Utilização de gás natural comprimido em veículos pesados de passageiros

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Guimarães Outubro 2015

Universidade do Minho

Escola de Engenharia

Eduardo Nuno Lourenço Ribeiro

Utilização de Gás Natural Comprimido

em Veículos Pesados de Passageiros

Dissertação de Mestrado

Ciclo de Estudos Conducente ao Grau de Mestre em

Engenharia Mecânica

Trabalho realizado sob a orientação de:

Professor Doutor Luís Barreiros Martins

Professor Doutor Francisco Pimenta de Brito

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Utilização de Gás Natural Comprimido em Veículos Pesados de Passageiros

Dissertação | Eduardo Nuno Ribeiro | 2015 iii

DECLARAÇÃO

Nome: Eduardo Nuno Lourenço Ribeiro Endereço eletrónico: eduardonuno@gmail.com Telefone: 966 627 736

Número do Bilhete de Identidade: 10350220

Título dissertação: Utilização de gás natural comprimido em veículos pesados de passageiros

Orientadores: Professor Doutor Luís Barreiros Martins; Professor Doutor Francisco Pimenta de Brito

Ano de conclusão: 2015

Designação do Mestrado:

Ciclo de Estudos Conducente ao Grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Declaro que concedo à Universidade do Minho e aos seus agentes uma licença não-exclusiva para arquivar e tornar acessível, nomeadamente através do seu repositório institucional, nas condições abaixo indicadas, a minha dissertação, no todo ou em parte, em suporte digital. Declaro que autorizo a Universidade do Minho a arquivar mais de uma cópia da dissertação e a, sem alterar o seu conteúdo, converter a dissertação entregue, para qualquer formato de ficheiro, meio ou suporte, para efeitos de preservação e acesso.

Retenho todos os direitos de autor relativos à dissertação, e o direito de a usar em trabalhos futuros (como artigos ou livros).

Concordo que a minha tese ou dissertação seja colocada no repositório da Universidade do Minho com o seguinte estatuto:

Disponibilização do conjunto do trabalho para acesso exclusivo na Universidade do Minho durante o período de 3 anos, sendo que após o tempo assinalado autorizo o acesso mundial.

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Dissertação | Eduardo Nuno Ribeiro | 2015 v

Resumo

As preocupações ambientais nunca estiveram tão presentes como nos dias de hoje. As alterações climáticas e a crescente degradação ambiental são temas do quotidiano em todo o Mundo. Atualmente a Humanidade encontra-se perante decisões que poderão evitar, ou não, grandes catástrofes ambientais e humanitárias ou até mesmo a sua extinção a longo prazo. Neste contexto, perante a dupla necessidade de crescimento económico e compatibilização ambiental, surge a necessidade de novas soluções combustíveis com vista à locomoção e mobilidade. O incentivo aos transportes públicos, complementado com formas de combustíveis mais limpas é claramente um dos principais vetores das cidades de hoje. No entanto, tendo em conta as contingências económicas atuais, a evolução de sistemas existentes será uma das soluções a ter em conta. Os sistemas

dual-fuel são disso exemplo: permitem conjugar a tecnologia Diesel existente e a utilização de

gás natural. Disto estão cientes as instituições europeias assim como as agências norte americanas do ambiente. Recentemente, relatórios de diferentes proveniências dão nota de elevadíssimos níveis de poluentes nas cidades, nomeadamente nos valores de óxidos de azoto (NOx) e de partículas inaláveis PM10 e PM2,5. Estas partículas são constituídas

por poeiras, sujidade, fuligem, fumos ou gotículas de líquido, inferiores a 10 micrómetros de diâmetro, que uma vez inaladas se acumulam no sistema respiratório. As partículas com menos de 2,5 micrómetros de diâmetro (PM2,5) são referidas como partículas "finas"

e acredita-se que representam riscos elevados para a saúde. O seu pequeno tamanho (aproximadamente 1/30 da largura média de um fio de cabelo humano), origina o alojamento profundo no pulmão humano. A isto não é estranha a “dieselização” da Europa. Durante várias décadas este tipo de combustível foi incentivado através de políticas fiscais implementadas pelos estados membro.

Desta forma o trabalho que se segue parte de uma abordagem a casos concretos ambientais para de seguida fazer a análise das normativas europeias de controlo ambiental de motores de combustão interna, sua evolução, com principal incidência na norma EURO 6 para veículos pesados. Prossegue para uma análise comparativa do que se passa dos dois lados do oceano demonstrando que, mesmo economicamente, a utilização de gás natural comprimido (GNC) e gás natural liquefeito (LNG) é uma mais-valia.

Por fim, na perspetiva técnica do abastecimento, é analisado o sistema de compressão da estação situada em Braga e utilizada pelos Transportes Urbanos de Braga. Os resultados mostram que uma bomba GNC representa um investimento significativo, com custos de manutenção elevados e um custo energético no abastecimento superior a 10% do custo final do combustível e equivalente a 2,3% da sua energia.

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Dissertação | Eduardo Nuno Ribeiro | 2015 vii

Abstract

Environmental concerns have never been as present as today. Climate change and increasing environmental degradation are everyday issues throughout the world. Mankind is facing decisions that may avoid, or not, major environmental and humanitarian disasters, even its long-term extinction.

New fuel solutions are needed for the transport sector to ensure both economic growth and environmental sustainability. The improvement of public transportation, complemented with new forms of cleaner fuels is one of the main pathways for the quality of life in our cities. However, due to ongoing economic issues, the upgrading of existing systems is one of the solutions available. Using dual-fuel systems is one of the good ways to do that, combining existing diesel technology with the use of natural gas. The European institutions, as well as the North American environmental agencies, are aware of that. Recent reports from different sources are giving notice of very high levels of pollutants in the cities, particularly in the amounts of nitrogen oxides (NOx) and particulate matter PM10 and PM2.5. These particles are made of dust, dirt, soot, smoke or liquid droplets with less than 10 microns in diameter. Particles with less than 2.5 micrometres (PM2.5) are believed to pose the greatest health risks. Because of their small size (approximately 1/30th of a human hair), they can lodge deeply into the lungs. To all of this has contributed, for several decades, the encouragement of the European Union to the use of Diesel cars, through tax policies and incentives.

This work begins with an approach to some environmental real case-studies followed by an analysis to the European Standards for the environmental control of internal combustion engines, its evolution, with the main focus on the EURO 6 Standard for heavy vehicles. Then, a comparative analysis is made of what is happening on both sides of the Atlantic, showing that there are both economic and ecological advantages in the use of compressed natural gas (CNG) and liquefied natural gas (LNG) vehicles.

Finally, the technical perspective in the use and supply of CNG is examined. In particular, the compression system of a CNG pump station located in Braga and used by local transport services is analysed. The results indicate that a CNG pump represents a significant investment, with high maintenance costs and an energy compression cost of 10% of the final fuel cost and equivalent to 2.3% of its energy.

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Ao meu filho, por quem tudo não é muito e tudo vale a pena.

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Agradecimentos

Só depois de terminada, a tarefa fica concluída. Para a concluir um não basta. Por isso são várias as pessoas que direta e indiretamente contribuíram para este trabalho final Antes de mais à minha família que nunca deixou de acreditar. Do meu avô, a quem o prometi, ao meu filho que recentrou todos os objetivos, pela inspiração e força.

Agradecimento especial ao Professor Doutor Luís Barreiros Martins pela dedicação, paciência e orientação durante todo o desenvolvimento da dissertação.

Ao Professor Doutor Francisco Pimenta de Brito e Eng.º Sérgio Marques pelo apoio e incentivos prestados.

À D. Sandra Lopes e D. Maria Luísa Oliveira pela disponibilidade e empenho que sempre demonstraram na Secretaria do Departamento de Mecânica da Universidade do Minho. Aos Transportes Urbanos de Braga pela disponibilização de dados e tempo concedido durante este trabalho.

Por fim a todos os Amigos que não me deixaram desistir. Pela sua persistência, sem os enumerar por correr riscos de falhar algum, todos sabem bem o importante que foram as suas palavras certas na hora certa.

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Índice Geral

Resumo ... v

Abstract ... vii

Agradecimentos ... xi

Índice Geral ... xiii

Índice de Figuras ... xvii

Lista de Símbolos ... xix

Lista de Abreviaturas ... xxi

Capítulo 1 ... 1 1. Introdução ... 3 1.1. Enquadramento ... 3 1.2. Motivação ... 4 1.3. Objetivos ... 4 1.4. Estrutura do trabalho ... 5 Capítulo 2 ... 7 2. Revisão bibliográfica ... 9 2.1. Ciclo Otto ... 12 2.2. Ciclo Diesel ... 13 2.3. Sistema Dual-Fuel ... 14 Capítulo 3 ... 17 3. A Questão Ambiental ... 19 3.1. Paris, 18 de Março de 2015 ... 19 3.2. Lisboa, 15 de Janeiro de 2015 ... 20

3.3. Diário de Notícias, 30 de Novembro de 2015 ... 22

3.4. Um problema de saúde pública mundial ... 24

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4. A Legislação e Programas Europeus ... 27

4.1. Cronologia da legislação europeia (Euro I… VI) ... 27

4.2. O “Programa Ar Limpo para a Europa” ... 28

4.3. Plano de Ação para uma Indústria Automóvel Competitiva e Sustentável na Europa (CARS 2020) ... 29

Capítulo 5 ... 31

5. As normas EURO ... 33

5.1. A evolução ... 33

5.2. Os diferentes testes dos motores ... 34

5.3. O primeiro ensaio (ECE R49) ... 34

5.4. Ciclos de ensaio ESC, ETC e ELR ... 35

5.5. O WHDC (World Wide Heavy Duty Cycle) ... 39

5.5.1. O WHSC (World Harmonized Steady Cycle) ... 39

5.5.2. O WHTC (World Harmonized Transient Cycle) ... 40

Capítulo 6 ... 41

6. A Norma Euro 6 ... 43

6.1. Os tipos de veículos segundo a Comissão Europeia ... 43

6.2. O Regulamento (CE) n.º 595/2009 ... 44

6.3. Formas encontradas para redução de emissões poluentes ... 47

Capítulo 7 ... 49

7. Iniciativas Nacionais e Internacionais ... 51

7.1. Europa e o Corredor Azul ... 51

7.2. Estados Unidos ... 53

7.3. Portugal ... 57

7.4. Legislação para veículos “dual-fuel” ... 57

Capítulo 8 ... 59

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Dissertação | Eduardo Nuno Ribeiro | 2015 xv

8.1. Introdução ... 61

8.2. Consumo de Combustível e análise energética ... 62

Capítulo 9 ... 65

9. O Posto de Abastecimento GNC ... 67

9.1. Introdução ... 67

9.2. O cubogás ... 69

9.3. O compressor ... 70

9.4. Diagrama de funcionamento dos compressores ... 72

9.5. O motor elétrico ... 73

9.6. Armazenamento ... 74

9.7. Consumo energético ... 75

Capítulo 10 ... 77

10. A Compressão de Gás Natural ... 79

10.1. A abordagem ao processo de compressão ... 79

10.2. Compressão isotérmica de gás perfeito ... 79

10.3. Compressão adiabática ... 80

10.4. Compressão adiabática por estágios ... 82

10.5. A equação de Peng – Robinson ... 85

10.6. Equação de estado de Dranchuk and Abou-Kassem ... 86

Capítulo 11 ... 87

11. Conclusões e Trabalhos Futuros ... 89

11.1. Conclusão ... 89

11.2. Trabalhos futuros ... 90

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Dissertação | Eduardo Nuno Ribeiro | 2015 xvii

Índice de Figuras

Figura 2-1 - Características Motor Wartsila 50DF (Fonte: Wartsila Engines)... 10

Figura 2-2 - Motor Watsila 50DF (Fonte: Wartsila Engines) ... 10

Figura 2-3 - Pontos mortos do motor (Martins, J.J.G. 2006) ... 11

Figura 2-4 - Sistema biela-manivela (Martins, J.J.G. 2006)... 11

Figura 2-5 - Quatro tempos do motor de ignição comandada (Otto) (Martins, J.J.G. 2006) ... 12

Figura 2-6 - Ciclo Otto (teórico)... 12

Figura 2-7 - Quatro tempos do motor de ignição por compressão (Diesel) (Martins, J.J.G. 2006) ... 13

Figura 2-8 - Ciclo Diesel (teórico) ... 13

Figura 2-9 – Representação esquemática do sistema dual-fuel (Fonte: Cummins Engines) ... 14

Figura 2-10 - Sistema dual-fuel (Fonte: Bosch) ... 15

Figura 3-1 - Paris sob efeitos da poluição ... 19

Figura 3-2 - Sinalização de Restrições à Circulação em Lisboa ... 20

Figura 3-3 - Transito em Lisboa ... 22

Figura 5-1 - Normas Europeias para motores Diesel de veículos pesados (ensaio em regime estacionário) ... 33

Figura 5-2 - Normas Europeias para todos motores de veículos pesados (ensaio em regime transitório) ... 33

Figura 5-3 - Método de Ensaio ECE R49 ... 34

Figura 5-4 - Valores limite de poluentes para ECE R49 ... 35

Figura 5-5 - Patamares de ensaio (ESC) ... 36

Figura 5-6 - Sequência de ensaio ELR4_{... 36}

Figura 5-7 - Programa de ensaio do dinamómetro ETC ... 37

Figura 5-8 - Representação gráfica da programação do dinamómetro para teste ETC .. 37

Figura 5-9 - Valores limite para ensaio ETC ... 38

Figura 5-10 - Valores limite para os ensaios ESC e ELR ... 38

Figura 5-11 - Estagio do ensaio WHSC ... 39

Figura 5-12 - Estágios de ensaio (WHTC) ... 40

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Figura 6-1 - Categorias de veículos ... 44

Figura 6-2 - Categoria M (subdivisão) ... 44

Figura 6-3 - Limites de emissões para Euro VI (HD) ... 45

Figura 6-4 - Evolução de sistemas de controlo ambiental em veículos pesados de passageiros (Fonte: ICCT - CNG Bus Emissions Roadmap from Euro III to Euro VI) 47 Figura 7-1 - LNG Blue Corridors ... 51

Figura 7-2 -Nível de emissões com base na energia produzida ... 52

Figura 9-1- Estação de Abastecimento de Gás Natural ... 67

Figura 9-2 - Abastecimento Gás Natural a Ligeiros ... 68

Figura 9-3 - Adaptador WEH NGV1/NGV2 ... 68

Figura 9-4 - Adaptadores WEH ... 69

Figura 9-5 - Compressor “Nuovo Pignone” ... 71

Figura 9-6 - Motor ABB M2JA 315SMB 4EExd 11B T4B ... 73

Figura 9-7 - Unidade de Armazenamento ... 74

Figura 10-1 - Cálculo do Trabalho do Compressor (compressão adiabática por estágios) ... 83

Figura 10-2 – Equação de Peng Robinson aplicada ao metano ... 85

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Dissertação | Eduardo Nuno Ribeiro | 2015 xix

Lista de Símbolos

Cp Calor específico a pressão constante kJ/(kg.K)

Cv Calor específico a volume constante kJ/(kg.K)

E Consumo elétrico kWh

M Massa molar g/mol

m Massa Kg

Pot Potencia kW

P Pressão Pa/bar

Pc Pressão crítica Pa

PCI Poder calorífico inferior kJ/kg

PCS Poder calorífico superior kJ/kg

PM10 Partículas inaláveis (diâmetro inferior a 10 µm) -

PM2,5 Partículas inaláveis (diâmetro inferior a 2,5 µm) -

p.p.m. Partículas por milhão -

Q Caudal m3_/min R Constante de Boltzmann J/(kg.K) Tc Temperatura crítica °K Tc Temperatura °K/°C V Volume m3 W Trabalho J

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Dissertação | Eduardo Nuno Ribeiro | 2015 xxi

Lista de Abreviaturas

ALR European Load Response

CAFE Clean Air for Europe

CNG Compressed Natural Gas

CO Monóxido de carbono

EEA European Enviorement Agency

EEV Enhanced environmentally friendly vehicle

EGR Exhaust gas recirculation

EPA US Environmental Protection Agency

ESC European Steady State Cycle

ETC European Transient Cycle

EU União Europeia

GGE Gasoline gallon equivalent

GHG Greenhouse gas GNC Gás natural comprimido GNL Gás natural liquefeito GPL Gás petróleo liquefeito HC Hidrocarbonetos HD Heavy duty

HDV Heavy duty vehicles

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NGV Natural gas vehicle

NGVA Natural Gas Vehicle Association NMHC Hidrocarbonetos não metano NOx Óxidos de azoto

NTE Not to exceed

OBD On board diagnostic

OCDE Organização para Cooperação e Desenvolvimento da Europa OMS Organização Mundial de Saúde

ONU Organização das Nações Unidas PCI Poder calorífico inferior

PCS Poder calorífico superior PM Partículas inaláveis PMI Ponto morto inferior PMS Ponto morto superior PN Particle number

RDE Real driving emissions

SCR Selective catalytic reduction

TUB Transportes Urbanos de Braga

UITP União Internacional de Transportes Públicos VEA Veículos Ecologicamente Avançados

WHDC World Heavy Duty Cycle

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Dissertação | Eduardo Nuno Ribeiro | 2015 xxiii

WHSC World Harmonized Steady Cycle WHTC World Harmonized Transient Cycle WHTC World Harmonized Transient Cycle ZER Zona de Emissões Reduzidas

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Capítulo 1

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Capítulo 1 – Introdução

Dissertação | Eduardo Nuno Ribeiro | 2015 3

1. Introdução

1.1. Enquadramento

A mobilidade de pessoas e bens é cada vez mais um assunto do dia. O recurso à utilização de meios de transporte coletivos e individuais é cada vez mais um problema da sociedade em que vivemos. O direito à mobilidade é já um conceito enraizado nos dias de hoje. Consequentemente, os meios de obtenção de energia para essa locomoção são cada vez mais diversificados, com o surgimento de novos conceitos e a reinvenção dos atuais, por forma a rentabilizar ao máximo os recursos existentes e a minimizar os impactos ambientais.

A decisão entre enveredar por caminhos novos ou evoluir a tecnologia existente pode significar o sucesso económico. Nesse sentido a melhoria energética e ambiental dos tradicionais motores Diesel, tradicionalmente usados para transporte coletivo de passageiros e pesados de mercadorias, apresenta-se com grande potencial.

A tecnologia “dual-fuel”, combinando as virtudes ambientais do gás natural com a tecnologia Diesel, surge como um caminho a explorar quer pelas suas virtudes económicas, quer ambientais. A existência de um vastíssimo parque de viaturas pesadas a gasóleo com idades avançadas tornam ainda mais atrativo este tipo de solução. Por outro lado, as normas cada vez mais restritivas no aspeto ambiental, os alertas da Organização Mundial de Saúde, assim como a possível transação de créditos de carbono ao abrigo do Protocolo de Quioto, surgem como mais-valias neste tipo de tecnologia.

A última polémica sobre as emissões Diesel na Europa e Estados Unidos (associada ao Grupo Volkswagen) lançam um novo olhar sobre as políticas seguidas no incentivo à melhoria da otimização do consumo de combustíveis, nomeadamente gasóleo, sem atender à deterioração da qualidade do ar e seus impactos na saúde humana. Isto abre espaço às dúvidas há muito denunciadas por várias instituições e estudos, sobre a “limpeza” dos motores Diesel.

Tecnologicamente a conversão de um motor de combustão interna de ciclo Diesel para uma solução capaz de usar GNC como alternativa surge como um a solução aparentemente complicada. No entanto, a simplicidade parece ser a chave da solução baseada na utilização de tecnologia já existente e apurada para o efeito.

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1.2. Motivação

A experiência de mais de 10 anos ao serviço dos TUB (Transportes Urbanos de Braga), assim como a troca de experiências com outras empresas do mesmo ramo ao longo desse tempo, possibilitou um conhecimento da realidade tecnológica, económica e organizativa de uma empresa pública de transportes, assim como dos desafios que lhe são colocados. Tendo em conta que os Transportes Urbanos de Braga têm disponíveis os dois tipos de combustível (operam com veículos movidos a GNC desde 2000), associado ao facto da Universidade do Minho, através do seu Departamento de Engenharia Mecânica, ter vindo a abordar o tema do “dual-fuel”, tornam o cenário ideal para levar à prática este tipo de conceito.

Todo este trabalho surge num contexto das últimas discussões e polémicas sobre as emissões poluentes e de como os construtores têm vindo a contornar a situação muitas vezes da forma menos correta. Isto faz o tema ainda mais interessante, uma vez que o sistema “dual-fuel” poderá ser um caminho para a redução efetiva das emissões poluentes de motores já existentes no mercado, assim como da dependência energética dos derivados do petróleo.

1.3. Objetivos

O estudo aqui apresentado tem por objetivo antes de mais o estudo das recentes normas Euro 6, na ótica dos veículos pesados, relacionando-as com a viabilidade do uso de gás natural como combustível complementar, e não alternativo, nos motores Diesel existentes.

A possibilidade de análise, junto de uma empresa de transporte coletivos de passageiros, aparece como uma fonte de dados reais, nomeadamente no capítulo dos consumos, podendo assim avaliar dos possíveis ganhos económicos. A componente ambiental surge associada essa questão por forma de viabilização da solução.

Por outro lado os custos da utilização de GNC têm de ser contabilizados não só pelo custo de compra, mas também pela parte técnica associada nomeadamente aos custos de compressão. Qualquer melhoria neste processo terá grande influência nos custos finais de utilização, pelo que a análise dos custos de compressão surge como mais um dos objetivos do trabalho. A pressão necessária ao abastecimento é obtida pelo trabalho de um compressor de pistões de dupla ação, o que acarreta um dispêndio energético elevado. No

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Capítulo 1 – Introdução

entanto, tendo em conta o mínimo de 200 bar necessários e o caudal envolvido é ainda a solução mais utilizada.

1.4. Estrutura do trabalho

Numa primeira parte introdutória dá-se conta de forma muito resumida das tecnologias e envolvidas atendendo aos ciclos clássicos Otto e Diesel e ao surgimento da opção

“dual-fuel”.

Através da pesquisa bibliográfica, fez-se uma pequena introdução indicando casos concretos respeitantes a picos de concentração de poluentes que causam alterações do quotidiano e que, para alem disso, são graves casos de saúde pública provocados por emissões poluentes de veículos automóveis.

Desta forma, na terceira parte, parte-se para a análise das exigências impostas pela união europeia por forma a minimizar e reduzir a emissão de poluentes. Daí a abordagem da legislação e iniciativas europeias analisando-as cronologicamente com a descrição dos diferentes tipos de ensaios exigidos ao longo da evolução da mesma, culminando na normativa EURO VI. Tendo esta base procura-se então dar nota dos critérios da mesma distinguindo os veículos pesados (Heavy Duty) que, pelas suas características, não são iguais aos impostos aos veículos ligeiros.

Como descrito na introdução, e uma vez que a questão ambiental está diretamente associada à utilização de transportes públicos, a quarta parte trata da caracterização dos Transportes Urbanos de Braga, como empresa de transportes públicos tipo de uma cidade média com utilização das tecnologias Diesel e GNC, com vista aos ganhos ambientais na evolução da tecnologia GNC. Ao mesmo tempo dá-se nota dos esforços da União Europeia na criação de corredores de utilização GNC/LNG transfronteiriços, por forma a promover a utilização deste tipo de combustível.

Por fim, numa análise mais técnica, faz-se a análise energética e termodinâmica dos meios envolvidos na compressão do gás natural que, pelas características termodinâmicas, tem um comportamento particular.

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Capítulo 2

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Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica

2. Revisão bibliográfica

A revisão bibliográfica deste tema leva-nos de início ao resumo histórico da evolução dos motores de ciclo Diesel e ciclo Otto até ao momento em que eles se cruzam tecnologicamente.

Sobejamente conhecidos e estudados, estes dois tipos de motores de combustão interna sempre foram tidos por inconciliáveis devido às diferentes etapas do processo de combustão com consequentes exigências termodinâmicas e rendimentos. Apesar de todas as suas limitações, a realidade atual demonstra que:

“Embora seja reconhecido que o motor de combustão interna seja dos maiores responsáveis pela poluição atmosférica e pela diminuição das reservas de petróleo bruto, o seu uso continua a intensificar-se, principalmente nos transportes. É previsível que as melhorias do nível de vida na Europa Oriental e principalmente na Ásia (China, Índia) originem um incremento do uso do motor de combustão interna nas próximas décadas, antes que outras formas de conversão de energia (pilhas de combustível, motores elétricos) ou outras fontes de energia (renováveis incluindo álcoois, éteres e ésteres, hidrogénio e eletricidade) venham substituir o binómio motor térmico - combustíveis fósseis.” (Martins, J.J.G. 2006)

Desta forma a evolução na melhoria da tecnologia existente surge como um caminho inquestionável, a par de outras que serão obviamente válidas:

“O motor de combustão interna (a pistão) foi inventado no século XIX e foi das invenções que mais impacto teve na sociedade e no nível de vida das populações. Atualmente, embora já ultrapassado por outras tecnologias ao nível da aviação (turbinas), dos caminhos-de-ferro (motores elétricos) e dos navios de muito grande porte e submarinos (usando motores nucleares),continua sem concorrência no campo do transporte rodoviário. Podem-se encontrar motores térmicos com potências entre 10 W e 10 MW, mas a maioria apresenta valores na ordem das dezenas ou centenas de quilowatts. Outros aspetos extremamente importantes são o rendimento e a emissão de poluentes destas máquinas. O rendimento dos motores tem subido ao longo das décadas desde menos de I0% para valores perto dos 50% (alguns motores Diesel) e a emissão dos poluentes é hoje cerca de 100 vezes inferior aos de 40 anos atrás” (Martins, J.J.G. 2006)

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Se considerarmos motores de cogeração podemos mesmo obter potências superiores a 50MW, podendo chegar aos 700 MW, caso dos motores do grupo Wartsila, onde o rendimento supera os 50% com auxílio de turbocompressores e intercoolers. Este tipo de soluções, dedicadas à geração de energia elétrica, usa motores de grande capacidade, baixa rotação (cerca de 500 r.p.m) e podem ser utilizados em sistema dual-fuel gás natural/gasóleo. Note-se que o diâmetro de um só cilindro é de 500mm atingindo uma cilindrada 113.9 lt/cil

Figura 2-1 - Características Motor Wartsila 50DF (Fonte: Wartsila Engines)

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No acaso particular dos tipos de motores aqui tratados, a sua introdução deverá passar pelos pontos comuns. Ou seja, para motores a gasolina (ciclo Otto) e a gasóleo (ciclo Diesel) temos que ambos se regem pelos 4 tempos tradicionais:

 Admissão  Compressão  Expansão  Escape

Assim, e resumidamente, poderemos afirmar que, para o primeiro tempo (admissão) o pistão vai desde o seu ponto morto superior (PMS) até ao seu ponto morto inferior (PMI) enchendo todo o cilindro de ar atmosférico, ou mistura ar/combustível (AC) para seguidamente passar ao segundo tempo – a compressão. Na compressão o pistão viaja no sentido inverso comprimindo o gás no seu interior. Nesta fase a pressão e temperatura aumenta drasticamente até ao ponto em que, por ignição comandada (ciclo Otto) ou por auto inflamação (no caso do ciclo Diesel), se entra no terceiro tempo – Explosão/Inflamação, respetivamente. Com isso o pistão retorna ao seu PMI procedendo à expansão do volume formado produzindo o trabalho necessário à máquina em causa. Por fim o quarto tempo, o de escape, o pistão completa o ciclo expulsando os gases de combustão entretanto formados.

Figura 2-4 - Sistema biela-manivela (Martins, J.J.G. 2006)

Figura 2-3 - Pontos mortos do motor (Martins, J.J.G. 2006)

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2.1. Ciclo Otto

Figura 2-5 - Quatro tempos do motor de ignição comandada (Otto) (Martins, J.J.G. 2006)

O ciclo Otto caracteriza-se por realizar os quatro tempos necessários com as trocas de calor a serem efetuadas a volume constante, tal como descrito no diagrama seguinte. Dessa forma é também conhecido por ciclo teórico a volume constante. É o princípio base de funcionamento dos motores a gasolina ou gás com ignição comandada, normalmente através de vela elétrica de descarga.

Figura 2-6 - Ciclo Otto (teórico)

Expansão

Compressão Explosão

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2.2. Ciclo Diesel

Figura 2-7 - Quatro tempos do motor de ignição por compressão (Diesel) (Martins, J.J.G. 2006)

No caso do ciclo Diesel a ignição do combustível é feita por compressão originando uma inflamação espontânea com as trocas de calor a pressão constante, teoricamente. Este é o princípio base do funcionamento dos motores que usam gasóleo como combustível. Para melhor compreensão e comparação com o ciclo Otto, a consulta do seguinte diagrama P-V torna os fenómenos mais claros.

Figura 2-8 - Ciclo Diesel (teórico)

Expansão

Admissão Inflamação

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2.3. Sistema Dual-Fuel

A tecnologia “dual-fuel” pressupõe a utilização de dois tipos de combustíveis diferentes em simultâneo, em contraponto à tecnologia “bi-fuel” em que os dois combustíveis são concorrentes e usados de forma alternada. Desta forma o sistema dual-fuel pretende modificar um motor cujo combustível é exclusivamente gasóleo para um motor que use gás natural como combustível complementar. O motor Diesel, sendo um motor que trabalha por auto-inflamação do combustível, não possui velas de ignição que possibilitem a ignição da componente de gás natural. Tendo em conta que o índice de octanas do gás natural ser muito elevado (pode atingir as 140 octanas), essa inflamação terá sempre de ser iniciada pelo gasóleo.

Tendo essa iniciação poderá então ocorrer a substituição gradual dos combustíveis. Já Bhattachrya et al. (1988) referia o facto da possibilidade de utilização de biogás (composto maioritariamente por metano) em motores Diesel dedicados à agricultura, podendo chegar a valores de 80% na sua incorporação.

Esse tipo de montagem pode ser obtido de duas formas distintas. Com injeção de gás natural diretamente na câmara de combustão, ou por enriquecimento do ar de aspiração.

Tendo em conta os custos de transformação e os

meios existentes, a utilização de um sistema injeção de gás natural na conduta de admissão aparece como a forma mais viável sem necessidade de alterações técnicas de grande monta.

Neste sistema são possíveis razões gasóleo/gás de 40%/60% para motores com rotações elevadas (1200rpm – 1800rpm), podendo chegar a 10%/90% em motores lentos e estáveis (até 1000rpm).

Figura 2-9 – Representação esquemática do sistema dual-fuel (Fonte: Cummins Engines)

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Capítulo 3

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Capítulo 3 – A Questão Ambiental

3. A Questão Ambiental

3.1. Paris, 18 de Março de 2015

“A presidente da Câmara de Paris exortou as autoridades francesas a autorizarem a restrição de um em cada dois automóveis que entram na capital e tornar o transporte público gratuito na sexta-feira para reduzir a poluição. Anne Hidalgo pediu ao governo parisiense para a deixar adotar medidas restritivas no tráfego rodoviário na sexta-feira em Paris e nas regiões suburbanas devido à elevada poluição ambiental. Na quarta-feira, a concentração de partículas potencialmente perigosas no ar passou ultrapassou o máximo recomendado, pressionando as autoridades a adotarem a medida restritiva. Uma medida similar foi adotada no dia 17 de março do ano passado por Paris, quando a França registou elevados níveis de poluição atmosférica. As autoridades parisienses consideram que a limitação da circulação de automóveis e o uso gratuito dos transportes públicos por um dia poderá encorajar os automobilistas a não usarem os seus veículos e reduzir a forte poluição que a capital francesa tem enfrentado. Na França, o limite de alerta é desencadeado quando há mais de 80 microgramas de partículas de 10 microns (PM10, unidade que corresponde à milésima parte do milímetro) por metro cúbico, que determina os níveis de poluição. A média anual de Paris é de 38 mcg/m3. As partículas com menos de 2,5 microns de diâmetro são também as mais perigosas para a saúde, porque podem penetrar profundamente nos pulmões e no sistema sanguíneo, podendo causar asma, alergias e problemas respiratórios. Organização Mundial de Saúde (OMS) considera 20 mcg/m3 como limite seguro, mas há poucas grandes cidades com uma média anual dentro dos limites preconizados pela agência da ONU, que descreve a poluição com um dos principais problemas para a saúde.” – in TVI24 19/03/2015 (sic))

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3.2. Lisboa, 15 de Janeiro de 2015

Figura 3-2 - Sinalização de Restrições à Circulação em Lisboa

“ZONAS DE EMISSÕES REDUZIDAS

O problema da qualidade do ar nas áreas urbanas é uma questão que tem vindo a merecer cada vez maior atenção por parte das entidades comunitárias e do governo português. Em 2008, a nova Diretiva Quadro Europeia da Qualidade do Ar (Diretiva 2008/50/CE) fixou os objetivos e parâmetros da qualidade do ar de forma a reduzir, prevenir e evitar os seus efeitos nocivos para a saúde humana.

A transposição, dois anos depois, para a legislação nacional (DL nº 102/2010, de 23 de setembro), e a necessidade de cumprir os valores-limite de concentração de poluentes, já tinha dado origem ao Plano e Programa de Execução da Melhoria da Qualidade do Ar para a região de Lisboa. Uma das medidas previstas que se exigia concretizar em Lisboa era a introdução de uma ZER.

A não observância, reiterada, dos valores limites de concentração de poluentes na região de Lisboa - onde o eixo da Av. da Liberdade/Baixa apresentava os piores resultados – conduziu a Comissão Europeia a instaurar um processo judicial contra o Estado Português no Tribunal de Justiça Europeu.

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Com o objetivo de alcançar as metas ambientais definidas, deu-se início à implementação da Zona de Emissões Reduzida na Cidade de Lisboa - Eixo Av. Liberdade/Baixa.

A ZER de Lisboa tem já implementadas três fases. A 1.ª fase, que entrou em vigor no dia 4 de junho de 2011, caracterizou-se pela restrição à circulação de veículos que não respeitassem as normas de emissão EURO 1 (veículos construídos antes de julho de 1992), no eixo da Av. da Liberdade/Baixa (limitado a norte pela Rua Alexandre Herculano e a sul pela Praça do Comércio).

Na 2.ª fase que entrou em funcionamento a 1 de abril de 2012, procedeu-se ao alargamento da área afeta à ZER, que passou a compreender duas zonas, e ao aumento das normas de emissão EURO, conforme segue:

- Zona 1: eixo da Av. da Liberdade/Baixa (limitado a norte pela Rua Alexandre Herculano e a sul pela Praça do Comércio) – apenas circulam veículos que respeitam a norma de emissão EURO 2 (veículos de 1996 ou posteriores);

- Zona 2: limitada a sul da Av. de Ceuta | Eixo Norte-Sul | Av. das Forças Armadas| Av. dos Estados Unidos da América | Av. Marechal António Spínola I Av. Infante Dom Henrique – apenas circulam veículos que respeitam a norma de emissão EURO 1 (veículos de 1992 ou posteriores).

Na 3.ª fase da ZER de Lisboa, em vigor desde 15 de janeiro, mantem-se a área geográfica (zona 1 e zona 2), bem como o horário e período de aplicação em que vigoram as restrições (dias úteis, das 7h00 às 21h00).

A alteração prende-se com uma maior exigência em termos ambientais, passando assim a ZER de Lisboa a ter as seguintes regras:

- Zona 1 (Eixo Av. Liberdade/Baixa) – apenas circulam veículos posteriores a 2000, ou seja, que respeitem as normas de emissão EURO 3 (em geral, veículos ligeiros fabricados depois de Janeiro de 2000 e pesados depois de Outubro de 2000);

- Zona 2 (limitada a sul da Avenida de Ceuta| Eixo Norte-Sul| Avenida das Forças Armadas| Avenida EUA| Avenida Marechal António Spínola| Avenida Infante Dom Henrique) – apenas circulam veículos posteriores a 1996, ou seja, que respeitem as normas de emissão EURO 2 (em geral, veículos ligeiros fabricados depois de janeiro de

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1996 e pesados depois de outubro de 1996).” – Câmara Municipal de Lisboa (http://www.cm-lisboa.pt/viver/mobilidade/zonas-emissoes-reduzidas)

Figura 3-3 - Transito em Lisboa

3.3. Diário de Notícias, 30 de Novembro de 2015

“Mais de 6000 mortes em Portugal devido à poluição em 2012”

A poluição do ar causou mais de 6000 mortes prematuras em Portugal, em 2012, e no ano seguinte continuaram a registar-se algumas concentrações de poluentes acima dos limites da União Europeia, segundo a Agência Europeia do Ambiente.

O relatório sobre qualidade do ar da Agência Europeia do Ambiente (EEA, sigla em inglês), divulgado esta segunda-feira, refere que, em 2012, a exposição a partículas finas PM2,5, a ozono e a dióxido de azoto originaram 6190 mortes prematuras em Portugal. O maior número de mortes está associado às partículas finas, com 5400, e as restantes distribuem-se pelos outros dois poluentes, refere a EEA.

No total dos 28 Estados membros da UE são 432 mil os casos de morte relacionados com PM2,5 e 92 mil nos restantes poluentes, segundo a informação.

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O relatório refere-se a dados de 2013 recolhidos nos Estados membros e analisa as concentrações de partículas inaláveis PM10 e PM2,5, ozono e dióxido de azoto, poluentes que podem causar problemas de saúde, cardíacos, respiratórios e cancro.

A entidade europeia concluiu que nas estações de medição portuguesas há uma situação de ultrapassagem do limite de concentração diária de PM10 em Lisboa, devido ao tráfego automóvel, dois casos de dióxido de azoto a mais, igualmente na capital, e em Braga. Os valores acima do limite de ozono estavam em Almada, Faro, Lisboa, Setúbal e Vila Franca de Xira.

A EEA não aponta quaisquer casos de concentrações acima do autorizado nas PM2,5. Alberto González Ortiz, da divisão da qualidade do ar da EEA, disse à agência Lusa que os valores apresentados "são semelhantes àqueles do ano anterior".

"Os portugueses devem preocupar-se sempre com a qualidade do ar que respiram e devem pedir que as concentrações sejam mais baixas porque a contaminação vai provocar sempre danos na saúde", salientou Alberto Ortiz.

Quando a análise tem em conta os valores limite da Organização Mundial de Saúde (OMS), mais exigentes, são mais os pontos do país com situações acima do indicado. "A maior parte das estações urbanas em Portugal apresentam valores acima dos limites da OMS no PM10, com exceção para Braga e Vila Franca de Xira", referiu o responsável da EEA.

As PM10 resultam principalmente das emissões da indústria, transporte e aquecimento doméstico e podem causar cancro, problemas cardíacos e pulmonares ou arritmias. Na comparação com o resto da Europa, nas PM10, "Portugal está entre aqueles que têm, concentrações mais baixas, abaixo da média europeia, no lugar 11, embora tenha algumas superações", resumiu.

No caso do ozono, atendendo aos valores OMS, há problemas nas zonas urbanas de Lisboa, Porto e Braga, associados ao tráfego, acrescentou Alberto Ortiz.

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"O relatório mostra que muitas cidades continuam a estar expostas a poluentes do ar em níveis inseguros segundo a OMS", salienta a EEA, e acrescenta que os poluentes mais problemáticos são as partículas finas, o ozono e o dióxido de azoto.”

3.4. Um problema de saúde pública mundial

Problemas ambientais como o de Paris em Março de 2015 e o esforço de redução de índices poluentes em Lisboa são questões recorrentes nas diversas metrópoles europeias e mundiais.

Em 28 de Abril de 2015, a OMS (Organização Mundial de Saúde) estimou em 1.6 mil milhões de dólares o custo relativo a 600.000 mortes prematuras, só no ano de 2010. Por sua vez a OCDE, já em 22 de Maio de 2014, através do seu Secretário-Geral, Angel Gurría, no Internacional Transport Fórum em Leipzig, alertava para um aumento de 4% nas causas de morte associadas à poluição ambiental entre os anos de 2005 e 2010. Defendeu na altura um aumento de taxas sobre a tecnologia Diesel por forma a desencorajar o seu uso face a outros combustíveis, responsabilizando a poluição provocada por este no aumento de doenças cardíacas respiratórias, sistema circulatório e cancro do pulmão.

As principais ocorrências derivam do efeito na saúde das partículas (PM10 e PM2,5) e NO2

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Capítulo 4

A Legislação e Programas

Europeus

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Capítulo 4 – A Legislação e Programas Europeus

4. A Legislação e Programas Europeus

4.1. Cronologia da legislação europeia (Euro I… VI)

A Comissão Europeia, a fim de fazer a diferenciação entre normas dedicadas a veículos pesados e ligeiros, optou pela designação em numeração romana para veículos pesados, deixando para os veículos ligeiros as designações Euro com numeração árabe. Para a emissão de gases em veículos pesados são normalmente direcionadas a todos os veículos cujo peso bruto é superior a 3500 kg, equipados com motores Diesel, gás natural (GN) ou gás de petróleo liquefeito (GPL).

Originalmente a Diretiva 88/77/EEC estabelece os primeiros parâmetros sendo seguida de variadas atualizações e revisões. Em 2005 toda a legislação é condensada pela Diretiva 05/55/EC. A partir da Euro VI a legislação emitida sob a forma de Diretivas, que carece de transposição para a legislação nacional de cada estado membro, passa a ser substituída por Regulamentos Europeus que são aplicados diretamente sem necessidade de intervenção nacional.

Relativamente a veículos pesados os seguintes passos forma dados:

 A norma Euro foi introduzida em 1992 com a Euro I, seguida da Euro II em 1996. Esta regulamentação era aplicada tanto a camiões como a autocarros urbanos, sendo que para os últimos era facultativa.

 Em 1999 a União Europeia adota a Diretiva 1999/96/EC que introduz a Euro III (2000) assim como a Euro IV/V (2005/2008). Esta regulamentação é também voluntaria e dedicada a veículos de baixas emissões, ecológicos (EEV)

 Em 2001 a Comissão Europeia adota a Diretiva 2001/27/EC que proíbe o uso de motores que não comportem sistemas de redução de emissões poluentes assim como os que tenham instalados qualquer tipo de dispositivo que comprometa a eficiência dos mesmos, em condições de condução normais, e que por consequência aumente os valores de emissões poluentes.

 Diretiva 2005/55/EC. Adotada em 2005 introduz o conceito de durabilidade de requisitos do sistema de diagnóstico a bordo (OBD). Revê os limites de emissões poluentes estabelecidos pela Euro IV e V, originalmente publicados pela Diretiva 1999/96/EC. A abordagem em duas fases, os requisitos técnicos necessários à

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durabilidade e OBD (incluído valores limites de emissões dos sistemas que utilizam reagentes durante o processo), descridos pela Diretiva 2005/78/EC.  A norma Euro VI é introduzida pelo Regulamento 595/2009, com os aspetos

técnicos a ser remetidos para o Regulamento 582/2011. Os novos limites a emissões, comparáveis à exigente norma americana US 2010, tem efeitos a partir de 2013/2014. A Euro VI introduz ainda os valores limites para número de partículas emitidas (PN), normas apertadas para os sistemas OBD, assim como novos requisitos para os testes e ensaios introduzindo o conceito de ensaio em regime transitório com vista à aproximação das condições reais de condução.

4.2. O “Programa Ar Limpo para a Europa”

Já em 18 de Dezembro de 2013, a Comissão Europeia, numa comunicação no âmbito do Programa Ar Limpo para a Europa (CAFE) de 4 de Maio de 2001, afirmava:

“Atualmente, mais de um terço das zonas de gestão da qualidade do ar da UE excede os valores-limite para as partículas (PM10) e um quarto dessas zonas excede os valores-limite para o dióxido de azoto (NO2). 17 Estados-Membros são atualmente alvo de processos por infração, por incumprimento dos valores-limite fixados para as PM10.” (…)

“Foram sucessivamente adotadas várias gerações de normas Euro e de normas de qualidade dos combustíveis com o objetivo de limitar as emissões dos veículos na UE. As necessárias reduções foram alcançadas, com uma exceção: as emissões de NOx dos veículos ligeiros a motor Diesel. As emissões de NOx em condições reais dos veículos Euro 5 homologados a partir de 2009 são atualmente superiores às dos veículos Euro 1 homologados em 1992 e correspondem a cerca de cinco vezes o valor-limite. Esta situação tem grande impacto nas concentrações de NO2, ozono e partículas secundárias em toda a Europa, prejudicando assim a imagem e a reputação dos fabricantes de veículos.”

Com isto a Comissão Europeia identificava claramente os grandes inimigos ambientais com origem nos motores Diesel. Esta orientação era potenciada pelos relatórios da OMS já citados. No entanto, a Comissão conclui que os objetivos traçados pela norma Euro 6 são suficientes havendo que criar condições para que sejam cumpridos a par da adoção de medidas de incentivo ao seu cumprimento.

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Capítulo 4 – A Legislação e Programas Europeus

4.3. Plano de Ação para uma Indústria Automóvel Competitiva e

Sustentável na Europa (CARS 2020)

Em 2012 a Comissão Europeia elaborou a CARS 2020 (Plano de Ação para uma Indústria Automóvel Competitiva e Sustentável na Europa). Neste documento a Comissão salienta a importância da indústria automóvel mas também põe o foco na questão ambiental, nomeadamente na importância da redução no CO2 mas encara de forma definitiva a

necessidade de investir na redução do NOX:

“Além disso, muitos Estados-Membros não cumprem as obrigações previstas na legislação relativa à qualidade do ar e deparam-se com problemas consideráveis em matéria de concentração de NO2 no ambiente. Em especial, as obrigações aplicáveis à qualidade do ar da Diretiva 2008/50/CE não estão a ser respeitadas nas zonas urbanas («hotspots»), sobretudo no que se refere à concentração de partículas, óxidos de azoto e ozono. Esta situação ocorre em parte devido às emissões de NOx (NO + NO2) dos veículos rodoviários do tráfego local, que podem ser significativamente mais elevadas em condições de condução real do que os limites de emissão obrigatórios medidos num ciclo de ensaio, em especial no caso dos veículos a gasóleo.

Dados os urgentes problemas de qualidade do ar, é necessário avançar com a implementação da norma Euro 6, tal como previsto, e identificar medidas, logo que possível, para reduzir as emissões dos veículos rodoviários em circulação. A Comissão reconhece a importância de garantir uma redução efetiva das emissões de NOx em condução real poder cumprir os atuais e futuros objetivos estabelecidos na legislação relativa à qualidade do ar. Consequentemente, e tendo em vista o cumprimento das obrigações previstas no Regulamento (CE) n.º 715/2007, a Comissão lançou, em janeiro de 2011, o desenvolvimento de um futuro procedimento de ensaio, a integrar na diretiva-quadro relativa aos ensaios de homologação, que avalia diretamente as emissões de NOx produzidas pelos veículos ligeiros em situação de condução real.

As emissões de NOx em condução real («real driving emissions», RDE), medidas através deste novo "procedimento RDE", deverão ser registadas e comunicadas a partir das datas de introdução obrigatória da norma Euro 6 (em 2014). O mais tardar, três anos após essas datas, o procedimento RDE deverá ser aplicado juntamente com limites estritos de emissão a não exceder («not-to-exceed», NTE), o reduzirá substancialmente as emissões de NOx em condução real, comparativamente com o nível de emissões

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esperado caso este procedimento não fosse aplicado. O prazo de três anos suplementares, para a introdução dos limites NTE, é considerado necessário, dado que a Comissão tem consciência de que, em muitos casos, será precisa uma reconversão considerável dos veículos a gasóleo para cumprir os limites de emissão de NOx em condução real impostos pela norma Euro 6. “

É precisamente na melhoria e reconversão que o sistema Dual-Fuel poderá assumir um papel determinante na melhoria ambiental aliando a vertente económica

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Capítulo 5

A Evolução das Normas

EURO

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Capítulo 5 – A Evolução das Normas EURO

5. As normas EURO

Ao longo dos anos dos tempos a Comissão Europeia tem vindo a implementar, e incrementar os valores permitidos para os diferentes poluentes dos motores de combustão interna. O tipo de testes foram sendo modificados por forma a espelharem a utilização pelo condutor exigindo cada vez mais dos fabricantes de motores e produtores de combustíveis.

5.1. A evolução

Norma Data Teste CO HC NOx PM PN Fumos

g/kWh 1/kWh 1/m Euro I 1992 ≤ 85 kW ECE R-49 4.5 1.1 8.0 0.612 1992 > 85 kW 4.5 1.1 8.0 0.36 Euro II 1996.10 4.0 1.1 7.0 0.25 1998.10 4.0 1.1 7.0 0.15 Euro III 1999.10 EEV apenas ESC & ELR 1.5 0.25 2.0 0.02 0.15 2000.10 2.1 0.66 5.0 0.10

ª

) 0.8 Euro IV 2005.10 1.5 0.46 3.5 0.02 0.5 Euro V 2008.10 1.5 0.46 2.0 0.02 0.5 Euro VI 2013.01 WHSC 1.5 0.13 0.40 0.01 8.0×1011

a) PM = 0,13 g/kWh para motores < 0,75 dm3 por cilindro a uma velocidade > 3000 rot/min.

Figura 5-1 - Normas Europeias para motores Diesel de veículos pesados (ensaio em regime estacionário)

Norma Data Teste CO NMHC CH4

a) _NO x PM b) g/kWh Euro III 1999.10 EEV apenas ETC 3.0 0.40 0.65 2.0 0.02 2000.10 5.45 0.78 1.6 5.0 0.16 c) Euro IV 2005.10 4.0 0.55 1.1 3.5 0.03 Euro V 2008.10 4.0 0.55 1.1 2.0 0.03 Euro VI 2013.01 WHTC 4.0 _0.16d) 0.5 0.46 0.01

Figura 5-2 - Normas Europeias para todos motores de veículos pesados (ensaio em regime transitório)

a) Só para motores Otto (Euro III-V: GN apenas; Euro VI: GN + GPL)

b) Não aplicável a motores de ignição positiva (gasolina, GN, GPL) nas normas Euro III-IV c) PM = 0.21 g/kWh para motores < 0.75 dm3 por cilindro a uma velocidade > 3000 rot/min. d) Teor total de hidrocarbonetos (THC) no caso de motores Diesel

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e) Para motores Diesel; Número de partículas (PN) para motores de ignição positiva será fixado mais tarde.

A este valores foram ainda adicionados pela norma Euro VI valores limite para o NH3

(amónia) cuja concentração limite de 10 ppm em teste WHTC e WHSC (para motores Diesel) e apenas para teste WHTC (para motores a gasolina, GN ou GPL). O valor máximo para o NO2, dentro da componente NOx, deverá ser fixado mais tarde

5.2. Os diferentes testes dos motores

Ao longo das diversas publicações e atualizações, a Comissão Europeia tem vindo a adotar diferente tipos de ensaios a motores. Inicialmente testes estacionários evoluíram depois para ensaios em condições reais de condução

Assim temos ao longo das diversas evoluções temos os seguintes métodos de ensaio utilizados:

5.3. O primeiro ensaio (ECE R49)

Trata-se de um teste introduzido pelo Regulamento ECE n.º 49 e adotado pela Diretiva 88/77/EEC. Usado para teste de motores de veículos pesados homologados pela norma Euro II. Realizado em banca com dinamómetro tem uma sequência de 13 passos onde as emissões são medidas e expressadas em g/kWh. O resultado final é expresso pela média dos 13 valores medidos

.

Figura 5-3 - Método de Ensaio ECE R491

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Figura 5-4 - Valores limite de poluentes para ECE R493

5.4. Ciclos de ensaio ESC, ETC e ELR

A norma Euro III é introduzida pela Diretiva 1999/96/EC com efeitos a partir de 2000. Para as medições em motores de veículos pesados (HDV) são então introduzidos os métodos ESC (European Steady State Cycle), ETC (European Transient Cycle) e ELR (European Load Response). Os motores a Diesel são então submetidos ao ensaio ESC e ELR sendo que os motores Diesel com pós-tratamento de gases para eliminação dos NOx

serão ainda submetidos ao ensaio ETC. No caso dos motores a gás, os níveis de emissão serão determinados pelo ensaio ETC.

No ensaio ESC são usados 13 patamares em estado estacionário. O ELR consiste em patamares de carga transientes a diferentes velocidades, que fazem parte integrante do mesmo ensaio, e são ensaiados simultaneamente. O ETC consiste numa sequência, segundo a segundo, de modos transientes.

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Figura 5-5 - Patamares de ensaio (ESC)2

Figura 5-6 - Sequência de ensaio ELR4

O ensaio ETC consiste em 1800 medições bem determinadas no Apêndice 3 da norma europeia, pelo que se mostra apenas o início a título de exemplo e a sua representação gráfica.

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Figura 5-7 - Programa de ensaio do dinamómetro ETC3

Figura 5-8 - Representação gráfica da programação do dinamómetro para teste ETC5

Os valores limite das emissões são então definidos para os diferentes testes da seguinte forma:

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Figura 5-9 - Valores limite para ensaio ETC4

Figura 5-10 - Valores limite para os ensaios ESC e ELR6

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5.5. O WHDC (World Wide Heavy Duty Cycle)

O WHDC descrito no Regulamento Técnico Global n.º 4 da UN ECE – (GTR n.º 4). Este regulamento tem por objetivo a harmonização dos procedimentos de medição dos gases de escape com vista à certificação de motores pesados a nível global.

Para o efeito estão previstos dois ciclos de ensaios. O WHSC (World Harmonized Steady Cycle), com arranque a quente e patamares estacionários e o WHCS (World Hamonized Trasnsient Cycle) com arranques a frio e a quente, e estágios dinâmicos de ensaio. Com estes dois procedimentos pretendeu-se recrear as condições típicas de condução na Europa, Estados Unidos, Japão e Austrália.

5.5.1. O WHSC (World Harmonized Steady Cycle)

O ensaio WHSC é efetuado com arranque a quente e consiste numa rampa de estágios estacionários onde são definidos velocidade e binário assim como a rampa de subida inter estágio que deverá demorar 20 segundos.

Figura 5-11 - Estagio do ensaio WHSC5

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5.5.2. O WHTC (World Harmonized Transient Cycle)

O WHTC é um ensaio com 1800 estágios estacionários onde são definidos a velocidade e o binário. Este ensaio pretende simular o funcionamento típico de um motor de um veículo pesado em circulação pelo que as mudanças carga são feitas de forma linear no intervalo de 20 segundos.

Figura 5-12 - Estágios de ensaio (WHTC)6

Figura 5-13 - Representação gráfica do ensaio WHTC6

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Capítulo 6

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Capítulo 6 – A norma EURO 6

6. A Norma Euro 6

A norma ambiental Euro 6, emitida pela Comissão Europeia, é a mais recente norma aplicada a motores de combustão interna. Desde 1993, com a apresentação Euro 1 para camiões e autocarros, a Comissão Europeia tem vindo a regular o índice de poluentes de escape para este tipo de veículos. Em particular, com a Euro 6, a Comissão identificou dois poluentes de escape chave: óxidos de azoto (NOx) e partículas (PM). Estes são tidos,

comprovadamente, como altamente prejudiciais ao meio ambiente e saúde necessitando de ser rapidamente controlados e reduzidos. Os decisores europeus têm feito grandes esforços no incentivo a uma nova tecnologia com vista à redução dos níveis de NOX e PM, não esquecendo outros elementos tais como dióxido de carbono (CO2) e

hidrocarbonetos não queimados, em todos os novos veículos, ligeiros ou pesados, de mercadorias ou passageiros, equipados com motores de combustão interna, com vista à melhoria na qualidade do ar.

A Euro 6 vem elevar a fasquia exigindo cada vez mais dos fabricantes de motores. No caso dos valores de NOx autorizados pela norma Euro 6, foram reduzidos em mais de

75% comparativamente com a anterior norma Euro 5. Já no caso das partículas o valor agora a aceitável é metade do anterior caindo de 0,02 para 0,01 g/kWh.

Mas antes de mais há que estabelecer o quadro inicial de classificação dos tipos de veículos que definidos pela Comissão Europeia.

6.1. Os tipos de veículos segundo a Comissão Europeia

Para que se enquadre a norma Euro 6, há que antes de mais definir os tipos de veículos a que esta se aplica. Assim importa referir que a norma Euro 6 destina-se a veículos e máquinas, equipados com motores e combustão interna sem distinção de combustível utilizado.

No entanto a norma faz á priori a distinção de veículos tendo em conta o tipo, utilização e capacidade.

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Categoria Tipo de Veículo

L Ciclomotores, motociclos, triciclos e quadriciclos motorizados M Veículos a motor com pelo menos quarto rodas para transporte de

passageiros

N Veículos a motor com pelo menos quarto rodas para transporte de mercadorias.

O Trailers (incluindo semitrailers)

Figura 6-1 - Categorias de veículos

Para encontrarmos os veículos aqui tratados (veículos pesados de passageiros) temos ainda de consultar as subcategorias definidas. Assim a categoria de veículo de veículos de passageiros (M) é subdividida da seguinte forma:

Categoria Tipo de veículo

M1

Veículos desenhados e construídos para o transporte de passageiros com menos de oito lugares para além do condutor. Peso bruto inferior a 3.500kg

M2 Veículos desenhados e construídos para transporte de passageiros com mais de oito lugares para além do condutor. Peso bruto inferior a 5000kg M3

Veículos desenhados e construídos para transporte de passageiros com mais de oito lugares para além do condutor. Peso bruto superior a 5000kg

Figura 6-2 - Categoria M (subdivisão)

Os veículos pesados de passageiros ficam assim categorizados no grupo M3.

6.2. O Regulamento (CE) n.º 595/2009

Tendo classificado os veículos, temos agora o Regulamento (CE) n.º 595/2009 do Parlamento Europeu e do Conselho, de 18 de Junho de 2009, relativo à homologação de veículos a motor e de motores no que se refere às emissões dos veículos pesados (Euro VI) e ao acesso às informações relativas à reparação e manutenção dos veículos. Aqui estão definidos os valores permitidos para emissão de gases de escape, nomeadamente em veículos de passageiros pesados (HDV), para além de outras.

(69)

Capítulo 6 – A norma EURO 6

Figura 6-3 - Limites de emissões para Euro VI (HD)7

Assim, a partir de 1 janeiro 2014 todos os novos camiões e autocarros terão de ser equipados com um motor certificado pela Euro VI.

Para além de limitações aos níveis dos gases de escape, a Euro VI acrescenta limitações ao nível dos poluentes oriundos do sistema de lubrificação, nomeadamente inserindo sensores no bloco de motor ao nível da cambota, casa esta não esteja inserida num sistema de lubrificação estanque.

Por outro lado a monitorização da emissão e NH3 passa a ser obrigatória uma vez que se

trata de um subproduto do sistema SCR.

A durabilidade das baixas emissões passa a ser obrigatória por um período de sete anos e pelo menos 700.000km para veículos pesados.

7_{Reproduzido do Regulamento (CE) n.º 595/2009 do parlamento europeu e do conselho}

(70)

Categoria de Veículo(a) Período

(b)

Euro IV-V Euro VI

N1 e M2 100 000 km / 5 anos 160 000 km / 5 anos

N2

200 000 km / 6 anos 300 000 km / 6 anos

N3 ≤ 16 ton

M3 Class I, Class II, Class A, e Class B ≤ 7.5 ton

N3 > 16 ton

M3 Class III, e Class B > 7.5 ton

500 000 km / 7 anos 700 000 km / 7 anos

a) Peso bruto em toneladas métricas

b) Quilometragem ou ano, o que se alcançar primeiro

Como já referido, melhorias no desempenho do “On-Board Diagnostic System” (OBD). A adoção de uma nova metodologia de teste que compreende modos de “estado

estacionário“ e “transitório”, incluindo ciclos de arranque a frio e a temperatura normal

de funcionamento componentes por forma a reproduzir a mais fielmente o ciclo real de vida de um veículo.

Com a introdução do Euro VI esta regulação é a primeira vez o ‘World Harmonised Test Cycle’ (WHDC) é usado para a certificação do motor.