UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA – CT
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA – CCET
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA E ENGENHARIA DE PETRÓLEO – PPGCEP
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
ANÁLISE DAS EMISSÕES GASOSAS DE UM VEÍCULO
FLEX
FUNCIONANDO COM DIFERENTES COMBUSTÍVEIS
Raphael Araújo de Holanda
Orientador - Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa
Co-orientador - Prof. Dr. Francisco Assis de Oliveira Fontes
FUNCIONANDO COM DIFERENTES COMBUSTÍVEIS
Raphael Araújo de Holanda
Raphael Araújo de Holanda
ANÁLISE DAS EMISSÕES GASOSAS DE UM VEÍCULO
FLEX
FUNCIONANDO COM DIFERENTES COMBUSTÍVEIS
Este trabalho corresponde à dissertação de mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Petróleo da Universidade Federal do Rio Grande do Norte, como parte dos requisitos necessários para obtenção do título de mestre em Ciência e Engenharia de Petróleo
Aprovado em 17 de dezembro de 2010
___________________________________________________ Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa
Presidente da banca examinadora – Orientador – UFRN
___________________________________________________ Prof. Dr. Francisco de Assis Oliveira Fontes
Co-orientador – UFRN
___________________________________________________ Prof. Dr. Luiz Guilherme Meira de Souza
Membro interno – UFRN
______________________________________________________ Prof. Dr. Marcelo Bezerra Grilo
DEDICATÓRIA
A meu pai, Geraldo Luiz de Holanda Pinheiro, pelo incentivo, educação, apoio, força e exemplo de vida.
AGRADECIMENTOS
A Deus, primeiramente, pela vida, saúde e força para chegar até aqui.
A minha família e meus familiares, principalmente meus pais, Geraldo Luiz de Holanda Pinheiro e Mariza Araújo de Holanda, e meus irmãos, Claúdio Rodrigo Araújo de Holanda, Thyago Pinheiro de Araújo, Fernanda Araújo de Holanda e Pedro Augusto Pimentel Pinheiro, por todo o apoio, carinho e amor.
A minha companheira, Luiza Menezes Dantas, pelo apoio, paciência, atenção, zelo, estímulo, confiança e compreensão.
Ao meu orientador, Prof. Cleiton Rubens Formiga Barbosa, pelo grande apoio, confiança, incentivo, empenho para a orientação, pelo modo com que direcionou inúmeras informações de forma competente, que foram de grande importância para o desenvolvimento deste trabalho que é a realização de um sonho.
Ao Prof. Francisco Assis de Oliveira Fontes, pela sua capacidade de dar sugestões e pelo incentivo, que foram de grande importância para o desenvolvimento deste trabalho.
A Potigás, principalmente ao meu Gerente Amaro José do Nascimento Júnior, pelo apoio para realização deste trabalho.
A instituição patrocinadora UFRN-PPGCEP pela oportunidade para realizar este trabalho.
Ao CTGÁS-ER pela disponibilização das suas instalações para que fosse possível a realização dos ensaios e análises.
Aos técnicos e amigos do CTGÁS-ER que tanto me apoiaram na realização dos ensaios.
RESUMO
Nas últimas décadas tem se intensificado os esforços em pesquisa e desenvolvimento de novas tecnologias para redução dos níveis das emissões de gases poluentes na atmosfera. Neste contexto, destacam-se os modernos sistemas de gerenciamento eletrônico do motor, os novos catalisadores automotivos e a utilização de combustíveis renováveis que contribuem para o menor impacto ambiental. A presente pesquisa teve como propósito a análise comparativa das emissões gasosas de um veículo automotivo, funcionando com diferentes combustíveis: gás natural, AECH, ou gasolina. Para execução dos testes experimentais, um veículo flex foi instalado em um dinamômetro de chassi equipado com analisador de gases e demais acessórios complementares ao atendimento das diretrizes das normas de emissão e procedimentos de segurança. Os ensaios foram realizados de acordo com as normas NBR 6601 e NBR 7024, que definem o ciclo de condução urbano e estrada, respectivamente. Além da análise dos gases de escapamento no tubo de descarga, antes e após o catalisador, utilizando a sonda de aspiração do analisador de gases, para simulação do veículo em tráfego urbano e estrada, foram realizados testes de caracterização dos combustíveis. Os resultados finais foram conclusivos em apontar a gasolina aditivada como o combustível que mais contribuiu com as emissões de poluentes na atmosfera e a gasolina comum sendo o combustível que menos contribuiu com as emissões de poluentes na atmosfera.
ABSTRACT
Efforts in research and development of new technologies to reduce emission levels of pollutant gases in the atmosphere has intensified in the last decades. In this context, it can be highlighted the modern systems of electronic engine management, new automotive catalysts and the use of renewable fuels which contributes to reduce the environmental impact. The purpose of this study was a comparative analysis of gas emissions from a automotive vehicle, operating with different fuels: natural gas, AEHC or gasoline. To execute the experimental tests, a flex vehicle was installed on a chassis dynamometer equipped with a gas analyzer and other complementary accessories according to the standard guidelines of emission and security procedures. Tests were performed according to NBR 6601 and NBR 7024, which define the urban and road driving cycle, respectively. Besides the analysis of exhaust gases in the discharge tube, before and after the catalyst, using the suction probe of the gas analyzer to simulate the vehicle in urban and road traffic, were performed tests of fuel characterization. Final results were conclusive in indicating leaded gasoline as the fuel which most contributed with pollutant emissions in atmosphere and the usual gasoline being the fuel which less contributed with pollutant emissions in atmosphere.
SUMÁRIO
Lista de Figuras... xiii
Lista de Tabelas... xv
Lista de Abreviaturas e Siglas... xvi
CAPÍTULOI 1. INTRODUÇÃO... 01
1.1 Motivação ... 03
1.2 Objetivos... 03
1.2.1 Geral ... 03
1.2.2 Específicos... 04
CAPÍTULO II 2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA... 05
2.1 Tecnologias de veículos Flex (quatro combustíveis) ... 06
2.2 Características de motores ciclo Otto ... 07
2.2.1 Introdução... 07
2.2.2 Histórico do motor ciclo Otto... 07
2.2.3 Descrição dos 4 tempos do ciclo Otto ... 08
2.2.3.1 Admissão ... 09
2.2.3.2 Compressão ... 09
2.2.3.3 Combustão... 10
2.2.3.4 Exaustão ... 10
2.2.4 Emissões dos gases poluentes em motores ciclo Otto... 10
2.2.4.1 Formação dos gases presentes nas emissões veiculares ... 11
2.2.4.1.1 Mistura Ideal (razão ar-combustível estequiométrica) ... 11
2.2.4.1.2 Mistura Rica ... 12
2.2.4.1.3 Mistura Pobre ... 12
2.2.4.2 Compostos presentes nos gases de emissões veiculares... 13
2.2.4.2.1 Hidrocarbonetos (HC) ... 13
2.3.4.2.3 Óxidos de Nitrogênio (NOx)... 14
2.2.4.2.4 Dióxido de Carbono (CO2)... 14
2.2.4.2.5 Óxidos de enxofre (SOx) ... 14
2.2.4.2.6 Chumbo (Pb) ... 14
2.2.4.2.7 Ozônio (O3) ... 15
2.2.4.2.8 Material Particulado (MP)... 15
2.2.5 Impactos das emissões veiculares ao meio ambiente ... 15
2.2.5.1 Chuva ácida ... 16
2.2.5.2 Efeito estufa... 17
2.2.6 Riscos à saúde humana ... 18
2.2.6.1 Monóxido de carbono (CO)... 19
2.2.6.2 Óxidos de nitrogênio (NOx)... 20
2.2.6.3 Ozônio (O3) ... 20
2.2.6.4 Dióxido de enxofre (SO2)... 20
2..3 Normas regulamentadoras ... 20
2.3.1 Breve histórico... 20
2.3.2 PROCONVE... 21
2.3.3 Fases de implantação do PROCONVE ... 22
2.4 Efeitos dos catalisadores sobre as emissões ... 23
2.4.1 Análise de fatores geradores de gases poluentes ... 25
2.4.1.1 Hidrocarbonetos (HC) ... 25
2.4.1.2 Monóxido de carbono (CO)... 26
2.4.1.3 Dióxido de carbono (CO2)... 26
2.4.1.4 Oxigênio (O2) ... 26
2.4.1.5 Óxidos de nitrogênio (NOx)... 26
2.4.2 Influência da partida a frio nas emissões veiculares... 27
2.4.3 Estrutura interna dos catalisadores ... 27
CAPÍTULO III 3. ESTADO DA ARTE... 29
CAPÍTULO IV
4. MATERIAIS E MÉTODOS... 33
4.1 Introdução... 34
4.2 Descrição da bancada de ensaios... 34
4.3 Descrição do veículo utilizado nos ensaios ... 40
4.3.1 Identificação ... 40
4..3.2 Motorização... 40
4.3.3 Sistema de alimentação ... 41
4.3.4 Transmissão e embreagem ... 41
4.3.5 Rodas ... 42
4.3.6 Peso... 42
4.4 Analisador de gases ... 42
4.4.1 Descrição do equipamento... 45
4.4.2 Procedimento de instalação ... 47
4..4.3 Condições de operação ... 47
4.4.4 Iniciando a operação... 47
4.4.4.1 Teste de condensado... 47
4.4.4.2 Resíduos de hidrocarbonetos ... 48
4.4.4.3 Aquecimento... 48
4.4.4.4 Teste de vazamento ... 48
4.4.4.5 Auto calibração... 48
4.4.5 Indicando medições ... 48
4.5 Caracterização dos combustíveis... 49
4.5.1 Combustíveis líquidos ... 49
4.5.1.1 Laboratório de análises... 49
4.5.1.2 Amostras... 50
4.5.1.3 Análise de caracterização ... 50
4.5.1.4 Aspecto ... 50
4.5.1.5 Cor ... 51
4.5.1.6 Massa específica ... 51
4.5.1.7 Teor de AEAC ... 51
4.5.1.8 Teor Alcoólico (oINPM)... 52
4.5.1.10 Condutividade elétrica... 52
4.5.1.11 Potencial hidrogeniônico ... 52
4.5.1.12 Octanagem (MON, RON, IAD, benzeno, aromáticos, olefinicos e saturados)... 53
4.5.2 Combustível gasoso... 55
4.5.2.1 Laboratório de análises... 55
4.5.2.2 Amostra ... 55
4.5.2.3 Análise de caracterização físico-química ... 56
4.5.2.4 Cromatógrafo de gás... 56
4.5.2.5 Cálculo das propriedades... 56
4.6 Procedimento de ensaio de emissões... 57
4.6.1 Introdução... 57
4.6.2 Realização do ciclo urbano para ensaio de emissões ... 57
4.6.2.1 Partida a frio ... 58
4.6.2.2 Partida a quente ... 58
4.6.2.3 Coordenadas do ciclo de condução urbano ... 58
4.6.2.4 Adequação das coordenadas do ciclo urbano ... 59
4.6.3 Realização do ciclo estrada para ensaio de emissões ... 60
4.6.3.1 Coordenadas do ciclo de condução estrada ... 61
4.6.3.2 Relação da velocidade com a transmissão... 61
4.7 Parâmetros medidos e calculados pelo analisador de gases ... 63
4.7.1 Diluição ... 64
4.7.2 Fator de diluição ... 64
4.7.3 Hidrocarboneto corrigido (HCcorrigido) ... 64
4.7.4 Monóxido de carbono corrigido (COcorrigido) ... 64
4.7.5 Valor de lambda (λ)... 65
4.7.6 Máxima eficiência catalítica... 65
CAPÍTULO V 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO... 66
5.1 Introdução... 67
5.2 Resultados obtidos... 67
5.2.1 Resultados obtidos a partir das análises dos combustíveis utilizados ... 67
5.2.2.1 Resultados obtidos a partir dos ensaios do ciclo de condução de trânsito urbano ... 70
5.2.2.1.1 Resultado do teor de hidrocarboneto corrigido emitido a partir da combustão de diversos combustíveis – ciclo urbano... 71
5.2.2.1.2 Resultado do teor de monóxido de carbono corrigido emitido a partir da combustão de diversos combustíveis – ciclo urbano... 72
5.2.2.1.3 Resultado do teor de dióxido de carbono emitido a partir da combustão de diversos combustíveis – ciclo urbano... 73
5.2.2.1.4 Resultado do teor de resíduo de oxigênio presente nas emissões a partir da combustão de diversos combustíveis – ciclo urbano... 74
5.2.2.2 Resultados obtidos a partir dos ensaios do ciclo de condução de trânsito estrada ... 75
5.2.2.2.1 Resultado do teor de hidrocarboneto corrigido emitido a partir da combustão de diversos combustíveis – ciclo estrada... 75
5.2.2.2.2 Resultado do teor de monóxido de carbono corrigido emitido a partir da combustão de diversos combustíveis – ciclo estrada... 76
5.2.2.2.3 Resultado do teor de dióxido de carbono emitido a partir da combustão de diversos combustíveis – ciclo estrada... 77
5.2.2.2.4 Resultado do teor de resíduo de oxigênio presente nas emissões a partir da combustão de diversos combustíveis – ciclo estrada... 78
5.2.3 Resultados obtidos para a máxima eficiência catalítica ... 79
CAPÍTULO VI 6. CONCLUSÕES... 80
REFERÊNCIAS... 83
APÊNDICES... 90
Apêndice A ... 91
Apêndice B ... 98
Apêndice C ... 100
LISTA DE FIGURAS
Capítulo II
Figura 2.1 Diagrama de tempos – ângulo do virabrequim... 08
Figura 2.2 Variação da pressão no interior do cilindro... 08
Figura 2.3 Ciclo de trabalho de um motor ciclo Otto ... 09
Figura 2.4 Concentração de HC, CO e NOx em função da razão ar-combustível ... 12
Figura 2.5 Catalisador automotivo... 23
Figura 2.6 Ilustração da parte frontal do catalisador... 28
Capítulo IV
Figura 4.1 Bancada de ensaios ... 35Figura 4.2 Esquema dos equipamentos utilizados para a realização dos ensaios ... 35
Figura 4.3 Materiais e equipamentos utilizados na realização dos ensaios ... 36
Figura 4.4 Analisador de gases e seus acessórios ... 43
Figura 4.5 Descrição do painel frontal do analisador de gases ... 45
Figura 4.6 Descrição do painel traseiro do analisador de gases... 46
Figura 4.7 Setor de caracterização de combustíveis líquidos ... 49
Figura 4.8 Amostras dos combustíveis líquidos ... 50
Figura 4.9 Equipamentos utilizados nas análises para caracterização ... 54
Figura 4.10 Setor de caracterização físico-química do combustível gasoso... 55
Figura 4.11 Cromatógrafo de gás... 56
Figura 4.12 Gráfico das coordenadas adequadas do ciclo urbano padrão de emissões ... 59
Figura 4.13 Planilha com a relação entre as coordenadas adequadas do ciclo de condução urbano e a transmissão... 60
Figura 4.14 Gráfico das coordenadas adequadas do ciclo estrada... 62
Capítulo V
Figura 5.1 Teor de HCcorr emitido a partir de diversos combustíveis - ciclo urbano... 71
Figura 5.2 Teor de COcorr emitido a partir de diversos combustíveis - ciclo urbano... 72
Figura 5.3 Teor de CO2 emitido a partir de diversos combustíveis - ciclo urbano ... 73
Figura 5.4 Teor de O2 emitido a partir de diversos combustíveis - ciclo urbano... 74
Figura 5.5 Teor de HCcorr emitido a partir de diversos combustíveis - ciclo estrada... 75
Figura 5.6 Teor de COcorr emitido a partir de diversos combustíveis - ciclo estrada... 76
Figura 5.7 Teor de CO2 emitido a partir de diversos combustíveis - ciclo estrada... 77
Figura 5.8 Teor de O2 emitido a partir de diversos combustíveis - ciclo estrada ... 78
Apêndices
Figura A.1 Gráfico das coordenadas do ciclo urbano padrão de emissões (NBR 6601)... 96Figura A.2 Gráfico das coordenadas do ciclo estrada (NBR 7024)... 96
Figura B.1 Cálculo da área frontal do veículo... 98
Figura B.2 Projeção da área do retrovisor do veículo... 99
Figura D.1 Relatório de Ensaio – Gasolina comum... 101
Figura D.2 Relatório de Ensaio – Gasolina aditivada ... 101
Figura D.3 Relatório de Ensaio – Gasolina podium ... 101
Figura D.4 Relatório de Ensaio – AEHC... 101
Figura D.5 Relatório de Ensaio – Gás natural ... 101
LISTA DE TABELAS
Capítulo II
Tabela 2.1 Fases do PROCONVE... 23
Capítulo IV
Tabela 4.1 Outras informações a respeito do motor do veículo utilizado durante os ensaios.... 41Tabela 4.2 Relação de transmissão por limite de velocidade segundo manual do fabricante.... 42
Tabela 4.3 Concentrações do gás-padrão utilizado na calibração ... 43
Tabela 4.4 Faixa de medição do analisador de gases ... 44
Tabela 4.5 Exatidão do analisador de gases ... 44
Tabela 4.6 Resolução do analisador de gases... 45
Capítulo V
Tabela 5.1 Resultado da análise dos combustíveis líquidos... 68Tabela 5.2 Resultado da análise do combustível gasoso ... 69
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas AEAC Álcool Etílico Anidro Combustível
AEHC Álcool Etílico Hidratado Combustível ANP Agência Nacional do Petróleo
ASTM American Society for Testing and Materials
CNTP Condições Normais de Temperatura e Pressão CONAMA Conselho Nacional do Meio Ambiente
CTGÁS – ER Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis
GNV Gás Natural Veicular
IAD Índice Antidetonante
IBAMA Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis
ICE Internal Combustion Engine
INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial ISO International Organization for Standardization
LCL Laboratório de Combustíveis e Lubrificantes LMA Laboratório de Mecânica Automotiva
LQG Laboratório de Qualidade do Gás
MON Número de Octano Motor
PROCONVE Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos
RON Número de Octano Pesquisa
SAE Society American Engineering
Capítulo 1 - Introdução
É do conhecimento de todos que há muito tempo o setor de transporte tem fundamental importância para a sociedade mundial, uma vez que o desenvolvimento econômico está diretamente relacionado com a mobilidade de pessoas e mercadorias, sendo os veículos o meio de locomoção mais utilizado até os dias atuais. Com o passar do tempo, observou-se o aumento do número de veículos que circulam diariamente no mundo e consequentemente o crescimento das emissões dos gases poluentes lançados na atmosfera, que são fruto do processo de combustão no interior do motor dos veículos.
No Brasil, os veículos automotores produzem mais poluição atmosférica que qualquer outra atividade humana isolada em áreas urbanas (Monteiro, 1998).
A partir da identificação do aumento das taxas de poluição atmosférica, o setor de transporte passou a ser diretamente relacionado a diferentes problemas de ordem social e ambiental, tais como: a promoção de riscos à saúde humana e aumento da emissão de gases poluentes na atmosfera, sendo este último o principal responsável pelo aumento da temperatura global, pelas alterações climáticas e pelos impactos ao meio ambiente.
As emissões veiculares são geradas através das várias reações químicas que ocorrem no interior dos motores de combustão interna. Estes compostos são os principais responsáveis pela degradação do ar atmosférico, o que resulta em uma perda da qualidade de vida de todos os habitantes (problemas respiratórios, degradação de estruturas), principalmente nos grandes centros urbanos (Vasconcellos, 2000).
A emissão de poluentes gerada pelos veículos também é responsável por problemas de maior magnitude relacionados a mudanças climáticas (Ribeiro et al, 2000).
Neste contexto, destacam-se os modernos sistemas de gerenciamento eletrônico do motor, os novos catalisadores automotivos e a utilização de combustíveis renováveis que contribuem para redução dos níveis das emissões de gases poluentes na atmosfera. Essa vertente se consolida com o aumento da descoberta de vários combustíveis renováveis, considerados os combustíveis limpos.
Há algum tempo que os veículos estão sendo equipados com dispositivos que permitem que os mesmos possam utilizar diversos tipos de combustíveis para promover maior economia e a redução das emissões oriundas do processo de combustão interna no motor, como forma de atender as exigências da legislação e conseqüentemente a preservação do meio ambiente.
1.1 - Motivação
As emissões veiculares tem sido o foco de uma política de controle cada vez mais rígida, que objetiva a minimização dos riscos à saúde humana. O aumento da temperatura global, das alterações climáticas e dos impactos ao meio ambiente, causados principalmente pelas emissões veiculares, despertou nas autoridades uma preocupação com relação a este problema.
A poluição atmosférica acarreta problemas à saúde humana, sendo a responsável direta pela perda na qualidade de vida, de maneira que a necessidade de reduzir as emissões, tornou-se um antornou-seio de toda a sociedade e tem sido foco de ampla discussão em várias partes do mundo.
1.2 - Objetivos
1.2.1 - Geral
1.2.2 - Específicos
1. Realizar análises de caracterização dos combustíveis líquidos automotivos comercializados em Natal-RN;
2. Realizar análises de caracterização físico-química do gás natural automotivo da UPGN de Guamaré-RN;
3. Elaborar procedimento para realização de ensaios de simulação do veículo flex em trânsito urbano ou estrada, de acordo com as normas NBR 6601 e NBR 7024;
4. Realizar a análise comparativa das emissões gasosas, de um veículo flex
funcionando com diferentes combustíveis;
Capítulo 2 – Fundamentação Teórica
2.1 - Tecnologias de veículos
Flex
(quatro combustíveis)
A tecnologia de veículos Flex (quatro combustíveis) foi desenvolvida para atender a uma demanda do mercado que tem se confirmado nos últimos anos, que é a utilização de diversos tipos de combustíveis em um mesmo motor, podendo funcionar com os combustíveis: Gasolina sem adição de álcool anidro (Nafta), Gasolina com adição de álcool anidro (Gasolina brasileira), Álcool Etílico Hidratado Combustível (AEHC) e Gás Natural Veicular (GNV).
A base da tecnologia dos veículos equipados com o sistema Flex (quatro combustíveis) está no sistema de injeção eletrônica, que foi desenvolvido para gerenciar em uma mesma unidade de comando eletrônica (UCE) a utilização de até quatro tipos de combustíveis diferentes, possibilitando que o motor funcione com combustíveis no estado líquido (AEHC, gasolina brasileira e nafta) e no estado gasoso (GNV), para tal o motor possui dois conjuntos de bicos injetores (flautas) distintos para realização da alimentação, cada um com quatro válvulas injetoras que injetam o combustível, de maneira que um injeta os combustíveis no estado líquido e o outro injeta o combustível gasoso, sendo tudo isso gerenciado pela mesma UCE, comercialmente denominada de centralina. A UCE é o “cérebro eletrônico” do motor, que é responsável pelo gerenciamento do sistema, que pela leitura dos quatros tipos de combustíveis admissíveis e pela identificação de qual é a melhor opção a ser injetada, de maneira que o mesmo opere com o menor consumo possível, melhor desempenho e menor emissão de poluentes segundo dados coletados e parametrizados naquele instante.
Essa nova versão do sistema Flex (quatro combustíveis) está equipado com os mesmos sensores que equipam os veículos com sistema Flex, sendo eles: sensor de temperatura do motor, sensor de temperatura do ar, sensor de pressão no coletor de admissão, sensor de rotação do motor, sensor da posição da borboleta, sonda lambda, sensor de nível do tanque, sensor de pressão do gás e sensor de velocidade do veículo, sensor de rotação, sendo todos de grande importância para o correto funcionamento do motor.
2.2 – Características de motores ciclo Otto
2.2.1 – Introdução
Neste tópico, será apresentado um histórico dos motores a combustão interna ciclo Otto, que é um ciclo termodinâmico, que idealiza o funcionamento de motores de combustão interna de ignição por centelha, passando pelo detalhamento de suas principais características de funcionamento, concluindo com a apresentação de uma análise dos gases presentes nas emissões dos motores ciclo Otto.
2.2.2 – Histórico do motor ciclo Otto
2.2.3 – Descrição dos 4 tempos do ciclo Otto
Em motores ciclo Otto, a conclusão de um ciclo é o mesmo que realizar duas rotações completas no virabrequim (ou árvore de manivelas). Quando o virabrequim desenvolve o movimento de rotação, os pistões se deslocam no interior dos cilindros entre o ponto morto superior (PMS) e o ponto morto inferior (PMI). A transmissão do movimento entre o virabrequim e os pistões, ocorre por meio da biela, que está acoplada fazendo a ligação entre o virabrequim e o pistão. Para que um cilindro execute os 4 tempos do ciclo Otto, é necessário que o virabrequim realize um movimento rotacional de 720 graus em torno do seu eixo (ver Figura 2.1).
Figura 2.1. Diagrama de tempos – ângulo do virabrequim (Donaldson, 2003).
A Figura 2.2 mostra a variação da pressão no interior do cilindro em função da variação do seu volume interno:
Figura 2.2. Variação de pressão no interior do cilindro (Bosch, 1995).
de exaustão, essas válvulas são comandadas a partir do virabrequim que atua diretamente no eixo de comando de válvulas (ver Figura 2.3). A seguir serão detalhados os 04 tempos do ciclo Otto:
Figura 2.3. Ciclo de trabalho de um motor ciclo Otto (Tabuenca, 1996).
2.2.3.1 – Admissão
O processo de admissão é caracterizado pelo movimento descendente do pistão no interior do cilindro, estando aberta a válvula de admissão da mistura ar/combustível e fechada a válvula de exaustão, ocorrerá a aspiração da mistura ar/combustível para o interior do cilindro.
2.2.3.2 – Compressão
2.2.3.3 – Ignição/Combustão
O processo de ignição/combustão é caracterizado pelo movimento descendente do pistão no interior do cilindro, ainda estando fechadas a válvula de admissão e a válvula de exaustão. Ocorre à produção de uma centelha no interior do cilindro através da vela do sistema de ignição, a centelha gerada provoca uma reação de combustão em cadeia, fazendo com que os produtos resultantes desta combustão, aumentem a pressão no interior do cilindro. Durante a explosão a energia contida no combustível é liberada, transformando-se em movimento.
2.2.3.4 – Exaustão
Durante o processo de exaustão, que é caracterizado pelo movimento ascendente do pistão no interior do cilindro, estando fechada a válvula de admissão e aberta a válvula de exaustão, os produtos resultantes da combustão são empurrados para fora do cilindro, que seguirá para atmosfera através do coletor de gases de exaustão.
2.2.4 – Emissões dos gases poluentes em motores ciclo Otto
Os motores que operam no ciclo Otto, representam a principal fonte de emissão de gases poluentes, que contribuem para o aumento nos impactos sobre o meio ambiente e a saúde humana.
Segundo Heywood (1988), as emissões de descarga são extremamente dependentes dos modos de operação do veículo. Podendo ser classificados em 22 diferentes condições. Dentro de cada um desses modos o veículo pode operar em velocidade constante, parado, em aceleração ou desaceleração.
2.2.4.1 – Formação dos gases presentes nas emissões veiculares
O fator responsável pela diferenciação da quantidade de poluentes emitidos entre os diferentes modos de operação é a razão combustível (Heywood, 1988). A razão ar-combustível, é definida pelos quantitativos de reagentes que entram na reação de combustão, no caso da reação se processar por completo, ou seja, todo o combustível combinado com o oxigênio do ar foi consumido, se pode dizer que o processo se desenvolveu mediante uma razão ar-combustível estequiométrica.
2.2.4.1.1 – Mistura Ideal (razão ar-combustível estequiométrica)
A mistura estequiométrica é caracterizada pela utilização da proporção ideal entre a massa de oxigênio admitido e a massa de combustível injetado, que depende da perfeita mistura e atomização entre as massas dos reagentes e de tempo suficiente para que a reação de combustão se proceda por completo.
Figura 2.4. Concentração de HC, CO e NOx em função da razão ar-combustível (Heywood, 1988).
2.2.4.1.2 – Mistura Rica
A mistura rica caracteriza-se pela presença de quantidade insuficiente de oxigênio para reagir com a totalidade de combustível, ou de excesso de combustível. Em geral, misturas ricas geram grande quantidade de poluentes em função da combustão incompleta do combustível e podendo notar-se o aumento no consumo de combustível.
2.2.4.1.3 – Mistura Pobre
2.2.4.2 – Compostos presentes nos gases de emissões veiculares
Segundo Branco e Murgel (1995), em condições ideais a combustão de hidrocarbonetos (combustíveis) resulta em H2O e CO2. Contudo, estas condições quase nunca
são verificadas, ocorrendo à combustão parcial do combustível e ainda reações indesejáveis. Não havendo combustão completa, acabam sobrando alguns subprodutos que vão constituir poluentes perigosos.
A seguir será apresentada uma equação que demonstra a combustão completa de um hidrocarboneto (Heywood, 1988).
CH2 + 1,5 (O2 + 4N2) CO2 + H2O + 6N2 (1)
Quando se processa a combustão total ou parcial do combustível, ocorre a emissão de diversos gases poluentes na atmosfera, causando efeitos negativos ao meio ambiente e a saúde humana. Dentre os diversos gases emitidos, pode-se destacar os hidrocarbonetos (HC), o monóxido de carbono (CO), os óxidos de nitrogênio (NOx), o dióxido de carbono (CO2),
Óxidos de enxofre (SOx), Chumbo (Pb), Ozônio (O3) e Material Particulado (MP), que são
objeto de detalhamento de suas principais características e mecanismos de geração dos compostos emitidos pelos veículos:
2.2.4.2.1 – Hidrocarbonetos (HC)
Os hidrocarbonetos (HC) são compostos orgânicos voláteis, formados à base de carbono (C) e hidrogênio (H2). Aparecem nas emissões devido à combustão incompleta do
combustível ou pela evaporação do mesmo.
2.2.4.2.2 – Monóxido de Carbono (CO)
2.2.4.2.3 – Óxidos de Nitrogênio (NOx)
Apesar dos óxidos de nitrogênio não serem produto direto da reação de combustão no motor, os mesmo utilizam do ambiente em que ocorre essa combustão, fazendo com que o nitrogênio presente no ar atmosférico reaja com os gases a elevadas temperaturas.
Segundo Heywood (1988) a temperatura influencia de forma exponencial a formação deste composto químico. Os NOx emitidos são compostos de óxido nítrico (NO) e dióxido de nitrogênio (NO2), este último em parcelas significativamente menores que o primeiro.
2.2.4.2.4 – Dióxido de Carbono (CO2)
O dióxido de carbono é o principal produto da combustão completa dos combustíveis, é também um dos gases responsáveis pelo efeito estufa na terra. Em geral este é gerado segundo a equação abaixo:
CxHy + (4x+y/4)O2 xCO2 + (y/2)H2O (2)
2.2.4.2.5 – Óxidos de enxofre (SOx)
Os óxidos de enxofre, entre eles o dióxido de enxofre (SO2) e outros óxidos sulfurosos
(SO e SO3), são formados a partir do processo de oxidação do enxofre presente no
combustível, de tal forma que a quantidade de óxido de enxofre emitido, está diretamente relacionada ao teor de enxofre contido no combustível, as condições de operação do motor e a eficiência e tipo de catalisador utilizado.
2.2.4.2.6 – Chumbo (Pb)
eliminada, sendo substituído pelo álcool anidro, com isso as emissões de Pb, assim como as de SO2, são muito inferiores comparadas com valores da década de 70 (NRC, 2000).
2.2.4.2.7 – Ozônio (O3)
O ozônio é um gás que não é emitido diretamente dos veículos à atmosfera, sendo formado a partir de reações fotoquímicas, envolvendo principalmente NOx, O2 e HC quando
estão na presença da luz solar.
2.2.4.2.8 – Material Particulado (MP)
O material particulado orgânico (MP) consiste em substâncias sólidas ou líquidas (partículas de carbono do combustível não queimado) que podem ser coletadas por filtragem dos gases de escapamento. Nos motores de ciclo Otto a emissão de MP é insignificante (Jacondino, 2005).
Nos próximos tópicos serão apresentados alguns efeitos negativos decorrentes das emissões veiculares ao meio ambiente e os riscos à saúde humana.
2.2.5 – Impactos das emissões veiculares ao meio ambiente
A poluição atmosférica pode ser definida como a presença de substâncias estranhas na atmosfera, resultantes da atividade humana ou de processos naturais, em concentrações suficientes para interferir direta ou indiretamente na saúde, segurança e bem estar dos seres vivos (Elson, 1992).
global do planeta (efeito estufa), problemas estes que estão diretamente relacionados à emissão de gases como: óxidos de enxofre (SOx), óxidos de nitrogênio (NOx), monóxido de
carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) e o ozônio (O3).
Ayoade (1998) alerta que a poluição do ar afeta o clima das áreas urbanas de diversas formas. O próprio balanço energético das cidades sofre interferência, pois os poluentes refletem, dispersam e absorvem radiação solar. Muitos poluentes também servem de núcleos de condensação, sendo, portanto, abundantes no ar das cidades, cuja umidade já é substancialmente abastecida através da evaporação, dos processos industriais e dos automóveis, que emitem grandes quantidades de vapor d'água. Conseqüentemente, a tendência da precipitação é aumentar sobre as áreas urbanas. Contudo, os efeitos mais alarmantes da poluição atmosférica ocorrem na saúde da população urbana. Nos próximos tópicos, será apresentada uma abordagem dos riscos à saúde humana.
2.2.5.1 – Chuva ácida
Dentre as diversas origens de gases formadores de chuva ácida, será abordada a formação da chuva ácida a partir dos gases emitidos no processo de combustão interna dos veículos, que a partir do nitrogênio presente no ar, ao ser submetido ao processo de combustão a altas pressões e altas temperaturas nos cilindros do motor, resulta na formação de óxido de nitrogênio (NO), conforme reação mostrada na equação (3).
N2 (g) + O2 (g) 2 NO (g) (3)
O óxido de nitrogênio que foi formado no interior do cilindro do motor, quando não é processado pelo catalisador, atinge a atmosfera, tornando-se instável nas condições atmosféricas normais e reagindo na presença do oxigênio do ar, vindo a produzir o dióxido de nitrogênio, conforme mostrada na equação (4).
2 NO (g) + O2 (g) 2 NO2 (g) (4)
atmosférica, reage novamente, produzindo por adição do íon hidroxila, o ácido nitroso (HNO2) e o ácido nítrico (HNO3), conforme mostrado nas equações (5) e (6).
NO2 + OH· HNO3 (5)
2 NO2 (g) +H2O (l) HNO3 (aq) + HNO2 (aq) (6)
Em resumo, a partir da reação desses gases com a água presente na atmosfera, é que se formam o ácido nitroso (HNO2) e ácido nítrico (HNO3), substâncias que contribuem para
formação de chuva ácida.
2.2.5.2 – Efeito estufa
O efeito estufa é um processo necessário para vida humana no planeta terra, pois sem ele, dificilmente existiria uma variedade tão grande de seres vivos, pois ele tem a finalidade de reter parte dos raios solares que chegam a terra, mantendo estável a temperatura terrestre, no entanto, devido às ações do homem, promovendo a emissão desenfreada de gases poluentes, em especial o dióxido de carbono (CO2), o efeito estufa tem aumentado sua
intensidade ao ponto de promover o aumento da temperatura global a médio prazo, que já pode ser sentido nas alterações climáticas, no derretimento de geleiras nos pólos e conseqüentemente aumento dos níveis dos oceanos, na perda de espécies da fauna e da flora e no aumento da ocorrência de tempestades e furacões.
Uma das alternativas para minimizar as emissões de gases poluentes, é a ampliação do uso do gás natural, que dentre os diversos combustíveis fósseis existentes em uso, é o que apresenta as menores taxas de emissões de gases poluentes. Sirkis (1999) comenta que o gás natural demanda uma atenção e um investimento do Poder Público para que seja rompido o círculo vicioso que se estabeleceu: há poucos veículos a gás porque há poucos postos de serviços para abastecê-los e há poucos postos de serviços porque há poucos veículos a gás. O Poder Público pode estimular essa oferta reduzindo taxas e impostos municipais para os postos de serviços e empresas de transporte coletivo.
Outra alternativa já testada é a utilização do AEHC como combustível, que reduz as emissões de monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOx), óxidos de enxofre
(SOx), hidrocarbonetos (HC) e material particulado (MP), tanto no caso do álcool puro como da mistura álcool-gasolina, quando comparada à utilização da gasolina pura. O AEHC substitui ainda os compostos de chumbo adicionados à gasolina para aumento da sua octanagem, fato que possibilitou ao Brasil deixar de usar esses compostos desde janeiro de 1989, sendo o segundo país do mundo a conseguir isso, estando somente atrás do Japão (Santos, 1993).
Ainda se pode citar como via para reduzir o número de fontes poluidoras, as vistorias realizadas pelo Poder Público, que têm como um dos seus objetivos coibir a circulação de veículos velhos, inseguros e poluentes, o que se contrapõe à aspiração da baixa classe média e de setores pobres emergentes que, muitas vezes, têm nesses veículos seu instrumento de trabalho. Além do mais, veículos bem regulados poluem menos e economizam combustível (Russo, 2004).
2.2.6 – Riscos à saúde humana
A poluição do ar realmente passou a ser considerada um problema ligado à saúde pública a partir da Revolução Industrial, quando começaram a ser adotadas técnicas baseadas na queima de grandes quantidades de carvão, lenha e, posteriormente, óleo combustível. O uso intensivo dessas técnicas acarretou a perda gradativa da qualidade do ar nos grandes centros urbano-industriais, com reflexos nítidos na saúde de seus habitantes. Portanto, a qualidade do ar deixou de ser um problema de bem-estar e passou a representar efetivamente um risco à população (Russo, 2004).
A quantidade de poluentes na atmosfera é considerada um dos mais importantes indicadores ambientais para determinar as condições de saúde pública, devido à responsabilidade que tais contaminantes têm em muitas patologias respiratórias (Galvão et al, 1998).
A poluição atmosférica gera uma enorme degradação da qualidade de vida da população, provocando uma série de doenças respiratórias, cardiovasculares e neoplasias. Deve-se ressaltar que essas três categorias de morbidade compõem as principais causas de morte nos grandes centros urbanos (Barbosa, 1990).
Para Azevedo et al (1999) uma substância é considerada poluente quando pode tornar o ar impróprio, nocivo e prejudicial para a saúde das pessoas, inconveniente para a saúde pública. Segue abaixo comentários sobre alguns poluentes emitidos a partir da combustão interna dos motores ou de reações de seus gases na atmosfera, que representam um risco à saúde humana:
2.2.6.1 – Monóxido de carbono (CO)
2.2.6.2 – Óxidos de nitrogênio (NOx)
Ainda existem os óxidos de nitrogênio (NOx), que é a principal fonte de óxido nítrico
(NO) e dióxido de nitrogênio (NO2), ambos formados nos motores dos veículos, quando
inalados atingem as porções mais periféricas do pulmão devido a sua baixa solubilidade em água, e seu efeito tóxico está relacionado ao fato dele ser um agente oxidante. O óxido de nitrogênio atua também como um dos principais precursores para formação do ozônio (O3) na
atmosfera, que é oriundo de uma série de reações catalisadas pela luz do sol (raios ultravioleta) envolvendo nesta reação o nitrogênio, os hidrocarbonetos e o oxigênio.
2.2.6.3 – Ozônio (O3)
O ozônio é um potente oxidante e bactericida, capaz de provocar lesões nas células e também nas porções mais distas das vias aéreas. Estudos de exposição em seres humanos apresentaram três respostas pulmonares: tosse, dor retroesteral à inspiração e decréscimo da capacidade ventilatória forçada.
2.2.6.4 – Dióxido de enxofre (SO2)
O dióxido de enxofre é mais freqüentemente associado a mortes totais e internações por doenças cardiovasculares, sendo absorvido pelas regiões mais distas do pulmão quando ocorre aumento da ventilação do mesmo. Sua eliminação se dá pela expiração e pela urina (Freitas, 2010).
2.3 – Normas regulamentadoras
2.3.1 - Breve histórico
Estados Unidos, na década de 50. Assim foi constatado que as emissões veiculares necessitavam de medidas de controle.
O estado da Califórnia estabeleceu sua primeira regulamentação das emissões de gases de escapamento em 1966. Em 1970, o governo norte americano estabeleceu a regulamentação federal sobre as emissões veiculares, através da publicação do Clean Air Act. Ainda, países da Comunidade Econômica Européia, Japão e Austrália estabeleceram limites de emissões de poluentes veiculares nas décadas de 1960 e 1970 (Hansen, 2008).
No Brasil, a regulamentação das emissões veiculares teve início em 1986, com a criação do Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos Automotores, o PROCONVE, sendo assim, o Brasil, o primeiro país na América do Sul a adotar uma legislação destinada a reduzir as emissões veiculares.
As normas regulamentadoras no Brasil, possuem amparo legal nas medidas de controle da poluição veicular e que estão constantemente sendo aprimoradas, mas carecem de um eficiente controle.
2.3.2 - PROCONVE
Conforme o IBAMA, foi instituído em âmbito nacional, pela Resolução CONAMA No 18 de 6 de maio de 1986, o PROCONVE, por considerar que: os veículos automotores dos ciclos Otto e Diesel são fontes relevantes de emissão de hidrocarbonetos, monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio, fuligem e aldeídos; os veículos automotores do ciclo Otto são fontes relevantes de emissão evaporativa de combustível; a emissão de poluentes por veículos automotores contribui para a contínua deterioração da qualidade do ar, especialmente nos centros urbanos; a utilização de tecnologias adequadas, de uso comprovado, permite atender as necessidades de controle da poluição, bem como de economia de combustível; as necessidades de prazo, para a adequação tecnológica de motores e veículos automotores novos às exigências de controle da poluição.
especialmente nos centros urbanos; promover o desenvolvimento tecnológico nacional, tanto na engenharia automobilística, como também em métodos e equipamentos para ensaios e medições da emissão de poluentes; criar programas de inspeção e manutenção para veículos automotores em uso; promover a conscientização da população com relação à questão da poluição do ar por veículos automotores; estabelecer condições de avaliação dos resultados alcançados; promover a melhoria das características técnicas dos combustíveis líquidos, postos à disposição da frota nacional de veículos automotores, visando à redução de emissões poluidoras da atmosfera.
O programa estabeleceu um cronograma de redução da emissão de poluentes para veículos leves (automóveis) e para veículos pesados (ônibus e caminhões). Sendo este cronograma fundamentado na experiência de trabalhos semelhantes que foram desenvolvidos em países que já haviam adotado este tipo de controle. Com o programa, passou-se a exigir a certificação de: protótipos e linhas de produção; autorização especial do órgão ambiental federal para uso de combustíveis alternativos; recolhimento e preparo dos veículos ou motores encontrados em desacordo com o projeto; proibição da comercialização dos modelos de veículos não homologados segundo seus critérios.
2.3.3 - Fases de implantação do PROCONVE
Tabela 2.1. Fases do PROCONVE
Ano de Fabricação do
Veículo Fase equivalente do PROCONVE Limite máximo de CO (g/km) Limite máximo de HC (g/km) Limite máximo de NOx (g/km)
1989 – 1991 I 24 2,1 2
1992 – 1996 II 12 1,2 1,4
1997 – 2004 III 2 0,3 0,6
2005 – 2008 IV 2 0,3 0,25
2009 – 2013 V 2 0,3 0,12
2014 VI 1,3 0,3 0,08
2.4 – Efeitos dos catalisadores sobre as emissões
O catalisador, conhecido também como conversor catalítico (ver Figura 2.5) é um dispositivo que está localizado próximo ao motor, logo após o coletor de gases de exaustão, é composto por um núcleo cerâmico ou metálico que tem a capacidade de processar os gases poluentes, através de reações químicas que são processadas em seu interior, é largamente utilizado para minimizar o teor de gases poluentes presentes nas emissões dos gases de exaustão de um motor de combustão interna. O catalisador é utilizado principalmente devido à presença de três dos vários gases resultantes do processo de combustão interna, são eles: Hidrocarbonetos na forma de combustível não queimado, monóxido de carbono formado pela combustão da gasolina e monóxido de nitrogênio formado quando o calor do motor força a união do nitrogênio presente no ar com o oxigênio.
Atualmente o catalisador tem sido a opção mais empregada no controle das emissões de gases poluentes, devido sua capacidade de alcançar altos níveis de eficiência na redução dos hidrocarbonetos e de monóxido de carbono, ambos presentes nos gases lançados na atmosfera, sua eficiência chegando a superar os 80% e 90% para os hidrocarbonetos e para o monóxido de carbono respectivamente. Consegue reduzir de 10 a 50% a emissão de partículas, devido à eliminação dos componentes orgânicos presentes nas partículas de gasolina e além disto, também convertem grande parte dos NOx em N2.
Em virtude dos catalisadores estarem conectados diretamente a fonte emissora de gases poluentes, este reduz a exposição do usuário à inalação desses gases. O princípio de funcionamento de um catalisador de três vias está em operar em um malha fechada uma catálise redutora, uma catálise oxidante e um sensor de oxigênio (sonda lambda), este último, fornece informações a central eletrônica sobre o teor de oxigênio presente nos gases de exaustão, a central eletrônica do motor irá regular a entrada de ar/combustível afim de ajustar a melhor mistura para o motor.
O catalisador pode ao mesmo tempo realizar a oxidação dos hidrocarbonetos e do monóxido de carbono a dióxido de carbono e água, e reduz os óxidos de nitrogênio a nitrogênio. A malha fechada do catalisador está segmentada em três estágios, o primeiro é a catálise redutora, que é constituída por dois rolimãs, onde é realizada a minimização das emissões de óxido de nitrogênio, podendo ser utilizado a platina e o ródio (reagentes químicos que não são consumidos nas reações), o processo se desenvolve assim que as moléculas de NO ou de NO2 entram em contato com o catalisador, este atua separando as ligações atômicas
nas moléculas de óxidos de nitrogênio (NOx), retendo-as em sua superfície e liberando os
átomos de oxigênio para formarem O2, as equações (7) e (8) mostram as reações que ocorrem
no catalisador de três vias.
2 NO (g) N2 (g) + O2 (g) ou 2 NO2 (g) N2 (g) +2 O2 (g) (7)
2 CO (g) + O2 (g) 2 CO2 (g) (8)
O terceiro estágio é um sistema monitor composto pelo dispositivo sensor inserido diretamente na corrente gasosa, denominado de sonda lambda, este dispositivo sensor detecta o teor de oxigênio presente nos gases de exaustão, e transmite esta informação a central eletrônica do sistema de injeção, que ajusta a entrada de ar e/ou a injeção de combustível no motor, afim de corrigir a razão ar/combustível para próximo da razão estequiométrica.
A sonda lambda (sensor de oxigênio), é um dispositivo que opera comparando o oxigênio residual presente nos gases de exaustão com a razão estequiométrica da mistura ar/combustível, transmitindo constantemente o resultado para a central eletrônica sob a forma de sinais elétricos, sinais esses que são interpretados por esta central que comandará ajustes para otimizar o funcionamento do motor. A sonda possui um comportamento não linear, não refletindo na integra a variação de oxigênio presente nos gases de exaustão, pois funciona de uma forma binária: oscilando entra mistura rica ou mistura pobre.
2.4.1 – Análise de fatores geradores de gases poluentes
Quando o motor e seus componentes não apresentam um funcionamento regular, o catalisador poderá não conseguir processar em sua totalidade os gases do motor, ocorrendo o aumento indesejado das emissões de gases poluentes para atmosfera, estas emissões podem ser diagnosticadas pela análise de vários fatores. A seguir será apresentada uma análise de alguns fatores que podem gerar tal alteração da concentração em diversos gases:
2.4.1.1 – Hidrocarbonetos (HC)
taxa de compressão do cilindro do motor, presença de vazamentos de vácuo, admissão de mistura ar/combustível fora da estequiométrica ou baixa eficiência do catalisador.
2.4.1.2 – Monóxido de carbono (CO)
O monóxido de carbono também é uma indicação da razão ar/combustível. A alta emissão de CO, pode esta associada a vários fatores como: admissão de mistura “rica” no cilindro do motor, a baixa rotação do motor, obstrução do filtro de ar, defeito no funcionamento na válvula de ventilação positiva do cárter, inadequação do sistema de distribuição de combustível ou ainda baixa eficiência do catalisador.
2.4.1.3 – Dióxido de carbono (CO2)
A partir do dióxido de carbono, é possível medir a eficiência da combustão do motor, a alta emissão de CO2 deverá ocorrer quando a combustão da mistura ar/combustível estiver
ocorrendo com alta eficiência.
2.4.1.4 – Oxigênio (O2)
O oxigênio pode ser também um indicativo da razão ar/combustível, pois quando a mistura for “pobre”, será identificada elevação no teor de oxigênio nos gases de exaustão, que pode está ocorrendo devido à presença de vazamentos de vácuo ou falhas de combustão.
2.4.1.5 – Óxidos de nitrogênio (NOx)
2.4.2 – Influência da partida a frio nas emissões veiculares
Um estudo realizado por Kelly e Groblicki (1993) mostrou que em condições de partida a frio, as emissões veiculares são superiores as das condições estabilizadas. Isso ocorre devido à queima incompleta do combustível em virtude do motor operar abaixo da temperatura ideal. Outro fato gerador de aumento dos níveis de emissões, é quando o catalisador também não atinge a temperatura de operação, fazendo com que a sua eficiência em converter os gases de exaustão, seja baixa.
Kelly e Groblicki (1993) realizaram uma pesquisa com medição a bordo de um veículo com injeção eletrônica e catalisador de três vias. A medição foi realizada com registro de dados segundo a segundo. Os primeiros 505 segundos de teste foram reservados para a observação da influência da partida a frio em relação à quantidade de poluentes emitidos. Os 867 segundos seguintes envolveram as medições de poluentes em condições estabilizadas de operação do motor. O teste prosseguiu com 600 segundos de motor desligado e após, com 505 segundos de medição com partida a quente. Os autores observaram que o tempo de partida a frio do motor variou entre 100 e 180 segundos e, o tempo de partida a quente foi 50 segundos. Em relação ao teste com partida a frio, os autores observaram que o período crítico correspondeu aos primeiros 100 segundos de operação do veículo, onde as emissões representaram 60% do total de HC e CO emitidos no período de 505 segundos.
2.4.3 – Estrutura interna dos catalisadores
Estruturalmente, os catalisadores automotivos são constituídos por um bloco em forma de colméia (ver Figura 2.6) contendo canais, com seção de aproximadamente 1 mm2, por onde passam os gases de exaustão do motor do veiculo. Em geral, esse bloco é composto por um material cerâmico, a cordierita (2MgO.2Al2O3.5SiO2), que tem a função primaria de expor o
catalisador ativo aos gases de exaustão. Além disso, ele deve suportar severas condições de funcionamento, como rápidas mudanças de temperatura, pulsações do gás, choques e etc (Augusto, 2010).
ativos, tais como platina, paládio, e ródio, que são os maiores responsáveis pelo efeito catalítico. Além desses, o washcoat contém óxidos mistos de cério e zircônio, que tem a função de fornecer oxigênio (O2) da sua própria rede cristalina para as reações químicas
quando a mistura de gases estiver pobre em oxigênio. Outros elementos também são adicionados ao washcoat, como lantânio e bário, que servem para capturar contaminantes. (Augusto, 2010).
Capítulo 3 – Estado da Arte
3.1 – Principais trabalhos
O trabalho apresentado por Milhor (2002), aborda o sistema de gerenciamento dos motores automotivos, que tem por objetivo fazer com que o nível de emissões de gases poluentes gerados esteja dentro dos padrões exigidos pela legislação de cada país e ao mesmo tempo manter os níveis de desempenho e dirigibilidade. O autor mostra as principais características de um típico sistema de gerenciamento de motores a combustão interna, descreve os modos de controle e aponta tendências futuras. Sendo descrito o sistema de controle que foi desenvolvido e que servirá de ferramenta de pesquisa para trabalhos que envolvam o estudo de técnicas de controle aplicadas neste contexto.
Mendes (2004), relatou em seu trabalho que os veículos leves de passageiros representam uma das principais fontes de poluição atmosférica nos grandes centros urbanos brasileiros. Suas pesquisas mostram de forma condensada as principais políticas públicas implementadas no Brasil para o controle deste problema. Em especial a implantação do PROCONVE, que atua a partir do estabelecimento de limites de emissão máximos para veículos novos vendidos no país. As conseqüências da implantação deste programa e seus efeitos de médio e longo prazo sobre as emissões de poluentes atmosféricos são quantificados e discutidos. Foi realizado um inventário das emissões na Região Metropolitana de São Paulo, que leva em conta novas hipóteses sobre a deterioração das emissões, mostra que os efeitos do PROCONVE podem ser menores do que os publicados em estudos anteriores, o que indica a necessidade de se criar novos instrumentos de política para reduzir as emissões veiculares.
desempenho, emissões e consumo de combustível oferecem alta precisão, dinamismo e economia de energia. Simulam com eficiência vias urbanas de tráfego em dinamômetros de chassi porque podem compensar dinamicamente a inércia dos rolos, obtendo a massa do veículo e as condições do pavimento de rolamento a cada instante durante as acelerações e desacelerações.
Conforme Szwarcfiter (2004), o aumento das emissões dos veículos leves de passageiros, representam uma das principais fontes de poluição atmosférica, tendo sido necessária a adoção de medidas para o seu controle. Neste contexto, pode-se destacar a implantação do PROCONVE, que atua a partir do estabelecimento de limites de emissão máximos para veículos novos comercializados no país. Apesar desta medida ter surtido grande efeito na redução das emissões veiculares, ainda pode ser implantada outras medidas para garantir melhorias adicionais na qualidade do ar. Diante disto a autora propõe a implantação de um programa de inspeção e manutenção veicular e de renovação acelerada da frota e analisa o potencial de redução das emissões de poluentes atmosféricos de origem veicular decorrentes da implantação desses programas. A aplicação dos programas, isoladamente e em conjunto, foi simulada para o período 2003-2010 e os resultados das simulações são favoráveis a implantação desses programas que contribuem de maneira significativa para redução das emissões veiculares.
Pinto (2005) apresentou em seu trabalho a importância das emissões veiculares na poluição atmosférica dos centros urbanos, suas conseqüências para os sistemas climáticos e para a saúde do seres humanos bem como os principais aspectos da legislação brasileira, apresentando os procedimentos de análise das emissões veiculares e sua proposição metodológica para quantificação de poluentes, tendo como ênfase os veículos leves que operam sob o ciclo Otto. O autor constatou a necessidade do aprimoramento da quantificação das emissões veiculares no Brasil. Diante disto ganha relevância os novos combustíveis disponíveis a exemplo do gás natural e das novas formas de propulsão veicular, inclusive a elétrica, seja a bateria ou híbrida , incluindo a utilização de célula a combustível. A evolução na engenharia dos motores flex combinada com a redução das emissões projetam efetivas condições para um sistema de transportes sustentável em benefício da sociedade e da vida no planeta.
Capítulo 4 - Materiais e Métodos
4.1 - Introdução
Neste capítulo são apresentados os materiais e métodos utilizados para realização das análises de caracterização dos combustíveis líquidos no Laboratório de Combustíveis e Lubrificantes (LCL) da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN), da caracterização físico-química do combustível gasoso no Laboratório de Qualidade do Gás (LQG) do Centro de Tecnologia do Gás e Energias Renováveis (CTGÁS – ER), dos ensaios de emissões e de máxima eficiência catalítica, que foram realizados no Laboratório de Mecânica Automotiva (LMA) do CTGÁS – ER com o auxílio do analisador de gases.
Juntamente aos ensaios de emissões foi realizada a coleta de dados para o ensaio de consumo, que será objeto de estudo em outra dissertação de mestrado.
4.2 - Descrição da bancada de ensaios
Para realizar os ensaios que reproduzam os métodos propostos pelas normas NBR 6601 e NBR 7024, foi necessário montar uma bancada de testes com diversos equipamentos, que são listados a seguir: veículo automotivo leve, dinamômetro de chassis, scanner automotivo, analisador de gases, exaustor de gases, dreno adaptado ao catalisador, balança digital, bomba de combustível auxiliar/cilindro para GNV, conexões, regulador de pressão, sistema de ventilação forçada, sistema de ancoragem, bancada de apoio, laptop com software Softgás, câmeras digitais, planilhas de coordenadas de ciclos de condução, cronometro e EPI´s.
Figura 4.1. Bancada de ensaios.
Figura 4.2. Esquema dos equipamentos utilizados para a realização dos ensaios.
Legenda:
1. Veículo automotivo leve; 2. Dinamômetro de chassis; 3. Scanner automotivo; 4. Analisador de gases; 5. Exaustor de gases;
6. Dreno adaptado ao catalisador; 7. Balança digital;
8. Bomba de combustível auxiliar / cilindro para GNV; 9. Conexões;
11. Sistema de ventilação forçada; 12. Sistema de ancoragem; 13. Bancada de apoio;
14. Laptop com software Softgás; 15. Câmera digital;
16. Planilhas de coordenadas de ciclos de condução; 17. Cronometro.
Na Figura 4.3 são apresentados fotos dos materiais e equipamentos utilizados na montagem da bancada para realização dos ensaios:
Figura 4.3. Materiais e equipamentos utilizados na realização dos ensaios (continuação).
4.3-a Veículo automotivo leve; 4.3-b Dinamômetro de chassis; 4.3-c Scanner automotivo; 4.3-d Analisador de gases; 4.3-e Exaustor de gases;
4.3-f Dreno adaptado ao catalisador; 4.3-g Balança digital;
4.3-h Bomba de combustível auxiliar;
4.3-i Cilindro para GNV; 4.3-j Conexões;
4.3-k Regulador de pressão;
4.3-l Sistema de ventilação forçada; 4.3-m Sistema de ancoragem;
Segue um comentário a respeito de cada equipamento/material utilizado na realização dos ensaios de emissões:
• Veículo automotivo leve: No tópico seguinte, será realizada uma descrição detalhada do veículo utilizado nos ensaios;
• Dinamômetros de Chassi: O equipamento utilizado foi o analisador de potência e funcionamento modelo “S” da Bosch, este equipamento realiza a interface com o operador através do software FLA 203;
• Scanner automotivo: Foi utilizado durante os ensaios com fins de monitoramento das alterações comandadas pela central eletrônica do veículo;
• Analisador de gases: Nos próximos tópicos será realizada uma descrição detalhada do analisador de gases utilizado nos ensaios;
• Exaustor de gases: Em virtude de ser um ambiente fechado, foi utilizado um exaustor para evitar que os gases emitidos ficassem concentrados no local dos ensaios, gerando risco à saúde dos operadores durante a realização dos ensaios;
• Dreno adaptado ao catalisador: Foi adaptado para realizar a coleta dos gases de emissões antes que os mesmos sofressem interação com o catalisador, sendo instalado entre o coletor de gases de emissão e o catalisador, com a finalidade de realizar uma análise comparativa da máxima eficiência catalítica do catalisador do veículo medindo sua influência sobre gases de emissões;
• Balança digital: Foi utilizada para quantificar a massa de combustível utilizado em cada fase dos ciclos de condução;
• Cilindro para GNV: Foi utilizado para possibilitar a mensuração da massa de combustível gasoso que foi consumido em cada fase dos ciclos de condução, o cilindro utilizado é de alumínio e fibra de carbono, e antes de ser utilizado, passou por um teste hidrostático;
• Conexões: Foi necessário utilizar diversas conexões auxiliares para viabilizar a realização dos ensaios com os diversos combustíveis;
• Regulador de pressão: Foi utilizado um regulador de pressão para ajustar a pressão fornecida à flauta de combustíveis líquidos ao motor, com a finalidade de reproduzir as condições originais do veículo;
• Sistema de ventilação forçada: Foi utilizado um sistema de ventilação forçada auxiliar no resfriamento do motor durante a operação do dinamômetro;
• Sistema de ancoragem: Foram utilizados correntes e calços para ancoragem do veículo durante a realização dos ensaios para prover segurança de todos os envolvidos;
• Bancada de apoio: Foi utilizada uma bancada de apoio, para melhor disposição dos materiais e equipamentos;
• Laptop com software Softgás: Foi utilizado um laptop para conexão ao analisador de gases através do software Softgás, por possuir uma interface mais amigável e também por fornecer uma maior qualidade na visualização das variáveis;
• Planilhas de coordenadas de ciclos de condução: Foram utilizadas planilhas com as coordenadas do ciclo de condução urbano e outra com o ciclo de condução estrada, que serviram como base para realização dos ensaios;
• Cronômetro: Foi utilizado para que o auxiliar do condutor pudesse se guiar nas planilhas de coordenadas de condução, quando este passava as instruções de marcha e velocidade ao condutor.
4.3 - Descrição do veículo utilizado nos ensaios
O veículo (ver Figura 4.3-a) utilizado para realização do percurso dos ciclos de condução em trânsito urbano e trânsito estrada, é um veículo modelo Flex, segue algumas características como: identificação, motorização, sistema de alimentação, transmissão e embreagem, rodas e peso:
4.3.1 - Identificação
• Tipo/modelo: Fiat Siena 1.4 Tetrafuel
• Ano de Fabricação: 2009
• Placa: NNM 3745;
• Chassi: 9BD17201XA3515742;
• Espécie: veículo rodoviários automotor leve;
• Cor: verde.
4.3.2 - Motorização
• Quatro cilindros em linha;
• Duas válvulas por cilindro;
• Total de 1.396 cilindradas (cc).
Tabela 4.1. Outras informações do motor do veículo utilizado durante os ensaios. Veículo quatro
combustíveis
Gasolina com
adição de álcool Álcool GNV
Gasolina sem adição de Álcool
Taxa de compressão 10,35 + 0,15 10,35 + 0,15 10,35 + 0,15 10,35 + 0,15
Potência máxima
(cv/kW/rpm) 80 / 58,9 / 5500 81 / 59,6 / 5500 68 / 50,1 / 5500 80 / 58,9 / 5500
Torque máximo (kgfm/Nm/rpm)
12,2 / 119,7 / 2250
12,4 / 121,6 / 2250
10,4 / 102,2 / 2250
12,2 / 119,6 / 2250
Regime de marcha
lenta (rpm) 850 + 50 850 + 50 850 + 50 850 + 50
4.3.3 - Sistema de alimentação
O veículo utilizado nos ensaios foi um veículo modelo Flex, que pode ser alimentado por até quatro tipos diferentes de combustíveis: Gasolina sem adição de álcool anidro (Nafta), Gasolina com adição de álcool anidro (Gasolina brasileira), Álcool Etílico Hidratado Combustível (AEHC) e Gás Natural Veicular (GNV). Ao utilizar qualquer um dos combustíveis mencionados, o sistema eletrônico que gerencia a alimentação do motor, realiza automaticamente os ajustes necessários para que o motor se adapte ao combustível em uso.
• Capacidade de 48 litros do tanque de combustível;
• Capacidade de 13 m3 dos cilindros, nas CNTP a pressão de 200 bar.
4.3.4 - Transmissão e embreagem
• Diferencial incorporada à caixa de câmbio;
• Tração dianteira com juntas homocinéticas;
