (desenvolvimento de novos componentes), em função das dificuldades na interligação do kit ao módulo dos veículos sem que haja geração de erros.

Sistema OBD – On Board Diagnosis:


Não há previsão no Brasil de se fabricar veículos leves exclusivamente a GNV;

Tende a apresentar um melhor resultado de emissões;

Veículo sai da montadora com motor e chassis preparado para o uso de GNV, sendo a conversão feita em concessionárias autorizadas. O custo ~ R$ 3.100,00

Veículos a GNV da montadora:


Equipados com tecnologia multicombustível que permite ao motor trabalhar com álcool e/ou gasolina ou GNV, utilizando uma mesma unidade de gerenciamento;

Ao optar por GNV, o sistema bloqueia automaticamente a alimentação por combustível líquido;

O chaveamento dos combustíveis é controlado por sistema eletrônico que ajusta o funcionamento do motor de forma otimizada quanto a consumo, desempenho e emissões de poluentes;

Pode ser equipado com turbocompressor no motor, que pode, de acordo com as montadoras, garantir um ganho de até 50% de rendimento com GNV.

Veículos tri e tetra-fuel:

SIENNA TETRA-FUEL: E0, E22, E100 E GNV.

Lançado em Julho de 2006 - Roda preferencialmente em GNV. Quando necessita de mais potência injeta gasolina automaticamente.


Introdução







Conclusão


Entre os desafios desse mercado destacam-se o equacionamento de questões relacionadas à oferta de gás no mercado interno e o pleno atendimento da atual legislação 291, uma vez que os ajustes de homologação dificilmente são levados para as oficinas convertedoras. Também são comercializados kits de 1 e 2ª geração e também kits de 3ª geração sem CAGN;

Rio de Janeiro – liminar desobriga o atendimento da legislação ambiental 291, levando ao uso de um grande número de kits de 1ª e 2ª geração, dessa forma poluindo mais;

Em 2007, com os novos limites de NOx, será necessário o uso de kits de 4 e 5ª geração de custo mais elevado;

A entrada de novas tecnologias automotivas, poderá acarretar em uma mudança de configuração dos kits, implicando no desenvolvimento de novos componentes;

Calibrações com mão-de-obra mais especializada e equipamentos sofisticados serão necessárias para garantir aos kits desempenho, consumo e emissões adequadas;

Caso nenhuma das recomendações anteriores seja atendida por parte dos convertedores e caso os órgãos governamentais exerçam uma fiscalização rigorosa, a frota de veículos a GNV no Brasil pode ser reduzida. O Controle de emissões é fundamental para o crescimento sustentado do mercado de GNV – Atenção deve ser data ao equacionamento de custos.

GNV em veículos leves GNV em veículos leves ConclusãoConclusão

GNV em veículos pesadosGNV em veículos pesados

Introdução

Motor do Ciclo Otto Dedicado (Original de Fábrica)

“Ottolização”

Diesel-gás

Considerações sobre emissões

Conclusões

Aplicação do GNV

Transporte público - ônibus urbanos

Brasil – ainda é incipiente

Existe em diversas cidades do mundo

Três rotas tecnológicas existentes:

Motor Otto a GNV original de fábrica“Ottolização”

Diesel-gás

GNV em veículos pesadosGNV em veículos pesadosIntroduçãoIntrodução

Introdução


“Ottolização”

Diesel-gás


Conclusões

GNV em veículos pesadosGNV em veículos pesadosSumárioSumário

Conceitos

Experiências com o ônibus a gás do Ciclo Otto

Desafios tecnológicos

GNV em veículos pesadosGNV em veículos pesadosMotor do ciclo Otto dedicadoMotor do ciclo Otto dedicado

ConceitosConceitos

Motor a gás do Ciclo Otto

Princípio idêntico ao motor a gasolina

Taxa de compressão mais baixa em

relação ao ciclo Diesel

Combustão pré- misturada

Desenvolvimento de motores dedicados:

dois enfoques

Motores de mistura pobre

Motores estequiométricos

Menor eficiência, o que não significa menor

desempenho

Maior consumo

Vantagens: Motores OEM, melhor compromisso entre desempenho consumo e emissões, baixo nível de ruído.Desvantagens: Preço do veículo, baixa flexibilidade, uma montadora com veículo Euro II (Produção parou em Dez. 2006).


Conceitos

Experiências com o ônibus a gás do Ciclo Otto



Experiências com o ônibus a gás do Ciclo Otto Experiências com o ônibus a gás do Ciclo Otto --BrasilBrasilExperiências passadas (80 e 90)

- Motor sem gerenciamento eletrônico;

- Consumo: 1,7 km/m3 (sem Ar Cond.).

Experiências atuais- Motor com gerenciamento eletrônico; - Consumo: 1,8 km/m3 (Ar Cond.);- Desempenho totalmente compatível.

Consumo médio Diesel- Consumo: 2,35 km/l (Ar Cond.).

Poder Calorífico GNV x Diesel- 1m3 GNV equivalente 1litro

Diesel.

Eficiência energética- Ciclo Diesel > Ciclo Otto (23%).

Preço dos combustíveis- Deve compensar diferença de

eficiências.


Ônibus urbanos a GNV – Panorama mundial

Experiências com o ônibus a gás do Ciclo Otto Experiências com o ônibus a gás do Ciclo Otto -- MundoMundo

O Brasil possui uma frota de 95.000 ônibus, dos quais 35.000 circulam em cidades com disponibilidade de gás natural

País Frota Total Frota GNV Correspondência (%)

Estados Unidos 75.800 9.745 12,9Itália 9.800 2.300 23,5Austrália 8.600 1.830 21,3China 100.000 1.600 1,6França 6.800 1.100 16,2Grécia 1.500 300 20Espanha 1.958 125 6,4

Fonte: Petrobras


MERCEDES-BENZ M447hLAG• 6 cilindros, 12 litros;• 250 e 326 cv• 1050 e 1250 Nm (1000 a 1400 rpm);• Ciclo Otto com turbocooler, lean burn;• Recentemente certificado para limites EEV (mais rigoroso que o Euro V);• Catalisador de oxidação;• Caminhões, Ônibus, Articulados;• Produzido no Brasil e exportado para Europa. MERCEDES-BENZ M366LAG

6 cilindros, 6 litros;• 231 cv a 2600 rpm;• 720 Nm a 1560 rpm;• Ciclo Otto com turbocooler, lean burn;• Atende CONAMA P4_Euro II com valores bem mais baixos que os limites; potencial para superar EEV e EPA 2004;• Sem catalisador;• Caminhões, Ônibus;• Produzido no Brasil para o Mercado brasileiro.

Motores Otto - Daimler Chrysler


L GAS PLUS

L GAS PLUS• 320 cv;•1356 Nm;• CNG/LNG;• Atende U.S. EPA 2005, Euro V;• Caminhões, Ônibus e Articulados.

B GAS PLUS E B GAS PLUS INTERNATIONAL

• 195 a 230 cv;• 570 a 678 Nm a 1600 rpm;• CNG/LNG;• Atende U.S. EPA 2004, Euro III;• Caminhões, Ônibus, Vans, Pick ups;• Possui versão internacional desenhada para montagem local na China, Índia e Europa (150 a 230 cv).• Possui versão a LPG (propano líquido) 195 cv.

C GAS PLUS• 250 - 280 cv;• 895 e 1152 Nm (1400 rpm);• CNG/LNG;• Atende U.S. EPA 2004, Euro III;• Caminhões e Ônibus.

Motores Otto - Cummins Westport


Conceitos

Experiências com o ônibus a gás do Ciclo OTTO



Desafios tecnológicos para o BrasilDesafios tecnológicos para o Brasil

Priorização dos fabricantes

Treinamento para técnicos das

concessionárias e operadoras

Melhoria da assistência técnica

Política estruturada para a substituição do Diesel pelo GNV em ônibus urbanos

Limites de emissões Euro III e Euro IV

Novos fabricantes no mercado


Introdução


“Ottolização”

Diesel-gás


Conclusões


Conceitos

Experiências no Brasil e no Mundo


GNV em veículos pesadosGNV em veículos pesados“Ottolização”“Ottolização”

ConceitosConceitos

Vantagens: Possibilidade de reconversão, baixo nível de ruído, mercado de veículos usados.

Desvantagens: Custo de conversão, baixa flexibilidade, disponibilidade de “kits”, enquadramento de emissões.

“Ottolização” Transformação do ciclo Diesel em Otto

“kit” de conversão

Redução na taxa de compressão;

Instalação de sistema de alimentação e ignição do GNV;

Eliminação do sistema de alimentação de Diesel.


Conceitos




Experiências no BrasilExperiências no BrasilDécada de 80

- Algumas experiências (elevados preços internacionais do barril do petróleo).

Década seguinte : - Programa descontinuado.

Entre 2005 e 2006- Experiência com ônibus “ottolizado” na cidade de Porto Alegre, projeto GASBUS, da RedeGasEnergia, iniciativa da Petrobras e da Sulgás (Companhia de Gás do Estado do Rio Grande do Sul) – Destaques no desempenho e consumo. Dificuldades de enquadramento de emissões. 2007 – catalisador.

Experiências mundiaisExperiências mundiais- Poucas iniciativas pela aplicação de “kits” de “Ottolização”.- Argentina: OM 366, OM 366 LA (turbo), OM 352.- França: existe o centro de pesquisas de máquinas térmicas (CRMT) que possui experiência e tecnologia disponível nessa rota.- Cummins-Westport oferece re-potencialização.


Conversão de motor OM-366LA de Diesel para operação com Gás Natural (Tomasetto Achille)

Experiências no BrasilExperiências no Brasil

- Substituição do cabeçote;

- Sistema de ignição por velas;

- Pistões modificados;

- Coletor de admissão modificado;

- Sistema de armazenamento de gás;

- Consumo: 2,3km/m3;

- Desempenho compatível.


Conceitos





Pesquisa revelou reduzido número de patentes (kits Ottolização) pelo mundo (E.U.A. (3), Espanha (1), Grã-Bretanha (1), Austrália (1), China (1) e Dinamarca (1)), de empresas desconhecidas do mercado.

Serviço de assistência técnica adequado

Atendimento a limites de emissões

cada vez mais restritivos

Disponibilização de “kits” emissionados

Investimentos em desenvolvimento

Introdução


“Ottolização”

Diesel-gás


Conclusões


Conceitos



GNV em veículos pesadosGNV em veículos pesadosDieselDiesel--gásgás

ConceitosConceitos Tecnologia Diesel-Gás

Adaptação do motor original a Diesel

kit de conversão

Princípio de FuncionamentoAspiração da

mistura ar+GNV

Compressão da mistura ar+GNV

Injeção piloto de diesel

Explosão da mistura ar+GNV

Exaustão dos gases

Não é preciso instalar sistemas de ignição

Vantagens: Flexibilidade, eficiência do ciclo Diesel, baixo nível de ruído, mercado de veículos usados.Desvantagens: Custo de conversão, disponibilidade de “kits”, enquad. de emissões.


MISTURADOR

SENSOR DE ROTAÇÃO

COMUTADOR DE SISTEMA


Funcionamento de motores diesel convertidos para o uso de gás natural no sistema “dual fuel”:

• Admissão e compressão da mistura ar + gás;• Injeção de pequena parcela de óleo diesel do final da compressão injeção piloto;• Auto-ignição do óleo diesel dando início à frente de chama (função análoga à vela de ignição);• Combustão da mistura ar + gás de forma semelhante à verificada nos motores OTTO

A Injeção piloto é responsável por aproximadamente 20% da energia total fornecida ao motor.


Motores de ignição por compressão (Ciclo DIESEL) alimentados por Gás + Diesel Ciclo Misto

Ciclo DIESEL até a Injeção Piloto

Ciclo OTTO após a Injeção Piloto


Características do Sistema “dual fuel”:

a) Projeto do Motor – Não sofre alterações • Possibilidade da utilização de ambos os sistemas de

alimentação através de uma chave comutadora;• Aumento da autonomia;• Utilização em regiões onde não exista rede de distribuição de

gás.

b) Mistura ar + gás• Mistura homogênea e bem distribuída;• Pico e taxa de elevação de pressão reduzidos;• Funcionamento mais silencioso• Geralmente utilizam-se misturas mais próximas da

estequiométrica


Características do Sistema “dual fuel” (cont.):

c) Injeção Piloto - Cada gotícula de óleo Diesel funciona como uma frente de chama Motor OTTO com várias centelhas;

Maior eficiência de queima;Utilização de misturas pobres.

Desejável: • Quantidade mínima de injeção piloto• Elevados níveis de substituição

Necessário:• Bomba injetora em boas condições de uso para propiciar uma

distribuição homogênea para os cilindros;• O óleo diesel funciona como refrigerante do bico injetor e deve ser

observada a temperatura máxima especificada pelo fabricante;

Injeção Piloto – no mínimo 5% do Débito em Potência Nominal



d) Variação de carga – Especialmente em motores com controle primário da mistura ar + gás

Cargas Elevadas Aumento do Rendimento em até15%.

• Excesso de ar e facilidade de mistura;• Aproveitamento da elevada taxa de compressão.

Cargas Baixas Diminuição do Rendimento .• Menor velocidade e/ou descontinuidade da frente de

chama;• Queima incompleta ou atrasada;• Elevação dos teores de HC e CO.

Utilização de componentes que limitam a entradade gás para cargas superiores a 30%



e) Fatores que influenciam da Detonação:• Número de Metano;• Temperatura e Pressão da mistura admitida;• Taxa de compressão.

Temperaturas e pressões altas ao final da compressão + propagação da frente de chama

Detonação da mistura ar + gás não queimada

Velocidade baixa maior tendência a detonação devido a tempo maior de pré-reação



f) Técnicas de Admissão de Gás

• Carburação - Bastante simples e geralmente empregada em motores com pequeno cruzamento de válvulas

Motores 4 tempos de aspiração natural

• Injeção Sincronizada – Injeção de gás em quantidades e períodos pré-estabelecidos e em sincronismo com o funcionamento das válvulas com benefícios para emissões e rendimentos

Motores 2 tempos, eletrônicos e superalimentados



g) Desgaste do Motor e Estado do Óleo Lubrificante (CENPES-1991)• Menor formação de depósitos;• Menores taxas de desgaste; • Maior durabilidade dos lubrificantes;• Maior vida útil do motor.

h) Emissões (CENPES-1991)• Isento de Enxofre• Redução drástica da fuligem

Redução significativa de material particulado


Hoje: Limites de emissões mais severos e incluindo novos poluentes – Dificuldades de enquadramento

Cruzamento de válvulas do motor Diesel – emissões de HC elevadas

Conceitos




No Brasil- No período de 1983 a 1991, foram realizadas no CENPES avaliações desses

sistemas em ensaios em banco de provas e em campo (parceria com uma empresa canadense). Resultados positivos (Rendimento térmico e consumo).

- Atualmente a Delphi e a Bosch têm projetos seguindo esta rota tecnológica, porém ainda não foi lançado comercialmente um produto.

- Operação de um ônibus com essa tecnologia (Parceria: Companhia distribuidora de gás do Rio de Janeiro – CEG, Prefeitura de Duque de Caxias e o Consórcio Civic/Diesel-Gás). Cabe verificação de adequação de emissões do sistema.

- Petrobras – avaliação de “kits” importados, com ênfase na adequação de emissões do sistema e participação em novos desenvolvimentos com universidades e empresas do segmento automotivo.

Experiências no Brasil e no MundoExperiências no Brasil e no Mundo


Motor Mercedes-Benz OM 366 com Kit Eletrônico AFS – CENPES 1991

Resultados em Banco de ProvasDesempenhos semelhantes;Redução das emissões de particulados;Rendimentos mais elevados;Substituição de 70 a 89% de óleo diesel

Acompanhamento em Campo

Empresa ............................................................. Rodoviária A. MatiasLinha Acompanhada ....................................... 232 (Lins – Praça 15)Quilometragem Analisada ................................................. 11.800 kmÍndice de Substituição Volumétrica .............................................. 72%Equivalência Operacional (m3 gás/ l óleo diesel) ...................... 0,96Autonomia com Gás (6 cil. 80 litros) ..................................... 350 kmEconomia do Sistema com GNC ............................................... 17%


CURVAS DE DESEMPENHO DO MOTOR OM 366

300

320

340

360

380

400

420

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800

ROTAÇÃO (rpm)

TOR

QU

E (N

m)

REFERÊNCIAAFS DIESELDIESEL+GAS



RENDIMENTO TÉRMICO À PLENA CARGA MOTOR OM 366

30

31

32

33

34

35

36

37

38

39

40

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800

ROTAÇÃO (rpm)

REN

DIM

ENTO

( %

)

REFERÊNCIAAFS DIESELDIESEL+GAS



0

0,5

1

1,5

2

2,5

DIESEL PURO DIESEL+GAS PROCONVE 1993

COEFICIENTES DE ABSORÇÃO DE LUZ ( K )

TORQUE MÁXIMOPOTÊNCIA MÁXIMA

(K)



- Países que fazem uso dessa tecnologia: EUA, Canadá, Rússia e Argentina (Pequenas escalas / motores específicos).- Aplicação em maiores escalas: Índia, China e Paquistão.

Experiências no Brasil e no MundoExperiências no Brasil e no Mundo

Mundialmente


- Não conformidade em relação aos limites de emissões aplicados no Brasil atualmente.- Desenvolvimentos de motores originais: Cummins-Westport, injetores bi- combustíveis.

Conceitos





Serviço de assistência técnica adequado

Atendimento a limites de emissões

cada vez mais restritivos

Disponibilização de “kits” emissionados

Investimentos em desenvolvimento


Introdução


“Ottolização”

Diesel-gás


Conclusões


- EUA foram o primeiro país a estudar e a implementar uma política de controle de emissões veiculares (Década de 60).- Os países menos desenvolvidos costumam adotar os limites americanos ou europeus (cronograma defasado).- No Brasil, o controle de emissões por veículos automotores existe desde 1986 (criação do PROCONVE, vinculado ao IBAMA).

Controle de emissões, breve histórico

-Legislação de emissões apresenta limites e procedimentos de testes diferenciados para veículos leves e veículos pesados.- Obtenção de autorização de comercialização no país: contempla ensaios de verificação de emissões e homologação em dinamômetros de chassis (veículos leves) ou homologação em dinamômetros de motor (veículos pesados).

Controle de emissões, operacionalização

GNV em veículos pesadosGNV em veículos pesadosConsiderações sobre emissõesConsiderações sobre emissões

- Poluentes legislados no Brasil: CO (monóxido de carbono), THC (hidrocarbonetos totais), NOx (óxidos de nitrogênio) e, no caso de veículos pesados, também o MP (material particulado).

- Aplicação GNV em veículos pesados: a partir 2007, limites para CH4

e NMHC.

- CO2 ainda não é legislado (contribui para o Efeito Estufa).

Controle de emissões, operacionalização


- Resolução CONAMA nº 291, nos veículos leves convertidos para GNV, limites de emissões igual ou menores que o veículo original.- Legislação não estabelece limites para conversões de motores pesados do ciclo Diesel para operar como Diesel-gás, nem contempla a “Ottolização”. Risco de desenvolvimento do mercado sem contemplar emissões.

Controle de emissões, conversões

Vantagens do GNV

- Na substituição do Diesel: significativa redução de MP (eliminando a fumaça negra característica dos motores a Diesel) e de NMHC.- Tendência de redução na emissão de CO2 (Efeito estufa).- Redução dos demais poluentes legislados dependerá dos patamares tecnológicos dos motores e “kits” de conversão.- Potencial para atender limites futuros com menores custos.


Desenvolvimentos adequadosSem DPF

1992 1996 1998 2000 2006 2008Euro I Euro

IIIEuro IV Euro

VCO 4,5 4 - 2,1 1,5 1,5

EUROPA HC 1,1 1,1 - 0,66 0,46 0,46NOx 8 7 - 5 3,5 2Part. 0,36 0,25 0,15 0,1 0,02 0,02

1994 1996 1998 2000 2006

Fase II Fase III Fase IV P-5 (ESC)

P-6 (ESC)

P-6 (ETC)

CO 11,2 4,9 4 2,1 1,5 4BRASIL HC Totais 2,45 1,23 1,1 0,66 0,46 1,1

HC NMHC --- --- --- --- --- --- 0,55NOx 14,4 9 7 5 3,5 3,5Part. --- 0,4/ 0,7 0,15 0,1 / 0,13 0,02 0,03Opac (ELR) --- --- --- --- 0,8 (ELR) 0,5 (ELR)

g/ kwhEuro II

2009PROCONVE

-87%-81%

-76%

-95%

Limites de emissões Europa e Brasil


Novas tecnologias para Euro III, IV e V (Diesel), Maiores custos


Introdução

Motor do Ciclo OTTO Dedicado (Original de Fábrica)

Ottolização

Diesel-gás


Oportunidades

Conclusões


- Estrategicamente para o Brasil é mais interessante a aplicação controlada do GNV em veículos pesados em substituição parcial ao Diesel.- Políticas direcionadas para ônibus urbanos, condicionadas ao equacionamento de questões relacionadas à oferta de gás no mercado interno. Responsabilidades do Ministério das Cidades, de Minas e Energia, Governos Estaduais e Municipais.- Disponibilização de tecnologias: “Ottolização” e Diesel-gás.- Desenvolvimento de normas de testes e limites de emissões para conversões.- Entrada de novos fabricantes no mercado disponibilizando motores dedicados a GNV Euro III, Euro IV e Euro V.- Mudanças de cultura, Treinamentos.- Assistência Técnica.

Pontos importantes

GNV em veículos pesadosGNV em veículos pesadosOportunidadesOportunidades

Introdução

Motor do Ciclo OTTO Dedicado (Original de Fábrica)

Ottolização

Diesel-gás


Conclusões


Melhoria das condições

ambientais nos centros urbanos

Limites de emissões

Disponibilização de tecnologias GNV em veículos

pesados


Três rotas tecnológicas

Passo importanteProgramas nacionais / incentivos

BrasilDestaca-se mundialmente pelo uso do

GNV em veículos leves. 2ª frota mundial

Pioneiro no uso em larga escala de combustíveis veiculares alternativos

GNV em veículos pesadosGNV em veículos pesadosConclusãoConclusão

A partir do equilíbrioda oferta de gás no

mercado interno

utilização de gás natural em motores e cenário do uso

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