Como a indústria está conseguindo reduzir as emissões dos motores?

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Cada caminho tecnológico para reduzir as emissões de motores de combustão interna tem seus próprios benefícios e desvantagens a serem considerados, escreve Julian Buckley.

Existem três estratégias principais que podem ser alavancadas para reduzir as emissões de motores a diesel. Primeiro, há a opção de selecionar um dos combustíveis de baixo carbono que agora estão chegando ao mercado. Do óleo vegetal hidrotratado (HVO) ao biodiesel, eles não reduzem as emissões de escapamento, mas fornecem reduções de CO2 devido à proporção de carbono removida da atmosfera ao cultivar a biomassa, que, em última análise, se torna o produto final de combustível.

A segunda opção é atualizar os sistemas de pós-tratamento de emissões (EATS). Da injeção de fluido de escape de ureia/diesel (amplamente comercializada como AdBlue), que decompõe emissões nocivas em nitrogênio e água, aos sistemas de captura de partículas/queima regenerativa, o hardware com desempenho aprimorado pode cortar a saída total de emissões, ajudando a atingir a conformidade com regulamentações rigorosas.

Em terceiro lugar, há mudanças no próprio motor. Da eletrificação de componentes, que reduzem a carga do motor e o consumo de combustível, a melhores estratégias de injeção de combustível e sistemas de gerenciamento de motor aprimorados, essas atualizações podem fornecer emissões reduzidas, às vezes com o bônus adicional de economia de combustível aprimorada e tempo de atividade estendido ou disponibilidade da máquina.

Combustível de baixo carbono

O potencial de redução de emissões de combustíveis de baixo ou zero carbono é tão grande que o HVO foi selecionado pela revista irmã Power Progress International como seu Newsmaker do Ano de 2023. Esses combustíveis "alternativos" variam de combustíveis líquidos a produtos gasosos, como o biometano.

No entanto, é o HVO, às vezes chamado de diesel verde ou renovável, que tem o maior potencial de reduzir as emissões finais.

O OEM de motores Cummins descreve o HVO como "um combustível semelhante ao diesel que pode ser produzido sem recursos fósseis processando lipídios residuais renováveis". O combustível parafínico resultante libera CO2 quando queimado, mas pode proporcionar uma redução geral de 90% nas emissões devido ao dióxido de carbono absorvido da atmosfera ao cultivar a biomassa de origem. O combustível também produz níveis mais baixos de NOx e partículas.

Kohler aprovou todos os motores para HVO Como outros OEMs, a Kohler aprovou todos os motores para HVO, incluindo este motor diesel

Embora o HVO possa parecer uma alternativa relativamente nova, já em 2008 a Neste Oils e a SAE International lançaram um white paper comparando o desempenho do HVO puro com uma mistura de 30% HVO/70% diesel e combustível diesel sem enxofre EN 590. A conclusão foi que, usando tempos de injeção padrão, o combustível 100% HVO forneceu uma saída de NOx 6% menor e 35% menos fumaça (leia-se: "partículas") em comparação ao diesel sozinho.

Mas há desvantagens, no entanto. Um relatório da contratada Balfour Beatty observou que havia "problemas sérios" com HVO que precisavam ser resolvidos, destacando problemas com rastreabilidade em métodos de fornecimento, transporte e produção, todos os quais poderiam afetar as alegações de redução de carbono.

Embora a produção de HVO esteja aumentando � a produção total está prevista para atingir dez milhões de toneladas em toda a Europa até 2030 � isso provavelmente ainda não será suficiente para substituir totalmente o diesel fóssil. A disponibilidade será ainda mais agravada por gargalos na rede de distribuição.

Sistemas de pós-tratamento

Em meados de 2023, a Eminox, desenvolvedora e fabricante de sistemas de pós-tratamento de emissões (EATS), lançou um white paper analisando como a introdução das regulamentações de emissões Euro 7/Estágio 6 poderia impactar vários setores e suas metas de carbono líquido zero.

Para projetar o EATS para atender a essas regulamentações, a empresa usa uma "caixa de ferramentas de redução de emissões" que inclui uma variedade de tecnologias de mistura e dosagem, todas elas sob o guarda-chuva da redução catalítica seletiva (SCR).

Anthony Greatwood, gerente global de produtos da Eminox, disse que a conformidade dos motores Euro 7 para rodovias e Estágio 6 para fora de estrada seria alcançada abordando duas áreas principais: emissões de partida a frio e controle de partículas.

Caixa de aço inoxidável para um dos maiores sistemas EATS da Eminox Caixa de aço inoxidável para um dos maiores sistemas EATS da Eminox
Rodas propulsoras da unidade turbo Rodas do impulsor da unidade turbo prontas para montagem final na Cummins

Olhando para partidas a frio, há duas soluções primárias agora sob investigação. Elas incluem uma dose dupla de fluido de exaustão de diesel sendo introduzida no fluxo de exaustão, junto com um catalisador aquecido eletricamente para melhorar o desempenho antes que as temperaturas do motor aumentem.

No entanto, há problemas para a adaptação desses sistemas. O espaço de embalagem a bordo do veículo deve ser examinado para entender se é possível acomodar o hardware relacionado, juntamente com as considerações de peso. Além disso, se os sistemas de pós-tratamento forem adicionados sem calcular o impacto no motor, a contrapressão e o aumento da carga podem, em última análise, piorar as coisas.

“Quanto mais pós-tratamento e restrição você coloca em um motor, você está em desacordo com o aumento de eficiências. Você está gerando cargas adicionais no motor para criar a potência necessária para controlar as emissões�, disse Greatwood.

Ele explica que a melhor solução poderia ser alcançada tendo o especialista em pós-tratamento envolvido desde o primeiro dia do desenvolvimento do motor do zero. Isso daria suporte ao design do sistema mais eficiente, reduzindo quaisquer comprometimentos com relação à redução de emissões ou saída de potência.

Isso sugere a ideia de que uma atualização de um sistema de pós-tratamento existente pode ser difícil de desenvolver e cara de implementar; questões que precisam ser equilibradas com o custo de substituição do equipamento por um novo hardware.

Hardware do motor

Juntamente com combustíveis de baixo carbono e estratégias de pós-tratamento, outra maneira de alcançar reduções de emissões em motores a diesel é melhorar o desempenho do hardware relacionado e do software que gerencia a unidade de controle do motor.

Em termos básicos, um turbocompressor canaliza gás de escape pressurizado do motor para a câmara de combustão. Esse aumento no volume de ar permite que proporcionalmente mais combustível seja injetado na câmara, com um aumento resultante na potência do motor. Enquanto as primeiras unidades turbo sofriam de problemas de atraso, as unidades turbo modernas fornecem potência suave, melhorando a entrega de impulso e reduzindo as emissões.

A Cummins é a única OEM de motores que desenvolve e fabrica suas próprias unidades turbo. Comercializados sob a marca Holset, os turbos são projetados para aplicações leves, médias e pesadas, com muitos produtos apresentando adaptações específicas necessárias para melhorar o desempenho.

As versões mais recentes oferecem uma ampla faixa de fluxo que permite maior pressão de reforço em velocidades mais baixas do motor, enquanto a tecnologia VG oferece suporte à recirculação de gases de escape de curta distância para melhorar a eficiência de combustível e reduzir os níveis de NOx.

A Cummins também produz unidades turbo wastegate. O wastegate controla a quantidade e o tempo de liberação do excesso de gás de escape usando configurações controladas pneumaticamente ou eletronicamente. A tecnologia Wastegate pode evitar que o turbo acelere demais e reduzir o overboost do motor. Diz-se que o recurso proporciona um aumento de 3% na eficiência, sendo compatível com vários sistemas de pós-tratamento.

O biodiesel tem melhor desempenho do que o fóssil em condições frias O biodiesel tem melhor desempenho do que o fóssil em condições frias

“O foco está nas reduções de CO2 em motores a diesel, até trens de força de célula de combustível de hidrogênio. Estamos trabalhando nisso há cerca de dois anos e estamos buscando acelerar essa tecnologia�, disse Brett Fathauer, diretor executivo de Pesquisa e Engenharia da Cummins Turbo Technology.

“Estamos analisando a tecnologia de tratamento de ar, incluindo compressores, turbinas, melhorias de eficiência, juntamente com atualizações e desenvolvimentos de máquinas eletrônicas aplicáveis a sistemas de propulsão híbridos e de células de combustível.�

Usando dinâmica de fluidos computacional para entender a dinâmica física, as unidades turbo de última geração estão preparadas para aproveitar a energia "pulsada" e as interfaces de cobertura redesenhadas, destinadas respectivamente a otimizar a interação entre o fluxo de ar e as turbinas e direcionar o fluxo de forma eficiente para a câmara de combustão para fornecer níveis de potência otimizados.

Injeção de combustível

Em outras partes do motor, o sistema de injeção de combustível oferece mais potencial para reduções de emissões. O sistema de injeção common-rail CRSN da Bosch foi projetado para uso em máquinas de construção e aplicações industriais fora de estrada. Destinado a motores com até oito cilindros, um deslocamento entre quatro e 17 litros e uma potência de saída de até 1000 kW, a tecnologia CRSN pode fornecer pressões de fornecimento de combustível escaláveis.

As válvulas solenoides CRIN são essenciais para o desempenho do sistema CRSN. Operando a até 2.500 bar, as válvulas de alta pressão são capazes de atomizar o combustível em gotículas microscópicas. Isso promove uma queima mais limpa, resultando em menores emissões de CO2, menores contagens de partículas e melhor consumo de combustível. Usando informações da ECU, o sistema CRSN permite que os injetores forneçam apenas o combustível necessário para corresponder à carga/situação operacional.

Soluções de partida a frio

Vale a pena completar esta cobertura de tecnologias destinadas a reduzir as emissões de motores a diesel com detalhes que abrangem o que agora é considerado uma causa primária da poluição do motor � partidas a frio. Um whitepaper publicado pela Escola de Engenharia Mecânica da Universidade de Nantong, na China, em 2023, analisou os problemas de raiz relacionados às partidas a frio e estratégias para tentar reduzir as emissões relacionadas.

De acordo com o material, a combustão incompleta é inevitável quando a temperatura do ar e a temperatura do motor são baixas. Essencialmente, a atomização do combustível é consideravelmente mais difícil em condições frias, resultando em combustão incompleta. Os aumentos de emissões também são atribuídos ao atrito entre os componentes do motor, com o desgaste relacionado contribuindo para aumentos em todos os tipos de poluentes. Dados citados no relatório observaram que as emissões de NOx de motores a diesel de serviço pesado em condições de partida a frio podem aumentar entre 40% e 90%.

O artigo relata que o biodiesel pode fornecer reduções significativas de CO2 nas emissões de partida a frio, embora a alta concentração de oxigênio no combustível resulte em pouca mudança nas contagens de NOx e hidrocarbonetos. Dito isso, a produção desses e de outros poluentes cai muito mais rapidamente usando biodiesel em vez de combustível fóssil.

Há relatos de que a adição de etanol ao biodiesel reduz as contagens de NOx e hidrocarbonetos, mas o baixo valor de cetano do etanol pode causar aumentos na produção de dióxido de carbono.

A melhor rota para reduzir as emissões do motor diesel durante partidas a frio é aquecer o conjunto. Em motores de pequeno e médio porte, velas de incandescência são usadas como um dispositivo auxiliar para melhorar o desempenho da partida a frio. O uso delas pode reduzir a saída de CO2, NOx e hidrocarbonetos, com apenas um ligeiro aumento de partículas.

Em resumo, os autores do relatório concluíram que uma combinação de biodiesel, sistema de pós-tratamento, injeção de combustível otimizada e aquecimento de admissão seria necessária para atingir as reduções máximas de emissões de um motor a diesel em condições de baixa temperatura.

Embora uma solução esteja disponível, seria necessário que todos esses elementos estivessem disponíveis/instalados para atingir os benefícios potenciais.

Solução de energia preparada para o futuro

Em setembro de 2023, a Perkins Engines realizou o lançamento para a imprensa no Reino Unido de seu novo motor da série 2600. Exibido pela primeira vez na ConExpo no início do ano, o motor de 13 litros (também conhecido como 2606) foi projetado para oferecer a entrega de potência de um modelo de 15 ou 18 litros, mas com uma pegada menor e emissões reduzidas.

O motor produz entre 340 e 515 kW, sendo cerca de 20% mais leve do que um equivalente maior. Além disso, o motor retorna números de economia de combustível tão baixos quanto 185 g/kWh, enquanto também suporta combustíveis de substituição drop-in, como HVO e biodiesel, para reduzir drasticamente a pegada de carbono relacionada.

Embora o motor esteja em conformidade com todas as regulamentações de emissões atuais, ele foi projetado para acomodar configurações que suportarão ajustes para atingir a conformidade com todos os padrões futuros nos EUA e na UE.

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