Propulsão de Aeronaves I 10363

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Francisco Brójo

2012-2013

Propulsão de Aeronaves I

10363

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Propulsão de Aeronaves I

5 – Impacto ambiental

5.3 – Controlo de emissões

5.3.1 Motores de ignição por faísca Acções na fase de projecto

Sistema de dosagem de combustível

O valor de ߣ tem um efeito dominante na composição dos gases de escape, tal como mostrado na figura abaixo.

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Sistema de dosagem de combustível

O binário máximo ocorre para ߣ ≈0,9 e o consumo mínimo para λ ≈1,1.

O valor mínimo de CO e HC coincide praticamente com o de consumo mínimo, enquanto que para esse caso, o valor de NO_x atinge o seu máximo.

Em funcionamento em vazio utiliza-se valores de ߣ entre 0,9 e 1,05. O empobrecimento da mistura aumenta as emissões de HC devido a falhas de ignição.

Preparação da mistura

Para além da dosagem correcta, o controlo de combustível inclui a qualidade da mistura que chega à câmara de combustão. A flamabilidade, a combustão e a composição dos gases de escape são afectadas pela homogeneidade e estratificação do combustível no momento da ignição, bem como pela temperatura da mistura.

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Preparação da mistura

Pretende-se no futuro a obtenção de misturas homogéneas ou com estratificação controlada (misturas ricas próximo da vela e pobres próximo das paredes).

Para o caso de motores a carburador, a minimização do filme de combustível pode ser obtida com pré-aquecimento do ar e da conduta de admissão.

Distribuição uniforme

A optimização do funcionamento do motor requer que em cada cilindro exista uma mistura uniforme com o mesmo ߣ.

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EGR

A reciclagem de gases de escape permite diminuir a temperatura máxima da combustão. Como a formação de NO cresce proporcionalmente com a temperatura de combustão, o EGR é um método muito eficaz para redução do NO_x. A reciclagem dos gases de escape pode ser efectuada por recirculação interna, aumentando o cruzamento das válvulas, ou por recirculação externa, com válvulas controladas.

Tempos de abertura das válvulas

Cruzamentos elevados para as válvulas permitem a recirculação interna dos gases de escape, mas para funcionamento ao ralenti, as emissões de HC aumentam e o desempenho é afectado.

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Razão de compressão

O aumento da razão de compressão é uma forma de obter uma redução do consumo devido ao aumento do rendimento térmico. No entanto, a consequência é também o aumento da temperatura máxima de combustão e com ela as emissões de NO_x.

Geometria da câmara de combustão

Câmaras de combustão compactas, com uma área pequena e sem interstícios proporcionam uma redução de HC.

A colocação da vela em posição central diminui o comprimento que a chama tem que percorrer, pelo que a combustão é mais rápida e completa e, por isso, as emissões de HC e o consumo reduzem-se.

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Geometria da câmara de combustão

O aumento da turbulência também aumenta a velocidade de combustão e possibilita o uso de misturas mais pobres.

A optimização da câmara de combustão com a utilização de medidas externas (e.g., rotação) poderá permitir a utilização de valores de ߣ elevados (≈1,4). As características mais importantes neste tipo de motores (“lean engine”) são o seu baixo consumo e emissões de NO_x. No entanto, as emissões de HC são mais elevadas exigindo o tratamento no escape por oxidação.

Sistema de ignição

As emissões são afectadas pelo processo de combustão que, por sua vez é condicionado pelas velas, energia da faísca e duração da mesma.

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Sistema de ignição

Quanto maior for o valor de ߣ (para ߣ>1), mais importantes são estes factores. O avanço da ignição também tem um efeito decisivo nas emissões e consumo:

- Ignição atrasada em relação ao ponto de consumo mínimo – a combustão é mais lenta e poderá ainda

estar a desenrolar-se quando a válvula de escape abre. Isto faz com que se dêem reacções térmicas no escape, que diminuem o nível de NO_xe HC, mas com um aumento de consumo.

- Ignição adiantada em relação ao ponto de consumo mínimo – aumenta o NO_x, HC e consumo simultaneamente.

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Ventilação do cárter

A concentração de HC no cárter é muito elevada e pode ser várias vezes superior à verificada nos gases de escape. Sistemas de controlo permitem a introdução destes gases na admissão, num ponto conveniente.

Controlo da evaporação de combustível

As emissões por evaporação são causadas pelos carburadores e depósitos de combustível. O controlo destas emissões é feito com canastréis de carvão activado, que estão ligados de tal forma que com o motor parado, os vapores de combustível do carburador e depósito se escoam para o canastrel e são aí armazenadas. Quando o motor arranca, o canastrel é ligado à admissão e o carvão é regenerado.

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5.3.1 Motores de ignição por faísca Tratamento dos gases de escape

Tratamento térmico

Pela utilização de reactores térmicos (atraso na passagem dos gases de escape e manutenção de temperatruas elevadas) pode possibilitar-se o prolongamento de reacções. Os reactores podem ser:

- Ricos – funcionam com injecção de ar nos gases de escape, correspondentes a uma mistura rica

(ߣ=0,8... 0,9), para se atingirem temperaturas elevadas, com a consequente oxidação do CO e HC. Têm a desvantagem de necessitarem de misturas ricas, levando a um consumo específico superior.

- Pobres – funcionam com ߣ=1,1 a 1,2, utilizando oxigénio ainda contido nos gases de escape. Como

as temperaturas são baixas, chamam-se também reactores de oxidação lenta. Estes reactores têm de ter um grande volume para reterem os gases durante um período de tempo suficiente.

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Tratamento catalítico

Os conversores catalíticos usam um substrato revestido com uma substância activa. O substrato geralmente é um composto de Al₂O₃ e os revestimentos são compostos por metais nobres (Pt, Rh, Pd) e são sensíveis ao chumbo.

Os catalizadores podem ser oxidantes, redutores e de duplo leito:

- Oxidantes – mistura pobre e adição de ar para oxidação do CO e HC. - Redutores – sem adição de ar com ߣ<1 para redução do NO_x.

- De duplo leito - ߣ ≈0,9 e NO é reduzido no primeiro leito originando NH₃, segue-se a adição de ar

para oxidação do CO e HC; o NH₃ é queimado novamente e dá NO, pelo que a sua redução está limitada a 70-80%.

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Os catalizadores de 3 vias têm um sistema electrónico de “feedback” usando uma sonda lambda e permitem o melhor meio de reduzir os três poluentes simultaneamente, exigindo no entanto o funcionamento com λ ≈ 1, que é processado para corrigir o doseamento de combustível.

É constituido por um corpo cerâmico, metade em contacto com os gases e outra metade com o ar ambiente. A superfície do corpo (dióxido de zircónio) contém eléctrodos de platina sensíveis aos gases. O material cerâmico omeça a conduzir os iões de oxigénio a uma temperatura de 300ºC. Se a proporção de oxigénio é diferente nas

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Na figura é mostrado o controlo de emissões com catalizador de 3 vias e sonda lambda.

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5.3.1 Motores de ignição por faísca Tipos de ensaios e normas

O veículo tem de efectuar um ciclo normalizado num banco de rolos. Os gases são diluídos numa atmosfera putificada e armazenados em saco (método de volume constante) para análise posterior. Os analizadores utilizados são:

- NDIR (infra-vermelhos) para CO e CO₂; - Chama de ionização para HC;

- Químico-iluminescência para o NO_x.

Os HC devido às evaporações são medidos pelo método SHED: o veículo é guardado num recinto completamente fechado e depois da execução de um ciclo mede-se a variação da concentração de HC na

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5.3.1 Motores de ignição por compressão Acções na fase de projecto

Câmara de combustão

Os motores de injecção indirecta têm emissões de NO_x menores, mas maior consumo específico. Todas as medidas que aumentam a mistura do ar e combustível permitem uma combustão mais completa.

Injecção de combustível

As emissões tóxicas são influenciadas pelo início da injecção, modo de injecção e atomização do combustível. A injecção atrasada diminui as emissões de NO_x, mas se for atrasada excessivamente aumenta o nível de HC. Uma variação de um grau pode provocar um aumento de 15% no NO_x ou HC. Esta sensibilidade das emissões ao ponto de injecção tornam muito importantes os sistemas de controlo electrónico.

Os injectores devem ser concebidos para que o volume residual seja mínimo evitanto o aumento de HC. A quantidade máxima de combustível deve estar limitada de tal forma que o motor não produza fuligem (ߣ> 1,1 a 1,2).

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5.3.1 Motores de ignição por compressão Acções na fase de projecto

Temperatura de admissão

Quando aumenta a temperatura de admissão há um aumento da temperatura de combustão, pelo que as emissões de NO_x são mais elevadas. Em motores sobrealimentados há necessidade da utilização de intercoolers.

EGR

O EGR reduz a concentração de oxigénio da carga fresca, aumentando o seu calor espeífico. Estes dois factores diminuem a temperatura de combustão e consequentemente a formação de NO_x. Além disto, a quantidade de gases de escape diminui. Se a reciclagem de gases de escape for exagerada, ocorre emissão de fulígem, CO e HC devido à falta de ar.

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5.3.1 Motores de ignição por compressão Tratamento dos gases de escape

Os catalizadores de metais nobres permitem a redução do HC. Os catalizadores utilizados nos motores de ignição por faísca não podem ser utilizados nos motores de ignição por compressão porque só funcionam para ߣ ≤1 (ao contrário do que acontece nos motores de ignição por compressão). Estão em desenvolvimento filtros para redução da emissão de partículas.

Tipos de ensaios e normas

Os testes nestes motores também são efectuados pelo método de volume constante (CVS).

Os ciclos de testes normalizados são compostos por um conjunto de acelerações, desacelerações e paragens, pretendendo simular a utilização mais frequente do veículo.

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5.3 – Controlo de emissões 5.3.1 Motores de ignição por compressão

Tratamento dos gases de escape

Na figura ao lado é mostrado o sistema de teste de emissão de poluentes nos EUA. O ciclo tem uma duração de 2400 s e 11115 milhas de extensão com um grande número de paragens e arranques.

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5.3 – Controlo de emissões 5.3.1 Motores de ignição por compressão

Tratamento dos gases de escape

Na figura ao lado é mostrado o sistema de teste de emissão de poluentes europeu, que tem três grandes grupos de aceleração e desaceleração, sendo bastante mais curto do que o ciclo americano e com uma velocidade média também inferior.

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