GIULLIANO HUMBERTO CAPANA
ESTUDO DO IMPACTO DO ENXOFRE PRESENTE NO DIESEL NA
EMISSÃO DE POLUENTES E EM TECNOLOGIA DE PÓS
TRATAMENTO DE GASES DE ESCAPE
São Paulo
2008
II
GIULLIANO HUMBERTO CAPANA
ESTUDO DO IMPACTO DO ENXOFRE PRESENTE NO DIESEL NA
EMISSÃO DE POLUENTES E EM TECNOLOGIA DE PÓS
TRATAMENTO DE GASES DE ESCAPE
Trabalho de conclusão de curso apresentado à
Escola Politécnica da Universidade de São
Paulo para obtenção do título de Mestre
Profissional em Engenharia Automotiva
Área de Concentração:
Engenharia Automotiva
Orientador:
Prof. Dr. Mauricio Assumpção Trielli
São Paulo
2008
III
Dedico este trabalho aos meus pais, Henrique e Neusa,
por tudo que fizeram nesta vida por mim e
por todo o incentivo para a conclusão deste curso,
serei eternamente grato a vocês.
À minha esposa, Andréa Sabino,
pela paciência, compreensão e incentivo
nos momentos em que eu mais precisei.
Às minhas sobrinhas, Giovana e Luisa,
por serem sempre uma luz no meu caminho.
Às minhas irmãs, Kelly e Michelle,
por estarem sempre ao meu lado.
A todos os meus familiares e amigos que tenho certeza,
torcem muito por mim.
IV
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador Prof. Dr. Mauricio Assumpção Trielli, por ter acreditado na
realização deste trabalho, em sua contribuição para a área automotiva e por ter disponibilizado
o seu tempo para orientar-me.
Ao meu co-orientador Prof. Dr. Guenther Krieger Filho, pelo apoio e orientação e,
principalmente, por ter concordado em me co-orientar, mesmo sabendo de todas as barreiras
existentes para a conclusão do trabalho.
Ao engenheiro Antonio Galdino Leite Neto, companheiro de trabalho e uma referência
na minha vida pessoal e profissional.
Aos engenheiros Leonardo Bergantim, Leandro Glovaski, Cláudio Furlam e Bernardo
Limp, por compartilharem comigo os seus conhecimentos em pós-tratamento e motores.
À amiga e companheira de trabalho Stella Sales, pelo incentivo e pelo apoio para a
conclusão deste trabalho.
Às empresas MWM International, Bosch, Umicore e Corning, por disponibilizarem os
recursos necessários para a execução deste trabalho.
À Domingos Carapinha, por permitir a divulgação deste trabalho.
Aos meus superiores na empresa, Alberto Abdu e Arsênio Flexa, pelo apoio para a
realização deste trabalho.
Aos meus amigos do mestrado, que me ajudaram em todos os momentos nesta etapa
da minha vida e compartilharam suas experiências profissionais, enriquecendo o meu
conhecimento prático.
Aos professores da Escola Politécnica da USP, pela troca de experiências práticas e
teóricas.
À secretaria do curso, que sempre me ajudou com um atendimento preciso e atencioso.
Por último e não menos importante, agradeço a Deus, por permitir que eu realizasse
este curso e por me dar a luz e inspiração necessária para a conclusão desta dissertação e das
matérias ao longo do mesmo.
V
RESUMO
Os altos níveis de poluição ambiental nas grandes metrópoles vem sendo um fator de
crescente preocupação ao redor do mundo. A maior causa da poluição do ar é a combustão,
que é essencial para as nossas vidas. Uma das principais fontes poluidoras, além das
indústrias, é o veículo equipado com motor de combustão interna, movidos à gasolina, álcool
e óleo diesel, por exemplo. O uso e a necessidade de meios de transporte têm aumentado em
conjunto com o produto doméstico bruto ao redor do mundo, com isso aumenta-se também o
nível de emissões de componentes nocivos à saúde humana como o óxido de nitrogênio,
material particulado, hidrocarbonetos, monóxidos de carbono, entre outros.
Os EUA, a União Européia e o Japão, vêm liderando os planos para controle e redução
de emissões por meio de aplicação de legislações cada vez mais rigorosas. Tais legislações,
para serem atendidas, necessitam de melhorias na qualidade dos combustíveis e em utilização
de tecnologias de pós-tratamento dos gases de escape. Para veículos movidos a óleo diesel,
foco deste trabalho, o Brasil tem seguido os passos da Europa na aplicação das legislações de
emissões, porém de maneira defasada.
Para o cumprimento do próximo nível de emissões (equivalente à legislação EURO
IV), o Brasil precisará adotar um combustível de melhor qualidade em termos de teor de
enxofre, além de tecnologias de pós-tratamento dos gases. O enxofre tem um papel
fundamental nas emissões de poluentes e na tecnologia de pós-tratamento a ser adotada,
podendo o mesmo causar resultados adversos em determinadas tecnologias.
O intuito deste trabalho, que tem enfoque em veículos movidos a óleo diesel, é
fornecer uma base sobre conceitos relacionados ao motor de ignição por compressão, ao
combustível, ao resultado da combustão em termos de emissão de poluentes, a legislação de
emissões e testes de homologação em regimes permanentes e transientes de operação e as
tecnologias de pós-tratamento. Além disto, é demonstrado por meio de um teste padronizado,
o impacto de diferentes níveis de enxofre presentes no óleo diesel nas emissões de poluentes.
Demonstra-se também, o impacto do uso do óleo diesel com 2000ppm de teor de enxofre em
um sistema de pós-tratamento com catalisador de redução seletiva (SCR) e catalisador de
oxidação (DOC-slip), após teste de campo com 30000 km.
Os resultados dos testes mostraram a influência negativa do enxofre nas emissões de
material particulado, hidrocarbonetos e monóxido de carbono e também na degradação da
eficiência de conversão de hidrocarboneto e monóxido de carbono, provocados pelo
envenenamento do catalisador de oxidação. Nenhum efeito sob o SCR foi observado.
VI
ABSTRACT
The high air pollution levels are becoming an important issue around the world. One
of the main causes of air pollution is the combustion, which is essential to our lives. An
important pollutant source, besides the industry, is the internal combustion engine.
Transportation needs and usage have increased with gross domestic product (GDP) around the
world, causing an increase in the emissions level of components that may cause losses to
human health, such as nitrogen oxides, particulate matter, hydrocarbons and carbon
monoxide.
USA, European Union and Japan are leading the plans to control and reduce the
emissions through rigorous standards and laws. These standards, in order to be fulfilled,
require improvements in the fuel quality and the usage of gas exhaust after-treatment
technologies. For diesel vehicle, which is the focus of this project, Brazil is following Europe
emissions standards, but with some delay.
For achieving next emissions level (equivalent to EURO IV) Brazil has to develop a
higher fuel quality (in terms of sulfur content) and uses after-treatment technologies. Sulfur
content plays an important role in the particulate matter emissions and in the after-treatment
technology chosen, due to its influence in poisoning some catalytic converters.
This project covers basic concepts about compression ignition engines, diesel fuel, the
products from diesel combustion, emissions legislation, steady state and transient
homologation tests and after-treatment technologies. It shows the influence of sulfur content
in diesel emissions and durability results of an after-treatment system after running 30000 km
in a vehicle fueled with 2000ppm of sulfur content in diesel fuel. The after-treatment system
consists in one selective catalytic reduction (SCR) and an oxidation catalyst for reducing non
reacted ammonia (DOC-Slip).
Test results has shown a negative sulfur influence in the emissions of particulate
matter, hydrocarbons and carbon monoxide and, in the end of field durability test, degradation
in the conversion efficiency of the oxidation catalyst due to sulfur poisoning effect, which
have increased hydrocarbon and carbon monoxide emissions. No effect in the selective
catalytic reduction conversion efficiency was noticed showing that this kind of technology is
not influenced by high sulfur levels in the fuel.
VII
ÍNDICE
LISTA DE FIGURAS ..........................................................................................................IX
LISTA DE GRÁFICOS......................................................................................................... X
LISTA DE GRÁFICOS......................................................................................................... X
LISTA DE TABELAS .........................................................................................................XI
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ......................................................................... XII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ......................................................................... XII
LISTA DE SÍMBOLOS .................................................................................................... XIV
CAPÍTULO 1 – Introdução ....................................................................................................1
1.1.
Objetivo..................................................................................................................5
1.2.
Delimitação do assunto tratado ...............................................................................5
1.3.
Estrutura do trabalho...............................................................................................5
1.4.
Método de pesquisa ................................................................................................6
CAPÍTULO 2 – O motor de ignição por compressão movido a óleo diesel.............................8
2.1. O óleo diesel e suas principais características...............................................................8
2.2. O produto da combustão nos motores movidos a óleo diesel ...................................... 11
2.2.1. Óxido de Nitrogênio – NOx....................................................................................15
2.2.2. Hidrocarbonetos - HC .............................................................................................16
2.2.3. Monóxido de Carbono - CO....................................................................................18
2.2.4. Dióxido de enxofre – SO2 .......................................................................................19
2.2.5. O Material Particulado – MP ..................................................................................21
2.2.6. Óxido Nitroso – N2O ..............................................................................................26
2.2.7. Hidrogênio – H2 ...................................................................................................... 27
2.3. A legislação de emissões para veículos pesados movidos a óleo diesel.......................28
2.4. Os ciclos de testes de emissões ..................................................................................31
2.4.1. O ciclo ESC............................................................................................................ 32
2.4.2. O ciclo ETC............................................................................................................ 34
2.4.3. O ciclo ELR............................................................................................................ 36
CAPÍTULO 3 – Tecnologias de pós-tratamento de gases de escape...................................... 38
3.1. Introdução .................................................................................................................38
3.2. Redução seletiva catalítica (SCR) ..............................................................................41
3.2.1 Tipos de SCR – Substrato e Washcoat .....................................................................45
3.3. Catalisador de Oxidação - DOC.................................................................................49
3.4. DOC Slip...................................................................................................................51
3.5. Outras tecnologias de pós-tratamento do gás de escape para o controle do NOx......... 52
3.5.1. Recirculação dos gases de escape - EGR.................................................................53
3.5.2. Adsorvedores de NOx.............................................................................................54
3.5.3. Catalisadores Lean NOx - LNC ..............................................................................57
CAPÍTULO 4 – O enxofre, sua presença no óleo diesel e o seu impacto nas tecnologias de
pós-tratamento e na emissão de poluentes............................................................................. 59
4.1 Introdução ..................................................................................................................59
4.2 Enxofre.......................................................................................................................60
4.3 A relação do enxofre no óleo diesel com a emissão de material particulado ................62
4.4 A relação do enxofre no óleo diesel com os sistemas catalíticos de pós-tratamento .....64
4.5 As tendências mundiais e a situação do Brasil em relação ao teor de enxofre no óleo
diesel................................................................................................................................ 65
4.6 Principais preocupações em relação ao óleo diesel de baixo teor de enxofre ...............68
VIII
4.7 Processos de dessulfurização do óleo diesel ................................................................ 69
4.8 Principais conclusões sobre o enxofre no óleo diesel...................................................70
CAPÍTULO 5 – Ensaios realizados ......................................................................................72
5.1 Introdução ..................................................................................................................72
5.2 Configuração do sistema.............................................................................................72
5.3 Testes em dinamômetro e veículo ...............................................................................75
5.4 Equipamentos utilizados .............................................................................................80
CAPÍTULO 6 – Resultados ..................................................................................................84
6.1 Impacto do enxofre contido no óleo diesel na emissão de poluentes............................84
6.2 Eficiências de conversão de NOx, HC e CO (SCR e DOC-Slip)..................................86
6.3 Impacto do enxofre contido no óleo diesel na eficiência de conversão do SCR e do
DOC-slip..........................................................................................................................87
CAPÍTULO 7 – Conclusões e Considerações Finais.............................................................90
7.1 Trabalhos Futuros....................................................................................................... 91
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA ......................................................................................92
ANEXOS .............................................................................................................................94
IX
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - Comparação de emissão de poluentes entre um motor diesel e um motor gasolina
............................................................................................................................................. 12
FIGURA 2 - Efeito da relação ar-combustível nos níveis de emissões (motor sem póstratamento fabricado nos anos 90) ........................................................................................14
FIGURA 3 - SO2 presente no gás de escape em função do nível de teor de enxofre do óleo
diesel....................................................................................................................................20
FIGURA 4 - Representação esquemática do material particulado em motores diesel ............ 22
FIGURA 5 – Composição do MP em diferentes condições de operação do motor ................24
FIGURA 6 - Ciclo de teste ESC ...........................................................................................34
FIGURA 7 - Ciclo de teste ETC – Velocidade do veículo em diferentes trechos...................35
FIGURA 8 - Ciclo de teste ETC – Rotação do motor em função do tempo ...........................35
FIGURA 9 - Ciclo de teste ETC – Torque do motor em função do tempo.............................36
FIGURA 10 - Ciclo de teste ELR .........................................................................................37
FIGURA 11 - Pontos de congelamento para diferentes soluções de uréia .............................42
FIGURA 12 - Esquema básico de funcionamento do SCR com injeção de uréia...................43
FIGURA 13 - Conversão de NOx e escorregamento de amônia para diferentes relações
NH3/NOx .............................................................................................................................44
FIGURA 14 - Catalisador em corte ......................................................................................45
FIGURA 15 - Exemplo de banho de Al2O3 e Pt no substrato ...............................................46
FIGURA 16 - Faixas de temperatura de operação.................................................................48
FIGURA 17 - Conversão de NOx por temperatura para diferentes catalisadores SCR........... 48
FIGURA 18 - Benefícios proporcionados pelo DOC-slip em termos de conversão de NOx e
slip de amônia ......................................................................................................................51
FIGURA 19 - Esquema representativo do envenenamento do DOC-Slip por enxofre, carbono
e hidrocarbonetos .................................................................................................................52
FIGURA 20 - Esquema representativo de um motor com válvula EGR ................................ 54
FIGURA 21 - Perfil de armazenamento e liberação do NOx em um adsorvedor de NOx .....55
FIGURA 22 - Mecanismo de adsorção e redução de NOx ....................................................56
FIGURA 23 - Redução do teor do enxofre em função da legislação de emissões (Europa e
EUA) ...................................................................................................................................66
FIGURA 24 - Configuração do sistema de pós-tratamento ...................................................73
FIGURA 25 - Mapeamento de temperaturas em dinamômetro..............................................76
FIGURA 26 - Possíveis layouts (injetor e catalisador) ..........................................................76
FIGURA 27 - Posicionamento final do injetor e catalisador..................................................77
FIGURA 28 a, b - Instalação do sistema de pós-tratamento no veículo de teste (tanque de
uréia, módulo eletrônico, bomba, injetor e catalisadores)......................................................78
X
LISTA DE GRÁFICOS
GRÁFICO I - Limites de NOx e MP para diferentes legislações de emissões .........................3
GRÁFICO II - Mapeamento de temperaturas (injetor e catalisador)...................................... 77
GRÁFICO III - Eficiência de conversão NOx por posição....................................................77
GRÁFICO IV - Temperaturas após o catalisador em rota de durabilidade veicular ...............79
GRÁFICO V a - g- Emissões de poluentes em função do nível de enxofre contido no óleo
diesel....................................................................................................................................85
GRÁFICO VI - Eficiência de conversão do sistema de pós-tratamento em função da
quilometragem do veículo (avaliação em dinamômetro com S2000).....................................88
GRÁFICO VII - Eficiência de conversão do sistema de pós-tratamento em função da
quilometragem do veículo (avaliação em dinamômetro com S350)....................................... 88
GRÁFICO VIII - Eficiência de conversão do sistema de pós-tratamento em função da
quilometragem do veículo (avaliação em dinamômetro com S50) ........................................ 88
XI
LISTA DE TABELAS
TABELA I - Parâmetros avaliados em dinamômetro e meios de medição...............................7
TABELA II - Propriedades físicas dos gases formadores do NOx ........................................ 15
TABELA III - Composição de hidrocarbonetos no gás de escape de um motor de ignição por
faísca....................................................................................................................................17
TABELA IV - Propriedades físicas do monóxido de carbono ...............................................19
TABELA V - Propriedades físicas do dióxido de enxofre.....................................................21
TABELA VI - Propriedades físicas do óxido nitroso ............................................................26
TABELA VII - Propriedades físicas do hidrogênio............................................................... 27
TABELA VIII - Legislação de emissões no Brasil para ônibus e caminhões movidos a óleo
diesel....................................................................................................................................29
TABELA IX - Legislação de emissões no Brasil para ônibus e caminhões pesados movidos a
óleo diesel ............................................................................................................................30
TABELA X - Legislação de emissões na Europa para ônibus e caminhões pesados movidos a
óleo diesel ............................................................................................................................30
TABELA XI - Legislação de emissões na Europa para ônibus e caminhões pesados – ciclo
ETC .....................................................................................................................................31
TABELA XII - Ciclo ESC de teste de emissões ...................................................................33
TABELA XIII - Conversão de NOx em um motor diesel pesado com vários sistemas SCR
(motor 10 litros) – Ciclo de emissões ESC ........................................................................... 43
TABELA XIV - Redução do teor de enxofre - Highway Diesel Fuel ....................................67
TABELA XV - Características do motor e veículo ............................................................... 73
TABELA XVI - Características do analisador de CO AIA-721 ............................................ 80
TABELA XVII - Características do analisador MPA-720.....................................................81
TABELA XVIII - Características do analisador de NO/NOX CLA-720A.............................82
TABELA XIX - Características do analisador de HC FIA-720 ............................................. 83
TABELA XX - Parâmetros avaliados em dinamômetro e meios de medição ........................83
TABELA XXI - Resultado de emissões com diferentes níveis de enxofre no óleo diesel ...... 84
TABELA XXII - Eficiência de conversão dos catalisadores em conjunto e separados .......... 86
TABELA XXIII - Eficiência de conversão dos catalisadores em conjunto e separados após
teste de durabilidade............................................................................................................. 89
XII
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
GDP
Gross Domestic Product
SCR
Selective Catalytic Reduction
DOC
Diesel Oxidation Catalyst
VOC
Volatile Organic Components
MP
Material Particulado
ANP
Agência Nacional de Petróleo e Bio-Combustíveis
P6
PROCONVE 6
PROCONVE Programa de Controle de Poluição do Ar por Veículos
CNTP
Condições Normais de Temperatura e Pressão
MPD
Material Particulado do diesel
MPT
Material Particulado Total
THC
Hidrocarbonetos totais
NMHC
Hidrocarbonetos não metanos
PAH
Hidrocarboneto aromático policíclico
SOF
Fração orgânica solúvel
PPM
Partes Por Milhão
SOL
Fração Sólida
SO4
Particulados de Sulfato
EPA
Enviromental Protection Agency
EGR
Exhaust Gas Recirculation
IBAMA
Instituto Brasileiro de Meio Ambiente e dos Recursos Renováveis
ESC
European Stationary Cycle
ETC
European Transient Cycle
ELR
European Load Response
FTP
Federal Test Procedure
XIII
CAA
Clean Air Act
SI
Spark Ignition
VE
Velocidade Espacial
NAC
NOx Adorber Catalyst
DPF
Diesel Particulate Filter
LNT
Lean NOx Trap
CONAMA
Conselho Nacional do Meio Ambiente
ECU
Electronic Control Unit
ASC
Ammonia Slip Catalyst
GDI
Gasoline Direct Injection
NSR
NOx Storage Reduction
CRT
Continuous Regeneration Trap
ASTM
American Society for the Testing of Materials
WWFC
World Wide Fuel Charter
MECA
Manufaturers of Emissions Controls Association
ULSD
Ultra Low Sulfur Diesel
LSD
Low Sulfur Diesel
PWM
Pulse Width Modulation
AIA
Analisador de Infra-vermelho Não Dispersivo
MPA
Analisador Magneto-Pneumático
CLA
Analisador com Foto-diodo
FIA
Analisador com Chama de Ionização
XIV
LISTA DE SÍMBOLOS
Símbolo
Variável
NOx
Óxidos de Nitrogênio
HC
Hidrocarbonetos
SO
Óxido de Enxofre
SO2
Dióxido de Enxofre
SO3
Trióxido de Enxofre
CO2
Dióxido de Carbono
H2 O
Água
O
Oxigênio
NO2
Dióxido de Nitrogênio
‫ג‬
Relação ar-combustível
K
Temperatura em Kelvin
S
Enxofre
Ca
Cálcio
Zn
Zinco
Mg
Magnésio
Fe
Ferro
Cu
Cobre
Cr
Cromo
Al
Alumínio
CaSO4
Sulfato de Cálcio
H2SO4
Ácido Sulfúrico
N2 O
H2
AL2O3
Óxido Nitroso
Hidrogênio
Alumina
XV
Pt
Platina
Pd
Paládio
Rh
Ródio
NH3
Amônia
V2O5/TiO2 Banho de base vanádio/titânio
WO3
Trióxido de Tungstênio
BaO
Óxido de Bário
Cu/ZSM5
Banho de base cobre e zeólitos
Pt/Al2O3
Banho de base platina e alumina
α
Fator alfa (relação NH3/NOx)
1
CAPÍTULO 1 – Introdução
A poluição do ar é um produto da maneira como são estruturadas nossas cidades,
produzidos e transportados nossos bens, como nos transportamos e como geramos a energia
para aquecer e iluminar os lugares onde vivemos, trabalhamos ou nos divertimos. A maior
causa de poluição do ar é a combustão, que é essencial para as nossas vidas. Considerando a
ocorrência de uma combustão completa, o hidrogênio e o carbono contidos no combustível
combinam com o oxigênio presente no ar para produzir calor, luz, dióxido de carbono e água.
Entretanto, impurezas no combustível, relações combustível-ar distantes da estequiométrica,
ou temperaturas de combustão muito altas ou muito baixas podem causar a formação de
produtos como monóxido de carbono, óxidos de enxofre e de nitrogênio, materiais
particulados e hidrocarbonetos (não queimados ou produzidos por decomposição de
hidrocarbonetos maiores), todos estes poluidores do ar.
Como existem quantidades finitas de recursos como o ar, a terra e a água e a
população está aumentando cada vez mais, a disponibilidade per capita desses recursos
diminui cada vez mais. Do início dos tempos até 1900, a população mundial alcançou 3,9
bilhões, cresceu para 5,6 bilhões em 1993 e atingiu a marca de 6,6 bilhões em 2007.
Adicionalmente, o avanço tecnológico no campo da agricultura reduziu significativamente o
número de empregos nas áreas rurais. Nos países desenvolvidos, dois terços da população
vivem em áreas urbanas. O crescimento de áreas suburbanas e a construção de rodovias
tornaram possíveis que mais pessoas viajassem maiores distâncias e chegasse mais rápido nas
cidades. O crescimento da população combinado com um aumento no padrão de vida levou a
uma intensificação da concentração de poluentes no ar em áreas bem definidas.
Para países desenvolvidos ou em desenvolvimento, existe uma correlação bem
estabelecida entre o produto doméstico bruto per capita (GDP) e a quantidade de energia
consumida (direta ou indiretamente) por aquele cidadão.
Historicamente, este aumento no consumo de energia também provocou um aumento
na emissão de poluentes no ar.
O aumento dos níveis de ozônio troposférico (O3) nas regiões metropolitanas tem sido
objeto de preocupação por parte das instituições ambientais em todo o mundo há vários anos,
tanto pelas concentrações encontradas, quanto pela dificuldade no controle de seus
precursores.
Segundo relatório publicado pela CETESB (2000, p.8):
2
“[...] Na região metropolitana de São Paulo (RMSP), o ozônio
ultrapassa frequentemente o padrão de qualidade do ar de 160µg/m3
(82 ppb), estabelecido pela lei 8468, de 1976, e por diversas vezes
supera o valor de 200µg/m3 (102 ppb), o que determina a má
qualidade do ar. O ozônio na RMSP destaca-se, atualmente, como o
poluente com maior número de ultrapassagens do padrão [...]”.
Resolver o problema do ozônio requer reduções significativas nos componentes
orgânicos voláteis (VOC’s) e nos óxidos de nitrogênio (NOx) (WALSH et al, 2005, p.1).
Além do ozônio, outro componente que preocupa as instituições e ameaça a saúde
pública nas grandes metrópoles e em especial em São Paulo é o material particulado (MP).
Para se obter ar mais limpo é necessário um controle direto das emissões de material
particulado e os precursores do ozônio e do material particulado secundário.
Segundo WALSH et al (2005, p.1):
“[...] Objetivando-se o atendimento do padrão da qualidade do ar em
São Paulo, a quantidade de enxofre no combustível precisa ser
reduzida, para que novos padrões de veículos mais limpos possam
ser lançados e programas de retrofit possam ser estabelecidos para
os veículos em uso[...]Alto índice de enxofre no combustível faz com
que seja virtualmente impossível a utilização de tecnologias
avançadas para controlar o material particulado e os precursores do
ozônio[...] ”.
A habilidade para manter um ambiente sustentável no futuro depende, claramente, do
sucesso dos esforços mundiais para reduzir o consumo de energia, para encontrar novos
métodos para reduzir, tratar ou transformar os poluentes antes que eles se acumulem na
atmosfera e da utilização de fontes alternativas de energia.
Atualmente o Brasil encontra-se em uma fase de definições quanto às especificações,
tanto do combustível, quanto da tecnologia a ser empregada nos veículos movidos a óleo
diesel para atendimento da legislação de emissões Proconve6 (P6), equivalente à norma
européia EURO IV.
De acordo com a legislação ambiental brasileira, todos os veículos movidos a óleo
diesel, produzidos a partir de Janeiro de 2009, deveriam atender ao Proconve6.
Porém, devido a um atraso na definição da especificação do combustível por parte da
Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Bio-combustíveis (ANP), que ocorreu
oficialmente somente em Dezembro de 2007, houve problemas de disponibilização do
3
combustível por parte da Petrobras dentro do prazo estipulado e, sendo assim, as montadoras
ainda não possuem a tecnologia totalmente definida, uma vez que tal definição dependia da
especificação do combustível, principalmente em relação ao máximo teor de enxofre
permitido e de sua disponibilização no território nacional.
A especificação do teor de enxofre é fundamental para a definição do sistema de póstratamento a ser utilizado, uma vez que muitos destes sistemas são extremamente sensíveis,
em termos de contaminação e impacto negativo na emissão dos poluentes, à presença de tal
componente no óleo diesel (ex. catalisadores de oxidação, filtros de material particulado e
sistema de recirculação dos gases de escape).
A ANP definiu que o teor máximo de enxofre permitido para o P6 é de 50ppm.
Vale salientar que, mesmo com a especificação da ANP, além do óleo diesel com 50
ppm de teor de enxofre para atendimento ao P6, ainda estará disponível nas bombas de
combustível ao redor do país óleo diesel com 500ppm e com 1800ppm (em algumas regiões),
ficando a cargo dos motoristas a escolha do combustível a ser utilizado no abastecimento. Isto
principalmente porque a Petrobras, em um primeiro momento, não terá capacidade de
produzir toda a demanda nacional de óleo diesel atendendo a especificação de 50ppm.
Com relação à legislação de emissões de poluentes para motores diesel, para
atendimento do P6, uma maior atenção deverá ser dada à emissão de Óxido de Nitrogênio
(NOx) e Material Particulado (MP). O gráfico abaixo mostra como estes 2 parâmetros vêm
sendo cada vez mais reduzidos a cada nova legislação de emissões ao redor do mundo.
GRÁFICO I - Limites de NOx e MP para diferentes legislações de emissões
Fonte: Apresentação Rishi – Seminário propulsão veicular e a nova matriz energética-10/2007
Vale salientar que o motor de ignição por compressão também emite monóxido de
carbono (CO), hidrocarbonetos (HC), entre outros, porém em menor proporção quando
4
comparados ao NOx e ao MP. A legislação também prevê valores máximos para os primeiros
poluentes.
Para a redução do NOx e atendimento do P6, a maioria das montadoras no Brasil está
adotando o uso do catalisador de redução seletiva (Selective Catalytic Reduction) ou SCR.
Resumidamente, o SCR opera utilizando a injeção modulada de uma solução de água com
uréia no escapamento que, ao reagir com os gases de escape em temperaturas superiores a
200oC, transforma-se em amônia. Essa amônia, ao passar por um catalisador, converte o NOx
presente nos gases de escape em nitrogênio e água.
Este sistema, conforme os fabricantes e estudos já divulgados, é pouco sensível aos
efeitos do enxofre no óleo diesel (em termos de durabilidade, contaminação e emissões).
Porém, dependendo da quantidade de solução injetada e da eficiência do mesmo na conversão
de NOx (entrada do catalisador) em nitrogênio e água (saída do escapamento), poderá haver
emissão de amônia à atmosfera, o que é prejudicial à saúde da população e também não
permitida por lei.
Para evitar a emissão de amônia na atmosfera, existe a possibilidade do uso de um
catalisador de oxidação conhecido como DOC-slip. O fator negativo em relação ao uso deste
componente é que, conforme os fabricantes, o mesmo tem seu desempenho reduzido quando o
motor consome óleo diesel com teor de enxofre acima de 350ppm.
Com base neste cenário, a proposta deste trabalho foi avaliar a durabilidade destes dois
componentes (SCR + DOC-slip) quando expostos ao ambiente de 2000ppm de enxofre, bem
como verificar a eventual degradação de emissões do veículo por meio de medições em
dinamômetro de bancada com 0km, 10000km, 20000km e 30000km.
Este trabalho, fundamentado na literatura existente e lastreado por um estudo de caso,
buscou apresentar os conceitos das possíveis tecnologias de pós-tratamento dos gases de
escape, com foco na aplicação de um sistema SCR e DOC-slip, além de conceitos
relacionados ao motor de ignição por compressão, ao combustível, ao resultado da combustão
em termos de emissão de poluentes, a legislação de emissões e testes de homologação de
emissões em regimes permanente e transiente de operação.
Acredita-se que este projeto possa oferecer uma contribuição no que tange ao efeito do
alto teor de enxofre presente no óleo diesel nos sistemas de pós-tratamento e na emissão de
poluentes.
5
1.1. Objetivo
Avaliar, por meio de teste de durabilidade de 30000 km em veículo, o impacto do uso
do óleo diesel com 2000ppm de teor de enxofre na emissão de poluentes e nos sistemas de
pós-tratamento dos gases.
O veículo utilizado é um caminhão equipado com um motor MWM International da
família ACTEON de 6 cilindros com 290cv de potência à 2200 rpm. O sistema de póstratamento é formado por um catalisador de redução seletiva (SCR) e um catalisador de
oxidação (DOC-slip).
A avaliação quanto à eventual degradação de emissões e da eficiência de conversão do
SCR foi feita em dinamômetro respeitando as seguintes quilometragens do veículo: 0km,
10000km, 20000km e 30000km.
1.2. Delimitação do assunto tratado
Este projeto abordará o impacto do enxofre na emissão de poluentes e nas tecnologias
de pós-tratamento dos gases de escape de motores de ignição por compressão, não havendo
nenhuma referência aos motores de ignição por faísca.
Em função da vasta gama de tecnologias de pós-tratamento e pelo fato do teste de
durabilidade estar sendo feito com um catalisador de redução seletiva e um catalisador de
oxidação, maior ênfase será dada a estas duas tecnologias.
1.3. Estrutura do trabalho
Após uma breve introdução sobre o impacto do enxofre no óleo diesel nas emissões de
poluentes e nas tecnologias de pós-tratamento, a apresentação do objetivo do estudo e a
delimitação do assunto tratado, o desenvolvimento do assunto está organizado em capítulos,
conforme segue.
No capítulo 2 são apresentados conceitos sobre o óleo diesel, sobre o produto da
combustão em termos de poluentes, legislações de emissões e testes de homologação.
No capítulo 3 são descritas as principais tecnologias de pós-tratamento dos gases de
escape, com enfoque no controle das emissões de óxidos de nitrogênio em motores diesel.
6
O capítulo 4 traz um detalhamento sobre o enxofre contido no óleo diesel, seu impacto
na emissão de poluentes e em tecnologias de pós-tratamento.
O capítulo 5 aborda os ensaios realizados em dinamômetro e em veículo, referente às
avaliações quanto ao impacto do enxofre nas emissões e em tecnologias de pós-tratamento.
O capítulo 6 traz os resultados dos ensaios realizados e o capítulo 7 as conclusões,
considerações finais e sugestões para trabalhos futuros, com base nos resultados obtidos.
Faz parte ainda deste trabalho, um anexo com planilhas contendo os resultados dos
testes realizados em dinamômetro de bancada para o óleo diesel com 2000ppm de teor de
enxofre.
1.4. Método de pesquisa
O método de pesquisa utilizado neste projeto foi o experimento, realizados por meio
de testes de emissões em dinamômetro e durabilidade em veículo.
As variáveis consideradas nas avaliações, assim como os meios de medição,
encontram-se listados na tabela I.
7
TABELA I - Parâmetros avaliados em dinamômetro e meios de medição
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
Variável
Pressão atmosférica
Massa específica do combustível
Massa do combustível
Rotação do motor
Carga do motor
Vazão de ar na entrada do compressor do turbo
Pressão de entrada de ar antes do compressor
Pressão de saída de ar do compressor
Pressão de entrada de ar no coletor de admissão (após aftercooler )
Pressão de entrada dos gases na carcaça da turbina (após coletor de escape)
Pressão de saída dos gases de escape (após carcaça da turbina)
Pressão de óleo
Temperatura de entrada de ar antes do compressor
Temperatura de saída de ar do compressor
Temperatura de entrada de ar no coletor de admissão (após aftercooler )
Temperatura de entrada dos gases na carcaça da turbina (após coletor de escape)
Temperatura de saída dos gases de escape (após carcaça da turbina)
Temperatura do combustível
Temperatura do óleo
Temperatura da água
Temperatura de bulbo seco
Temperatura de bulbo úmido
Torque do motor
Potência do motor
Consumo específico de combustível
Grau de enegrecimento
Temperatura antes do catalisador
Temperatura depois do catalisador
Temperatura da uréia
Vazão de uréia injetada
Fator alpha (relação NH3/NOx)
Emissão específica de NOx
Emissão específica de HC
Emissão específica de CO
Emissão específica de material particulado (PM)
Unidade
mbar
kg/l
kg
rpm
kgf
3
m /h
mmH2O
mmHg
mmHg
mmHg
mmHg
bar
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
N.m
kW
g/kW.h
bosch
o
C
o
C
o
C
g/h
[-]
g/kW.h
g/kW.h
g/kW.h
g/kW.h
Meio de medição
Transdutor de pressão
Densímetro
Balança
Sensor de velocidade
Célula de carga
PLU
Transdutor de pressão
Transdutor de pressão
Transdutor de pressão
Transdutor de pressão
Transdutor de pressão
Transdutor de pressão
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termômetro
Termômetro
Célula de carga x braço
Cálculo
Balança + Fórmula
Medidor de fumaça
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Software INCA
Cálculo
Bancada de emissões
Bancada de emissões
Bancada de emissões
Smart sample
Onde
Dinamômetro
MWM
International
8
CAPÍTULO 2 – O motor de ignição por compressão movido a óleo diesel
2.1. O óleo diesel e suas principais características
O óleo diesel é uma mistura de hidrocarbonetos que possui ponto de ebulição entre o
querosene e os óleos lubrificantes, ou seja, entre 180 e 360 °C. Assim como a gasolina, uma
boa parte do óleo diesel produzido nas refinarias provém da quebra de moléculas maiores do
petróleo (craqueamento).
Os requisitos principais do óleo diesel para os motores de ignição por compressão,
são:
•
Qualidade da Ignição – Indicado pelo número de cetano, exprime a
capacidade do combustível de iniciar sua combustão rapidamente dentro de
um ambiente com ar aquecido a alta temperatura. Quanto maior o número de
cetano do combustível, maior é o período de atraso de ignição (ignition
delay) para mesmas condições estabelecidas para a combustão (vazão
volumétrica, avanço de injeção, temperaturas do ar de admissão e de água de
arrefecimento, etc.).
•
Ponto de entupimento – Devido à parafina contida no óleo diesel, em
ambientes mais frios, a solidificação desta pode causar entupimentos de
filtros e linhas de alimentação dos motores. Normalmente, para ambientes
com temperaturas abaixo de 10°C a temperatura de solidificação de parafina
não deve ser superior a 2°C, já para alguns países da Europa este requisito
passa para valores entre -9°C e -15°C.
•
Ponto de fulgor (Flash Point) - É a menor temperatura em que o óleo diesel
desprende vapores suficientes para formar com o ar uma mistura que se
inflama espontaneamente com a aproximação de uma chama. Valores típicos
de ponto de fulgor para o óleo diesel estão acima de 55°C, por questões de
segurança de manipulação. No Brasil, o limite inferior é de 38°C.
•
Viscosidade – Esta propriedade é de suma importância para a vida do
sistema de injeção, pois, ele é lubrificado pelo próprio óleo diesel. Porém,
uma viscosidade excessiva, além de demandar maior potência de
bombeamento, pode dificultar a formação de spray e consequentemente
9
reduzir a potência do motor e aumentar suas emissões específicas. De uma
forma geral, a viscosidade do óleo diesel varia entre 2 e 5,0 (cSt).
•
Massa específica - Esta característica é importante, pois está relacionada
com o poder calorífico de derivados de petróleo, que são, basicamente,
formados por hidrocarbonetos. Massas específicas mais altas possuem maior
poder calorífico, o que reduz o consumo de combustível e aumenta a
formação de NOx. Esta também relacionada com os esforços aos quais os
sistemas de injeção ficam submetidos. Os valores típicos de massa específica
estão entre 0,82 e 0,88 kg/l (CNTP).
•
Curva de destilação – Normalmente expressa em quantidade percentual de
volume evaporado a certa temperatura. A curva de destilação tem influência
significativa na determinação das características de operação do óleo diesel,
ou seja, se uma boa parte do óleo diesel evaporar em baixas temperaturas, a
partida e a dirigibilidade a frio fica facilitada. Porém, em geral, o número de
cetano e também o poder de lubrificação deste óleo são reduzidos, podendo
assim causar desgaste prematuro no sistema de injeção. Se, ao contrário, a
curva de destilação for deslocada para valores muito altos, facilita-se a
formação de fuligem e depósitos de carvão nos pistões e bicos injetores.
Valores comuns para a curva de destilação estão em: máximo de 65% de
evaporados até a temperatura de 250°C e mínimo de 85% de evaporados até
a temperatura de 350°C.
•
Teor de enxofre – A presença/quantidade de enxofre no óleo diesel é função
do petróleo utilizado e do tratamento utilizado pela refinaria para a retirada
do enxofre. Uma vez presente, durante a combustão, boa parte do enxofre se
oxida formando SO2 que por sua vez irá combinar com água para formar
ácidos, entre eles o ácido sulfúrico que traz efeitos danosos para a saúde e
também equipamentos. Um outro ponto negativo é que os compostos de
enxofre formados aumentam a massa de material particulado produzido em
uma proporção direta com a quantidade de enxofre no combustível. Devido a
estes efeitos negativos da presença de enxofre no óleo diesel, os teores
máximos de enxofre permitidos pelas leis governamentais são cada vez
menores a cada ano que passa, principalmente nos grandes centros
populacionais. Somente para efeito de ilustração, na década de 80 era
permitido no Brasil até 1,3% (13000 ppm) de enxofre no óleo diesel, hoje
10
este valor está limitado a 0,05 % (500 ppm) nos grandes centros urbanos e
0,2% (2000 ppm) no restante do país. Já em alguns países da Europa e EUA
a quantidade de enxofre não pode exceder 0,0015% (15 ppm). Para a
próxima legislação brasileira, o teor de enxofre no óleo diesel será de
0,005% (50 ppm), caso a legislação adotada seja equivalente à EURO IV, ou
0,0015%, caso passe diretamente para EURO V em 2012.
•
Aditivos - Assim como a gasolina, o óleo diesel também recebe alguns
aditivos que somados, normalmente não excedem a 0,1% em massa.
Algumas propriedades físicas tais como massa específica, viscosidade e
curva de evaporação não são afetadas pelos aditivos. Esses em geral atuam
em características como: diminuição da temperatura de precipitação de
parafina, aumento do número de cetano, inibição da formação de depósitos
em bicos injetores, inibição da corrosão, criação de agentes que dificultam a
formação de espuma, etc.
Principais vantagens do uso do óleo diesel:
- Tecnologia e infra-estrutura amplamente desenvolvida para obtenção, manuseio e
distribuição.
- Gama enorme de fabricantes e modelos de motores disponíveis em todo o mundo.
- Motores com elevado rendimento térmico.
- Alta densidade de energia, que permite aos veículos grandes autonomias sem
aumentar demasiadamente o peso nos veículos.
- Disponibilidade a nível mundial de veículos desenvolvidos dos mais variados tipos.
- Facilidade de manutenção dos motores, com mão de obra treinada em todo o mundo.
- Os veículos movidos a óleo diesel operaram satisfatoriamente em qualquer posição
do globo terrestre.
- A economia mundial emprega milhões de pessoas que estão direta ou indiretamente
ligadas à obtenção, acondicionamento, distribuição, uso do óleo diesel, etc.
Principais desvantagens do uso do óleo diesel:
- Fonte não renovável de energia, uma vez que ela é quase totalmente obtida do
petróleo.
- Emissões gasosas provenientes da combustão poluidoras e nocivas à saúde.
- Facilidade de deterioração quando estocados em períodos superiores a 6 meses.
- Custo e peso dos motores são substancialmente maiores quando comparados aos
similares movidos a gasolina.
11
2.2. O produto da combustão nos motores movidos a óleo diesel
Podemos dizer que os veículos automotores agridem o meio ambiente de várias formas
diferentes, tais como:
* Ruídos provenientes do motor, da transmissão, dos pneus, etc;
* Materiais sólidos que saem dos pneus, das correias, lonas e pastilhas de freio;
* Emissões evaporativas;
* E, principalmente com os gases que são expelidos pelos escapamentos.
O motor movido a óleo diesel, como qualquer outro motor de combustão interna,
converte a energia química contida no combustível em energia mecânica. O óleo diesel é uma
mistura de hidrocarbonetos que teoricamente produz somente dióxido de carbono (CO2) e
água (H2O) durante a combustão (completa). Na verdade, os gases de escape são
primariamente compostos de CO2, H2O e a porção não utilizada do ar. As concentrações
desses gases variam dependendo do motor e as condições de carga e rotação do mesmo,
tipicamente nas seguintes faixas:
* CO2 – 2 a 12%
* H2O – 2 a 12%
* O2 – 3 a 17%
* N2 – dependente da relação combustível-ar
As emissões incluem, também, poluentes que podem ser tóxicos para os seres
humanos ou causar efeitos negativos ao meio ambiente. Os poluentes emitidos pelo motor
movido a óleo diesel são resultados de combustões originadas em processos não ideais de
queima durante a combustão real. Estes processos incluem queima incompleta do
combustível, reações da mistura combustível-ar em condições de alta pressão e temperatura,
combustão de óleo lubrificante e aditivo misturado ao combustível, como também a
combustão de componentes “não-hidrocarbonetos” do óleo diesel, como o enxofre e vários
aditivos.
De uma forma genérica poderíamos então descrever a reação de combustão dentro de
um motor da seguinte forma:
Combustível + Ar → CO2 + H2O + N2 + O2 + CO + NOx + HC + MP + SOx + Fuligem +
Aldeídos + Outros + Energia.
Alguns dos componentes emitidos pelo motor diesel são regulados nos Estados
Unidos, Europa e Japão e em vários outros países. As legislações de emissões incluem
principalmente os seguintes componentes:
12
•
Material Particulado (MP), também conhecido como MPD (material
particulado do diesel) ou MPT (material particulado total), legislado pela
massa de partículas emitidas. MP é uma mistura de fuligens de carbono com
outros materiais sólidos e líquidos adsorvidos.
•
Óxidos de nitrogênio (NOx), uma mistura de óxido nítrico (NO) e dióxido de
nitrogênio (NO2).
•
Hidrocarbonetos (HC) incluem os hidrocarbonetos totais (THC) ou somente
os hidrocarbonetos “não metanos” (NMHC).
•
Monóxido de carbono (CO).
Na União Européia, o número de partículas emitidas tornou-se regulamentado na
legislação EURO V. O limite de número de partículas emitidas deve ser atendido em conjunto
com o limite de massa de MP.
Devido ao fato do motor diesel operar por meio da formação de uma mistura de ar e
combustível que entra em da ignição por compressão, com a combustão acontecendo durante
e após a injeção de combustível, a emissão de poluentes é diferente daquela observada em
motores de ignição por faísca. Tal afirmação pode ser comprovada na figura abaixo que
mostra uma comparação entre emissões de veículos leves movidos a óleo diesel e a gasolina.
Ambos os motores foram avaliados com base no ciclo de teste europeu.
FIGURA 1 - Comparação de emissão de poluentes
entre um motor diesel e um motor gasolina
(4 cilindros, MY1992, 1.7 litros)
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 11/08/08.
Emissões de monóxido de carbono e hidrocarbonetos nos motores diesel são
significativamente menores que nos motores a gasolina. O NOx emitido pelo motor diesel é
usualmente menor que nos motores a gasolina e maior quando comparados a motores que
13
utilizam catalisadores de três vias (three way catalyst). Uma outra característica nos motores
diesel é o fato deste emitir uma alta massa de material particulado, que é bastante reduzida
nos motores a gasolina. Redução nas emissões de material particulado e NOx em motores
diesel são os maiores objetivos nas tecnologias de controles de emissões de hoje em dia.
Existem ainda alguns poluentes que não são regulamentados e que podem ser
encontrados junto aos gases de escape, usualmente em níveis de concentração muito mais
baixos do que os regulados pela lei. Alguns deles são partes da complexa emissão do material
particulado, outros são espécies totalmente separadas na fase gasosa. Uma lista de
componentes não regulados emitidos pelo motor diesel pode ser encontrada abaixo:
•
PAH – hidrocarboneto aromático policíclico, componente orgânico pesado
encontrado em sua maioria no MP, mas alguns PAH’s podem ser também
encontrados na fase gasosa.
•
SOF (soluble organic fraction) ou fração orgânica solúvel, componente
semi-volátil que constitui parte do MP.
•
Aldeídos (R-CHO) derivados de hidrocarbonetos (o formaldeído, HCHO, é
regulamentado em algumas aplicações).
•
Dióxido de nitrogênio, NO2, constitui uma parte das emissões de NOx (ainda
mais tóxico que o NO, tipicamente não é regulamentado separadamente).
•
Óxido nitroso, N2O, não está incluso no NOx.
•
Dióxido de enxofre, SO2, proveniente da oxidação do enxofre presente no
óleo diesel durante a combustão.
•
Óxidos metálicos, resultantes dos muitos aditivos presentes nos óleos
lubrificantes do motor, incluindo componentes organo-metálicos, resultam
em emissões de óxidos metálicos incluindo metais como o fósforo, zinco e
cálcio. Aditivos utilizados em combustíveis utilizados como meios de
controlar as emissões de poluentes podem resultar nas emissões de ferro,
cobre e cério ou outros metais.
•
Dioxinas – a combustão em motores diesel é uma fonte potencial de
emissões de dioxina.
Os níveis de emissões de um motor diesel dependem de uma série de fatores. Nos
motores mais recentes, significativas reduções nas emissões de poluentes foram obtidas com a
finalidade de se atender as legislações cada vez mais rigorosas. Para um dado motor, as
emissões dependem de suas condições de operação. A figura 2 ilustra exemplos de níveis de
14
emissões em função da relação ar-combustível. Emissões de NOx e MP são maiores em
relações mais baixas de ar-combustível, já concentrações de HC, mostram tendências opostas
ao incrementar-se essa relação, enquanto o CO, inicialmente reduz sua concentração e então
passa a crescer à medida que a relação ar-combustível aumenta.
FIGURA 2 - Efeito da relação ar-combustível nos níveis de
emissões (motor sem pós-tratamento fabricado nos anos 90)
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 11/08/08.
Os níveis de emissões mostrados na figura 2 (com exceção à fuligem) estão expressos
como uma concentração volumétrica nos gases de escape, em partes por milhão. Devido à
variabilidade de níveis de emissões em função das condições do motor, esta não é uma
maneira conveniente de representar e comparar motores ou de estabelecer padrões de
emissões. Uma abordagem comum nos testes de emissões é de operar o motor em uma
seqüência de rotações e cargas escolhidas para representar um ciclo de trabalho real. As
emissões medidas ao longo do teste são expressas relativamente à distância percorrida (g/km)
para veículos leves, ou levando-se em conta o trabalho mecânico realizado pelo motor
(g/kWh) para veículos pesados.
Uma redução expressiva nas emissões de poluentes foi atingida desde os anos 70. Esta
redução tornou-se possível, principalmente, devido ao avanço tecnológico do motor, das
tecnologias de pós-tratamento e da melhoria na qualidade do combustível.
A seguir, encontram-se os detalhes dos principais produtos da combustão no motor
movido a óleo diesel.
15
2.2.1. Óxido de Nitrogênio – NOx
Óxidos de nitrogênio, conforme definido pela legislação de emissões incluem óxido
nítrico (NO) e dióxido de nitrogênio (NO2) em sua formação. As propriedades físicas de
ambos os gases são listados na tabela abaixo.
TABELA II - Propriedades físicas dos gases formadores do NOx
Nome
Óxido nítrico
Dióxido de nitrogênio
Fórmula molecular
NO
NO2
Massa molecular (u.m.a)
30.01
46,01
Aparência
Gás sem cor
Densidade
1,0367 (relativa ao ar)
...
Temperatura de fusão
-161º C
-9,3º C
-151º C
21,3º C
Temperatura de
vaporização
Gás vermelho
amarronzado
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 11/08/08
A formação do NOx é facilitada em regimes de misturas pobres (excesso de ar) nas
situações de alta pressão e temperatura na câmara de combustão. De uma forma geral, quase
que a totalidade de NOx se forma quando a temperatura na câmara se encontra acima de 2000
K (1727°C).
Hoje em dia o NOx é o maior limitante para se obter melhor rendimento térmico do
motor. Faz-se necessário, incrementos de temperatura e pressão na câmara de combustão, que,
em contra partida, aumentam a formação de óxidos de nitrogênio.
Concentrações de NOx no gás de escape são tipicamente entre 50 e 1000ppm. Se as
concentrações são dadas em unidades de massa, o NOx é usualmente expresso como NO2.
O óxido nítrico (NO) é um gás sem cor e sem cheiro. No laboratório, ele pode ser
sintetizado diretamente do nitrogênio e oxigênio sob altas pressões e temperaturas, conforme
equação abaixo:
N2 + O2 2NO – 182,4 kJ/mole.
O sinal negativo representa uma reação endotérmica. A equação acima pode também
representar a reação geral da formação do NO por meio dos elementos presentes no cilindro
16
do motor, onde as temperaturas e pressões são altas. Em baixas temperaturas e pressões, o
equilíbrio químico move-se para o lado esquerdo da equação.
Em motores mais antigos, aproximadamente 95% do óxido de nitrogênio era composto
de NO e somente 5% de NO2. A proporção de NO2 no total do NOx aumentou de maneira
significante com o advento dos motores diesel turbo alimentados, passando a representar 15%
ou mais da parcela de NOx. O NO pode ser facilmente oxidado pelo oxigênio transformandose em dióxido de nitrogênio em condições ambiente:
2NO + O2 2NO2 + 113,8 kJ/mole
A reação acima ocorre espontaneamente (porém não instantaneamente) na mistura
NO-ar depois que o gás de escape atinge a atmosfera. Pode ser também acelerada por
catalisadores, como catalisadores de oxidação diesel e filtros de material particulado
catalíticos. NO2 é um gás tóxico com um desagradável e irritante odor. O NO2 é
extremamente reativo e possui fortes propriedades de oxidação. A redução do NO2, a qual
ocorre em vários tipos de controles de emissões catalíticos podem incluir a oxidação de
hidrocarbonetos, monóxido de carbono e também particulados.
Os óxidos de nitrogênio são altamente ativadores dos precursores do ozônio,
desempenhando um papel importante na formação do smog1. O NOx, em conjunto com o
particulado, são os poluentes mais críticos emitidos pelo motor movido a óleo diesel.
2.2.2. Hidrocarbonetos - HC
Hidrocarbonetos, ou mais apropriadamente emissões orgânicas, são uma conseqüência
da combustão incompleta do combustível. O nível de hidrocarbonetos não queimados no gás
de escape é geralmente especificado em termos de concentração total de hidrocarboneto
(THC) em partes por milhão. Enquanto a emissão total de hidrocarboneto é bastante usual
para indicar a ineficiência da combustão, ela não é necessariamente um indicador significante
de emissões de poluentes, uma vez que o gás de escape possui uma vasta gama de
hidrocarbonetos. A tabela III mostra um desmembramento por classe de hidrocarboneto em
um motor de combustão por faísca, com e sem um conversor catalítico, abastecido com
gasolina.
1
Smog (smoke + fog = smog): é um tipo de poluição do ar produzido quando a luz do sol age em conjunto com
o gás de escape para formar substâncias prejudiciais como o ozônio (O3), aldeídos e peroxi-acetil-nitrato (PAN).
17
TABELA III - Composição de hidrocarbonetos no gás de escape de um motor de ignição por faísca
Carbono, percentual nos hidrocarbonetos totais
Parafinas
Olefinas
Naftênicos
Aromáticos
Sem catalisador
33
27
8
32
Com catalisador
57
15
2
26
FONTE: HEYWOOD, 1988, pg.597
Alguns destes hidrocarbonetos são praticamente fisiologicamente inertes e são
virtualmente não reativos do ponto de vista de smog. Outros são altamente reativos na
produção do smog. Alguns hidrocarbonetos, como o benzeno, por exemplo, são tóxicos e
cancerígenos.
A composição do combustível pode influenciar significativamente na composição e na
magnitude das emissões orgânicas. Combustíveis contendo altas proporções de aromáticos e
olefinas produzem relativamente maiores concentrações de hidrocarbonetos reativos.
Entretanto, muitos dos componentes orgânicos encontrados nos gases não estão presentes no
combustível, indicando a ocorrência de combustões incompletas durante o processo de
combustão.
Compostos oxigenados estão presentes nos gases de escape, e são conhecidos por
participarem na formação do smog. Alguns destes compostos são também irritantes e exalam
mau cheiro. São geralmente categorizados como carbonilas, fenóis e outros. As carbonilas
representam aproximadamente 10% das emissões de HC em carros de passeio equipados com
motores diesel, mas somente um pequeno percentual em veículos de combustão por faísca
movidos a gasolina.
Os hidrocarbonetos encontrados na fase gasosa constituem uma mistura de várias
espécies de derivados do óleo diesel e do óleo lubrificante. O combustível é caracterizado por
ser hidrocarbonetos de cadeias curtas de carbono enquanto o óleo lubrificante contém
hidrocarbonetos de cadeias mais longas. CnHm, a fórmula química genérica para
hidrocarbonetos, representa uma molécula com “n” átomos de carbono e “m” átomos de
hidrogênio.
Nas
normas
de
emissões,
os
hidrocarbonetos
são
regulamentados
como
hidrocarbonetos totais (THC) e também como hidrocarbonetos não metano (NMHC), a última
categoria exclui o hidrocarboneto metano (CH4) devido sua baixa reatividade atmosférica. A
concentração de metano dos gases de escape em motores diesel também é considerada muito
baixa. Algumas normas de emissões são expressas em NMHC para garantir compatibilidade
18
com outras e também pelo fato do metano não ser considerado um precursor do ozônio,
apesar de ser um importante gás de efeito estufa.
Os hidrocarbonetos presentes no gás de escape são divididos entre as fases gasosas e a
particulada (líquida ou adsorvida). Não existe uma distinção clara entre hidrocarbonetos
voláteis e não voláteis. Como uma referência, componentes com pressão de vapor acima de
0,1mmHg em condições padrões (20º C, 760mmHg) podem ser considerados voláteis. Com
relação a aplicações diesel, os hidrocarbonetos voláteis contêm espécies alifáticas e
aromáticas com aproximadamente 24 átomos de carbono em sua molécula. As legislações de
emissões referem-se aos gases voláteis ao determinar os limites de HC. A fase relacionada ao
particulado é descrita como SOF (soluble organic fraction) e será tratada posteriormente no
tópico referente ao material particulado.
Os hidrocarbonetos devem ser oxidados pelo oxigênio para produzir dióxido de
carbono e água, conforme equação abaixo. Esta é uma das reações fundamentais que ocorrem
em catalisadores para controle de emissões.
CnHm+ (n + m/4)O2 = nCO2 + (m/2)H2O
2.2.3. Monóxido de Carbono - CO
O monóxido de carbono é um gás inodoro, sem cor, bastante tóxico e possui quase a
mesma massa específica do ar. Em altas concentrações o CO é bastante inflamável. Quando
respirado assume o lugar do oxigênio na hemoglobina; uma concentração de 0,3% em volume
pode matar uma pessoa adulta em menos de trinta minutos.
O CO é formado em reações incompletas de combustão e a sua concentração é mais
alta nos regimes de marcha lenta e durante a fase fria de funcionamento do motor.
Hoje em dia, a emissão de CO em motores a óleo diesel é relativamente baixa. As
concentrações de carbono variam entre 10 a 500ppm.
Em temperaturas elevadas ou por meio de um catalisador de oxidação, o monóxido de
carbono pode ser oxidado pelo oxigênio, formando o dióxido de carbono, conforme descrito
na equação abaixo:
2CO + O2 = 2CO2 +565,6 kJ/mole
A reação produz um efeito significante de liberação de calor e no caso dos gases
estiverem enriquecidos em termos de CO, poderá causar um significante aumento da
19
temperatura do gás nos catalisadores desenvolvidos para oxidar o CO. A oxidação adiabática
de 1% de CO no escapamento aumenta a temperatura do gás em aproximadamente 100º C.
TABELA IV - Propriedades físicas do monóxido de carbono
Nome
Monóxido de Carbono
Fórmula molecular
CO
Massa molecular (u.m.a)
28,01
Aparência
Gás sem cor, inodoro, sem
sabor e não corrosivo
1,250 kg/m3
Massa específica
(0 ºC, 1 atm)
0,968 (relativa ao ar)
Temperatura de fusão
-205º C
Temperatura de
-191,5º C
vaporização
Limites de inflamabilidade
12,5 – 74,2 vol.%
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 11/08/08
2.2.4. Dióxido de enxofre – SO2
O dióxido de enxofre origina-se do enxofre contido no óleo diesel e no óleo
lubrificante e é um componente cujo limites não são estabelecidos pelas legislações de
emissões. O SO2 é um gás sem cor com um odor irritante. Ele pode ser oxidado e formar o
trióxido de enxofre (SO3) que é o precursor do ácido sulfúrico responsável por chuva ácida. A
maioria do enxofre contido no gás de escape existe na forma de SO2, apenas 2 a 5% é emitido
como SO3.
A concentração de dióxido de enxofre no gás de escape é diretamente proporcional ao
teor de enxofre presente no óleo diesel. A concentração de SO2 pode ser calculada pelo
consumo de combustível e seu teor de enxofre com uma ótima acuracidade. Este cálculo,
baseado em uma relação ar-combustível de 20, valor típico para motores diesel operando em
condições de plena carga, pode ser observado na figura a seguir. Como evidenciado na figura,
óleo diesel contendo 500ppm de teor de enxofre, acarretará na emissão de aproximadamente
20ppm de SO2 no escapamento.
20
FIGURA 3 - SO2 presente no gás de escape em função do nível de teor de enxofre do
óleo diesel
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 11/08/08.
À medida que o teor de enxofre no combustível vem sendo cada vez mais reduzido, o
óleo lubrificante deve tornar-se uma importante fonte de SO2 no gás de escape. Óleos
lubrificantes tipicamente possuem 4000 a 10000ppm de enxofre, basicamente como parte do
pacote de aditivos. Aditivos anti-desgaste tipicamente contém zinco, enxofre e fósforo. Dois
casos relacionados à contribuição do enxofre presente no óleo lubrificante na emissão de SO2
são mostrados na figura 3. A reta paralela e mais próxima do eixo das abscissas corresponde
ao óleo lubrificante consumido em uma taxa de 0,1% em relação ao consumo de combustível
e contendo 4000ppm de enxofre. O SO2 produzido pode ser comparado ao de 5ppm de
enxofre no combustível. A reta paralela acima da anterior representa o pior cenário com um
óleo lubrificante de 10000ppm, consumido a uma taxa de 0,2% em relação ao consumo de
combustível. Neste caso, o enxofre derivado do óleo lubrificante é maior que o produzido
pelo óleo diesel de aproximadamente 15ppm de teor de enxofre.
A concentração de sulfatos no particulado também depende do teor de enxofre no
combustível. Quando um óleo diesel de alto teor de enxofre é utilizado (0,25% S),
aproximadamente 0,050 g/HPh de sulfatos no particulado é gerado. A emissão de sulfato no
particulado reduz para aproximadamente 0,01 g/HPh quando um óleo diesel de 500ppm é
utilizado. Catalisadores, como os utilizados para oxidação ou como filtros de material
particulado, podem converter uma porção significante de SO2 em SO3 e aumentar
substancialmente as emissões de sulfato. A tabela V abaixo traz um resumo das propriedades
do dióxido de enxofre.
21
TABELA V - Propriedades físicas do dióxido de enxofre
Nome
Dióxido de enxofre
Fórmula molecular
SO2
Massa molecular (u.m.a)
64,06
Aparência
Gás sem cor e odor
irritante
Densidade
2,264 (relativa ao ar)
Temperatura de fusão
-75,5º C
Temperatura de
vaporização
-10º C
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 11/08/08
2.2.5. O Material Particulado – MP
O material particulado está associado à fumaça preta tradicionalmente emitida pelos
veículos equipados com motores diesel. Os particulados do óleo diesel formam um sistema
complexo de aerossóis. Apesar de uma grande quantidade de estudos, a formação do material
particulado no cilindro, suas propriedades físicas e químicas e seus efeitos na saúde humana
ainda não são completamente entendidos. No entanto, com base no que já é conhecido, o MP
é considerado um dos poluentes mais prejudiciais produzidos pelo motor diesel. O particulado
no motor diesel está sujeito às legislações de emissões ao redor do mundo e, em conjunto com
o NOx, tornou-se o foco nas tecnologias de controle de emissões.
Ao contrário das emissões gasosas, o MP não é uma espécie química bem definida. A
definição do MP é determinada por um método de amostragem, que envolve a coleta de uma
amostra de gases do escapamento, diluição com o ar, e retenção em filtros específicos. A
concentração de particulados emitidos é determinada pela massa de MP retida neste filtro. Tal
coleta é feita seguindo procedimentos estabelecidos que garantem a padronização do método.
O MP é composto de partículas elementares de carbono que se aglomeram e adsorvem
outras espécies para formarem estruturas com propriedades físicas e químicas complexas.
Possui distribuição bi-modal, sendo uma mistura entre modos nucléicos e de acumulação
(nuclei mode e accumulation mode, respectivamente), esquematicamente mostrados na figura
4.
22
FIGURA 4 - Representação esquemática do material particulado em motores
diesel
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 11/08/08.
O modo nucléico é formado por partículas bem pequenas, entre 0,007 e 0,04 µm
(microns) de acordo com a maioria dos pesquisadores ou até menores, ou até menores (0,003
a 0,03 µm) conforme estudos mais recentes. Acredita-se que estas pequenas partículas
consistam basicamente de hidrocarbonetos e ácido sulfúrico condensado. Estas partículas
constituem a maioria do número de particulas (90%), no entanto com porcentagem baixa na
massa do particulado total.
As partículas do modo de acumulação são formadas a partir da aglomeração de
partículas primárias de carbono e outros materiais sólidos, acompanhados pela adsorção de
gases e condensação de vapores. São compostos principalmente de carbono sólido misturados
com hidrocarbonetos pesados, mas podem também incluir componentes do enxofre, cinzas
metálicas, metais provenientes do desgaste dos cilindros, etc. Seu diâmetro varia entre 0,04 e
1 µm. A maioria da massa de material particulado emitido é composta de partículas
aglomeradas.
Baseado em análises desempenhadas por meio de uma combinação de métodos físicos
e químicos, o MP é tradicionalmente dividido em três frações principais e sub-categorizado
conforme abaixo:
- Fração sólida (SOL - solid fraction)
* carbono elementar
* cinzas
- Fração orgânica solúvel (SOF – soluble organic fraction)
* material orgânico derivado do óleo lubrificante
* material orgânico derivado do combustível
- Particulados de sulfato (SO4 – sulfate particulates)
23
* sulfatos
* ácido sulfúrico
* água
De acordo com esta classificação, o material particulado total (MPT) pode ser definido
como:
MPT = SOL + SOF + SO4
A fração sólida do particulado é composta primariamente de elementos do carbono.
Este carbono, não ligado quimicamente com outros elementos é a fuligem responsável pelas
emissões de fumaça preta pelo escapamento. A porção carbonácea do MP é gerada na fase de
combustão residual em motores diesel, sendo que os precursores das partículas sólidas são
formados nas fases de difusão e pré-mistura da chama.
Outro importante componente da fração sólida do MP é a cinza metálica (metallic
ash). Nos novos motores que produzem menos particulados de carbono, a importância relativa
da emissão de sólidos não-carbonáceos aumenta. Os fabricantes de filtros de material
particulado levam em conta a emissão deste componente na definição do material a ser
utilizado, o qual deve ser formulado para resistir à corrosão pelo mesmo. Em geral, as cinzas
presentes no escapamento de um motor diesel consistem em uma mistura dos seguintes
componentes:
* sulfetos, fosfatos, ou óxidos de cálcio (Ca), zinco (Zn), magnésio (Mg), e outros
metais que são formados na câmara de combustão por meio da queima de aditivos do óleo
lubrificante. Estes componentes estão presentes no óleo lubrificante como detergentes,
dispersantes, ácidos neutralizadores, anti-oxidantes, inibidores de corrosão, etc. A emissão de
cinzas do óleo lubrificante pode ser modelada baseada no teor de cinza contida no mesmo
(tipicamente 1,5% em óleos mais antigos e abaixo de 1% nos óleos mais novos) e na taxa de
consumo de óleo (tipicamente 0,1-0,2% do consumo de óleo diesel);
* impurezas de óxidos metálicos provenientes de desgastes no motor, que são
carregados para dentro da câmara de combustão pelo óleo lubrificante. Aqui inclui-se óxidos
de ferro (Fe), cobre (Cu), cromo (Cr) e alumínio (Al);
* Óxidos de ferro provenientes da corrosão do coletor de escape e outros componentes
do sistema de exaustão. Dependendo da composição dos materiais do sistema de escape, estas
partículas podem incluir cromo, níquel e alumínio.
A fração orgânica solúvel é formada por hidrocarbonetos adsorvidos nas partículas de
carbono e/ou presentes na forma de pequenas gotas. O adjetivo “solúvel” originou-se na
técnica de extração com solventes utilizada para isolar a fração orgânica do particulado.
24
Algumas vezes esta fração é também chamada de fração orgânica volátil (VOF - volatile
organic fraction). A proporção de SOF no MP total pode variar de maneira significativa entre
os motores. O particulado com baixo teor de SOF é chamado particulado “seco”. Já o MP
com alto teor de SOF é denominado particulado “úmido”. No particulado úmido a fração
orgânica corresponde a mais de 50% do particulado total. No particulado seco, o teor de SOF
deve ser menor que 10%. Para um dado motor, o SOF é fortemente dependente das condições
de operação do mesmo. Tipicamente, o teor de SOF é mais alto nas baixas cargas do motor,
em situações onde a temperatura de escape é baixa. Esta afirmação pode ser observada na
figura 5, que apresenta o total de emissões de particulados e a parcela de SOF, medidos em
várias condições estabilizadas de rotação e carga em um motor 2.8l movido a óleo diesel.
Todas as medições realizadas em condições de temperatura de escape abaixo de 200º C
mostraram teor de SOF maior que 50% no total do particulado. Já em cargas maiores que 70%
e temperaturas de escape superiores a 400º C, o teor de SOF caiu para menos de 5%.
FIGURA 5 – Composição do MP em diferentes condições de operação do motor
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 11/08/08.
Esta tendência na temperatura foi também confirmada durante testes de emissões em
partida a frio, que mostraram valores 25% mais altos de SOF quando comparados aos obtidos
durante testes de partida a quente. A variação do SOF em função da tecnologia do motor e
condições de operação pode ser extremamente importante no desenvolvimento de estratégias
de controle do MP, uma vez que os sólidos comportam-se diferentemente do SOF nos
catalisadores de oxidação e nos filtros de particulado.
25
Carbonilas, incluindo aldeídos e cetonas, podem também estar presentes no SOF. No
entanto, de acordo com estudos experimentais, o seu teor em aplicações pesadas foi de apenas
3,3 a 3,9% do total de partículas orgânicas do material particulado.
O SOF contém também a maioria dos hidrocarbonetos aromáticos policíclicos (PAH polyciclic aromatic hydrocarbons”) e nitro-PAH. Estes componentes passaram a chamar a
atenção devido a sua ação genética e, em alguns casos, papel cancerígeno (baseado em vários
estudos divulgados nos anos 80). O PAH inclui dezenas de componentes, muitos deles
possuem estruturas bastante complexas. O mesmo encontra-se presente no óleo diesel em
concentrações que variam entre 1,5 e 2,5%. Parte dele (0,2 ou 1% do total de PAH presente
no óleo diesel) sobrevive à combustão e pode então ser encontrado no gás de escape. Apesar
de acreditar-se que a parte mais pesada dos componentes do PAH possa ser gerada por meio
de pirosínteses no cilindro do motor, o combustível parece ser a fonte dominante de PAH no
gás de escape. Outro fenômeno que ocorre no motor é a formação de nitro derivados de PAH
devido a alta concentração de NOx. As emissões de PAH representam uma baixa fração no
material particulado total (aproximadamente 0,5%).
Os particulados de sulfato são compostos primariamente de acido sulfúrico hidratado.
A sua formação requer uma interação entre moléculas de H2SO4 e H2O. O processo é
teoricamente modelado como nucleação hetero-molecular. De acordo com esta teoria o ácido
sulfúrico e o vapor de água podem ser sub-saturados e ainda produzir partículas. As partículas
de sulfato são compostas de 8000 moléculas de H2O e 3000 moléculas de H2SO4. A formação
das partículas depende do teor de enxofre do combustível, da conversão deste enxofre em SO3
(trióxido de enxofre), da relação ar-combustível, da temperatura e da umidade relativa dos
gases.
Além do ácido sulfúrico, os particulados de sulfatos podem conter também sulfatos de
sais. O mais comum é o sulfato de cálcio (CaSO4), que pode ser formado em reações entre o
ácido sulfúrico e componentes de cálcio provenientes de aditivos no óleo lubrificante.
A contribuição do sulfato de particulado no MP total deve ser cuidadosamente
analisada, pois algumas correções e procedimentos padronizados devem ser aplicados para tal
estimativa (por exemplo, na conversão do SO4 para H2SO4 por meio da relação de massa
molecular, é importante estabelecer umidade e temperatura padrão para pré-condicionamento
do filtro para que seja possível estabelecer a relação entre ácido sulfúrico e água).
Atualmente, nota-se um interesse crescente em relação ao tamanho das partículas
emitidas pelos motores diesel, uma vez que pesquisas médicas têm indicado efeitos cada vez
mais adversos à saúde humana na medida em que se diminui o tamanho das partículas. Nos
26
EUA, em 1997, tal preocupação resultou na introdução de uma nova legislação que controlava
o número de partículas menores que 2,5 µm em adição à norma já existente que controlava
partículas abaixo de 10 µm (MP10). Esta preocupação vem sendo demonstrada por outros
países ao redor do mundo, que vêm também aumentando o controle sob as menores partículas
do MP. Este controle requer uma maior preocupação dos fabricantes de motores e tecnologias
de controle de emissões quanto ao modo nucléico apresentado no início deste tópico, o qual
representa cerca de 90% do MP em termos de contagem de partículas, uma vez que uma
maior atenção sempre foi destinada ao modo de acumulação que tem um peso grande em
relação à massa do particulado.
2.2.6. Óxido Nitroso – N2O
O óxido nitroso é bastante conhecido como o “gás da risada”. É um gás incolor com
um cheiro doce e produz uma ação narcótica nos seres humanos.
O óxido nitroso não é regulamentado pelas legislações de emissões. Apesar de
quimicamente o mesmo ser um óxido de nitrogênio, o N2O foi excluído do NOx. As emissões
de N2O em motores diesel pesado geralmente são muito baixas, em torno de 3ppm. Como
comparativo, as emissões de N2O em motores de combustão por faísca abastecidos com
gasolina e equipados com catalisadores de 3 vias são em torno de 12 a 35ppm.
Alguns dispositivos utilizados para o controle de emissões, com base de platina podem
aumentar a emissão de N2O, sendo este um fator considerado pelos fabricantes no
desenvolvimento de catalisadores. A tabela VI traz um resumo das propriedades físicas do
óxido nitroso.
TABELA VI - Propriedades físicas do óxido nitroso
Nome
Óxido nitroso
Fórmula molecular
N2O
Massa molecular (u.m.a)
44,02
Aparência
Gás incolor e cheiro doce
Densidade
1,530 (relativa ao ar)
Temperatura de fusão
-102,3º C
Temperatura de vaporização
-90,7º C
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 11/08/08
27
2.2.7. Hidrogênio – H2
O hidrogênio é um gás incolor que não têm impacto direto na saúde ou no ambiente,
mas pode desempenhar um papel importante em um número de reações em catalisadores,
incluindo nos utilizados em veículos com motor diesel. Normalmente, em condições de
excesso de ar, o hidrogênio não está presente nos gases de escape de uma aplicação movida a
óleo diesel. Já aplicações de gasolina, tipicamente contêm aproximadamente 0,3 moles de H2
por mole de CO.
Em temperaturas ambientes, o hidrogênio apresenta uma baixa atividade química. Em
altas temperaturas e/ou na presença de catalisadores ele reage facilmente com o oxigênio para
formar água, conforme equação a seguir. Esta reação, extremamente lenta em temperaturas
ambientes, atinge uma taxa notável de ocorrência depois que o gás é aquecido a temperaturas
maiores que 180º C. Um aquecimento adicional da mistura para 450º C causa uma explosão.
(5) 2H2 + O2 = 2H2O + 571,9 kJ/mole
O hidrogênio pode ser gerado em catalisadores por meio do vapor de água e outros
componentes presentes no gás.
As literaturas em relação à química do H2 em aplicações movidas a óleo diesel são
bastante limitadas. Este gás parece desempenhar um papel importante em alguns controles de
emissões que operam periodicamente sob condições de mistura com excesso de combustível,
como os adsorvedores de NOx.
A tabela abaixo traz um resumo das propriedades físicas do hidrogênio.
TABELA VII - Propriedades físicas do hidrogênio
Nome
Hidrogênio
Fórmula molecular
H2
Peso molecular (u.m.a)
2,016
Aparência
Gás incolor e inodoro
Densidade
0,06948 (relativa ao ar, 20º
Temperatura de fusão
Temperatura de
vaporização
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 11/08/08
C)
-259,1º C
-252,7º C
28
2.3. A legislação de emissões para veículos pesados movidos a óleo diesel
A poluição do ar pelos automóveis tem sido motivo de estudos desde a década de 50
quando um pesquisador da Califórnia demonstrou que o smog sob o céu de Los Angeles era
proveniente dos automóveis.
A primeira lei restringindo emissões, ainda que por requisitos mínimos, entrou em
vigor na Califórnia em 1964 e atingia os veículos de passageiros produzidos a partir do início
de 1966.
Em 1970 o congresso americano criou a Agência de Proteção Ambiental (E.P.A. –
Environmental Protection Agency) que estabeleceu limites de emissões evaporativas e de
escapamento difíceis de serem obtidas naquela época. Com o desafio, importantes sistemas
redutores de poluição foram instalados nos veículos, tais como o canister em 1971 (que nada
mais é do que um depósito de carvão ativado instalado nos tubos de ventilação do tanque de
combustível e do carburador, ou seja, os vapores de gasolina ficam retidos por adsorsão nas
moléculas do carvão ativado), a válvula de recirculação dos gases de escape (E.G.R. – exhaust
gas recirculation) em 1972 (que ao desviar uma parte do gás de escapamento junto com a
mistura ar/combustível, diminui a temperatura máxima na câmara de combustão, com
conseqüente diminuição na formação dos óxidos de nitrogênio) e o conversor catalítico em
1975 (que na época tinha a função de minimizar a quantidade emitida de HC e CO).
Um outro benefício decorrente da introdução dos catalisadores foi a necessidade do
uso de gasolinas isentas de chumbo (usado para aumentar a octanagem), pois a presença deste
metal na gasolina provoca a “dopagem” dos elementos catalisadores, tornando o conversor
catalítico uma peça inútil em um curto período de uso.
No Brasil, os primeiros veículos fabricados com conversor catalítico surgiram em
1990.
Para os veículos com motor diesel, no Brasil, os padrões de emissões são definidos
pelo Instituto Brasileiro de Meio Ambiente e dos Recursos Renováveis (IBAMA). Os valores
numéricos de limite de emissões e os ciclos de testes para certificação são baseados nas
legislações européias.
Tais conjuntos de normas estabelecidas pelo IBAMA, com base nos padrões europeus,
integraram o programa de controle de emissões veiculares (PROCONVE).
O primeiro conjunto de legislações foi adotado no Brasil em 1993 e foi baseado nos
padrões EURO 0 a EURO II. O segundo conjunto de legislação foi adotado em 2002, com
29
datas de implementação entre 2006 a 2009, sendo baseadas nos padrões EURO III e EURO
IV (denominadas no Brasil como PROCONVE P-5 e PROCONVE P-6, respectivamente).
O primeiro conjunto de legislações encontra-se resumido na tabela VIII, sendo os
limites válidos para veículos leves e pesados movidos a óleo diesel. Todos os caminhões e
ônibus, incluindo os veículos leves, eram certificados em um ciclo de teste em dinamômetro
(ECE R-49).
TABELA VIII - Legislação de emissões no Brasil para ônibus e caminhões movidos a óleo diesel
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 09/11/08
Somados aos limites da tabela VIII acima, os veículos tinham que cumprir com os
seguintes limites de opacidade em aceleração livre (efetivamente à partir de março de 94):
* 0,83 m-1 para motores naturalmente aspirados
* 1,19 m-1 para motores turbo-alimentados
Limites de emissões mais rigorosos foram estabelecidos aos veículos pesados com
motor diesel a partir de 2006 e aos veículos de passeio e comerciais leves a partir de 2007, por
meio do segundo conjunto de legislações que se encontram resumidos na tabela IX a seguir,
sendo os mesmos válidos para veículos pesados movidos a óleo diesel. De acordo com esta
tabela, todos os caminhões e ônibus, dependendo do nível de emissões, devem ser certificados
em ciclos de testes em dinamômetro passivo (ESC/ELR) e dinamômetro ativo (ETC) o qual
simula condições de operação do veículo. Estes ciclos serão posteriormente detalhados neste
mesmo capítulo.
30
TABELA IX - Legislação de emissões no Brasil para ônibus e caminhões pesados movidos a óleo diesel
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 09/11/08
Vale salientar que, devido aos problemas relatados neste trabalho quanto à definição
do teor de enxofre por parte da ANP e das tecnologias de controle de emissões a serem
empregadas para o atendimento do PROCONVE P-6 por parte das montadoras, cogita-se
fortemente que o Brasil passará diretamente do PROCONVE P-5 (equivalente ao EURO III)
para o PROCONVE P-7 (equivalente ao EURO V) em 2012. Neste caso, os limites de
emissões passam a ser ainda mais rígidos e o teor de enxofre no óleo diesel não poderá
exceder 15 ppm. A tabela X mostra os limites de emissões para o atendimento da legislação
EURO V, bem como um resumo das demais legislações na Europa.
TABELA X - Legislação de emissões na Europa para ônibus e caminhões pesados movidos a óleo diesel
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 09/11/08
31
Já a tabela XI mostra os limites de emissões na Europa para homologação conforme
ciclo de teste em dinamômetro transiente, que simula condições de operação do veículo.
TABELA XI - Legislação de emissões na Europa para ônibus e caminhões pesados – ciclo ETC
(valores de emissões em g/kWh)
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 09/11/08
2.4. Os ciclos de testes de emissões
Basicamente, existem hoje no mundo três procedimentos (o americano, o europeu e o
japonês) para medições de poluentes nos automóveis de passageiros e outros três também nas
mesmas origens para veículos pesados.
No Brasil, para os automóveis, o procedimento é baseado no método Americano e
para os veículos comerciais e caminhões o procedimento é derivado do método europeu.
Os testes de emissões são realizados em laboratórios de emissões que resumidamente
são compostos de:
* Um ambiente climatizado para controle de temperatura e umidade relativa do ar.
* Um dinamômetro de chassis que é um equipamento que possui um absorvedor de
potência que é transmitida do veículo para o dinamômetro através das rodas tracionadoras do
veículo.
* Um dinamômetro ativo para simular as condições transientes de operação do
veículo.
* Um dinamômetro passivo para testes do motor em situações estabilizadas.
* Um sistema para coleta e preparação dos gases de escape a serem analisados.
* Um sistema interligado ao dinamômetro que faz a simulação de um trânsito urbano.
* Analisadores de gases.
32
De uma forma geral a principal diferença entre os três métodos Americano / Europeu /
Japonês está no procedimento de simulação do uso do veículo.
Se tomarmos como exemplo o teste FTP 75 (Federal Test Procedure) requerido pela
Agência de Proteção Ambiental Americana, temos a simulação de trânsito urbano dividida em
três fases:
1ª Fase – Motor / veículo “frios”
Após um período compreendido entre 12 e 36 horas para a estabilização de todas as
temperaturas, inicia-se o funcionamento do motor e no decorrer de 505 segundos desta fase
simula-se um trânsito de cidade em ruas e avenidas, com acelerações, trocas de marchas,
freadas, paradas em sinaleiros, etc.
2ª Fase – Intermediária
É contada dos 505 aos 1372 segundos posteriores à primeira fase, onde é simulado
com mais conotação o trânsito no centro da cidade, ou seja, velocidades médias mais baixas
com maior número de paradas em marcha lenta.
Ao final desta fase, o veículo é desligado por 10 minutos.
3ª Fase – Motor e veículo aquecidos
Iniciando após os dez minutos de motor parado, esta fase dura 505 segundos e a
simulação de trânsito é idêntica à da fase fria (1ª fase).
Indicativamente, em média, mais de 80% das emissões de combustível não queimado
(HC) de todo o teste (contando as 3 fases) é formado durante os primeiros 120 segundos da
fase fria, já as emissões de NOx tem peso maior na fase quente.
Durante todo o teste o veículo percorre uma distância de 18 km, a velocidade média é
de 34 km/h e a velocidade máxima de 91 km/h.
Com relação à legislação Européia, que é a referência para aplicações ônibus e
caminhões pesados movidos a óleo diesel no Brasil, existem os seguintes ciclos: ESC
(European Stationary Cycle), ETC (European Transient Cycle) e ELR (European Load
Response).
Será dada a seguir, maior ênfase a estes três ciclos, por fazerem parte dos critérios de
homologação de emissões para as aplicações ônibus e caminhões pesados no Brasil.
2.4.1. O ciclo ESC
O ciclo de teste ESC (também conhecido como ciclo OICA/ACEA) foi introduzido no
início do ano 2000, juntamente com os ciclos de testes ETC e ELR, para a certificação de
33
emissões de veículos pesados equipados com motor diesel na Europa. O ESC é um teste em
regime permanente que possui 13 pontos de operação e substitui o teste R-49. O motor é
testado em dinamômetro em condições de carga, rotação e tempo pré-estabelecidas, conforme
ilustrado na tabela abaixo. A rotação especificada deve manter-se entre +/- 50 rpm e o torque
entre +/- 2% para cada situação avaliada. As emissões são medidas durante cada modo e ao
final uma média é extraída, levando-se em conta a contribuição (fator peso) de cada ponto,
conforme também ilustrado na tabela XII. A emissão de material particulado é obtida por
meio de um filtro que coleta a amostra ao longo dos 13 pontos de operação. Os resultados das
emissões finais são expressos em g/kWh.
TABELA XII - Ciclo ESC de teste de emissões
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 09/11/08
Durante o teste de certificação, o representante da agência certificadora pode solicitar
testes adicionais aleatórios dentro da área de controle, conforme ilustrado na figura 6. As
emissões máximas nestes modos extras são determinadas por interpolação dos resultados das
regiões vizinhas especificadas dentro dos 13 pontos.
As rotações de teste (A, B e C) são definidas da seguinte maneira:
1 – A rotação máxima (nhi) a ser utilizada para os cálculos é aquela onde se atinge
70% da potência líquida máxima do motor. Trata-se da rotação mais alta em que este
percentual é atingido (acima da rotação de potência).
2 – A rotação mínima (nlo) é aquela onde se atinge 50% da potência líquida máxima
declarada. Trata-se da mínima rotação onde o percentual é atingido (abaixo da rotação de
potência).
34
3 – As rotações A, B e C a serem utilizadas durante o teste são então calculadas
conforme as seguintes fórmulas:
A = nlo + 0,25 (nhi - nlo)
B = nlo + 0,50 (nhi - nlo)
C = nlo + 0,75 (nhi - nlo)
O ciclo de teste ESC é caracterizado, na média, por altos fatores de carga e altas
temperaturas dos gases de escape.
FIGURA 6 - Ciclo de teste ESC
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 09/11/08.
2.4.2. O ciclo ETC
O ciclo de teste ETC (também conhecido como ciclo transiente FIGE) foi introduzido
no início do ano 2000, juntamente com os ciclos de testes ESC e ELR, para a certificação de
emissões de veículos pesados na Europa, movidos a óleo diesel.
O ciclo ETC baseia-se em medições reais de rotas veiculares. Diferentes condições de
dirigibilidade são representadas por três partes do ciclo ETC, incluindo rota urbana, rural e
rodoviária. A duração de todo o ciclo é de 1800s. A duração de cada parte é de 600s.
A primeira parte representa um tráfego urbano com uma velocidade máxima de 50
km/h, partidas e paradas freqüentes bem como permanência na marcha lenta. A segunda parte
representa uma rota rural, com velocidade média de 72 km/h. A terceira parte representa uma
situação de condução em estrada (ciclo rodoviário), com velocidade média de 88 km/h.
35
O instituto FIGE desenvolveu o ciclo em duas variantes: testes em dinamômetro de
chassis e em dinamômetro do motor. A velocidade do veículo em função do tempo de duração
de cada ciclo encontra-se representado na figura 7. No caso de certificação do motor, o ciclo
ETC é executado em um dinamômetro ativo. As curvas de torque e de rotações do motor a
serem utilizadas durante o ciclo são mostradas nas figuras 8 e 9.
FIGURA 7 - Ciclo de teste ETC – Velocidade do veículo em diferentes trechos
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 09/11/08.
FIGURA 8 - Ciclo de teste ETC – Rotação do motor em função do tempo
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 09/11/08.
36
FIGURA 9 - Ciclo de teste ETC – Torque do motor em função do tempo
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 09/11/08.
2.4.3. O ciclo ELR
O ciclo de teste ELR foi introduzido no início do ano 2000 por meio da legislação de
emissões EURO III, com o objetivo de medir a opacidade nos veículos pesados movidos a
óleo diesel.
O teste consiste em uma seqüência de três passos de carga em cada uma das três
rotações: A (ciclo 1), B (ciclo 2), C (ciclo 3), seguido por um quarto ciclo em uma rotação
entre A e C e carga entre 10% e 100%, a ser escolhido pelo agente certificador. As rotações
A, B e C são definidas conforme já demonstrado no ciclo ESC. A seqüência na operação do
dinamômetro é mostrada na figura 10.
Os valores de medição de opacidade são continuamente coletados durante o teste ELR,
em uma freqüência de no mínimo 20 Hz. A amostra é então analisada para determinar o valor
final por meio de cálculos. Primeiro, os valores médios de opacidade são registrados em
intervalos de um segundo, utilizando-se de algoritmos especiais. Em seguida, os valores são
determinados para cada passo de carga, considerando-se a maior média para cada um dos três
passos de carga. Logo após, os valores médios para cada ciclo (rotação) são calculados por
meio de média aritmética, utilizando-se os valores dos três ciclos de carga. A opacidade é
determinada por uma média ponderada dos valores médios das rotações A (fator peso de
0,43), B (fator peso de 0,56) e C (fator peso de 0,01).
37
FIGURA 10 - Ciclo de teste ELR
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 09/11/08.
38
CAPÍTULO 3 – Tecnologias de pós-tratamento de gases de escape
3.1. Introdução
O controle de emissões por meio de catalisadores, introduzido nos anos 70, é agora
utilizado em vários tipos de motores de combustão interna, assim como em um grande
número de aplicações estacionárias.
As tecnologias catalíticas têm suas raízes nos problemas de poluição gerados pelos
veículos de passeio movidos a gasolina. As emissões nestes veículos começaram a ser
controladas nos anos 70. Nos EUA, as legislações de emissões estão baseadas em quatro atos:
Clean air act (CAA) de 1967, a CAA de 1970 e duas emendas adotadas em 1977 e 1990.
Seguindo a adoção da CAA e as normas de emissões resultantes, catalisadores de
oxidação foram comercializados nos EUA em 1975 para controlar as emissões de CO e HC
dos veículos equipados com motores de ignição por faísca (SI). Catalisadores de três vias,
introduzidos nos anos 80, tornaram possível controlar as emissões de NOx em motores SI, em
níveis significativamente menores que os motores movidos a óleo diesel. Finalmente, nos
anos 90, catalisadores de oxidação foram introduzidos na Europa em carros de passeio
movidos a óleo diesel, assim como em ônibus e caminhões pesados nos EUA. A maioria dos
catalisadores citados acima utiliza metais nobres (metais do grupo de platina) como
componentes ativos para as reações catalíticas.
Catalisadores são substâncias que têm a habilidade de acelerar as reações químicas.
No controle de emissões, catalisadores sólidos são utilizados para catalisar as reações dos
gases de escape. O efeito catalítico e as taxas de reação são maximizados por meio de um
bom contato entre o gás e o catalisador sólido.
Os catalisadores mais comuns utilizam substratos de cerâmica com vários canais
paralelos muito pequenos na direção axial. Existem também substratos metálicos, porém
utilizados em menores proporções. Ambos os substratos não têm por si só uma atividade
catalítica. O substrato necessita de uma camada ativa nas paredes de seus canais, obtida por
meio de um banho (também conhecido como coating). A função do substrato é então prover
uma grande superfície geométrica para o contato do gás com a camada ativa, para que então a
reação catalítica ocorra.
Na maioria dos casos, o banho inclui metais nobres, sendo os mais comuns a platina o
paládio e suas misturas. As substâncias mais utilizadas no coating são: oxido de alumínio
39
(Alumina, AL2O3) e óxido de silicone (sílica). Maiores detalhes sobre os substratos, banhos e
metais nobres serão fornecidos ao longo deste capítulo.
Algumas terminologias básicas são amplamente utilizadas por aqueles que trabalham
neste ramo. Segue abaixo uma breve explicação sobre as mais utilizadas:
* Eficiência de conversão: é uma medida de capacidade do catalisador em reduzir uma
dada emissão. Se um determinado componente (A) presente no gás de escape reage por meio
de um catalisador com outro componente (B) de acordo com a equação abaixo,
A + B => produto,
Então a eficiência de conversão de A, expressa em porcentagem, pode ser definida
como:
Eficiência de conversão = (Ci – Co) / Ci . 100%.
Onde:
Ci = concentração de A na entrada do catalisador,
Co = concentração de A na saída do catalisador.
* Temperatura de light-off: A taxa de reações químicas, incluindo as reações
catalíticas, sempre aumenta com a temperatura. Uma forte dependência de eficiência de
conversão com a temperatura é uma característica em todos os controles de emissões
catalíticos. A conversão, próxima de zero em baixas temperaturas, começa a aumentar
devagar na medida em que a temperatura começa a subir, depois aumenta mais rapidamente,
até atingir um platô em altas temperaturas do gás de escape. Ao discutir as reações de
combustão, o termo light-off temperature é comumente utilizado para caracterizar este
comportamento. O light-off do catalisador é a temperatura mínima necessária para iniciar uma
reação catalítica. Devido ao aumento gradual da taxa de reação, esta definição não é muito
precisa. Uma definição mais precisa, estabelece que a temperatura de light-off é aquela onde
se atinge uma conversão de 50%. Esta temperatura é frequentemente denotada como T50.
Quando se compara atividades em diferentes catalisadores, o mais ativo será aquele
caracterizado pela menor temperatura de light-off para uma dada reação.
* Janela catalítica (catalyst window): Em alguns sistemas catalíticos, o aumento da
temperatura produzirá um aumento na eficiência até certo ponto. O aumento da temperatura,
apesar de aumentar as taxas de reação, causa uma queda na eficiência de conversão. A faixa
de temperatura correspondente às eficiências de conversões mais altas é frequentemente
chamada de janela de temperatura catalítica.
* Velocidade espacial: Outra importante variável que causa influencia na eficiência de
conversão é o tamanho do catalisador. A taxa de vazão de gás que passa pelo reator catalítico
40
é comumente expressa, relativamente ao tamanho do reator, como velocidade espacial (VE).
A velocidade especial é definida como o volume de gás, medida em condições padronizadas,
por unidade de tempo por unidade de volume do reator, como segue:
VE = V / Vr.
Onde:
V = Taxa volumétrica de vazão de gás (m3/h),
Vr = volume do catalisador (m3).
A velocidade espacial é comumente expressa em h-1. Em várias aplicações com
controle de emissões catalíticos a velocidade espacial varia de 10000 h-1 a 300000 h-1. A
velocidade espacial é calculada baseada nas dimensões externas dos catalisadores, exemplo,
diâmetro e comprimento de um substrato cerâmico. Uma vez que este método não leva em
consideração a geometria do substrato, as células, a densidade e a espessura das paredes,
algumas vezes, a velocidade espacial torna-se inapropriada para comparação com outros
catalisadores. Entretanto, este método e muito utilizado e aceito nas indústrias.
* Carga de metais nobres: Metais nobres utilizados em catalisadores automotivos
incluem metais do grupo da platina como a platina (Pt), o paládio (Pd) e ródio (Rh). A quantia
de metais nobres presentes no substrato do catalisador é um parâmetro muito importante,
tanto para o desempenho do catalisador quanto para o seu custo. É comum expressar a carga
de metais por meio da carga total da mistura em gramas de metal por centímetro cúbico do
substrato do catalisador (baseado novamente em suas dimensões externas) e a relação de
metais na ordem Pt:Pd:Rh. Isto é ilustrado no exemplo a seguir:
50g, 5:0:1 – denota um catalisador composto de platina e ródio na relação de massa de
5:1 em uma carga total de 50g/ft3 (1 g/ft3 é igual a 0,03531 g/litro).
Algumas vezes a carga de metais nobres é especificada relativamente à cilindrada do
motor ao invés do volume do substrato. Neste caso, utiliza-se a seguinte equação:
md = mcat x Vr / Vd.
Onde:
md = carga de metal nobre relativa à cilindrada do motor (g/ft3 ou g/l),
mcat = carga de metal nobre por unidade de volume do substrato (g/ft3 ou g/l),
Vr = volume total do catalisador (m3),
Vd = cilindrada do motor (m3).
Conforme os requisitos da legislação americana, este parâmetro é utilizado para
avaliar a faixa de carga de metal nobre e tamanho relativo do catalisador comparado ao
tamanho do motor, com o propósito de determinar a durabilidade do catalisador (enquadrar o
41
veículo em um grupo de durabilidade). Se o veículo possuir múltiplos catalisadores, a carga
de metal nobre é calculada como a massa total de todos metais nobres de todos os
catalisadores dividido pelo volume total dos substratos.
3.2. Redução seletiva catalítica (SCR)
Os fabricantes de motores diesel vêm reduzindo cada vez mais o nível de emissões de
NOx, melhorando a eficiência da combustão e reduzindo a emissão de material particulado.
Isto é obtido com a introdução de melhorias no próprio motor, como por exemplo, aumento
da pressão de injeção, múltiplas injeções e uso de diferentes estratégias de controle de
combustível para diferentes condições de operação do motor.
Apesar destes esforços, para o atendimento das novas legislações de emissões, faz-se
necessário o emprego de tecnologias de pós-tratamento dos gases de escape, que são
utilizadas para tratar os poluentes emitidos pelo motor.
Existem várias técnicas para reduzir o nível de NOx emitido para a atmosfera e a
tecnologia a ser escolhida dependerá de questões econômicas e fatores técnicos. Em especial,
existem dois meios catalíticos para reduzir o NOx, redução seletiva catalítica (SCR) e
adsorção catalítica (NAC).
O NAC opera por meio da adsorção e armazenamento do NOx no escapamento.
Periodicamente o NOx armazenado é convertido em nitrogênio por meio da geração de um
ambiente rico em combustível no meio catalítico onde o mesmo encontra-se armazenado. Esta
tecnologia requer misturas ricas de combustível nos gases de escape periodicamente para
regenerar a superfície. A criação destas misturas ricas periodicamente no escapamento é um
grande desafio para os fabricantes de motor e esta tecnologia também é bastante sensível ao
envenenamento pelo enxofre no combustível (RELDEN et al, 2002, p.4), devido à presença
de metais nobres na composição do catalisador. A regeneração necessária normalmente leva a
um inaceitável consumo de combustível e requer um complexo controle do motor (SCHMIEG
& LEE, 2005, pg.1). Por estas razões, esta tecnologia requer cuidados especiais para a sua
aplicação em caminhões pesados.
Em relação à redução seletiva catalítica, a mesma requer a adição de um agente
redutor aos gases de escape. Idealmente o combustível diesel seria o agente redutor preferido,
porém testes intensivos não identificaram uma capacidade maior que 30% na redução do
NOx, ao se utilizar este combustível como agente. Alternativamente, a amônia pode ser
42
utilizada como agente redutor. A remoção de NOx por meio da redução seletiva catalítica
usando amônia é bastante conhecida e é principalmente utilizada em aplicações comerciais
para fontes estacionárias de energia. O SCR é também uma proposta viável para controlar o
NOx em aplicações veiculares movidas a óleo diesel, principalmente em caminhões pesados.
O uso da amônia traz a necessidade de se manusear líquidos e gases tóxicos. No
entanto, estes problemas podem ser evitados pelo uso de componentes que se decompõem no
escapamento para a formação da amônia. Para isto, a uréia é um exemplo ideal. Em
temperaturas e pressões normais, a uréia é sólida e possui uma pressão de vaporização baixa.
Nestas condições não é tóxica e dissolve facilmente em água. A uréia utilizada no sistema
SCR em aplicações veiculares, trata-se de uma solução com 32% de uréia e 68% de água e é
comercialmente conhecida como Adblue. Nesta concentração a uréia forma uma solução
eutética caracterizada pelo mais baixo ponto de cristalização (-11º C), conforme figura 11
abaixo. O uso de soluções eutéticas promove uma vantagem adicional de concentrações iguais
nas fases líquidas e sólidas durante a cristalização. Mesmo se um congelamento parcial
ocorrer no tanque de uréia, a cristalização não muda a concentração da solução injetada no
sistema SCR.
FIGURA 11 - Pontos de congelamento para diferentes
soluções de uréia
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 08/08/08
Estudos sobre o uso da tecnologia SCR em veículos movidos a óleo diesel encontramse disponíveis em literaturas técnicas e mostram conversões de NOx maiores que 80%,
conforme evidenciado na tabela XIII. Conversões nesta ordem, possibilitam aos fabricantes de
motores a geração de mais NOx para então melhorar a eficiência de combustão, o consumo de
43
combustível e a emissão de material particulados. Com as técnicas avançadas de controle de
combustão, baixos níveis de enxofre no combustível e alguma remoção de material
particulado pelo sistema SCR, é possível atingir os níveis de emissões de material particulado
exigidos pela legislação EURO IV sem o uso de filtros de material particulado dedicados
(DPF).
A conversão de NOx é definida pela expressão abaixo:
Conversão NOx [%] = [(entradaNOx – saídaNOx) / entradaNOx] x 100
TABELA XIII - Conversão de NOx em um motor diesel pesado com vários sistemas SCR (motor 10 litros) –
Ciclo de emissões ESC
FONTE: BLAKEMAN et al, 2003, pg.10
Quando injetada no escapamento, a uréia inicialmente se decompõe em amônia e
HNCO. O HNCO reage com a água (presente nos gases de escape como um produto da
combustão) para formar amônia (NH3) e CO2. A hidrólise do HNCO pode ocorrer de maneira
homogênea no gás ou catalisada por uma superfície. Em alguns casos, um catalisador é
adicionado ao sistema para promover a hidrólise (conversão de HNCO para NH3 e CO2).
A figura a seguir mostra um esquema básico do funcionamento do SCR com injeção
de uréia.
FIGURA 12 - Esquema básico de funcionamento do SCR com injeção de uréia
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 10/08/08
44
As reações químicas pertinentes à formação da amônia por meio da injeção de uréia e
à reação da amônia com o NOx, são resumidas abaixo.
A hidrólise da uréia é dada por:
H2N-CO-NH2 + H2O => CO2 + 2 NH3.
A amônia reage com o NO e o NO2 no catalisador por meio da seguinte reação
química (global):
4 NO + 4 NH3 + O2 => 4 N2 + 6 H2O,
6 NO2 + 8 NH3 => 7 N2 + 12 H2O.
Para que as reações químicas ocorram de maneira eficiente no SCR é necessário um
controle preciso da taxa de injeção de uréia no escapamento. Uma quantidade insuficiente
pode resultar em uma baixa conversão de NOx. Já uma quantidade muito alta pode resultar
em emissão indesejada de amônia na atmosfera. Esta emissão de amônia do SCR é conhecida
como ammonia slip, que será traduzido neste trabalho como escorregamento de amônia. O
escorregamento aumenta na medida em que se aumenta a relação NH3/NOx. De acordo com
as reações que ocorrem no SCR, a relação estequiométrica NH3/NOx é aproximadamente “1”.
Relações maiores que “1” aumentam significativamente o escorregamento da amônia. Na
prática, relações entre “0.9” e “1” são as mais utilizadas, as quais minimizam o
escorregamento e ainda promovem uma conversão de NOx satisfatória. A figura 13 apresenta
um exemplo das relações existentes entre NH3/NOx, conversão de NOx, temperatura e
escorregamento de amônia.
FIGURA 13 - Conversão de NOx e escorregamento de
amônia para diferentes relações NH3/NOx
SCR – V2O5/TiO2, 200 cpsi
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 08/08/08
45
O escorregamento de amônia (NH3 não convertido) é reduzido na medida em que se
aumenta a temperatura, enquanto a conversão de NOx no SCR pode aumentar ou diminuir em
função da temperatura, dependendo do sistema SCR utilizado.
3.2.1 Tipos de SCR – Substrato e Washcoat
Basicamente, o SCR é formado por uma carcaça metálica, uma manta expansiva, uma
colméia cerâmica ou substrato e o banho no substrato (mais conhecido como washcoat),
conforme mostra a figura 14.
FIGURA 14 - Catalisador em corte
FONTE: Mineto e Gonçalves, 2008, pg.10
O substrato cerâmico pode ser o cordierite (35% de óxido de alumínio, 50% óxido de
sílica e 14% de óxido de magnésio) ou o mullite (70% de óxido de alumínio e 30% de sílica).
Nas aplicações automotivas geralmente utiliza-se o substrato de cordierite. As cerâmicas
apresentam como principais propriedades a alta temperatura de trabalho, baixo coeficiente de
expansão térmica, área de superfície geométrica elevada, boa capacidade para receber
revestimentos, resistência à oxidação e compatibilidade com óxidos inorgânicos (washcoat).
Os substratos podem possuir mais ou menos células, com diferentes espessuras e a
quantidade dependerá de fatores técnicos e econômicos.
O banho aplicado nos substratos serve para promover a reação catalítica, determinar a
faixa de temperatura de operação e a sua durabilidade térmica. A figura a seguir mostra
esquematicamente, um exemplo de aplicação de banho de óxidos de alumínio e platina em um
substrato.
46
FIGURA 15 - Exemplo de banho de Al2O3 e Pt no
substrato
FONTE: Mineto e Gonçalves, 2008, pg.12
A seguir encontram-se informações sobre as principais tecnologias de banhos
(washcoat) aplicada em SCR’s.
A redução seletiva catalítica de NOx com amônia foi primeiramente utilizada com
catalisadores de platina em aplicações estacionárias (plantas com combustão contínua). A
tecnologia Pt pode ser utilizada em baixas temperaturas (< 250º C), devido à sua baixa
seletividade para redução de NOx em temperaturas mais altas.
Em temperaturas entre 225-250º C, a oxidação de NH3 para NOx e H2O torna-se
dominante. Como resultado, a conversão em função da temperatura atinge a máxima
eficiência e a partir daí, começa a cair. Para utilizar este tipo de catalisador de maneira
otimizada é necessário controlar a temperatura dos gases de forma a mantê-la acima de 225º C
e abaixo de 250º C. Manter esta faixa estreita para controle de temperatura adiciona custos e
complexidade para o desenvolvimento do produto. Conseqüentemente, esta tecnologia não é
comumente utilizada hoje em dia.
Outro tipo de banho, já mais utilizado, é o de base vanádio/titânio (V2O5/TiO2).
Catalisadores com esses banhos, operam em faixas de temperaturas entre 260 e 450º C
(principal vantagem em relação ao Pt). Entretanto, a conversão de NOx do catalisador base
vanádio também possui um ponto de máxima eficiência seguido por um declínio onde o
catalisador perde sua atividade. A conversão de NOx inicia-se com aproximadamente 225º C,
atinge o pico de sua eficiência com aproximadamente 400º C e então, começa a cair, à medida
em que a oxidação da amônia torna-se dominante. Novas formulações estão estendendo a
faixa operação para 500º C.
Se a temperatura de exposição do V2O5/TiO2 exceder certo valor, a área de superfície
ativa do TiO2 irreversivelmente converte-se para óxido de titânio com uma área menor que
47
10m2/g. Normalmente, esta conversão ocorre em temperaturas entre 500-550º C, mas os
catalisadores podem incluir estabilizadores para aumentar a sua durabilidade térmica.
Trióxido de tungstênio (WO3) é o estabilizador mais freqüentemente utilizado nos SCR’s
vanádio/titânio, aumentando a estabilidade térmica para até 700º C.
Um terceiro tipo de banho é o de base zeólitos. O primeiro zeólito identificado como
um SCR ativo foi o mordenite. Mordenites comuns têm uma estrutura cristalina bem definida
com uma relação SiO2:Al2O3 de aproximadamente “10”. Os fabricantes desse tipo de
catalisador normalmente não divulgam com exatidão a sua composição química, tornando-se
difícil descrevê-la em detalhe. Catalisadores com base zeólitos, podem operar em
temperaturas superiores a 600º C. Diferente dos catalisadores Pt e V2O5, sua seletividade na
conversão do NOx aumenta continuamente com a temperatura. Este tipo de catalisador pode
apresentar problemas de instabilidade quando expostos à altas temperaturas com a presença
de água no estado de vapor. Quando exposto à temperatura superior a 600º C, somado ao alto
teor de água, o zeólito tende a perder sua atividade pelo de-alumination (onde os íons de Al+3
no SiO2- Al2O3 migram para fora da estrutura). Isto leva a uma desativação permanente e, em
casos extremos, colapso da estrutura cristalina.
Um tipo diferente de catalisadores zeólitos de “baixa temperatura” foi desenvolvido
para aplicações automotivas. Um ponto de partida para esta formulação foi o Cu-ZSM5
zeólitos, muito conhecido pelas extensivas pesquisas conduzidas nos anos 90 para o
desenvolvimento do catalisador lean-NOx trap (LNT). Quando utilizado como um catalisador
SCR, o Cu/ZSM5 mostrou ser ativo na redução de NOx em faixas de temperatura entre 200 a
400º C, mas sua durabilidade térmica foi insuficiente. Novas formulações foram
desenvolvidas até atingir estabilidades térmicas de até 650º C. Esta formulação foi
especificamente projetada para operações que continham grandes quantidades de dióxido de
nitrogênio nos gases, o qual melhora significativamente a conversão de NOx e aumenta a
faixa de temperatura. Na presença de NO2, este catalisador proporciona reduções de NOx
superiores a 90% em faixas de temperatura entre 150-500º C.
Uma comparação das faixas de temperatura de operação para cada tecnologia catalítica
explicada acima é mostrada na seguir.
48
FIGURA 16 - Faixas de temperatura de operação
para diferentes catalisadores SCR
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 08/08/08
Portanto, os principais fatores para o desenvolvimento dos materiais do catalisador
estão relacionados à sua faixa de temperatura e principalmente quanto à atividade do mesmo
em baixas temperaturas. Uma vez que as temperaturas de escape em motores diesel variam
entre aproximadamente 100–650º C (dependendo da aplicação), normalmente na faixa entre
100 e 250º C, não é possível injetar a uréia para a redução do NOx, pois neste caso,
dependendo do tipo de catalisador, poderá haver a cristalização da uréia no próprio catalisador
e na tubulação de escape.
Vários estudos com relação ao banho aplicado nos substratos estão sendo efetuados
pelos seus fabricantes, visando melhorar principalmente a eficiência de conversão do NOx em
baixas temperaturas e também a durabilidade térmica da cerâmica. A figura abaixo mostra o
resultado de um destes estudos.
FIGURA 17 - Conversão de NOx por temperatura para diferentes
banhos (WC = Washcoat = banho)
FONTE: apresentação BLUMRICH – III fórum Diesel – Set 2006
49
Para a aplicação veicular do SCR deve ser levado em conta fatores como, eficiência de
conversão de NOx, mínimo escorregamento de amônia para a atmosfera, peso, layout e
segurança do usuário e da população. O sistema não pode emitir novos componentes
prejudiciais à saúde da população, como a amônia não reagida, por exemplo.
As principais preocupações com relação à aplicação desta tecnologia estão
relacionadas à disponibilidade da uréia nas redes de abastecimento e a necessidade de se
assegurar que os motoristas realmente abastecerão o tanque com tal agente redutor, de forma a
garantir a emissão de poluentes conforme exigências da legislação.
No Brasil existe um comitê, formado por representantes da indústria automobilística,
fabricantes da uréia, Petrobrás e CONAMA, que possui o objetivo de determinar os meios de
distribuição da uréia e as formas de garantir o abastecimento por parte do motorista
(utilização de dispositivos eletrônicos e o módulo eletrônico do veículo – ECU).
3.3. Catalisador de Oxidação - DOC
Catalisadores de oxidação diesel promovem a oxidação química do CO e do HC,
assim como da fração orgânica solúvel (SOF) que é uma parcela do particulado. Ele também
oxida o dióxido de enxofre presente no escapamento gerando sulfatos de particulado, podendo
aumentar significativamente as emissões de particulado, mesmo reduzindo o SOF. Os
catalisadores de oxidação mais modernos são projetados para atuarem de maneira seletiva,
para então obter um bom compromisso entre a redução de HC, CO e SOF e uma baixa
atividade de SO2.
Quando os gases de escape passam por um catalisador de oxidação, determinados
componentes são oxidados pelo oxigênio presente em ampla quantidade no gás de escape.
Outros benefícios do DOC incluem a oxidação de derivados de HC não legislados,
como os aldeídos e os PAH’s, bem como a eliminação ou redução do odor dos gases de
escape de um motor diesel.
A redução de emissões ocorre por meio de uma oxidação química dos poluentes na
região ativa do catalisador. Os processos podem ser descritos de acordo com as seguintes
equações:
Hidrocarbonetos + O2 = CO2 + H2O,
CO + ½ O2 = CO2.
50
Os hidrocarbonetos são oxidados para formar dióxido de carbono e vapor de água. Na
realidade, a primeira reação representa dois processos: a oxidação do HC na fase gasosa e a
oxidação de componentes da fração orgânica solúvel. A segunda reação descreve a oxidação
do monóxido de carbono em dióxido de carbono. Uma vez que o dióxido de carbono e o
vapor de água não são prejudiciais à saúde humana ou ao meio ambiente, conclui-se que as
reações acima trazem benefícios óbvios nas emissões.
No entanto, algumas das reações de oxidação podem produzir produtos indesejáveis
nas emissões. A oxidação do dióxido de enxofre em trióxido de enxofre com a subseqüente
formação de ácido sulfúrico são exemplos de reações indesejadas, conforme descritas abaixo:
2SO2 + O2 = 2SO3
SO3 + H2O = H2SO4
Quando os gases de escape são lançados para a atmosfera e se misturam com o ar, sua
temperatura diminui. Nestas condições o H2SO4 combina-se com as moléculas de água e
formula núcleo de partículas líquidas compostas de acido sulfúrico hidratado. Este material,
denominado particulado de sulfato, contribui no material particulado total emitido pelo motor.
A formação catalítica de sulfatos, especialmente quando combinada com óleo diesel de alto
teor de enxofre, pode aumentar significativamente as emissões de PM, podendo tornar a
aplicação do catalisador proibitiva.
O mecanismo da reação em um catalisador de oxidação diesel é explicado pela
presença de meios catalíticos ativos que estão depositados na superfície do catalisador e tem a
habilidade de adsorver o oxigênio. A reação catalítica possui três estágios: (1) o oxigênio é
ligado ao meio catalítico, (2) os reagentes, como o CO e o HC, atingem a superfície catalítica
e reagem com o oxigênio, (3) os produtos da reação, como o CO2 e o vapor de água, deixam o
meio catalítico e são liberados do catalisador para a tubulação de escape.
A eficiência de conversão por faixa de temperatura é função das condições de
transferência de massa no catalisador. Conseqüentemente pode ser reduzida ou aumentada
alterando-se fatores do coeficiente de transferência de massa ou a massa de transferência da
área de superfície. Por exemplo, as conversões de HC e CO aumentarão ao utilizar-se um
catalisador maior ou ao aumentar-se a densidade da célula do substrato. Já a temperatura de
light-off, dependerá principalmente da cinética da reação química no catalisador. É
influenciada primariamente pelos metais nobres utilizados no banho.
Os catalisadores de oxidação diesel para aplicações em montadoras costumam ser
grandes, com velocidades espaciais que variam entre 50000 a 200000 h-1. Tipicamente, o
volume do catalisador corresponde aproximadamente à cilindrada do motor com velocidades
51
espaciais abaixo de 150000 h-1. A densidade das células vem sendo cada vez mais aumentada,
visando à melhora da eficiência de conversão do HC e do CO. Na maioria dos casos, são
utilizados substratos de cerâmica (cordierite). A carga de metal nobre utilizada no banho é de
aproximadamente 120 g/dm3 (2 g/in3) e sua espessura é tipicamente de 40-80 µm (na região
mais espessa). Os metais nobres mais utilizados são a platina e o paládio.
3.4. DOC Slip
Como já mencionado neste capitulo, a fim de evitar a emissão de amônia não reagida
no SCR na atmosfera, existe a possibilidade do uso de um catalisador de oxidação de NH3
com pequenas quantidades de metais nobres em seu banho.
A amônia é prontamente detectada na atmosfera em concentrações superiores a
20ppm. Em 2006, a comissão européia especificou que a passagem de amônia média em
veículos que utilizam a tecnologia SCR não poderia ser superior a 25ppm nos ciclos de teste
de homologação (HÜNNEKES et al, 2006, p.1).
O DOC slip permite a dosagem de uma quantidade maior de uréia, sem que ocorra a
passagem de amônia para o meio ambiente, permitindo níveis maiores de conversão de NOx,
principalmente em temperaturas mais baixas. A figura 18 mostra o benefício em termos de
conversão de NOx proporcionado a partir do uso do DOC slip (ASC = ammonia slip catalyst).
FIGURA 18 - Benefícios proporcionados pelo DOC-slip em termos
de conversão de NOx e slip de amônia
(ASC = ammonia slip catalyst e α= relação NH3/NOx)
FONTE: apresentação BLUMRICH – III fórum Diesel – Set 2006
A reação química que ocorre no catalisador de oxidação é:
4NH3 + 3O2 => 2N2 + 6H2O
52
Por se tratar de um catalisador de oxidação, o DOC slip têm também um efeito
secundário de redução de emissões de monóxido de carbono e de hidrocarbonetos.
Por conter metais nobres este tipo de tecnologia fica sensível ao envenenamento por
enxofre, carbono e hidrocarbonetos, que se depositam no metal nobre e nos poros, reduzem o
acesso à área superficial e comprometem a reação catalítica. Em alguns casos esse
envenenamento é totalmente ou parcialmente reversível, ou seja, em altas temperaturas dos
gases ocorre a “limpeza” dos poros e dos metais nobres. Porém, existe a possibilidade do
envenenamento tornar-se irreversível e acumulativo, comprometendo a emissão de poluentes.
FIGURA 19 - Esquema representativo do envenenamento do DOC-Slip por enxofre,
carbono e hidrocarbonetos
FONTE: apresentação BLUMRICH – III fórum Diesel – Set 2006
Os benefícios de desempenho obtidos por este sistema devem ser avaliados e pesados
contra o aspecto de custo adicional (principalmente pelo fato deste catalisador possuir metais
nobres) e a susceptibilidade ao envenenamento por enxofre, carbono e hidrocarbonetos.
Vale salientar que já existe no mercado uma tecnologia que resiste ao envenenamento
pelo enxofre, fuligem e hidrocarbonetos, por meio da aplicação de um novo óxido de suporte
com efeito anti-aderente, que evita o fechamento dos poros e mantém os metais nobres
acessíveis para as reações catalíticas. Desta maneira, o metal nobre é utilizado com maior
eficiência, criando um potencial para a redução deste componente na formulação.
3.5. Outras tecnologias de pós-tratamento do gás de escape para o controle do NOx
Neste tópico serão abordadas, resumidamente, algumas tecnologias para o controle de
emissões de NOx (válvula de recirculação dos gases de escape, adsorvedores de NOx, leanNOx).
53
3.5.1. Recirculação dos gases de escape - EGR
A recirculação dos gases de escape (EGR) é uma tecnologia de controle de emissões
que permite significantes reduções no NOx emitido por veículos leves e pesados, movidos a
óleo diesel. A EGR não é uma tecnologia nova, ela está em uso desde 1970, quando foi
aplicada primeiramente em veículos à gasolina. Em seguida, foi aplicada em veículos de
passeio movidos a óleo diesel e, no inicio do ano 2000, em motores pesados.
O benefício de redução do NOx proporcionado pela EGR traz como efeito negativo, o
aumento nas emissões de MP, HC e CO, aumento do consumo de combustível e potencial de
desgaste em componentes do motor.
A recirculação dos gases é um método ao qual uma porção do gás de escape é
retornada para a câmara de combustão por meio de uma válvula entre o sistema de escape e o
sistema de admissão. Em geral, o fator mais importante que contribui para a redução do NOx
em uma aplicação com EGR é a redução do pico da temperatura máxima de combustão. Tal
redução pode ser explicada por quatro efeitos, o de diluição, o térmico, o químico e o de
adição de massa.
O efeito de diluição proporciona a redução da temperatura da chama e das emissões de
NOx, somente por meio da redução da massa de oxigênio no ar que entra na câmara de
combustão. Este efeito é o mais significativo na redução das emissões de NOx.
O efeito térmico se dá pelo aumento do calor específico médio dos gases disponíveis
na zona de combustão. O efeito de adição de massa se dá pela massa resultante de diluente na
entrada de ar. Estes dois efeitos podem ser descritos por seu efeito em aumentar a absorção de
calor dos gases não-reativos na câmara de combustão. Este aumento (delta Q) é proporcional
ao produto da massa adicionada no cilindro (delta m0), o calor específico médio em pressão
constante (Cp), e a diferença entre a temperatura de combustão e a da EGR (delta T). Pode ser
expressa pela seguinte equação:
Delta Q = Delta m0 . Cp . (T combustão – T EGR)
O efeito químico produz uma redução na temperatura de combustão devido às reações
químicas com participação dos gases introduzidos pela EGR. Por exemplo, calor é consumido
durante reações endotérmicas como as dissociações do CO2 e do H2O.
A figura 20 mostra um esquema representativo de um motor com EGR.
54
FIGURA 20 - Esquema representativo de um motor com
válvula EGR
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 17/11/08
3.5.2. Adsorvedores de NOx
Sistemas adsorvedores de NOx foram desenvolvidos para controlar as emissões de
NOx por meio da queima pobre (lean burn) em motores gasolina e diesel. Os adsorvedores,
que são incorporados no banho do catalisador, armazenam os óxidos de nitrogênio durante a
operação em relações combustível-ar distantes da estequiométrica. Quando a capacidade de
adsorção estiver saturada, o sistema é regenerado durante um período de operação em
relações combustível-ar próximas da estequiométrica, e o NOx liberado é cataliticamente
reduzido para nitrogênio. Adsorvedores de NOx requerem também a remoção periódica do
enxofre, armazenado nos poros do banho, em maior ou menor intensidade, dependendo do
teor de enxofre presente no combustível.
O conceito dos adsorvedores de NOx foi desenvolvido baseado em um banho com
base ácida. O NOx armazenado, quando liberado, é convertido cataliticamente para
nitrogênio, em um processo similar ao que ocorre em catalisadores de três vias em motores a
gasolina. Normalmente, este tipo de catalisador é inativo na conversão de NOx sob condições
de operação em relações combustível-ar distantes da estequiométrica, quando o oxigênio está
presente nos gases de escape. Alternando-se as fases de operação do motor em termos de
relação ar-combustível, a aplicação deste tipo de catalisador pode ser estendida para motores
que operam com relações mais distantes da estequiométrica. A tecnologia foi primeiramente
utilizada em motores a gasolina com injeção direta (GDI), seguida por motores leves movidos
a óleo diesel. Sistemas de adsorção de NOx também são encontrados em aplicações
55
estacionárias de turbinas movidas a gás natural. Esforços contínuos ainda são observados no
desenvolvimento desta tecnologia para a aplicação em veículos pesados movidos a óleo
diesel.
É importante salientar que diferentes termos são utilizados na literatura para
adsorvedores de NOx, como por exemplo: NOx adsorber catalyst (NAC), Lean NOx trap
(LNT), DeNOx trap (DNT), NOx storage catalyst (NSC) ou NOx storage/reduction (NSR).
Todos estes nomes são sinônimos e descrevem a mesma tecnologia de controle de emissões.
O termo lean NOx catalyst, no entanto, refere-se a um catalisador de redução seletiva de NOx
por meio de hidrocarbonetos, sendo então uma tecnologia diferente que não pode ser
confundida com adsorvedores de NOx.
O processo de adsorção e regeneração pode ser observado na figura abaixo.
FIGURA 21 - Perfil de armazenamento e liberação do NOx em um
adsorvedor de NOx
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 17/11/08
O mecanismo de adsorção/redução do NOx encontra-se ilustrado na figura 22. O
banho do catalisador combina três componentes ativos: (1) um catalisador de oxidação, como
por exemplo, a Pt, (2) um adsorvente, como por exemplo, o óxido de bário (BaO) e (3) um
catalisador de redução, como por exemplo, o Rh.
56
FIGURA 22 - Mecanismo de adsorção e redução de NOx
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 17/11/08
Este tipo de tecnologia pode atingir eficiências de conversão da ordem de 80 a 90%. A
sua atividade cobre uma larga faixa de temperatura, de aproximadamente 200º C até 450 a
500º C. Em sistemas diesel, o desempenho máximo ocorre tipicamente entre 350 a 380º C.
Este tipo de tecnologia também é sensível à contaminação por enxofre, e tem seu
desempenho gradativamente reduzido em caso de envenenamento. O mecanismo de
contaminação é similar ao já apresentado no tópico referente ao DOC slip, onde o mesmo
armazena-se na superfície do catalisador, na região dos poros do banho, deixando menos
espaço disponível para a adsorção do NOx.
Uma “armadilha” para o enxofre (sulfur trap), também conhecida como SOx trap, é
um outro adsorvedor catalítico, especialmente projetado para capturar e armazenar o enxofre.
Ele é posicionado no sistema de escape antes do adsorvedor de NOx, para então reduzir a sua
exposição ao enxofre. Duas abordagens foram propostas:
* Armadilhas com estratégia de dessulfatização (regeneração) – O enxofre
armazenado é periodicamente removido por meio de regeneração. Devido a necessidade de
altas temperaturas para dessulfatização, a posição mais indicada é a mais próxima do coletor
de escape ou carcaça da turbina. Esta abordagem requer sistemas de escape complexos, com
válvulas e by-pass para evitar que o enxofre liberado passe pelo adsorvedor de NOx e cause
seu envenenamento.
* Armadilha com tamanho suficiente para armazenar enxofre durante toda a vida do
veículo, evitando que o enxofre atinja o adsorvedor de NOx ou gere a necessidade de
sistemas de escape complexos. O maior desafio é projetar um sistema com capacidade de
armazenamento suficiente e tamanho razoável. A Toyota, por exemplo, atingiu uma
durabilidade de 40000km em uma aplicação de carro de passeio movida a óleo diesel.
O mecanismo de armazenamento de enxofre é similar ao dos adsorvedores de NOx.
Uma vez que o enxofre é armazenado na forma de sulfato de metal, o dióxido de enxofre tem
57
que ser primeiramente oxidado para SO3. Portanto, o sulfur trap deve incluir um catalisador
de oxidação para facilitar esta reação. O sistema de armazenamento é otimizado para os
seguintes aspectos: capacidade de adsorção de enxofre, temperaturas para dessulfatização,
liberação rápida e completa do enxofre após atingir a temperatura de dessulfatização, não
gerar emissões secundária e durabilidade térmica.
Os banhos aplicados em armazenadores de enxofre são geralmente baseados em
óxidos de alcalinos e suas misturas no alumina (titânia e zircônia). Materiais como o zinco,
níquel, cromo, cobre e prata, também já foram testados e são utilizados para modificar o
desempenho do armazenador de enxofre em caso de necessidade.
3.5.3. Catalisadores Lean NOx - LNC
Nesta tecnologia, a redução de NOx se dá por meio da injeção de hidrocarbonetos nos
gases de escape para posterior reação no catalisador. Na redução seletiva catalítica, os
hidrocarbonetos reagem com o NOx, mais do que com o O2, para formar nitrogênio, CO2 e
água, conforme demonstrado na equação abaixo:
HC + NOx = N2 + CO2 + H2O
Assumindo que uma espécie singular de hidrocarboneto de fórmula CmHn reage com
o óxido nítrico, a equação acima pode ser escrita como uma reação química balanceada,
conforme descrito abaixo:
CmHn + (2m + n/2) NO = (m + n/4) N2 + mCO2 + n/2 H2O
A reação não seletiva com o oxigênio é dada pela equação geral abaixo
HC + O2 = CO2 + H2O
Ou no caso de hidrocarbonetos CmHn, pela reação:
CmHn + (m + ¼ n) O2 => mCO2 + n/2 H2O
O catalisador deve ser otimizado para promover seletivamente a reação desejada com
o hidrocarboneto ao invés da indesejada com o oxigênio. A seletividade do catalisador é
determinada pela sua formulação, mas também depende de outros fatores como a espécie de
hidrocarboneto utilizado para a reação, temperatura, teor de oxigênio presente no gás de
escape e a relação HC/NOx.
A fonte mais atrativa de hidrocarboneto para a redução do NOx é o presente no
próprio escape. Sistemas que utilizam o HC presente no gás de escape para reagir com o NOx
no catalisador são denominados “passivos”. Quando se faz necessário o enriquecimento de
58
HC (preferencialmente com óleo diesel), seja no escapamento (com o uso de um injetor) ou
por meio de uma injeção atrasada no próprio cilindro, denomina-se que o sistema é “ativo”.
Normalmente, sistemas ativos propiciam uma maior eficiência de conversão, porém acarretam
em maior consumo de combustível, maior custo e maior dificuldade de controle. Quando se
utiliza a tecnologia ativa, é também necessária a aplicação de um catalisador de oxidação para
oxidar os hidrocarbonetos que passam pelo catalisador de NOx.
Os catalisadores mais comuns neste tipo de tecnologia são a base de cobre e zeólitos
(Cu/ZSM-5) e também a base de platina e alumina (Pt/Al2O3).
59
CAPÍTULO 4 – O enxofre, sua presença no óleo diesel e o seu impacto nas
tecnologias de pós-tratamento e na emissão de poluentes.
4.1 Introdução
As propriedades do óleo diesel podem afetar características importantes de
desempenho do motor, tais como, torque, consumo de combustível, emissão de poluentes, etc.
As propriedades mais importantes são: número de cetano, massa específica, poder
calorífico, volatilidade, viscosidade, propriedades de comportamento a frio, flash point,
lubricidade, acidez, estabilidade à oxidação e teor de enxofre. As propriedades devem atender
padrões regulamentados e geralmente são divididas entre físicas (massa específica,
viscosidade, volatilidade, poder calorífico e teor enxofre) e não físicas (número de cetano e
lubricidade). Enquanto as físicas podem ser determinadas usando técnicas de medição, as não
físicas são determinadas por meio de interações do combustível com padrões de medição.
As propriedades podem ser divididas entre aquelas que causam efeito imediato no
desempenho do motor e aquelas que causam impacto no longo prazo.
Dentre os parâmetros mais importantes que causam impactos nas emissões de
poluentes, encontra-se o enxofre.
O óleo diesel possui enxofre quimicamente ligado a sua estrutura. A quantidade de
enxofre depende da qualidade do óleo cru e dos componentes utilizados no processo de
mistura. As refinarias podem reduzir o teor de enxofre do óleo diesel por meio de tratamento
com hidrogênio. O hidro-tratamento utilizado para remover o enxofre, remove também
componentes que melhoram a lubricidade do combustível, por exemplo, os poliaromáticos.
Portanto, combustíveis de baixo teor de enxofre tipicamente requerem aditivos para
recuperação da lubricidade para assim evitar danos aos componentes do sistema de injeção de
combustível.
Os efeitos negativos produzidos pelo enxofre podem ser assim caracterizados:
- Emissões:
* Emissão de dióxido de enxofre – A maioria do enxofre é convertido no motor para
dióxido de enxofre, uma substância de impacto negativo ao meio ambiente.
* Emissão de sulfato de particulado – uma fração do enxofre é oxidado e forma o
trióxido de enxofre. O SO3 em conjunto com a água, forma ácido sulfúrico e contribui para a
emissão de material particulado.
- Corrosão e desgaste:
60
* Corrosão dos componentes do sistema de exaustão dos gases pela condensação do
enxofre, especialmente em sistemas de recirculação de gases.
* Aumento do desgaste de peças do motor através da corrosão pelo ácido formado
internamente.
- Tecnologias de pós-tratamento:
* A transformação do SO2 em SO3 é aumentada de forma significante se houver a
utilização de catalisadores de oxidação no sistema de controle de emissões, resultando em
aumento de emissões de material particulado.
* O sulfato de particulado é também gerado em filtros de particulado catalíticos,
ambos CRT2 (continuous regeneration trap) e catalisadores. Em algumas condições, o
benefício de reduzir a fração de carbono do material particulado pode ser maior que o
aumento gerado pelos sulfatos.
* Desativação de adsorvedores de NOx pelo enxofre é um dos maiores obstáculos na
implementação desta tecnologia.
* Muitos catalisadores são, de maneira reversível ou não, envenenados pelo enxofre.
A redução no teor de enxofre produz uma redução no particulado e também tem um
papel fundamental devido ao efeito adverso em muitas tecnologias catalíticas para o controle
de emissões. A necessidade do emprego de tecnologias de pós-tratamento para o atendimento
de legislações cada vez mais severas de emissões, vem sendo globalmente o principal
responsável pela reformulação do combustível para padrões extremamente baixos de teor de
enxofre.
Este capítulo tem o intuito de abordar o impacto do enxofre no óleo diesel do ponto de
vista de emissões de poluentes e no emprego de tecnologias de pós-tratamento, demonstrar as
tendências em termos de níveis de teor de enxofre ao redor do mundo e a sua relação com a
redução dos níveis de emissões de poluentes, bem como explicar sobre as possíveis técnicas
de dessulfurização nas refinarias.
4.2 Enxofre
O enxofre é o 16º elemento mais abundante na crosta da terra. A vasta maioria do
enxofre existe na forma de sulfatos, grande parte como sulfato de cálcio hidratado,
CaSO4.2H2O (o principal ingrediente do gesso utilizados nas paredes e tetos), ou anidrita,
2
CRT – Filtro de particulado catalisado por regeneração contínua
61
CaSO4. O sulfato de cálcio hidratado é um componente não tóxico, quimicamente inerte e um
mineral pouco solúvel em água, presente vastamente ao redor do mundo.
Todos os combustíveis orgânicos utilizados pelos seres humanos contêm uma parcela
de enxofre (óleo, carvão, gás natural, madeira, etc). Combustíveis como a madeira contém
pouco enxofre (0,1% ou até menos), enquanto a maioria dos carvões tem entre 0,5 a 3% de
teor. Óleos geralmente possuem mais enxofre que a madeira e menos que o carvão.
A queima do enxofre contido num combustível formará dióxido de enxofre:
S + O2 => SO2
Ao colocá-lo na atmosfera, ele eventualmente precipitará, em sua maioria no oceano,
com o tempo tornara-se parte da massa da terra como resultado de um processo geológico e
novamente entrará em combustíveis fósseis e minerais.
No petróleo, o enxofre é quimicamente combinado com os hidrocarbonetos.
Normalmente ele não pode ser removido sem a quebra de suas ligações químicas.
Dióxido e trióxido de enxofre são os principais óxidos gasosos do enxofre presente na
atmosfera. Dióxido de enxofre é um gás não inflamável, não explosivo, sem cor e começa a
ser sensível ao ser humano em concentrações de 0,3 a 1,0 ppm no ar. Em concentrações acima
de 3,0 ppm o gás tem um odor irritante e penetrante. O dióxido de enxofre é parcialmente
convertido em trióxido ou em ácido sulfúrico por meio de processos catalíticos foto-químicos
que ocorrem na atmosfera. Os óxidos de enxofre em combinação com o material particulado
produzem os efeitos mais danosos à atmosfera.
Os componentes do enxofre emitidos na atmosfera trazem efeitos negativos para a
visibilidade, saúde humana, vegetação e materiais, e também contribuem para a formação da
chuva ácida.
Partículas finas na atmosfera reduzem a visibilidade por meio da dispersão e da
absorção da luz. Uma vez que o acido sulfúrico e outros sulfatos representam, em geral, 5 a
20% do total de material particulado suspenso no ar urbano, eles contribuem
significativamente para a redução da visibilidade. Investigações indicam que muitos
ambientes poluídos visivelmente são causados pela formação de vários aerossóis resultantes
de reações foto-químicas entre SO2, material particulado, óxidos de nitrogênio e
hidrocarbonetos na atmosfera. Em medições realizadas em laboratório, misturas de NOx e
hidrocarbonetos mais comuns formaram pouco ou quase nenhum aerossol quando irradiados.
Entretanto, uma considerável formação foi evidenciada quando misturas de cadeias
aromáticas, NO2 e SO2 foram irradiados pela luz solar. Medições indicam que as maiores
frações de sulfato no ar urbano tem um tamanho efetivo de menos de 2 µm, com picos na
62
distribuição entre 0,2 a 0,9 µm. Uma vez que o comprimento de onda visível de um espectro
eletromagnético varia aproximadamente entre 0,4 a 0,8 µm, a presença de aerossóis deste tipo
pode causar redução na visibilidade.
Com relação aos materiais, os óxidos de enxofre geralmente aceleram a corrosão do
metal, primeiramente formando o ácido sulfúrico tanto na atmosfera quanto na superfície
metálica exposta diretamente aos óxidos. O principal componente que contribui para a
corrosão do metal geralmente é o dióxido de enxofre. Temperatura e umidade relativa
também influenciam na taxa de corrosão de maneira significativa. O alumínio é normalmente
resistente ao ataque do SO2. Entretanto, em umidades relativas maiores que 70% a taxa de
corrosão é severamente aumentada. A sociedade americana de testes de materiais (ASTM, em
inglês, American Society for the Testing of Materials) divulgou alguns estudos de longo prazo
dos efeitos atmosféricos no limite de escoamento do alumínio. Exposições em áreas rurais
levaram a perda de 1% ou menos no limite de escoamento após 20 anos, enquanto em uma
atmosfera industrial foram observados 14 a 17% de redução no mesmo período de tempo. Os
ácidos sulfúricos ou sulfurosos são capazes de atacar uma vasta gama de materiais de
construção de prédios, incluindo o calcário, o mármore e a ardósia. Materiais têxteis feitos do
nylon, especialmente mangueiras, também são sensíveis aos poluentes na atmosfera. O
enfraquecimento é aparentemente causado pelo SO2 ou pelos aerossóis de acido sulfúrico.
Com relação à saúde humana, apesar do dióxido e outros óxidos do enxofre terem sido
estudados intensivamente, muitas questões a respeito dos efeitos na saúde humana
permanecem sem resposta. Isto porque as emissões dos óxidos de enxofre tendem a ser
encontradas na mesma atmosfera onde também existem o material particulado e altas
umidades. Com isso, poucos estudos conseguiram diferenciar adequadamente os efeitos
individuais destes poluidores. Estes estudos mostram efeitos no sistema respiratório do ser
humano (asma e alergias respiratórias) além de irritação nos olhos, não trazendo resultados
claros em termos de relação do teor de enxofre emitido na atmosfera com a taxa de
mortalidade por doenças respiratórias.
4.3 A relação do enxofre no óleo diesel com a emissão de material particulado
A tecnologia dos motores diesel vem evoluindo rapidamente na medida em que os
limites de emissões de poluentes vão sendo cada vez mais reduzidos. Aumentos na pressão de
injeção de combustível em conjunto com geometrias de câmaras de combustão otimizadas
63
estão produzindo melhoras significativas na qualidade da combustão e na emissão de
poluentes. Os motores diesel do passado possuíam 300bar de pressão de injeção (década de
70), mas atualmente pressões de 1500 a 2000 bar são comumente utilizadas. Novos motores
vêm sendo projetados com pressões de até 2400bar. Pressões de injeção mais altas levam a
melhor nebulização do jato de combustível, melhorando a mistura com o ar e reduzindo a
formação de áreas mais ricas onde a fuligem é formada. Bombas de combustível controladas
eletronicamente e sistemas de injeção eletrônicos possibilitaram o uso de múltiplas injeções e
diferentes intervalos de tempo de injeção para diferentes condições do motor. Modernas
unidades injetoras podem atingir controle e flexibilidade similar. Até um determinado
momento, baseado na legislação de emissões, motores sem pós-tratamento dos gases de
escape tradicionalmente operavam com níveis de enxofre até 5000ppm (HOCHHAUSER et
al, 2006, p.10).
O enxofre no óleo diesel resulta diretamente nas emissões de dois poluentes primários:
dióxido de enxofre (SO2) e material particulado (MP). Durante a combustão, todo o enxofre
contido no óleo diesel é oxidado. Quase tudo é emitido como SO2, mas uma pequena fração
(2 a 3%) é convertida em trióxido de enxofre (SO3) no escapamento, o qual reage facilmente
com a água para formar o ácido sulfúrico (H2SO4) e o material particulado. No escapamento,
o sulfato é um importante iniciante de formação de partículas, propiciando um núcleo onde os
gases podem condensar, permitindo a formação e a emissão de pequenas partículas - aquelas
mais perigosas para a saúde humana (SHI & HARISSON in WALSH et al, 2005, p.7).
Segundo HOCHHAUSER et al (2006, p.10):
“[...] Apesar da emissão de poluentes ter sido reduzida com as
melhorias no projeto dos componentes do motor, a quantidade de
sulfato emitida tende a permanecer constante, então o sulfato tornase uma grande fração no total de material particulado[...] ”.
Este comentário pode ser ilustrado com a comparação de dois estudos. No primeiro
deles foi observada uma redução de 7% nas emissões de material particulado por meio da
redução de 3000ppm para 500ppm de teor de enxofre em 13 veículos europeus leves e
pesados produzidos nos anos 80 (BARTLETT et al in HOCHHAUSER et al, 2006, p.10). Já
no segundo teste, efetuado em um motor Cummins 5.9L produzido no ano 2000, foi
observado uma redução de 20% no material particulado com uma redução de teor de enxofre
de 325ppm para 15ppm. A emissão de material particulado total era muito menor no motor
produzido no ano 2000 (ALAM et al in HOCHHAUSER et al, 2006, p.10).
64
Reduzir o enxofre no combustível reduz SO2 proporcionalmente, além de também
reduzir a parcela de sulfato na emissão do material particulado. O grau de redução no material
particulado irá variar de acordo com a tecnologia empregada no motor. Reduções
significativas de material particulado foram também observadas em outros testes ao redor do
mundo. Na Dinamarca, uma redução no nível de enxofre de 440 para 0,7ppm levou a uma
redução de 56% no número de particulados emitidos na frota total de motores diesel
(WAHLIN et al in WALSH et al, 2005, p.7). Testes em caminhões movidos a óleo diesel no
Japão que não utilizavam tecnologias de catalisadores demonstraram, por meio da redução do
enxofre de 400 para 2ppm, reduções de 50% na emissão de material particulado (WWFC3 in
WALSH et al, 2005, p.7). Em caminhões pesados nos EUA, uma redução no teor de enxofre
de 368 para 54ppm propiciou uma redução de 14% na massa de material particulado emitido
(MECA4 in Walsh et al, 2006, p.7).
O impacto do enxofre no material particulado é ainda maior em veículos que utilizam
catalisadores de oxidação, pelo fato deste componente formar sulfato adicional em seu
catalisador (HOCHHAUSER et al, 2006, p.3).
4.4 A relação do enxofre no óleo diesel com os sistemas catalíticos de pós-tratamento
O enxofre no combustível tem um impacto negativo nos catalisadores usados para
controlar as emissões de veículos. Para veículos equipados com motor a diesel, o enxofre
impede o uso de equipamentos convencionais e também das avançadas e emergentes
tecnologias de controle do material particulado e do NOx. Catalisadores de Oxidação
poderiam ser melhor utilizados nos veículos em uso, mas a sua eficiência é severamente
reduzida pelo alto nível de enxofre. Na verdade, quando contaminado pelo enxofre, a emissão
de material particulado pode ser aumentada neste tipo de equipamento (WALSH et al, 2005,
p.1).
Por exemplo, filtros catalíticos podem reduzir a emissão de particulados nos veículos
movidos a óleo diesel em até 95%. Utilizando-se combustível de baixo nível de enxofre, estes
filtros podem também ser instalados em vários veículos já existentes no mercado, através de
programas de retrofit.
3
4
WWFC – World Wide Fuel Charter
MECA – Manufacturers of Emissions Controls Association
65
O fator principal que impede o uso de filtros de particulado e catalisadores de
oxidação com óleo diesel de alto teor de enxofre é o fato dos mesmos conterem metais nobres
em seus banhos para a realização da reação catalítica desejada. O metal nobre age como um
adesivo, facilitando o depósito de enxofre em sua base e nos poros da cerâmica, reduzindo o
acesso à área superficial e comprometendo a reação catalítica. Esse envenenamento pode ser
totalmente ou parcialmente reversível, ou seja, nas altas temperaturas dos gases pode ocorrer a
“limpeza” dos poros e dos metais nobres. No entanto, em alguns casos, existe a possibilidade
do envenenamento tornar-se irreversível e acumulativo, comprometendo a emissão de
poluentes.
Já com relação à tecnologia de redução seletiva catalítica (SCR), por não conter metais
nobres, espera-se que a mesma não seja sensível ao envenenamento pelo enxofre e mantenha
o mesmo nível de conversão de NOx ao longo do tempo.
Alguns testes voltados a avaliar a durabilidade dos sistemas de pós-tratamento e a
susceptibilidade ao envenenamento pelo enxofre foram efetuados ao redor do mundo. Um dos
resultados encontra-se sumarizado abaixo.
HINZ et al, avaliou entre 2004 e 2006, uma frota de 23 caminhões Volvo equipados
com catalisadores de oxidação, filtro de particulado, redução seletiva catalítica e DOC slip,
comparando o nível de emissões de poluentes antes e após a rodagem por 2 anos em rotas no
norte da Pensilvânia, realizadas pelos próprios proprietários dos caminhões. O combustível
utilizado neste estudo foi o ULSD (Ultra Low Sulfur Diesel) com teores de enxofre entre 4 e
10ppm. Os resultados nas emissões de poluentes foram considerados satisfatórios por ainda
atenderem a legislação de emissões americana mesmo após os dois anos de uso do veículo.
4.5 As tendências mundiais e a situação do Brasil em relação ao teor de enxofre no óleo
diesel
Até o início dos anos 90, o teor de enxofre no óleo diesel não era controlado por
legislações ambientais. O máximo teor de enxofre nos combustíveis de boa qualidade ficava
em torno de 0,5% ou 5000ppm.
O que motivou os órgãos governamentais a reduzir o teor máximo de enxofre
permitido no óleo diesel foi o impacto do mesmo nas emissões de material particulado
(sulfato). Naquela época, considerando os 5000 ppm, o dióxido de enxofre emitido pelos
motores diesel tinha uma grande parcela de contribuição na emissão global deste componente.
66
Nos anos 90, os órgãos governamentais de alguns países do mundo limitaram o teor de
enxofre em 500ppm. Este tipo de diesel foi chamado de low sulfur diesel ou LSD.
Posteriormente, novas reduções foram necessárias para facilitar a introdução de
controle de emissões por meio de catalisadores. O óleo diesel com teor limitado entre 10 a 50
ppm foi introduzido como uma forma de permitir o uso de filtros de particulado e outras
tecnologias catalíticas. O benefício em termos de emissão de dióxido de enxofre, ainda que
pequeno, foi importante principalmente em regiões de tráfego intenso e de pouca
movimentação do ar. Combustíveis com teores de enxofre entre 15ppm e 50ppm foram
denominados como ULSD (ultra low sulfur diesel). Na Europa, óleo diesel e gasolina
limitados a teores de 10ppm são denominados sulfur-free fuels.
Todos os passos visando a redução do teor de enxofre estavam sincronizados com os
padrões de emissões de poluentes, ambos nos EUA e na Europa. A primeira redução
significativa ocorreu nos EUA em Outubro de 1993, quando foi implementado o limite de
500ppm. Este movimento foi coordenado com a redução em 1994 no limite de emissões de
material particulado para 0,1 g/HPh.
A redução seguinte nos EUA ocorreu efetivamente em meados de 2006, exatamente
antes da legislação de emissões de particulado que entraria em vigor em 2007, reduzindo o
limite de MP para 0,01 g/HPh. O enxofre foi reduzido para15ppm para possibilitar o uso de
avançadas tecnologias de controle de MP, assim como de tecnologias avançadas para redução
do NOx visando atender os padrões estipulados para 2010 de 0,2 g/HPh. Uma evolução
similar da qualidade do combustível sincronizada com as novas legislações de emissões pode
ser observada na Europa, conforme ilustrado na figura abaixo.
FIGURA 23 - Redução do teor do enxofre em função da legislação de
emissões (Europa e EUA)
FONTE: dieselnet.com.br – acessado em 26/07/08
67
Apesar do ULSD com especificação de 50ppm ter sido regulamentado na Europa em
2005, alguns países introduziram combustíveis com teor entre 10 e 50ppm já no final dos anos
90 e início do ano 2000, por meio de programas de incentivo do governo (redução de taxas).
O ULSD foi primeiramente disponibilizado em países como Suécia, Reino Unido, Irlanda,
Dinamarca, Holanda, Alemanha e Bélgica.
Em 1998, produtores de veículos motorizados estabeleceram o quadro mundial de
combustíveis (world wide fuel charter), um documento com especificações para o óleo diesel
e a gasolina automotiva, com o intuito de harmonizar a qualidade mundial do combustível
com a necessidade do uso de tecnologias de controle de emissões veicular. Desde a revisão
ocorrida no ano 2000, o quadro propõe a introdução de combustíveis livres de enxofre, tanto
para o óleo diesel quanto para a gasolina. Alguns governos, principalmente na Europa,
seguiram as recomendações e estabeleceram a disponibilidade de combustíveis livres de
enxofre já em 2005. Uma completa migração para 10ppm está prevista para 2009.
A tabela XIV a seguir, traz um resumo sobre os tipos de combustível em termos de
teor de enxofre, a principal razão para a implantação de cada nível e o vínculo com a
legislação de emissões.
TABELA XIV - Redução do teor de enxofre - Highway Diesel Fuel
Teor de Motivo da redução do Objetivo de
Norma de emissões
teor de enxofre
emissões
enxofre
≥0.5%
EUA antes 1993
Standard diesel (5000
n/a
n/a
Europa antes 1996
ppm)
• US1994: 0.1 g/HPh
• Controle do sulfato
MP
Low sulfur
500-350
MP
PM, SO2
diesel
ppm
• EURO II/III: 0.25/0.1
• Controle de SO2
g/kWh MP
• US2007/10: 0.2 g/HPh
• Possibilitar o uso de
NOx; 0.01 g/HPh MP
filtros de particulado
Ultra low sulfur
50-10 ppm
diesel
• EURO IV/V: 0.02
• Possibilitar pósPM, NOx
g/kWh MP
tratamento do NOx
Tipo de
Combustível
Sulfur-free
diesel
≤10 ppm* • Controle do sulfato
MP
• EURO V/VI
FONTE: dieselnet.com.br com adaptações – acessado em 26/07/08
No Brasil, após negociações entre as montadoras, a agência nacional de petróleo e as
indústrias fabricantes de óleo diesel, foi estabelecido que a partir de 2005 as regiões
68
metropolitanas deveriam migrar dos 2000ppm de enxofre para 500ppm. O país apresenta um
consumo anual de aproximadamente 40 bilhões de litros de óleo diesel (BRITO in AGUIAR
et al, 2007, p.1) e produz também 22 bilhões de litros de gasolina com até 1000 ppm de
enxofre (Uller et al in Aguiar et al, 2007, p.1), provocando, desta forma, uma emissão de 84
mil toneladas de enxofre na forma de gases tóxicos pela queima da gasolina e óleo diesel
(AGUIAR et al, 2007, p.2)
Em 2009, visando atender a nova legislação de emissões PROCONVE P-6 (baseada
na legislação européia – EURO IV), foi estabelecido no final de 2007 pela ANP que o teor de
enxofre não poderia exceder o limite de 50ppm. Entretanto, estima-se que, em um primeiro
momento, apenas 30% do óleo diesel comercial disponível possuirá níveis de até 50ppm de
enxofre. Do restante, estima-se que 60% possuirão níveis de 500ppm de enxofre e os 10%
restantes ainda possuirão níveis de 1800ppm. Tudo isto pela dificuldade de se obter um óleo
diesel de melhor qualidade no Brasil, o que segundo a Petrobrás, demanda um alto
investimento nas refinarias de petróleo.
4.6 Principais preocupações em relação ao óleo diesel de baixo teor de enxofre
É importante salientar em relação ao ULSD, que alguns fatores devem ser levados
em consideração pelos usuários antes de sua utilização.
A economia de combustível pode ser reduzida e o ULSD pode afetar os componentes
do sistema de combustível de veículos mais antigos e também resultar em vazamento de
combustível e/ou desprendimento de partículas depositadas no tanque, causando entupimento
prematuro do filtro.
Em relação à economia de combustível, o processo requerido para redução do enxofre
para valores menores que 15ppm pode também reduzir os aromáticos. Em uma base
volumétrica, a densidade de energia dos aromáticos é maior que outros componentes do óleo
diesel. Ao reduzir a concentração de aromáticos, reduz-se também a quantidade de energia
por unidade de volume. O ULSD também possui uma massa específica mais baixa. Devido ao
efeito combinado de menos aromáticos e menor massa específica, o ULSD possui um menor
poder calorífico volumétrico, tipicamente entre 1 a 2% quando comparado com o óleo diesel
de 500ppm.
Já em relação à compatibilidade de vedação, a dessulfurização pode remover
antioxidantes naturais do combustível. Os antioxidantes podem prevenir o aparecimento de
69
peróxidos. Se os antioxidantes não forem repostos, peróxidos podem aparecer no combustível
se o mesmo for armazenado por longos períodos. Os peróxidos podem causar fragilização do
neoprene e de borrachas nitrílicas e possivelmente levar a falha de vedação.
O hidro-tratamento utilizado para remover o enxofre, remove também componentes
que melhoram a lubricidade do combustível, por exemplo, os poliaromáticos. Portanto,
combustíveis de baixo teor de enxofre tipicamente requerem aditivos para recuperação da
lubricidade para assim evitar danos aos componentes do sistema de injeção de combustível.
Um problema mais incomum, mas que também deve ser levado em consideração ao se
utilizar o ULSD, é a dissipação estática. O processo de remoção do enxofre também remove
componentes polares que dão ao óleo diesel a propriedade de condutividade elétrica e previne
a ocorrência de carga elétrica estática. A descarga de eletricidade estática pode ocorrer
durante a produção em larga escala do combustível, se a condutividade não for suficiente.
Pode haver sérios danos se uma mistura capaz de se auto-inflamar estiver presente. A
produção do ULSD poderá requerer o uso de aditivos dissipadores de cargas estáticas. Outro
fator importante é que em baixas temperaturas o óleo diesel reduz a sua condutividade
elétrica, sendo então necessário uma preocupação ainda maior em países mais frios.
4.7 Processos de dessulfurização do óleo diesel
O petróleo bruto convencional contém entre 0,04 a 5% de teor de enxofre e em termos
gerais, petróleos de densidades mais elevadas possuem teores ainda mais altos (KROPP et al
in ALVES et al, 1999, p.1).
A crescente utilização dos combustíveis fósseis acarreta em uma diminuição de
reservas com baixo teor de enxofre (KONISHI in ALVES et al, 1999, p.1). Em 1990, eram
produzidos em nível mundial, 70 milhões de barris de petróleo por dia, com uma porcentagem
de enxofre superior a 1,1. No entanto, prevê-se que em 2010 a produção ultrapasse os 83
milhões, aumentando também o enxofre contido no petróleo para 1,27% (MONTICELLO in
ALVES et al, 1999, p.1).
Atualmente são utilizados vários processos físicos e químicos (hidrodessulfurização –
utilização de injeção de hidrogênio durante o processo de refino) nas refinarias como
estratégia para a redução do teor de enxofre no óleo diesel. Esses tratamentos envolvem o uso
de catalisadores químicos sob condições de altas temperaturas e altas pressões. Existe também
70
a possibilidade do uso de recursos biológicos (bactérias e micro-organismos) para a remoção
do enxofre, conhecidos como biodessulfurização.
Vários estudos vêm sendo efetuados pelas refinarias em busca da otimização dos
processos de dessulfurização. Estes estudos buscam obter respostas quanto ao melhor meio
catalítico, o melhor coating, a melhor temperatura e pressão, a serem utilizadas durante o
processo de remoção do enxofre do óleo diesel.
Na medida em que os níveis de enxofre vêm sendo cada vez mais reduzidos, torna-se
extremamente importante o uso de tecnologias que proporcionem às refinarias uma melhor
eficiência na remoção do enxofre (menor custo com maior qualidade).
4.8 Principais conclusões sobre o enxofre no óleo diesel
Baseado nos argumentos relacionados neste capítulo, concluí-se que a redução do teor
de enxofre no óleo diesel é fundamental para reduzir as emissões de material particulado e dos
componentes responsáveis pela formação da chuva ácida e principalmente para permitir o uso
de tecnologias de pós-tratamento dos gases de escape para a redução do NOx, MP, HC, CO e
da amônia, dependendo da tecnologia empregada.
A demora ocorrida para a definição da especificação do óleo diesel para o P-6 por
parte da ANP e o fato de existirem diferentes qualidades de combustível em termos de teor de
enxofre no Brasil, faz com que a indústria automotiva tenha dificuldade em definir a
tecnologia de pós-tratamento dos gases de escape a ser empregada, de forma a garantir o nível
de emissões permitido ao longo do tempo, assim como a durabilidade de componentes que
podem ser afetados pelo nível de enxofre no óleo diesel (EGR, por exemplo).
Segundo WALSH et al (2005, p.1)
“[...] Introduzir 50ppm de teor de enxofre como limite em todo o país
permitiria ao Brasil a adoção de limites mais apertados de emissões
e também o uso de tecnologias mais avançadas para resolver o
problema de MP e NOx (ou ozônio) presentes na atmosfera de áreas
metropolitanas [...]”
Com base na revisão da literatura, comprovou-se que os sistemas de pós-tratamento
apresentam baixos níveis de degradação ao serem utilizados com óleo diesel de baixo teor de
enxofre.
71
Por outro lado, é importante enfatizar que a redução do enxofre degrada a lubricidade
do óleo diesel, o qual é extremamente importante devido às tolerâncias de injetores cada vez
menores e o constante aumento da pressão de injeção (2200bar, por exemplo). O desempenho
da lubricidade pode ser restaurado por meio do uso de aditivos ou a adição de pequenas
quantidades de biodiesel (1-2%).
72
CAPÍTULO 5 – Ensaios realizados
5.1 Introdução
O objetivo dos ensaios realizados foi avaliar o impacto do alto teor de enxofre contido
no óleo diesel na emissão de poluentes e nas tecnologias de pós-tratamento dos gases de
escape.
Os testes foram efetuados em um caminhão pesado equipado com um sistema SCR
para a redução de NOx e um catalisador de oxidação (DOC-slip) para a redução do
escorregamento de amônia para a atmosfera.
O veículo foi submetido a uma durabilidade de 30000 km em rota padrão no estado de
São Paulo.
O motor e o sistema de pós-tratamento foram avaliados em quilometragens periódicas
em dinamômetro (0, 10000, 20000 e 30000 km), com base no ciclo de emissões ESC5
(European Steady State Cycle).
5.2 Configuração do sistema
O veículo utilizado no teste de durabilidade foi um caminhão, originalmente com
260cv de potência atendendo a legislação PROCONVE 5 (equivalente a legislação EURO
III). O veículo teve sua calibração alterada, com re-potenciamento para 290cv e aumento do
NOx emitido pelo motor para a melhora da eficiência da combustão, conseqüente redução do
consumo de combustível e posterior remoção pelo SCR. A re-calibração também teve como
objetivo a redução da emissão de material particulado, porém ainda assim não atendendo a
quantidade máxima permitida pelo Proconve6.
O nível de NOx emitido pelo motor atende parcialmente aos padrões de emissões do
Proconve6, uma vez que todas as avaliações foram feitas somente com base no ciclo ESC (13
pontos estabilizado), devido a indisponibilidade no Brasil de um dinamômetro capaz de
efetuar as avaliações com base no ciclo ETC6 (European Transient Cycle)
A tabela XV traz um resumo da configuração do motor e veículo utilizado.
5
6
ESC – Ciclo europeu de teste de emissões em regimes permanentes.
ETC – Ciclo europeu de teste de emissões em regimes transientes.
73
TABELA XV - Características do motor e veículo
Veículo
Ano
Transmissão
Tração
Peso Bruto Total
Motor
Tipo
Tamanho
Sistema de Injeção
Calibração
Potência Máxima
Torque Máximo
Caminhão
2004
10 velocidades
6x4
17000 kg
MWM Acteon
6 cilindros em linha,
Injeção Direta,
Turboalimentado com
Intercooler
7,2 litros
Common Rail
EURO III (PM)
EURO IV parcial (NOx) –
somente ESC
290cv @ 2200 rpm
920 N.m @ 1300 - 1800
rpm
O sistema de pós-tratamento e de injeção de uréia é mostrado esquematicamente na
figura a seguir.
FIGURA 24 - Configuração do sistema de pós-tratamento
(SCR + DOC - slip)
FONTE: HELDEN et al, 2002 – com adaptações
O sistema de injeção de uréia é fornecido pela Bosch e possui integrado a ele uma
bomba para succionar a uréia, filtro, uma válvula PWM7 (Pulse Width Modulation) para
controlar a dosagem de uréia, um injetor e uma unidade de controle eletrônica. As variáveis
7
PWM – Pulsos modulados para controle de abertura e fechamento do injetor de uréia, utilizado para dosar a
quantidade uréia injetada no escapamento.
74
de entrada para o controle da dosagem de uréia é a rotação do motor, a carga/torque do motor,
e a temperatura dos gases de escape antes e após o catalisador. Os primeiros dois sinais
citados acima são obtidos via CAN, por meio da comunicação entre o módulo eletrônico do
motor e o módulo do SCR. A temperatura dos gases é obtida por 2 termopares PT200
instalados na tubulação de escape, conforme ilustrado na figura 24. A temperatura é obtida
pelo módulo de controle de injeção de uréia e então utilizada nos mapas de calibração. O
módulo de controle contém 12 mapas tridimensionais. Um dos mapas contém a temperatura
nominal dos gases de escape em função da carga do motor e da rotação. Os demais 11 mapas
contêm os níveis de quantidade de uréia a serem injetados no sistema dependendo da rotação
e da carga. Um destes mapas é preenchido com o volume de uréia a ser injetado em condições
estabilizadas do motor (steady-state). Os demais são utilizados quando a temperatura dos
gases de escape próxima ao catalisador não é igual à quantidade nominal estabelecida no
mapa de carga versus rotação. Estes mapas são extremamente importantes para adaptar a
quantidade a ser injetada em função da temperatura nos transientes do motor, garantindo a
eficiência de conversão de NOx e minimizando o efeito do escorregamento de amônia.
A solução utilizada neste estudo foi de 32,5% de massa de uréia na água. Esta solução
possuía uma densidade de 1,09 g/cm3 @ 15º C, um ponto de congelamento de -11º C, uma
viscosidade dinâmica de 1,23 mPa.s e capacidade calorífica de 3,4 KJ/kgK.
Neste estudo foi utilizado um catalisador SCR para reduzir a emissão NOx e um DOCslip para reduzir o escorregamento de amônia e de maneira secundária as emissões de
hidrocarbonetos e monóxido de carbono. Não foi utilizado um pré-catalisador especial para a
conversão de NO em NO2 e para facilitar a hidrólise da uréia. Catalisadores efetivos na
conversão de NO em NO2 seriam também efetivos em converter SO2 em SO3. Considerando o
nível de teor de enxofre usado neste estudo (2000 ppm), uma alta concentração de SO3
resultante da oxidação catalítica levaria a um aumento da emissão de particulados e também
em um envenenamento ainda maior dos catalisadores, reduzindo a eficiência de conversão ou
até mesmo provocando a inatividade dos catalisadores. Outro fator importante, é que a
utilização destes pré-catalisadores não está sendo contemplada na estratégia para atendimento
do Proconve6 pela maioria das montadoras estabelecidas no Brasil.
O catalisador SCR utilizado no estudo é formado por dois substratos cerâmicos de
diâmetro de 10,5 polegadas e comprimento de 6 polegadas, com volume total de 17 litros e
velocidade espacial máxima de 55000 (h-1). A base do banho (coating) aplicado no substrato é
o vanádio, titânio e tungstênio. O elemento ativo para conversão é vanádio. A cerâmica
75
utilizada é do tipo cordierite.
O substrato contém 300 células por polegada quadrada e 0,008
polegadas de espessura de parede. O SCR utilizado não contém metais nobres.
O catalisador de oxidação (DOC-slip) utilizado no estudo é formado por um substrato
cerâmico de diâmetro de 10,5 polegadas e comprimento de 3 polegadas, com volume total de
4,25 litros. A base do banho (coating) aplicado no substrato é a platina com massa específica
de 5g/ft3. A cerâmica utilizada é do tipo cordierite. O substrato contém 300 células por
polegada quadrada e 0,008 polegadas de espessura de parede. O DOC-slip possui metais
nobres (base platina).
Estas configurações de catalisadores foram escolhidas por terem apresentado os
melhores resultados do ponto de vista técnico (faixa de temperatura, eficiência de conversão
layout, disponibilidade, durabilidade) e comercial (preço), após a avaliação das propostas
disponibilizadas pelo fornecedor do substrato e do coating.
5.3 Testes em dinamômetro e veículo
O primeiro passo dos trabalhos em dinamômetro foi a adequação da calibração do
motor para receber a tecnologia de pós-tratamento SCR. Conforme citado anteriormente, o
motor foi re-potencializado e o nível de NOx emitido pelo mesmo foi aumentado, visando a
redução na emissão do material particulado e a melhora do consumo de combustível, por meio
da melhora da eficiência de combustão (maior temperatura e pressão de combustão). A
emissão de NOx do motor foi aumentada para 10,4 g/kW.h para posterior redução por parte
do SCR para níveis próximos a 3,5 g/kW.h. Após a re-calibração do motor, executou-se um
teste de emissões com base no ciclo ESC para determinação da curva de referência do motor
“zero km” sem o sistema de pós-tratamento.
O segundo passo foi a aplicação do sistema de pós-tratamento. Para isto foram
realizados estudos para a definição do melhor ponto de instalação do injetor de uréia e
substratos, levando-se em conta o limite de temperatura destes componentes (injetor: 600º C e
substratos: 650º C), a conversão de NOx e resultado de emissões, o fluxo dos gases visando o
melhor compromisso para a formação da amônia para conversão do NOx e os fatores de
layout da aplicação. A temperatura foi mapeada em diferentes pontos na tubulação de escape,
conforme ilustrado na figura 25.
76
FIGURA 25 - Mapeamento de temperaturas em dinamômetro
FONTE: MWM INTERNATIONAL, 2007
Após o mapeamento de temperaturas, foram determinadas quatro possíveis posições
de fixação do injetor e dos catalisadores. Em seguida, efetuou-se o estudo de eficiência de
conversão para cada uma destas posições de montagem.
De posse ao mapeamento de temperaturas e curvas de eficiência de conversão, foi
possível determinar o melhor compromisso de posicionamento do injetor e do catalisador.
As figuras e gráficos a seguir ilustram as quatro possíveis configurações de montagem,
o estudo de eficiência de conversão do NOx para cada configuração, o resultado do
mapeamento de temperaturas e o posicionamento final escolhido para montagem dos injetores
e do catalisador.
FIGURA 26 - Possíveis layouts (injetor e catalisador)
FONTE: MWM INTERNATIONAL, 2007
77
GRÁFICO II - Mapeamento de temperaturas (injetor e
catalisador)
FONTE: MWM INTERNATIONAL, 2007
GRÁFICO III - Eficiência de conversão NOx por posição
FONTE: MWM INTERNATIONAL, 2007
FIGURA 27 - Posicionamento final do injetor e
catalisador
FONTE: MWM INTERNATIONAL, 2007
Após a definição da posição de montagem (opção “teste 1”), os valores de calibração
referente a temperatura dos gases de escape e dosagem de uréia em função da carga e da
rotação do motor foram estabelecidos e preenchidos no software de controle de injeção da
78
uréia. Os parâmetros levados em conta nesta fase da calibração foram a eficiência de
conversão de NOx e o escorregamento teórico de amônia (α > 1). Neste trabalho não foi
possível obter de forma objetiva os valores de amônia emitidos para o meio ambiente, por não
haver um analisador deste componente disponível.
O sistema foi calibrado para iniciar a injeção de uréia em condições acima de 200º C
de temperatura após o catalisador, pois abaixo desta temperatura existe o risco da cristalização
da uréia nos catalisadores e na tubulação de escape, podendo prejudicar a eficiência dos
catalisadores e aumentar a restrição do escape.
Em seguida, foi obtida a curva de referência do motor equipado com sistema de póstratamento “zero km” com base no ciclo ESC.
Vale salientar que, antes da aplicação e das avaliações de emissões, os catalisadores
passaram por um processo de estabilização térmica (10 horas @ 350º C), a fim de se evitar
qualquer impacto nas emissões provocado pelo fato das peças serem novas. Este processo de
estabilização térmica é conhecido na indústria como degreening e sua realização é indicada
principalmente em trabalhos de pesquisa e desenvolvimento.
A atividade seguinte foi a avaliação da emissão de poluentes do motor equipado com
sistema de pós-tratamento variando-se somente a qualidade do combustível em termos de teor
de enxofre (50, 350 e 2000ppm). O intuito desta atividade foi de verificar o impacto do
enxofre presente no óleo diesel na emissão de poluentes, atendendo assim a um dos objetivos
propostos neste trabalho.
Em seguida, o motor e o sistema de pós-tratamento foram instalados no veículo para
início da durabilidade em campo de 30000km. A montagem do sistema de pós-tratamento no
veículo pode ser observada nas figuras 28a e 28b.
a)
b)
FIGURA 28 a, b - Instalação do sistema de pós-tratamento no veículo de teste (tanque de uréia, módulo
eletrônico, bomba, injetor e catalisadores)
FONTE: MWM INTERNATIONAL, 2007
79
Uma empresa especializada foi contratada para a realização do ensaio de durabilidade
em campo. A rota padrão de durabilidade representava um trecho de 400km (98% rodoviário)
passando pela rodovia dos Imigrantes na região de São Bernardo do Campo, avenida
Bandeirantes, Marginal Pinheiros e Tietê, rodovia Presidente Dutra, Fernão Dias e Dom Pedro
I (sendo a rota concentrada nas duas últimas). O trecho escolhido garantia a injeção de uréia
na maior parte do tempo de acordo com as faixas de temperatura de escape que o veículo
operava, conforme pode ser observado no gráfico abaixo.
GRÁFICO IV - Temperaturas após o catalisador em rota
de durabilidade veicular
FONTE: NETZ, 2007
O consumo de uréia foi de 3% em relação ao consumo de óleo diesel, um pouco
abaixo do padrão europeu que fica em torno de 4%. Isto ocorreu porque o enfoque da
calibração foi dado ao ciclo ESC, não tendo sido realizada a calibração visando a redução de
NOx nos transientes do motor e consequentemente na quantidade de uréia injetada nestas
condições de operação.
Durante todo o teste o veículo foi abastecido com óleo diesel S2000 e uréia a 32,5%
em peso na planta da MWM-International em São Bernardo do Campo. Desta forma,
garantiu-se em todo o teste, a utilização do óleo diesel e da uréia padronizados.
Os consumos de combustível e de uréia eram medidos a cada reabastecimento.
O teste de campo foi dividido em três etapas (10000, 20000 e 30000 km) e no término
de cada uma delas o motor e o sistema de pós-tratamento eram retirados do veículo para a
avaliação da emissão de poluentes em dinamômetro, com base no ciclo ESC, visando a
avaliação do impacto do teor de enxofre de 2000ppm nas tecnologias de pós-tratamento,
principal objetivo deste trabalho.
Os resultados de cada uma das atividades listadas acima podem ser verificados no
próximo capítulo.
80
5.4 Equipamentos utilizados
O dinamômetro utilizado neste estudo foi o Schenck W400. A bancada de emissões
utilizada para a medição das concentrações de HC, CO, NOx, e demais gases é produzida pela
Horiba e o modelo é o MEXA 7100. O analisador de material particulado é um SMARTSampler PC produzido pela AVL.
O dinamômetro é refrigerado a água e funciona pelo princípio de corrente de Foucault,
com capacidade de 400 kW e 2000 N.m, com precisão de +/- 1 kgf.
A bancada da Horiba MEXA 7100 tem a capacidade de medir os seguintes
componentes THC, CO, CO2, O2, O2, NO/NOx, HC, N2O, SO2, CH4. Para a medição dos
gases são utilizados os métodos AIA (analisador de infravermelho não dispersivo), MPA
(analisador magneto-pneumático), CLA (analisador com foto-diodo) e o FIA (chama de
ionização).
O método chamado de infravermelho não dispersivo (non-dispersive infrared
detector) é utilizado para medir a concentração de CO2 e CO presentes na amostra. Neste
método, a fonte de luz emite uma radiação infravermelha que passa através da célula de
amostra e da célula de referência. Essa radiação (luz) infravermelha é modulada pelo
“chopper” rotativo, e detectado pela célula detectora. Se a radiação infravermelha que passa
pela célula de amostra for absorvida pela amostra do gás, ocorrerá a diminuição da quantidade
de radiação que atinge a célula. Essa diferença na intensidade da radiação é comparada com a
fonte de luz de referência. O resultado dessa diferença equivale à concentração do
componente. A série 7000 dos analisadores AIA utiliza um “chopper motor” de 10 Hz para
aumentar a precisão do detector.
A tabela XVI traz as características do analisador AIA-721, utilizado neste trabalho.
TABELA XVI - Características do analisador de CO AIA-721
Faixa
Repetibilidade (zero)
Repetibilidade (span)
Drift (zero)
Drift (span)
Ruído
Linearidade
T90
Vazão da amostra
CO 50 a 5000ppm
< +/- 0,5% FS
< +/- 0,5% RS
(>100ppm) < 1%FS/24h
(50-100 ppm) < +/- 2% FS/24h
(>= 50 ppm) < +/- 1% FS/24h
< +/- 1% FS
< +/- 1% FS ou < +/- 2% RS
(< 100 ppm) < 3segundos
(> 100 ppm) < 2segundos
3 l/min
81
O analisador MPA mede a concentração de oxigênio nos gases de escape e do ar
ambiente. O principio de medição é baseado na propriedade de para-magnetismo do oxigênio.
Para medir o oxigênio contido na amostra, esta passa por um canal de nitrogênio que passa
por um campo magnético alternado. A pressão entre os dois discos detectores varia
dependendo do O2 presente na amostra. Essa variação é proporcional à quantidade de O2
presente na amostra.
A tabela XVII mostra as características do analisador MPA-720, utilizado neste
trabalho.
TABELA XVII - Características do analisador MPA-720
Faixa
Repetibilidade (zero)
Repetibilidade (span)
Drift (zero)
Drift (span)
Ruído
Linearidade
T90
Vazão da amostra
1 - 25 vol %
< +/- 0,5% FS
< +/- 0,5% RS
< 1% FS/24h
< 1% FS/24h
(< 5 vol%) < +/- 2% FS
(>= 5 vol%) < +/- 1% FS
< +/- 1% FS ou < +/- 2% RS
(< 5%) < 2 segundos
(>= 5%) < 1,5 segundos
0,7 l/min
O método CLA utiliza um foto-diodo para detectar o oxido nítrico (NO). O foto-diodo
absorve a reação que ocorre entre o NO e o O3. Essa reação emite uma luz. O número de
fótons emitidos é proporcional à concentração de NO presente na amostra. Para detectar o
NOx, a amostra é encaminhada para o conversor, onde o NOx é convertido em NO.
A tabela XVIII mostra as características do analisador CLA-720A, utilizado neste
trabalho.
82
TABELA XVIII - Características do analisador de NO/NOX CLA-720A
Faixa
Repetibilidade (zero)
Repetibilidade (span)
Drift (zero)
Drift (span)
Ruído
Linearidade
NO/NOx 10 a 500ppm
1000 a 10000ppm
< +/- 0,5% FS
< +/- 0,5% RS
< 1% FS/24h
< 1% FS/24h
< +/- 2% FS
< +/- 1% FS ou < +/- 2% RS
NO: entre 2,5 segundos
NOx: 3,0 segundos
(< 50 ppm)
NO: 2,0 segundos
NOx: 2,5 segundos
(>= 50ppm)
0,5 l/min
T90
Vazão da amostra
Interferência (CO2 16%) -3,00%
O FIA é um analisador de hidrocarbonetos que analisa os gases por meio da chama de
ionização. É designado para realizar ininterruptamente a medição da concentração de
hidrocarbonetos presentes nos gases de escape. O método tem sido utilizado, em particular,
para medições em gases dos motores a óleo diesel, em que os hidrocarbonetos são
condensados e absorvidos em temperaturas atmosféricas normais. Isto é possível, mantendose a linha de amostra e a unidade de detecção em temperaturas elevadas (191°C +/- 6°C). A
medição do total de hidrocarbonetos é feita passando a amostra de gás na chama de
hidrogênio. Os hidrocarbonetos presentes na amostra produzem uma corrente de ionização, a
qual é proporcional ao total de átomos de carbono presentes na amostra. A quantidade de
hidrocarbonetos na amostra é expressa em ppm-C. Baseia-se na teoria de que a molécula de
propano (C3H8) produzirá uma resposta três vezes maior que uma única molécula de carbono,
como por exemplo, o CH4.
A tabela XIX mostra as características do analisador FIA-720, utilizado neste trabalho.
83
TABELA XIX - Características do analisador de HC FIA-720
Faixa
Repetibilidade (zero)
Repetibilidade (span)
Drift (zero)
Drift (span)
Ruído
Linearidade
T90
Vazão da amostra
20 a 20000ppm
< +/- 0,5% FS
< +/- 0,5% RS
< 1% FS/24h
< 1% FS/24h
< +/- 1% FS
< +/- 1% FS ou < +/- 2% RS
< 1,5 segundos
0,5 l/min
O analisador de material particulado é um sistema de medição por gravidade dos
particulados diluídos, que coleta a amostra em um túnel de fluxo parcial. Do fluxo total de
gases, somente uma pequena parcela é coletada em um pequeno túnel e diluída com ar,
condicionado internamente pelo sistema. Após a diluição no túnel, o gás passa pelo filtro que
coleta a amostra. Ao final do teste o filtro é pesado e a massa de particulado é obtida.
Os principais parâmetros avaliados nos testes de emissões, bem como os equipamentos
utilizados, encontram-se listados na tabela XX.
TABELA XX - Parâmetros avaliados em dinamômetro e meios de medição
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
Variável
Pressão atmosférica
Massa específica do combustível
Massa do combustível
Rotação do motor
Carga do motor
Vazão de ar na entrada do compressor do turbo
Pressão de entrada de ar antes do compressor
Pressão de saída de ar do compressor
Pressão de entrada de ar no coletor de admissão (após aftercooler )
Pressão de entrada dos gases na carcaça da turbina (após coletor de escape)
Pressão de saída dos gases de escape (após carcaça da turbina)
Pressão de óleo
Temperatura de entrada de ar antes do compressor
Temperatura de saída de ar do compressor
Temperatura de entrada de ar no coletor de admissão (após aftercooler )
Temperatura de entrada dos gases na carcaça da turbina (após coletor de escape)
Temperatura de saída dos gases de escape (após carcaça da turbina)
Temperatura do combustível
Temperatura do óleo
Temperatura da água
Temperatura de bulbo seco
Temperatura de bulbo úmido
Torque do motor
Potência do motor
Consumo específico de combustível
Grau de enegrecimento
Temperatura antes do catalisador
Temperatura depois do catalisador
Temperatura da uréia
Vazão de uréia injetada
Fator alpha (relação NH3/NOx)
Emissão específica de NOx
Emissão específica de HC
Emissão específica de CO
Emissão específica de material particulado (PM)
Unidade
mbar
kg/l
kg
rpm
kgf
3
m /h
mmH2O
mmHg
mmHg
mmHg
mmHg
bar
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
o
C
N.m
kW
g/kW.h
bosch
o
C
o
C
o
C
g/h
[-]
g/kW.h
g/kW.h
g/kW.h
g/kW.h
Meio de medição
Transdutor de pressão
Densímetro
Balança
Sensor de velocidade
Célula de carga
PLU
Transdutor de pressão
Transdutor de pressão
Transdutor de pressão
Transdutor de pressão
Transdutor de pressão
Transdutor de pressão
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termômetro
Termômetro
Célula de carga x braço
Cálculo
Balança + Fórmula
Medidor de fumaça
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Termopar tipo k
Software INCA
Cálculo
Bancada de emissões
Bancada de emissões
Bancada de emissões
Smart sample
Onde
Dinamômetro
MWM
International
84
CAPÍTULO 6 – Resultados
6.1 Impacto do enxofre contido no óleo diesel na emissão de poluentes
Com relação aos testes de emissões executados no motor “zero km” com diferentes
níveis de teor de enxofre no óleo diesel, foi possível comprovar uma forte influência deste
componente na emissão de poluentes (principalmente na produção de material particulado) e
nas tecnologias de pós-tratamento (principalmente o DOC-slip), considerando-se a
degradação nas emissões de HC e CO.
A tabela XXI mostra o resultado dos testes de emissões para cada teor de enxofre no
óleo diesel (50, 350 e 2000ppm).
TABELA XXI - Resultado de emissões com diferentes níveis de enxofre no óleo diesel
Nesta aplicação, não foi percebida uma diferença sensível entre o óleo diesel S50 e o
S350, porém entre estes dois e o S2000 observou-se um aumento de 170% na emissão
específica de material particulado, 36% na emissão específica de CO no teste executado com
o sistema de pós-tratamento instalado e 10% considerando somente a emissão do motor (antes
do sistema de pós-tratamento). Constatou-se também um aumento de 100% na emissão
específica de HC com o sistema de pós-tratamento instalado, não havendo diferenças entre os
testes considerando-se somente a emissão do motor. Em relação ao NOx, houve um aumento
de apenas 4% na emissão específica considerando o sistema de pós-tratamento instalado e 1%
considerando somente o motor. Vale observar que a seqüência adotada para os testes de
emissões foi sempre do menor para o maior nível de enxofre (50, 350 e 2000ppm), inclusive
nas avaliações de 10000, 20000 e 30000km, pois assim era possível executar uma bateria
85
completa de testes sem a necessidade de troca dos filtros de óleo diesel do motor e do
dinamômetro.
Os gráficos a seguir representam a situação comentada no parágrafo anterior.
CO depois SCR + DOC Slip
CO antes SCR + DOC Slip
0,45
0,45
2000ppm
0,40
0,35
(g/KW.h)
(g/KW.h)
0,20
0,25
0,20
0,15
0,15
0,10
0,10
0,05
0,05
0,00
0,00
Emiss.específica média de CO (g/kW.h)
Emiss.específica média de CO (g/kW.h)
b)
HC antes SCR + DOC Slip
HC depois SCR + DOC Slip
0,20
0,18
2000ppm
0,16
350ppm
0,16
350ppm
0,14
50ppm
0,14
50ppm
0,12
0,10
0,08
0,12
0,10
0,08
0,06
0,06
0,04
0,04
0,02
0,02
0,00
0,00
Emiss.específica média de HC (g/kW.h)
c)
Emiss.específica média de HC (g/kW.h)
d)
NOx antes SCR + DOC Slip
NOx depois SCR + DOC Slip
11,00
11,00
2000ppm
10,00
9,00
9,00
350ppm
8,00
50ppm
50ppm
7,00
(g/KW.h)
7,00
2000ppm
10,00
350ppm
8,00
6,00
5,00
6,00
5,00
4,00
4,00
3,00
3,00
2,00
2,00
1,00
1,00
0,00
0,00
Emiss.específica média de NOX (g/kW.h)
e)
2000ppm
0,18
(g/KW.h)
(g/KW.h)
0,20
(g/KW.h)
50ppm
0,30
0,25
a)
350ppm
0,35
50ppm
0,30
2000ppm
0,40
350ppm
f)
Emiss.específica média de NOX (g/kW.h)
PM
0,140
2000ppm
0,120
350ppm
(g/KW.h)
0,100
50ppm
0,080
0,060
0,040
0,020
0,000
g)
Material Particulado (g/Kw.h)
GRÁFICO V a - g- Emissões de poluentes em função do nível de enxofre contido no óleo diesel
FONTE: MWM International, 2007
86
Conforme resultado apresentado acima, comprovou-se que o enxofre contido no óleo
diesel tem um impacto significativo na emissão do material particulado, sendo então um fator
importante para ser levado em consideração nas novas e rigorosas legislações de emissões.
Isto confirma também que as ações dos órgãos reguladores, voltadas para a redução do teor no
enxofre no óleo diesel, não só viabilizarão o uso de tecnologias avançadas de pós-tratamento
dos gases, como também contribuirão de maneira direta na redução da emissão de partículas
ao meio ambiente, assim como a formação de dióxido, trióxido de enxofre e formação de
chuva ácida.
6.2 Eficiências de conversão de NOx, HC e CO (SCR e DOC-Slip)
Mesmo sendo um efeito secundário do DOC-slip, através dos gráficos Va a Vd, foi
possível observar uma redução significativa nas emissões de HC e CO ao compararmos os
resultados de emissões somente do motor com os resultados após o sistema de pós-tratamento.
Os catalisadores foram também avaliados separadamente para a obtenção da
contribuição de cada um deles e comparação com o sistema de pós-tratamento integrado.
A tabela abaixo mostra a eficiência de conversão do conjunto SCR e DOC slip,
somente do DOC slip e somente do SCR.
TABELA XXII - Eficiência de conversão dos catalisadores em conjunto e separados
CICLO ESC
Teor de enxofre
Material Particulado (g/kW.h)
Eficiência de conversão ( % )
NOX (g/kW.h)
CO (g/kW/h)
HC (g/kW.h)
0,039
Somente
DOC-Slip
350ppm
0,053
70
67
88
1
51
52
SCR + Slip
Somente SCR
0,030
65
-29
64
A partir dos resultados desta tabela é possível constatar que o SCR têm um efeito
obviamente significativo na redução de NOx, negativo na formação de CO devido a reação
química dos gases com o vanádio, além de um efeito positivo na redução do HC.
Já o DOC slip apresentou um resultado positivo na redução de HC e CO e
praticamente nenhum efeito na conversão de NOx.
Ao combinar-se o SCR ao DOC slip houve reduções ainda mais significativas do HC e
do CO, além de uma pequena melhora do NOx. Este teste apresentou um resultado
87
inconsistente na redução do CO na situação de SCR + DOC slip. Nesta situação esperava-se
uma eficiência menor do que 52% na conversão de CO, já que o SCR aumenta a concentração
do CO. Uma possível explicação seria um erro na medição e uma segunda (menos provável)
estaria associada a um aumento da eficiência do DOC-slip quando exposto às concentrações
maiores de CO.
A avaliação acima foi feita em um novo conjunto de catalisadores, diferentes daqueles
utilizados no ensaio de durabilidade de 30000km em campo, pois foi necessário separar o
SCR do DOC-slip para a execução das avaliações individuais, obrigando o corte no
encapsulamento do conjunto e desconfiguração do sistema original.
6.3 Impacto do enxofre contido no óleo diesel na eficiência de conversão do SCR e do
DOC-slip
Após avaliação das emissões do motor com 0, 10000, 200000 e 30000 km percorridos
com óleo diesel S2000, foi possível evidenciar que o SCR não foi impactado pelo alto teor de
enxofre, pois o mesmo manteve a suas características de conversão de NOx ao longo de toda a
durabilidade veicular.
Já a eficiência de conversão do HC e do CO foi reduzida significativamente, sugerindo
o envenenamento do DOC-slip pelo enxofre. Neste caso, o enxofre se deposita no metal nobre
e nos poros do substrato, reduzindo a área superficial e comprometendo a reação catalítica.
Os gráficos a seguir mostram os resultados de emissões de HC, CO e NOx do motor
com 0, 10000, 20000 e 30000 km, tendo os mesmos sido avaliados no dinamômetro com óleo
diesel 2000, 350 e 50 ppm (nessa ordem de teste).
88
Teste ESC - Eficiência de conversão do sistema de pós tratamento
(S =2000ppm)
90
Eficiência de Conversão (%)
80
70
NOX
60
CO
HC
50
40
30
0
10
20
30
Distância percorrida (kkm )
GRÁFICO VI - Eficiência de conversão do sistema de
pós-tratamento em função da quilometragem do veículo
(avaliação em dinamômetro com S2000)
FONTE: MWM International, 2008
Teste ESC - Eficiência de conversão do sistema de pós tratamento
(S = 350ppm)
Eficiência de Conversão (%)
90
80
70
NOX
CO
60
HC
50
40
30
0
10
20
30
Distância percorrida (kkm )
GRÁFICO VII - Eficiência de conversão do sistema de
pós-tratamento em função da quilometragem do veículo
(avaliação em dinamômetro com S350)
FONTE: MWM International, 2008
Teste ESC - Eficiência de conversão do sistema de pós tratamento
(S = 50ppm)
90
Eficiência de conversão(%)
80
70
NOX
60
CO
HC
50
40
30
0
10
20
30
Distância percorrida (kkm )
GRÁFICO VIII - Eficiência de conversão do sistema de
pós-tratamento em função da quilometragem do veículo
(avaliação em dinamômetro com S50)
FONTE: MWM International, 2008
89
Através dos gráficos VI, VII e VIII, observou-se uma estabilidade na conversão de
NOx, redução média de 14% na eficiência de conversão do HC e de 29% na conversão de
CO (média dos três testes com 50, 350 e 2000ppm e distâncias percorridas de 0 e 30000km).
Como muitas vezes o envenenamento é reversível, poderia haver situações de
utilização onde o sistema no veículo estaria emitindo mais ou menos poluentes (HC e CO)
que os observados nas medições em dinamômetro, pois dependendo da temperatura de escape
pode ocorrer uma limpeza parcial dos poros e dos metais nobres, aumentando a eficiência de
conversão do DOC-slip. Este fato justifica o comportamento não linear de degradação da
eficiência de conversão do HC e do CO (principalmente o CO, cuja quantidade emitida é
extremamente sensível ao DOC-slip, conforme mostrado na tabela XXII).
Com base ao que foi exposto acima, pode-se concluir que o SCR não foi sensível ao
alto teor do enxofre utilizado no teste de durabilidade, tendo o mesmo mantido suas
características até o término da durabilidade. Com relação ao DOC-slip, sugere-se que o
mesmo tenha sofrido envenenamento pelo enxofre pelo fato do aumento significativo nas
emissões de HC e de CO.
Após o término das avaliações, o SCR foi separado do DOC-slip para verificação da
contribuição de cada substrato na emissão dos poluentes. A tabela abaixo mostra o resultado
desta avaliação.
TABELA XXIII - Eficiência de conversão dos catalisadores em conjunto e separados após teste de durabilidade
CICLO ESC
Teor de enxofre
Material Particulado (g/kW.h)
Eficiência de conversão ( % )
NOX (g/kW.h)
CO (g/kW/h)
HC (g/kW.h)
0,059
Somente
DOC-Slip
350ppm
0,049
66
37
74
1
43
49
SCR + Slip
SCR only
0,028
66
-32
64
Comparando-se os resultados desta avaliação (tabela XXIII) com os contidos na
tabela XXII, há mais um indicativo de que o SCR manteve suas propriedades de conversão e
o DOC-slip foi influenciado pelo enxofre.
90
CAPÍTULO 7 – Conclusões e Considerações Finais
Com base ao que foi exposto no capítulo anterior, pode-se concluir que o SCR não foi
sensível ao alto teor do enxofre utilizado no teste de durabilidade, tendo o mesmo mantido
suas características até o término da durabilidade.
Com relação ao DOC-slip, sugere-se que o mesmo tenha sofrido envenenamento pelo
enxofre pelo fato do aumento significativo nas emissões de HC e de CO. Neste caso, o
enxofre se deposita nos metais nobres e nos poros do substrato, reduzindo a área superficial
ativa e comprometendo a reação catalítica.
Como muitas vezes o envenenamento do catalisador é reversível, poderia haver
situações de utilização onde o sistema de pós-tratamento em funcionamento no veículo estaria
emitindo mais ou menos poluentes (HC e CO) do que os observados nas medições em
dinamômetro, pois dependendo da temperatura dos gases de escape, pode ocorrer uma
limpeza parcial dos poros e dos metais nobres, aumentando a eficiência de conversão do
DOC-slip. Este fato poderia justificar o comportamento não linear das curvas de eficiência de
conversão de HC e CO nas avaliações periódicas ao longo dos 30000 km do teste de
durabilidade.
Com relação ao impacto do enxofre contido no óleo diesel na emissão de poluentes,
confirmou-se que o mesmo tem um impacto significativo na emissão do material particulado,
sendo então um fator importante para ser levado em consideração nas novas e rigorosas
legislações de emissões. Isto confirma também que as ações dos órgãos reguladores, voltadas
para a redução do teor no enxofre no óleo diesel, não só viabilizarão o uso de tecnologias
avançadas de pós-tratamento dos gases, como também contribuirão de maneira direta na
redução da emissão de partículas ao meio ambiente, assim como a formação de dióxido e
trióxido de enxofre, do ácido sulfúrico e da chuva ácida.
Resumidamente, é possível extrair três conclusões principais neste estudo:
- O SCR não foi afetado pelo enxofre contido no óleo diesel, tendo mantido suas
propriedades em termos de conversão de NOx;
- Sugere-se que o DOC-slip foi contaminado pelo enxofre pela redução da eficiência
de conversão do HC e do CO após os 30000 km de testes;
- O teor de enxofre aumenta significativamente as emissões de material particulado à
atmosfera.
91
7.1 Trabalhos Futuros
Para investigações futuras sobre o impacto do enxofre em tecnologias de póstratamento, sugere-se que seja avaliado também um mesmo veículo e sistema de póstratamento, sob as mesmas condições de teste (rota, distância, temperaturas, calibração, etc.),
porém com nível de enxofre abaixo de 50ppm. Com isso, seria possível avaliar
comparativamente as eficiências de conversão de HC, CO e NOx e então concluir de maneira
objetiva a influência dos diferentes teores de enxofre sob as eficiências de conversão.
Sugere-se também a avaliação em mais veículos (mínimo três), para possibilitar a
comparação dos resultas e avaliação de repetibilidade.
Ao executar os testes de emissões, sugere-se a realização de pelo menos três testes e
apresentação do resultado com base na média destes. O objetivo seria reduzir a possibilidade
de se utilizar resultados imprecisos por conta de erros de leitura da bancada de emissões.
92
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
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93
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WARK, K., WARNER, C. e Davis,W. Air pollution – Its origin and control, 3a edição, editora
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94
ANEXOS
95
Tabela A1
Planilha de teste de emissões ESC após 30000 km e diesel com 2000ppm de teor de enxofre
CÁLCULO DE PERFORMANCE E EMISSÕES / MOTOR AFTERCOOLER
Motor :
Dinamômetro :
Folha de Teste :
Data :
Mecânico :
Cilindros :
Cilindrada unitária :
P atmosferica (mmHg) :
6.12TCE 006397
5
243
14/02/08
Cleilton
6
Densidade do combust. (kg/l) :
Massa do combust. (g) :
Tipo de diesel (S) :
Tipo de uréia :
Aplicação :
Tipo de Pós-tratamento :
Fornecedor do Pós-tratamento :
Tecnologia do Pós-tratamento :
698,3
0,841
54,85
Slip :
Diâmetro da pç (pol) :
Comprimento da pç (pol) :
Qtd de substratos :
Posição do catalis. :
Posição do injetor :
Modelo do Horiba :
Calibração do motor :
Importada
Investigação
SCR
Sim
2
7100
WP:p508DNOX10D_6C
_950Nm_dino_1
Calibração do DNOx : WP:p497V73_DNOX_6C
OBS : 1° Ciclo ESC com particulado após montar SCR do caminhão com 30000 Km e diesel 2000 ppm
_26290_07_1
Ponto de Medição (-)
Rotação (rpm)
Carga (kgf)
Num. de voltas (-)
Fumaça Obs. (BOSCH)
Pressão de óleo (kg/cm²)
Temp. Óleo Lubr.(ºC)
Temp Agua (ºC)
P1 (mm H2O)
P21 (mm Hg)
P22 (mm Hg)
P3 (mm Hg)
P4 (mm H2O)
T1 (ºC)
T21 (ºC)
T22 (ºC)
T3 (ºC)
T4 (ºC)
T Combust. (ºC)
Inicio de inj. Dinamico (ºAPMS)
Débito Inj. Princ.
debito de pre inj.
Press. Máx. Inj. Bico (bar)
ponto de pre inj.
Temperatura antes PLU (ºC)
Temperatura após PLU (ºC)
Pressão Antes PLU (mm H2O)
Pressão Após PLU (mm H2O)
Vazão PLU (m³/h)
"TBS" Medidor de Umidade (ºC)
"TBU" Medidor de Umidade (ºC)
"TBS" ar-condicionado (ºC)
Umidade Rel.do ar-condic. (%)
Torque Obs. (m.kgf)
Potencia Obs. (cv)
PME Obs. (bar)
Cons. Esp. Obs. (g/cv.h)
Fator Correção. NBR ISO 1585
Torque Corr. (m.kgf)
Potencia Corr. (cv)
PME Corr. (bar)
Cons. Esp. Corr. (g/cv.h)
Rel. P21/P1
Rel. P3/P4
Rel. P22/P3
Fator Peso (-)
Leitura CO - depois (ppm)
Leitura CO2 - depois (%)
Leitura O2 - depois (%)
Leitura NOX - depois (ppm)
Leitura HC - depois (ppm)
Leitura CO - antes (ppm)
Leitura CO2 - antes (%)
Leitura O2 - antes (%)
Leitura NOX - antes (ppm)
Leitura HC - antes (ppm)
Fluxo combustível (kg/h)
Fluxo ar PLU (kg/h)
Fluxo escape (kg/h)
Lambda V (-)
1
699
0,3
2731
0,08
2,3
87,7
75,3
35
14
12
38
75
16,4
27,2
31,7
127
153
39,1
2
1647
137,4
161
0,28
4,1
104,5
81,6
356
1010
983
918
1627
14,3
138,0
32,8
606
494
40,0
3
1775
67,8
313
0,40
4,5
98,7
78,2
215
526
504
588
901
14,8
87,4
32,0
443
371
40,3
4
1775
101,3
215
0,34
4,3
101,5
80,1
331
835
803
859
1384
14,8
120,4
33,3
523
422
40,3
5
1644
68,7
313
0,56
4,4
97,1
78,0
171
471
453
498
742
14,8
80,8
31,7
448
378
40,4
6
1646
103,0
214
0,42
4,2
100,5
80,0
270
769
746
741
1186
14,1
112,9
32,2
529
433
40,4
7
1646
34,5
563
0,28
4,5
94,6
77,5
118
223
208
310
443
14,4
50,7
31,2
318
285
40,6
8
1776
135,2
160
0,34
4,1
104,3
82,4
403
1029
996
974
1865
13,6
138,5
32,9
614
505
40,7
9
1774
33,9
553
0,23
4,6
95,9
78,0
147
262
244
370
512
14,1
55,9
31,4
316
280
40,4
10
1915
134,7
158
0,31
4,3
105,6
83,4
469
1045
1007
1044
2179
13,3
139,8
33,1
631
521
40,5
11
1913
33,6
549
0,24
4,6
96,0
78,2
172
312
291
448
598
13,4
61,5
31,0
317
272
40,5
12
1913
100,5
213
0,35
4,5
102,7
80,4
409
923
886
1010
1689
12,7
126,7
32,8
518
411
40,4
13
1914
66,8
313
0,36
4,5
99,5
78,7
269
606
578
721
1087
12,6
94,2
32,2
434
353
40,5
13,0
13,0
204
299
778,0
13,9
11,4
0,0
0,0
96,8
240,1
16,8
152,1
1,001
97,0
240,5
16,8
151,9
2,583
2,002
1,013
0,09000
35,00
9,05
8,2
268,0
19,0
65,00
9,10
8,26
1233,00
53,00
13,0
13,1
42
113
430,0
13,9
11,3
0,0
0,0
24,3
60,1
4,2
175,6
1,001
24,3
60,2
4,2
175,3
1,397
1,452
0,882
0,10000
36,00
4,48
14,4
639,0
27,0
64,00
4,54
14,39
649,00
72,00
12,8
12,7
241
332
846,0
13,6
11,2
0,0
0,0
96,5
258,0
16,7
154,6
1,001
96,6
258,2
16,7
154,5
2,626
2,029
0,979
0,08000
32,00
9,00
8,4
279,0
19,0
63,00
9,25
8,13
1180,00
54,00
12,2
12,4
58
131
485,0
13,4
10,7
0,0
0,0
24,1
64,3
4,2
178,4
1,001
24,1
64,3
4,2
178,3
1,473
1,544
0,863
0,05000
61,00
4,35
14,6
596,0
31,0
189,00
4,37
14,52
601,00
82,00
11,9
12,1
203
302
785,0
12,9
10,5
0,0
0,0
72,0
192,3
12,5
153,7
1,000
72,0
192,3
12,5
153,7
2,426
2,077
0,927
0,05000
45,00
7,09
10,9
375,0
27,0
63,00
7,08
10,98
956,00
60,00
11,5
11,6
120
211
628,0
12,7
10,0
0,0
0,0
47,8
127,9
8,3
157,4
1,000
47,8
127,9
8,3
157,4
1,922
1,824
0,899
0,05000
45,00
5,89
12,5
344,0
30,0
55,00
6,05
12,36
858,00
66,00
856,3
892,8
482,1
492,7
928,5
968,4
544,2
555,7
867,0
896,5
701,2
721,3
Confidencial
11,8
13,2
-18
20
124,0
15,2
10,6
0,0
0,0
0,2
0,2
0,0
4016,8
1,003
0,2
0,2
0,0
4004,5
1,024
1,046
0,965
0,15000
11,00
1,21
19,0
169,0
15,0
239,00
1,17
19,05
172,00
130,00
13,8
13,6
177
249
718,0
14,4
12,2
0,0
0,0
98,4
226,3
17,0
148,8
1,003
98,7
226,9
17,1
148,4
2,542
1,976
1,040
0,08000
28,00
9,06
8,3
154,0
14,0
62,00
9,13
8,35
1309,00
49,00
14,2
14,1
95
161
552,0
14,7
12,4
0,0
0,0
48,6
120,3
8,4
155,1
1,002
48,7
120,6
8,4
154,7
1,794
1,682
0,935
0,10000
33,00
6,34
11,9
302,0
20,0
54,00
6,38
11,80
878,00
57,00
14,4
14,2
161
241
691,0
14,8
12,7
0,0
0,0
72,6
179,8
12,6
151,1
1,002
72,7
180,2
12,6
150,8
2,275
1,946
0,964
0,10000
36,00
7,48
10,5
215,0
23,0
55,00
7,50
10,43
1016,00
58,00
13,8
13,9
63
131
487,0
14,7
12,3
0,0
0,0
49,2
112,9
8,5
153,0
1,002
49,3
113,2
8,5
152,7
1,705
1,589
0,962
0,05000
45,00
6,63
11,6
338,0
27,0
65,00
6,63
11,63
954,00
74,00
140,4
141,3
791,6
825,3
613,2
631,9
761,2
788,4
543,4
560,6
13,1
13,2
116
206
613,0
14,2
11,6
0,0
0,0
73,8
169,5
12,8
149,3
1,001
73,9
169,8
12,8
149,1
2,163
1,832
1,003
0,05000
36,00
7,79
10,0
226,0
22,0
52,00
7,78
10,08
1122,00
61,00
12,8
13,1
27
93
380,0
14,2
11,2
0,0
0,0
24,7
56,8
4,3
169,4
1,002
24,7
56,9
4,3
169,2
1,336
1,380
0,899
0,05000
69,00
4,58
14,3
652,0
32,0
164,00
4,61
14,27
648,00
96,00
Confidencial
680,9
427,0
706,2
436,6
Confidencial
96
Fluxo Ar CO2 (kg/h) - depois
145,5
753,3
603,0
740,8
533,3
661,2
Fluxo Ar CO2 (kg/h) - antes
150,5
747,8
599,3
738,9
533,3
662,0
Dif. CO2/PLU (%)
3,6
-4,8
-1,7
-2,7
-1,8
-2,9
Fluxo ar Spindt (kg/h) - depois
144,0
793,9
618,1
772,8
550,8
691,0
Fluxo ar Spindt (kg/h) - antes
144,7
794,4
614,0
769,8
552,1
693,3
Dif. SPI/PLU (%)
2,5
0,3
0,8
1,5
1,4
1,5
Correção NOX (-)
1,0156
0,9817
1,0116
1,0030
1,0065
0,9869
Correção Seca/Úmida
0,9888
0,9206
0,9432
0,9334
0,9406
0,9307
C.Corr.CO2 (%)
1,21
9,06
6,34
7,48
6,63
7,79
C.Corr.NOX (ppm)
171,6
151,2
305,5
215,6
340,2
223,0
c.corr.CO (ppm)
11,0
28,0
33,0
36,0
45,0
36,0
C.Corr.HC (ppm)
15,0
14,0
20,0
23,0
27,0
22,0
Concen O2 (%)
19,01
8,26
11,85
10,47
11,56
10,01
C.Corr.CO2 (%) - antes
1,17
9,13
6,38
7,50
6,63
7,78
C.Corr.NOX (ppm) - antes
174,7
1285,1
888,2
1019,0
960,2
1107,3
c.corr.CO (ppm) - antes
239,0
62,0
54,0
55,0
65,0
52,0
C.Corr.HC (ppm) - antes
130,0
49,0
57,0
58,0
74,0
61,0
19,05
8,35
11,80
10,43
11,63
10,08
Concen O2 (%) - antes
Fluxo NOX (g/h) - depois
38,5
198,0
306,4
269,8
302,7
250,0
Fluxo CO (g/h) - depois
1,5
22,3
20,1
27,4
24,4
24,6
Fluxo HC (g/h) - depois
1,0
5,5
6,0
8,7
7,2
7,4
Fluxo NOX (g/h) - antes
39,2
1683,1
890,7
1275,0
854,3
1241,0
Fluxo CO (g/h) - antes
32,6
49,4
33,0
41,9
35,2
35,5
Fluxo HC (g/h) - antes
8,8
19,3
17,2
21,9
19,8
20,6
Pot.OBS (kW)
0,2
166,4
88,5
132,2
83,1
124,7
EE NOX (g/kW.h) - depois
249,47
1,19
3,46
2,04
3,64
2,00
EE CO (g/kW.h) - depois
9,73
0,13
0,23
0,21
0,29
0,20
EE HC (g/kW.h) - depois
6,57
0,03
0,07
0,07
0,09
0,06
EE NOX (g/kW.h) - antes
253,90
10,11
10,06
9,64
10,28
9,95
EE CO (g/kW.h) - antes
211,46
0,30
0,37
0,32
0,42
0,28
EE HC (g/kW.h) - antes
56,91
0,12
0,19
0,17
0,24
0,17
Cond.Atmosf. p/ NBR ISO 1585 (-)
1,015
1,009
1,011
1,011
1,011
1,007
Cond.Atmosf. p/ Emissões (-)
1,000
0,998
1,000
1,001
1,000
0,997
Fluxo fuligem estim. MIRA(mg/m³)
1,759
6,530
9,662
8,069
14,175
10,204
Fluxo de fuligem estim.MIRA (g/h)
0,206
4,475
5,070
5,283
6,600
5,985
E.esp.Fuligem estim.MIRA(g/kW.h)
1,338
0,027
0,057
0,040
0,079
0,048
Fluxo fuligem estim. FEV(mg/m³)
13,115
16,875
19,370
18,099
22,999
19,805
Fluxo de fuligem estim.FEV(g/h)
1,539
11,565
10,164
11,850
10,708
11,615
E.esp.Fuligem estim.FEV(g/kW.h)
9,975
0,069
0,115
0,090
0,129
0,093
Effic. NOX (%)
2
88
66
79
65
80
Effic. CO (%)
95
55
39
35
31
31
Effic. HC (%)
88
71
65
60
64
64
Temperatura Cat. antes (°C)
171,7
422,9
325,2
367,8
321,4
371,4
Temperatura Cat. depois (°C)
297,4
437,1
336,1
377,4
330,1
380,4
Alpha (-)
0,0
0,9
0,7
0,8
0,7
0,8
Velocidade Espacial (1/h)
8216
45982
35682
44295
31617
39525
Débito de Uréia teórico (g/h)
0,000 3130,000 1233,000 2095,000 1178,000 2015,000
67
Emiss.específica média de NOX (g/kW.h)
3,28
9,98
Emiss.específica média de CO (g/kW/h)
0,23
0,47
Emiss.específica média de HC (g/kW.h)
Emiss.especifica média de fuligem estim. MIRA (g/kW.h)
Emiss.especifica média de fuligem estim. FEV (g/kW.h)
Erro vazão de ar estim.pela concen.CO2 (%)
Erro vazão de ar estim. pela equ. Spindt (%)
Potência média do ciclo (kW)
Cons.Específico médio do ciclo (OBS) (g/cv.h)
Material Particulado (g/Kwh)
0,07
0,20
0,042
0,096
-2,2
1,4
-2,8
0,7
97,52
155,4
0,174
Depois
Antes
51
65
Effic. (%)
432,8
817,6
430,1
813,3
1,4
-4,5
439,2
860,9
434,5
859,4
2,9
0,5
1,0128
0,9738
0,9580
0,9204
4,58
9,05
660,3
261,0
69,0
35,0
32,0
19,0
14,34
8,24
4,61
9,10
656,3
1200,7
164,0
65,0
96,0
53,0
14,27
8,26
457,5
369,8
29,1
30,2
6,7
8,1
454,7
1701,3
69,2
56,1
20,0
22,6
41,8
176,6
10,95
2,09
0,70
0,17
0,16
0,05
10,89
9,63
1,66
0,32
0,48
0,13
1,008
1,005
0,996
0,995
6,530
8,069
2,368
5,983
0,057
0,034
16,875
18,099
6,119
13,420
0,146
0,076
-1
78
58
46
67
64
251,9
433,1
264,5
442,0
0,0
0,8
24811
49619
0,000 2765,000
486,0
896,9
479,7
873,7
0,8
-3,4
491,0
946,9
485,6
927,0
1,8
2,0
1,0204
0,9723
0,9592
0,9199
4,48
9,00
652,0
271,3
36,0
32,0
27,0
19,0
14,40
8,35
4,54
9,25
662,2
1147,3
64,0
63,0
72,0
54,0
14,39
8,13
509,8
416,9
17,1
29,9
6,4
8,8
517,8
1763,1
30,5
58,9
17,0
25,0
44,2
189,7
11,53
2,20
0,39
0,16
0,14
0,05
11,71
9,29
0,69
0,31
0,38
0,13
1,007
1,004
0,995
0,993
5,286
7,293
2,162
5,865
0,049
0,031
15,890
17,481
6,501
14,058
0,147
0,074
2
76
44
49
63
65
254,0
448,7
264,1
455,5
0,0
0,8
27984
53744
0,000 2803,000
544,0
850,1
699,6
541,5
851,2
681,7
0,0
-2,0
-0,2
549,5
881,9
716,7
543,5
884,5
700,7
1,0
1,7
2,2
1,0167
0,9879
0,9943
0,9607
0,9365
0,9465
4,35
7,09
5,89
606,0
370,5
342,0
61,0
45,0
45,0
31,0
27,0
30,0
14,61
10,92
12,49
4,37
7,08
6,05
611,1
944,5
853,1
189,0
63,0
55,0
82,0
60,0
66,0
14,52
10,98
12,36
534,4
527,1
391,5
32,7
39,0
31,4
8,2
11,6
10,3
538,9
1343,8
976,6
101,5
54,6
38,3
21,8
25,7
22,8
47,3
141,4
94,0
11,30
3,73
4,16
0,69
0,28
0,33
0,17
0,08
0,11
11,40
9,50
10,39
2,15
0,39
0,41
0,46
0,18
0,24
1,004
1,001
1,000
0,992
0,989
0,988
5,532
8,331
8,594
2,553
6,203
5,148
0,054
0,044
0,055
16,084
18,308
18,518
7,422
13,631
11,092
0,157
0,096
0,118
1
61
60
68
29
18
62
55
55
245,4
364,1
314,4
252,4
371,1
322,1
0,0
0,7
0,6
31513
50080
40488
0,000 1770,000 1255,000
97
Tabela A2
Planilha de teste de emissões ESC após 20000 km e diesel com 2000ppm de teor de enxofre
CÁLCULO DE PERFORMANCE E EMISSÕES / MOTOR AFTERCOOLER
Motor:
612 . TCE 006397
P.Atm.(mmHg):
702,8
Avanço centrif.:
Dinamometro:
5
Dens.Comb.(kg/l):
0,841
Tubos Alta press.:
Folha de teste:
220
Massa Comb.(g):
53,84
Turbo Fabr./Aerod.:
9/ago/07
Taxa Compress.:
16,9:1
Bico Injetor:
Data:
Mecanico(s):
Cleilton
Tipo Pistão:
Pto Injeção est.:
Cilindros:
6
Bomba Inetora:
CP3.3
Prof. Bico H (mm)
Cilindrada Unitária:
Num. de série:
Cam.Combust.:
WP:P508DNOX10D_6C_950Nm_dino_1
Regulador:
eletrônico
Eixo Comando:
Arquivo de Mapas:
1º ESC com SCR do caminhão com 20000 km usando diesel 2000ppm. Dataset: Dnox_6C_26290_07_1.
Ponto de Medição (-)
Rotação (rpm)
Carga (kgf)
Num. de voltas (-)
Fumaça Obs. (BOSCH)
Pressão de óleo (kg/cm²)
Temp. Óleo Lubr.(ºC)
Temp Agua (ºC)
P1 (mm H2O)
P21 (mm Hg)
P22 (mm Hg)
P3 (mm Hg)
P4 (mm H2O)
T1 (ºC)
T21 (ºC)
T22 (ºC)
T3 (ºC)
T4 (ºC)
T Combust. (ºC)
Inicio de inj. Dinamico (ºAPMS)
Débito Inj. Princ.
debito de pre inj.
Press. Máx. Inj. Bico (bar)
ponto de pre inj.
Temperatura antes PLU (ºC)
Temperatura após PLU (ºC)
Pressão Antes PLU (mm H2O)
Pressão Após PLU (mm H2O)
Vazão PLU (m³/h)
"TBS" Medidor de Umidade (ºC)
"TBU" Medidor de Umidade (ºC)
Torque Obs. (m.kgf)
Potencia Obs. (cv)
PME Obs. (bar)
Cons. Esp. Obs. (g/cv.h)
Fator Correção. NBR ISO 1585
Torque Corr. (m.kgf)
Potencia Corr. (cv)
PME Corr. (bar)
Cons. Esp. Corr. (g/cv.h)
Fumaça corr. NBR 5478 (BOSCH)
K legislação
Rel. P21/P1
Rel. P3/P4
Rel. P22/P3
Fator Peso (-)
Leitura CO (ppm)
Leitura CO2 (%)
Leitura O2 (%)
Leitura NOX (ppm)
Leitura HC (ppm)
Leitura CO - antes (ppm)
Leitura CO2 (%) - antes
Leitura O2 (%) - antes
Leitura NOX - antes (ppm)
Leitura HC - antes (ppm)
TSCR_pre
TSCR pos
Tadblue
vaz adblue
Fluxo combustível (kg/h)
1
700
0,0
2727
0,04
2,2
90,3
74,0
13
19
11
42
106
18,1
30,2
31,0
152
180
40,5
2
1644
137,4
162
0,30
4,2
103,0
79,7
552
1018
942
967
1490
13,6
139,4
30,1
609
495
40,4
3
1777
67,6
316
0,38
4,6
98,7
77,9
320
524
461
609
862
14,5
87,5
27,9
448
374
40,4
4
1777
101,3
215
0,31
4,4
102,0
79,5
528
840
759
899
1310
15,8
123,2
29,5
530
427
40,5
5
1642
68,5
317
0,49
4,4
98,5
77,4
249
472
420
520
715
15,2
82,3
28,1
448
381
40,3
6
1641
102,9
215
0,46
4,3
101,1
79,2
412
777
707
774
1099
14,4
114,6
29,3
532
437
40,0
13,4
14,4
-38
35
124,0
16,8
11,4
0,0
0,0
0,0
0,0
1,004
0,0
0,0
0,0
0,0
0,00
0,02
1,028
1,048
0,958
0,15000
10,00
1,22
19,4
172,0
7,0
223,00
1,20
19,50
175,00
120,00
200
37
25
0
12,7
13,1
135
263
696,0
14,4
10,1
98,4
225,9
17,0
145,1
1,000
98,4
225,8
17,0
145,2
0,00
0,03
2,599
2,055
0,985
0,08000
35,00
9,41
7,9
182,0
10,0
54,00
9,34
7,91
1415,00
48,00
423
36
26
3130
13,6
13,7
51
171
531,0
14,8
10,6
48,4
120,1
8,4
151,2
1,001
48,4
120,2
8,4
151,1
0,00
0,03
1,806
1,712
0,887
0,10000
43,00
6,63
11,7
330,0
16,0
54,00
6,89
11,63
950,00
57,00
322
35
26
1228
16,4
15,8
111
261
674,0
16,3
11,5
72,6
180,0
12,6
148,3
1,002
72,7
180,3
12,6
148,1
0,00
0,03
2,324
2,004
0,913
0,10000
43,00
7,85
10,1
260,0
15,0
51,00
7,79
10,11
1092,00
54,00
370
36
26
2095
13,9
14,2
19
153
473,0
15,6
10,9
49,1
112,5
8,5
148,8
1,001
49,1
112,6
8,5
148,6
0,00
0,03
1,716
1,619
0,918
0,05000
46,00
6,90
11,1
388,0
16,0
62,00
6,86
11,30
1044,00
60,00
322
34
24
1178
13,6
13,8
68
213
595,0
15,0
11,6
73,7
168,9
12,8
146,0
1,001
73,8
169,0
12,8
145,9
0,00
0,03
2,200
1,885
0,955
0,05000
43,00
8,17
9,6
234,0
15,0
50,00
8,12
9,46
1184,00
56,00
370
34
22
2015
7
1642
34,4
564
0,25
4,6
94,1
77,1
150
224
181
316
446
14,4
50,4
28,5
324
286
39,9
Confidencial
12,6
13,2
-19
110
368,0
14,5
10,8
24,6
56,5
4,3
166,5
1,001
24,7
56,5
4,3
166,4
0,00
0,03
1,340
1,385
0,867
0,05000
86,00
4,80
13,8
704,0
24,0
160,00
4,82
13,79
707,00
88,00
246
33
20
0
Confidencial
eletrônico
NP
Ventilador:
Nível Swirl:
Tipo de Diesel:
Cabeçote:
NP
2
NP
NP
8
1776
134,8
161
0,36
4,3
104,0
80,4
633
1039
949
1021
1717
14,9
142,4
32,6
623
511
40,1
9
1775
33,7
563
0,23
4,7
95,4
77,5
183
256
205
364
515
14,6
54,8
30,0
324
286
39,9
10
1916
133,3
160
0,38
4,4
107,0
80,9
744
1060
953
1085
2009
14,8
144,1
35,1
649
537
40,1
11
1915
33,6
557
0,24
4,7
97,3
77,9
238
309
249
439
579
14,0
61,3
31,6
331
285
39,9
12
1917
100,5
214
0,35
4,6
103,1
80,0
662
928
832
1036
1561
14,6
130,7
35,0
535
426
39,8
13
1916
66,9
315
0,37
4,6
100,3
78,2
417
605
528
725
1015
14,2
96,1
33,1
449
369
39,5
15,6
15,1
148
303
759,0
15,8
13,8
96,5
239,4
16,7
148,8
1,002
96,8
240,0
16,7
148,5
0,00
0,03
2,654
2,079
0,958
0,09000
41,00
9,52
7,9
250,0
12,0
64,00
9,44
8,04
1270,00
50,00
437
34
20
2765
13,3
13,5
-10
123
410,0
14,8
11,5
24,1
59,8
4,2
170,3
1,001
24,2
59,9
4,2
170,1
0,00
0,03
1,391
1,440
0,851
0,10000
48,00
4,82
14,0
701,0
21,0
64,00
4,81
14,28
700,00
70,00
247
32
19
0
15,7
15,3
180
346
812,0
15,9
14,1
95,5
255,4
16,5
151,5
1,002
95,7
256,0
16,6
151,1
0,00
0,03
2,720
2,102
0,926
0,08000
37,00
9,68
7,4
288,0
12,0
66,00
9,60
7,55
1232,00
51,00
463
34
19
2803
12,6
13,1
11
148
462,0
14,3
11,0
24,1
64,3
4,2
172,6
1,000
24,1
64,4
4,2
172,6
0,00
0,03
1,476
1,532
0,834
0,05000
90,00
4,66
14,1
646,0
23,0
154,00
4,67
14,13
642,00
81,00
252
31
19
0
15,5
15,0
151
301
757,0
15,5
13,8
72,0
192,7
12,5
150,2
1,001
72,1
192,9
12,5
150,0
0,00
0,03
2,493
2,127
0,883
0,05000
49,00
7,69
10,1
360,0
18,0
61,00
7,62
10,12
1005,00
56,00
373
31
18
1770
14,0
14,0
76
206
600,0
14,7
12,3
47,9
128,2
8,3
153,3
1,001
47,9
128,3
8,3
153,2
0,00
0,03
1,946
1,837
0,862
0,05000
49,00
6,45
11,8
344,0
20,0
55,00
6,41
11,78
891,00
62,00
319
30
17
1255
98
Fluxo Ar CO2 (kg/h)
142,1
706,4
Fluxo Ar CO2 (kg/h) - antes
144,5
711,4
Dif. CO2/PLU (%)
1,0
-8,9
Fluxo ar Spindt (kg/h)
143,3
749,8
Fluxo ar Spindt (kg/h) - antes
142,5
751,5
Dif. SPI/PLU (%)
1,9
-3,3
Correção NOX (-)
1,0043
0,9549
Correção Seca/Úmida
0,9890
0,9213
C.Corr.CO2 (%)
1,22
9,41
C.Corr.NOX (ppm)
172,7
173,8
c.corr.CO (ppm)
10,0
35,0
C.Corr.HC (ppm)
7,0
10,0
Concen O2 (%)
19,39
7,91
C.Corr.CO2 (%) - antes
1,20
9,34
C.Corr.NOX (ppm) - antes
175,7
1351,2
c.corr.CO (ppm) - antes
223,0
54,0
C.Corr.HC (ppm) - antes
120,0
48,0
Concen O2 (%) - antes
19,50
7,91
Fluxo NOX (g/h)
38,8
223,0
Fluxo CO (g/h)
1,4
27,3
Fluxo HC (g/h)
0,5
3,9
Fluxo NOX (g/h) - antes
39,5
1733,7
Fluxo CO (g/h) - antes
30,5
42,2
Fluxo HC (g/h) - antes
8,1
18,6
Pot.OBS (kW)
0,0
166,1
EE NOX (g/kW.h)
0,00
1,34
EE CO (g/kW.h)
0,00
0,16
EE HC (g/kW.h)
0,00
0,02
EE NOX (g/kW.h) - antes
0,00
10,44
EE CO (g/kW.h) - antes
0,00
0,25
EE HC (g/kW.h) - antes
0,00
0,11
Cond.Atmosf. p/ NBR ISO 1585 (-)
1,018
0,999
Cond.Atmosf. p/ Emissões (-)
1,004
0,991
Fluxo fuligem estim. MIRA(mg/m³)
0,869
7,037
Fluxo de fuligem estim.MIRA (g/h)
0,102
4,725
E.esp.Fuligem estim.MIRA(g/kW.h)
0,000
0,028
Fluxo fuligem estim. FEV(mg/m³)
12,420
17,278
Fluxo de fuligem estim.FEV(g/h)
1,459
11,601
E.esp.Fuligem estim.FEV(g/kW.h)
0,000
0,070
Emiss.específica média de NOX (g/kW.h)
Emiss.específica média de CO (g/kW/h)
Emiss.específica média de HC (g/kW.h)
Emiss.especifica média de fuligem estim. MIRA (g/kW.h)
Emiss.especifica média de fuligem estim. FEV (g/kW.h)
Erro vazão de ar estim.pela concen.CO2 (%)
Erro vazão de ar estim. pela equ. Spindt (%)
Potência média do ciclo (kW)
Cons.Específico médio do ciclo (OBS) (g/cv.h)
Material Particulado (g/Kwh)
560,9
540,4
-5,9
581,9
568,5
-2,3
0,9783
0,9432
6,63
322,8
43,0
16,0
11,67
6,89
929,4
54,0
57,0
11,63
314,6
25,5
4,7
905,6
32,0
16,7
88,4
3,56
0,29
0,05
10,25
0,36
0,19
1,003
0,994
9,125
4,653
0,053
18,941
9,659
0,109
693,4
496,1
615,1
698,5
498,9
618,8
-6,8
-6,6
-7,6
727,6
511,5
645,2
731,9
516,8
643,3
-2,2
-3,8
-3,0
0,9704
0,9738
0,9801
0,9331
0,9414
0,9309
7,85
6,90
8,17
252,3
377,8
229,3
43,0
46,0
43,0
15,0
16,0
15,0
10,05
11,13
9,57
7,79
6,86
8,12
1059,7
1016,7
1160,4
51,0
62,0
50,0
54,0
60,0
56,0
10,11
11,30
9,46
308,6
328,7
251,2
32,0
24,4
28,7
5,5
4,2
4,9
1296,1
884,4
1270,9
38,0
32,8
33,3
19,9
15,7
18,5
132,4
82,7
124,2
2,33
3,97
2,02
0,24
0,29
0,23
0,04
0,05
0,04
9,79
10,69
10,23
0,29
0,40
0,27
0,15
0,19
0,15
1,009
1,006
1,004
1,002
0,998
0,996
7,293
12,152
11,308
4,667
5,532
6,480
0,035
0,067
0,052
17,481
21,367
20,689
11,188
9,727
11,857
0,085
0,118
0,095
3,38
10,27
67
0,27
0,44
37
0,05
0,18
75
0,041
0,094
-7,0
-6,8
-3,2
-3,0
97,23
97,23
151,8
151,8
0,134
Depois
Antes
Effic. (%)
403,8
402,2
-3,1
405,3
403,0
-2,8
0,9997
0,9580
4,80
703,8
86,0
24,0
13,80
4,82
706,8
160,0
88,0
13,79
476,1
35,4
4,9
478,1
65,9
17,9
41,5
11,46
0,85
0,12
11,51
1,59
0,43
1,003
0,993
5,779
2,046
0,049
16,280
5,763
0,139
761,1
767,3
-9,0
811,2
818,5
-3,0
0,9949
0,9204
9,52
248,7
41,0
12,0
7,90
9,44
1263,5
64,0
50,0
8,04
344,2
34,5
5,0
1748,6
53,9
20,8
176,1
1,95
0,20
0,03
9,93
0,31
0,12
1,008
1,002
8,594
6,224
0,035
18,518
13,410
0,076
436,3
437,2
-5,8
442,3
448,2
-4,5
1,0109
0,9590
4,82
708,6
48,0
21,0
14,00
4,81
707,6
64,0
70,0
14,28
532,3
21,9
4,8
531,5
29,3
15,8
44,0
12,10
0,50
0,11
12,08
0,67
0,36
1,004
0,995
5,286
2,078
0,047
15,890
6,246
0,142
812,2
818,6
-8,8
856,6
863,4
-3,8
0,9966
0,9188
9,68
287,0
37,0
12,0
7,43
9,60
1227,8
66,0
51,0
7,55
423,4
33,2
5,3
1811,0
59,3
22,7
187,8
2,25
0,18
0,03
9,64
0,32
0,12
1,008
1,003
9,125
7,043
0,037
18,941
14,619
0,078
492,2
491,2
-5,6
496,2
494,1
-4,9
1,0089
0,9603
4,66
651,7
90,0
23,0
14,14
4,67
647,7
154,0
81,0
14,13
551,0
46,3
5,9
547,6
79,2
20,6
47,3
11,64
0,98
0,12
11,57
1,67
0,44
1,002
0,992
5,532
2,447
0,052
16,084
7,115
0,150
770,3
777,1
-7,7
797,4
801,9
-4,4
1,0175
0,9352
7,69
366,3
49,0
18,0
10,08
7,62
1022,6
61,0
56,0
10,12
501,9
40,9
7,4
1401,2
50,9
23,1
141,7
3,54
0,29
0,05
9,89
0,36
0,16
1,007
1,001
8,331
5,973
0,042
18,308
13,126
0,093
625,6
629,4
-6,7
641,4
644,1
-4,3
1,0114
0,9453
6,45
347,9
49,0
20,0
11,75
6,41
901,2
55,0
62,0
11,78
381,0
32,7
6,6
986,8
36,7
20,4
94,3
4,04
0,35
0,07
10,47
0,39
0,22
1,004
0,995
8,859
5,076
0,054
18,729
10,731
0,114
99
Tabela A3
Planilha de teste de emissões ESC após 10000 km e diesel com 2000ppm de teor de enxofre
CÁLCULO DE PERFORMANCE E EMISSÕES / MOTOR AFTERCOOLER
Motor:
612 . TCE 006397
P.Atm.(mmHg):
703,6
Avanço centrif.:
eletrônico
Dinamometro:
5
Dens.Comb.(kg/l):
0,841
Tubos Alta press.:
NP
Folha de teste:
160
Massa Comb.(g):
54,77
Turbo Fabr./Aerod.:
27/06/07
Taxa Compress.:
16,9:1
Bico Injetor:
NP
Data:
Mecanico(s):
Fabio / Jose Carlos Tipo Pistão:
NP
Pto Injeção est.:
Cilindros:
Bomba Inetora:
CP3.3
Prof. Bico H (mm)
2
Cilindrada Unitária:
Num. de série:
Cam.Combust.:
NP
WP:P508DNOX10D_6C_950Nm_dino_1
Regulador:
eletrônico
Eixo Comando:
NP
Arquivo de Mapas:
1º ESC com SCR do caminhão com 10000 km usando diesel 2000ppm . Data set Dnox: WP: P497V73_DNox_6C_26290_06_1
Ponto de Medição (-)
Rotação (rpm)
Carga (kgf)
Num. de voltas (-)
Fumaça Obs. (BOSCH)
Pressão de óleo (kg/cm²)
Temp. Óleo Lubr.(ºC)
Temp Agua (ºC)
P1 (mm H2O)
P21 (mm Hg)
P22 (mm Hg)
P3 (mm Hg)
P4 (mm H2O)
T1 (ºC)
T21 (ºC)
T22 (ºC)
T3 (ºC)
T4 (ºC)
T Combust. (ºC)
Inicio de inj. Dinamico (ºAPMS)
Débito Inj. Princ.
debito de pre inj.
Press. Máx. Inj. Bico (bar)
ponto de pre inj.
Temperatura antes PLU (ºC)
Temperatura após PLU (ºC)
Pressão Antes PLU (mm H2O)
Pressão Após PLU (mm H2O)
Vazão PLU (m³/h)
"TBS" Medidor de Umidade (ºC)
"TBU" Medidor de Umidade (ºC)
"TBS" ar-condicionado (ºC)
Umidade Rel.do ar-condic. (%)
Torque Obs. (m.kgf)
Potencia Obs. (cv)
PME Obs. (bar)
Cons. Esp. Obs. (g/cv.h)
Fator Correção. NBR ISO 1585
Torque Corr. (m.kgf)
Potencia Corr. (cv)
PME Corr. (bar)
Cons. Esp. Corr. (g/cv.h)
Fumaça corr. NBR 5478 (BOSCH)
K legislação
Rel. P21/P1
Rel. P3/P4
Rel. P22/P3
Fator Peso (-)
Leitura CO (ppm)
Leitura CO2 (%)
Leitura O2 (%)
Leitura NOX (ppm)
Leitura HC (ppm)
Leitura CO - antes (ppm)
Leitura CO2 (%) - antes
Leitura O2 (%) - antes
Leitura NOX - antes (ppm)
Leitura HC - antes (ppm)
TSCR_pre
TSCR pos
Fluxo combustível (kg/h)
1
900
0,0
2477
0,08
3,5
87,5
76,1
40
28
15
66
103
16,0
26,5
27,7
135
147
39,3
2
1637
136,1
162
0,36
4,6
100,0
79,5
575
1005
930
969
1536
15,8
141,4
28,8
604
488
37,6
3
1774
66,8
316
0,50
4,8
98,7
78,3
336
514
453
595
889
15,4
87,7
26,7
450
378
39,1
4
1776
100,9
217
0,40
4,7
101,1
79,3
540
819
740
874
1357
15,2
120,7
27,4
530
430
38,6
5
1637
67,9
316
0,65
4,7
98,5
77,7
259
451
401
497
758
15,4
80,1
26,3
455
389
39,5
6
1636
101,1
216
0,54
4,6
100,5
78,8
401
733
669
737
1135
14,8
111,5
26,9
534
442
38,8
11,6
13,0
-10
35
164,6
15,3
10,3
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
0,0
1,002
0,0
0,0
0,0
0,0
0,00
0,02
1,044
1,082
0,934
0,15000
10,00
1,31
18,1
130,0
12,0
265,00
1,26
18,87
131,00
171,00
154
244
17,0
16,2
167
253
699,4
16,6
15,1
0,0
0,0
97,5
222,8
16,9
149,0
1,004
97,9
223,7
16,9
148,4
0,00
0,03
2,584
2,048
0,977
0,08000
39,00
9,43
7,9
154,0
11,0
57,00
9,37
7,92
1312,00
47,00
409
404
15,0
14,9
85
163
532,6
15,8
13,3
0,0
0,0
47,8
118,5
8,3
155,7
1,002
47,9
118,7
8,3
155,4
0,00
0,03
1,794
1,689
0,891
0,10000
39,00
6,67
11,5
307,0
17,0
55,00
6,64
11,63
887,00
59,00
322
334
15,6
15,4
146
241
667,8
15,8
13,8
0,0
0,0
72,3
179,2
12,5
150,1
1,002
72,4
179,5
12,5
149,8
0,00
0,03
2,293
1,964
0,915
0,10000
44,00
7,93
10,0
214,0
17,0
55,00
7,85
9,97
1035,00
55,00
368
367
14,6
14,7
54
135
469,4
15,6
12,9
0,0
0,0
48,6
111,2
8,4
153,2
1,002
48,7
111,3
8,4
152,9
0,15
0,06
1,687
1,581
0,920
0,05000
44,00
6,99
11,1
351,0
17,0
68,00
6,95
11,17
990,00
65,00
324
337
14,6
14,5
102
193
583,2
15,4
12,8
0,0
0,0
72,4
165,4
12,5
150,5
1,001
72,5
165,6
12,5
150,3
0,04
0,04
2,131
1,830
0,953
0,05000
39,00
8,24
9,3
188,0
17,0
58,00
8,18
9,55
1014,00
60,00
373
373
7
1635
34,0
555
0,25
4,8
95,7
77,6
162
218
175
309
480
15,0
51,0
26,1
328
297
39,7
Confidencial
13,5
13,9
20
93
371,8
15,1
11,9
0,0
0,0
24,4
55,6
4,2
174,1
1,001
24,4
55,7
4,2
174,0
0,00
0,03
1,332
1,370
0,868
0,05000
62,00
4,83
13,8
684,0
20,0
140,00
4,83
13,95
675,00
82,00
259
280
Confidencial
Ventilador:
Nível Swirl:
Tipo de Diesel:
Cabeçote:
8
1777
133,1
162
0,36
4,6
102,8
80,0
673
1022
933
1020
1811
14,3
140,8
28,3
612
498
38,5
9
1774
33,8
562
0,25
4,8
98,4
78,0
210
267
216
377
579
15,1
58,5
26,7
336
304
40,0
10
1917
131,9
161
0,39
4,6
104,6
80,4
771
1035
933
1071
2074
14,9
143,1
29,3
634
521
39,0
11
1913
32,7
557
0,24
4,8
99,3
78,5
258
308
249
445
646
16,0
64,5
26,8
336
296
40,1
12
1911
98,6
216
0,37
4,7
101,9
79,5
671
898
805
1013
1581
15,2
129,2
28,3
523
415
39,6
13
1913
66,1
316
0,41
4,8
100,7
78,8
428
591
515
712
1062
15,1
96,2
27,1
446
367
40,1
14,8
14,6
188
288
760,2
15,2
12,9
0,0
0,0
95,3
236,5
16,5
152,4
1,001
95,4
236,8
16,5
152,2
0,00
0,03
2,638
2,060
0,950
0,09000
42,00
9,39
7,9
259,0
14,0
89,00
9,25
8,02
1230,00
48,00
424
416
14,2
14,2
34
120
425,4
15,2
12,6
0,0
0,0
24,2
60,0
4,2
173,0
1,001
24,2
60,0
4,2
172,8
0,00
0,03
1,410
1,448
0,851
0,10000
29,00
4,67
14,2
661,0
17,0
61,00
4,65
14,12
659,00
63,00
280
314
16,1
15,6
221
334
819,2
15,9
14,1
0,0
0,0
94,5
252,9
16,3
154,7
1,003
94,7
253,5
16,4
154,4
0,00
0,03
2,688
2,073
0,922
0,08000
37,00
9,48
7,7
301,0
13,0
58,00
9,40
7,92
1195,00
47,00
447
438
15,9
15,5
49
135
474,4
16,2
13,9
0,0
0,0
23,4
62,6
4,1
180,4
1,002
23,5
62,7
4,1
180,0
0,00
0,03
1,478
1,529
0,829
0,05000
52,00
4,54
14,3
601,0
20,0
125,00
4,51
14,32
595,00
71,00
276
303
15,9
15,5
186
273
752,8
16,1
13,7
0,0
0,0
70,6
188,4
12,2
154,3
1,002
70,7
188,7
12,2
154,0
0,00
0,03
2,448
2,094
0,879
0,05000
51,00
7,49
10,3
415,0
18,0
63,00
7,48
10,37
945,00
53,00
361
354
15,0
14,9
104
201
605,5
15,7
12,9
0,0
0,0
47,3
126,4
8,2
157,3
1,001
47,4
126,6
8,2
157,1
0,00
0,03
1,926
1,811
0,861
0,05000
42,00
6,34
11,9
347,0
20,0
56,00
630,00
11,99
862,00
62,00
322
328
100
Fluxo Ar CO2 (kg/h)
190,4
715,7
Fluxo Ar CO2 (kg/h) - antes
197,9
720,1
Dif. CO2/PLU (%)
1,4
-7,0
Fluxo ar Spindt (kg/h)
182,0
758,9
Fluxo ar Spindt (kg/h) - antes
189,4
760,7
Dif. SPI/PLU (%)
-3,0
-1,4
Correção NOX (-)
1,0040
1,0081
Correção Seca/Úmida
0,9882
0,9193
C.Corr.CO2 (%)
1,31
9,43
C.Corr.NOX (ppm)
130,5
155,3
c.corr.CO (ppm)
10,0
39,0
C.Corr.HC (ppm)
12,0
11,0
Concen O2 (%)
18,14
7,91
C.Corr.CO2 (%) - antes
1,26
9,37
C.Corr.NOX (ppm) - antes
131,5
1322,7
c.corr.CO (ppm) - antes
265,0
57,0
C.Corr.HC (ppm) - antes
171,0
47,0
Concen O2 (%) - antes
18,87
7,92
Fluxo NOX (g/h)
39,1
197,8
Fluxo CO (g/h)
1,8
30,2
Fluxo HC (g/h)
1,1
4,2
Fluxo NOX (g/h) - antes
39,4
1685,1
Fluxo CO (g/h) - antes
48,4
44,2
Fluxo HC (g/h) - antes
15,4
18,0
Pot.OBS (kW)
0,0
163,9
EE NOX (g/kW.h)
0,00
1,21
EE CO (g/kW.h)
0,00
0,18
EE HC (g/kW.h)
0,00
0,03
EE NOX (g/kW.h) - antes
0,00
10,28
EE CO (g/kW.h) - antes
0,00
0,27
EE HC (g/kW.h) - antes
0,00
0,11
Cond.Atmosf. p/ NBR ISO 1585 (-)
1,008
1,012
Cond.Atmosf. p/ Emissões (-)
0,995
1,007
Fluxo fuligem estim. MIRA(mg/m³)
1,759
8,594
Fluxo de fuligem estim.MIRA (g/h)
0,276
5,729
E.esp.Fuligem estim.MIRA(g/kW.h)
0,000
0,035
Fluxo fuligem estim. FEV(mg/m³)
13,115
18,518
Fluxo de fuligem estim.FEV(g/h)
2,058
12,345
E.esp.Fuligem estim.FEV(g/kW.h)
0,000
0,075
Emiss.específica média de NOX (g/kW.h)
Emiss.específica média de CO (g/kW/h)
Emiss.específica média de HC (g/kW.h)
Emiss.especifica média de fuligem estim. MIRA (g/kW.h)
Emiss.especifica média de fuligem estim. FEV (g/kW.h)
Erro vazão de ar estim.pela concen.CO2 (%)
Erro vazão de ar estim. pela equ. Spindt (%)
Potência média do ciclo (kW)
Cons.Específico médio do ciclo (OBS) (g/cv.h)
Material Particulado (g/Kwh)
567,1
569,5
-4,7
584,1
588,9
-1,8
1,0144
0,9421
6,67
311,4
39,0
17,0
11,49
6,64
899,7
55,0
59,0
11,63
303,1
23,1
5,0
875,7
32,6
17,3
87,2
3,48
0,27
0,06
10,05
0,37
0,20
1,009
1,001
12,436
6,333
0,073
21,596
10,999
0,126
692,7
498,6
615,1
699,5
501,4
619,4
-6,3
-5,3
-5,5
726,1
515,6
641,0
729,8
518,9
649,9
-1,7
-2,0
-1,5
1,0102
1,0059
0,9926
0,9320
0,9396
0,9286
7,93
6,99
8,24
216,2
353,1
186,6
44,0
44,0
39,0
17,0
17,0
17,0
9,95
11,08
9,31
7,85
6,95
8,18
1045,6
995,8
1006,5
55,0
68,0
58,0
55,0
65,0
60,0
9,97
11,17
9,55
262,7
304,5
200,0
32,5
23,1
25,4
6,2
4,4
5,5
1270,7
858,8
1078,9
40,7
35,7
37,8
20,1
16,9
19,4
131,8
81,8
121,7
1,99
3,72
1,64
0,25
0,28
0,21
0,05
0,05
0,05
9,64
10,50
8,87
0,31
0,44
0,31
0,15
0,21
0,16
1,008
1,008
1,006
1,002
0,999
0,998
9,662
16,893
13,589
6,144
7,623
7,623
0,047
0,093
0,063
19,370
25,200
22,525
12,318
11,372
12,635
0,093
0,139
0,104
3,36
10,00
66
0,25
0,48
48
0,05
0,19
74
0,049
0,102
-5,2
-9,6
-1,8
-4,1
96,04
96,04
156,0
156,0
0,119
Depois
Antes
Effic. (%)
413,1
413,1
-1,6
415,5
417,6
-1,1
1,0127
0,9570
4,83
692,7
62,0
20,0
13,79
4,83
683,6
140,0
82,0
13,95
472,4
25,7
4,1
466,2
58,1
16,8
40,9
11,55
0,63
0,10
11,40
1,42
0,41
1,006
0,996
5,779
2,062
0,050
16,280
5,809
0,142
779,1
790,3
-7,2
825,8
833,3
-1,6
0,9847
0,9198
9,39
255,0
42,0
14,0
7,93
9,25
1211,1
89,0
48,0
8,02
354,3
35,5
5,9
1682,8
75,3
20,1
174,0
2,04
0,20
0,03
9,67
0,43
0,12
1,004
0,998
8,594
6,248
0,036
18,518
13,463
0,077
459,0
460,9
-4,1
463,6
463,5
-3,2
1,0296
0,9596
4,67
680,6
29,0
17,0
14,15
4,65
678,5
61,0
63,0
14,12
528,2
13,7
4,0
526,6
28,8
14,7
44,1
11,98
0,31
0,09
11,94
0,65
0,33
1,007
0,997
5,779
2,347
0,053
16,280
6,612
0,150
837,7
844,5
-6,6
884,7
895,2
-1,4
0,9960
0,9185
9,48
299,8
37,0
13,0
7,72
9,40
1190,2
58,0
47,0
7,92
445,5
33,5
5,8
1768,7
52,5
21,0
186,0
2,40
0,18
0,03
9,51
0,28
0,11
1,008
1,002
9,393
7,304
0,039
19,155
14,895
0,080
514,3
517,6
-3,0
517,9
519,2
-2,3
1,0467
0,9602
4,54
629,0
52,0
20,0
14,31
4,51
622,8
125,0
71,0
14,32
540,6
27,2
5,2
535,2
65,4
18,4
46,0
11,75
0,59
0,11
11,63
1,42
0,40
1,012
1,004
5,532
2,487
0,054
16,084
7,233
0,157
793,0
794,0
-4,4
820,1
822,5
-1,1
1,0092
0,9345
7,49
418,8
51,0
18,0
10,31
7,48
953,7
63,0
53,0
10,37
570,4
42,3
7,4
1299,0
52,2
21,7
138,6
4,12
0,31
0,05
9,37
0,38
0,16
1,008
1,003
8,859
6,314
0,046
18,729
13,349
0,096
643,9
25,7
-4,5
661,3
292,1
-1,9
1,0113
0,9449
6,34
350,9
42,0
20,0
11,93
630,00
871,7
56,0
62,0
11,99
386,6
28,2
6,6
960,3
37,5
20,6
93,0
4,16
0,30
0,07
10,32
0,40
0,22
1,007
1,000
9,932
5,725
0,062
19,587
11,290
0,121
101
Tabela A4
Planilha de teste de emissões ESC referência (0km) e diesel com 2000ppm de teor de enxofre
CÁLCULO DE PERFORMANCE E EMISSÕES / MOTOR AFTERCOOLER
Motor:
612 . TCE 006397
P.Atm.(mmHg):
696,8
Avanço centrif.:
eletrônico
Dinamometro:
5
Dens.Comb.(kg/l):
0,841
Tubos Alta press.:
NP
Folha de teste:
110
Massa Comb.(g):
54,76
Turbo Fabr./Aerod.:
Taxa Compress.:
16,9:1
Bico Injetor:
NP
Data:
24/01/07
Mecanico(s):
Roberto
Tipo Pistão:
Pto Injeção est.:
Cilindros:
6
Bomba Inetora:
CP3.3
Prof. Bico H (mm)
2
Cilindrada Unitária:
Num. de série:
Cam.Combust.:
NP
WP:P508DNOX10D_6C_950Nm_dino_1
Regulador:
eletrônico
Eixo Comando:
NP
Arquivo de Mapas:
1º ciclo ESC com particulado baseline 0kkm usando diesel de 2000ppm. Data set Dnox: WP: P497V73_DNox_6C_26290_02_1.
Ponto de Medição (-)
Rotação (rpm)
Carga (kgf)
Num. de voltas (-)
Fumaça Obs. (BOSCH)
Pressão de óleo (kg/cm²)
Temp. Óleo Lubr.(ºC)
Temp Agua (ºC)
P1 (mm H2O)
P21 (mm Hg)
P22 (mm Hg)
P3 (mm Hg)
P4 (mm H2O)
T1 (ºC)
T21 (ºC)
T22 (ºC)
T3 (ºC)
T4 (ºC)
T Combust. (ºC)
Inicio de inj. Dinamico (ºAPMS)
Débito Inj. Princ.
debito de pre inj.
Press. Máx. Inj. Bico (bar)
ponto de pre inj.
Temperatura antes PLU (ºC)
Temperatura após PLU (ºC)
Pressão Antes PLU (mm H2O)
Pressão Após PLU (mm H2O)
Vazão PLU (m³/h)
"TBS" Medidor de Umidade (ºC)
"TBU" Medidor de Umidade (ºC)
Torque Obs. (m.kgf)
Potencia Obs. (cv)
PME Obs. (bar)
Cons. Esp. Obs. (g/cv.h)
Fator Correção. NBR ISO 1585
Torque Corr. (m.kgf)
Potencia Corr. (cv)
PME Corr. (bar)
Cons. Esp. Corr. (g/cv.h)
Fumaça corr. NBR 5478 (BOSCH)
Rel. P21/P1
Rel. P3/P4
Rel. P22/P3
Fator Peso (-)
Leitura CO (ppm)
Leitura CO2 (%)
Leitura O2 (%)
Leitura NOX (ppm)
Leitura HC (ppm)
Leitura CO - antes (ppm)
Leitura CO2 (%) - antes
Leitura O2 (%) - antes
Leitura NOX - antes (ppm)
Leitura HC - antes (ppm)
TSCR_pre
TSCR pos
Tadblue
Fluxo combustível (kg/h)
Fluxo ar PLU (kg/h)
Fluxo escape (kg/h)
1
700
0,0
2835
0,05
-3,0
86,4
74,3
9
20
9
43
211
18,2
31,4
34,4
193
207
40,9
2
1640
129,3
169
0,38
-3,2
91,7
78,7
533
975
890
909
954
14,3
134,9
33,7
589
464
40,2
3
1773
65,5
322
0,41
-3,1
94,2
77,6
308
519
449
572
799
13,3
85,4
33,5
453
379
41,3
4
1774
98,5
218
0,35
-3,2
97,2
78,6
490
815
727
832
1019
12,0
115,6
33,8
531
422
41,4
5
1640
64,6
329
0,56
-3,2
95,8
77,3
224
441
382
463
717
12,3
75,2
33,9
455
387
41,4
6
1639
97,5
222
0,56
-3,1
97,4
78,3
346
707
637
683
829
14,8
107,9
34,2
537
439
41,4
13,1
15,5
-11
18
124,0
17,3
11,8
0,0
0,0
0,0
0,0
1,005
0,0
0,0
0,0
0,0
0,00
1,030
1,039
0,954
0,15000
6,00
1,25
17,5
181,0
8,0
216,00
1,20
16,57
192,00
111,00
212
440
41
11,5
13,3
149
226
662,0
15,3
10,4
92,6
212,1
16,0
150,4
1,002
92,8
212,5
16,1
150,0
0,00
2,542
2,094
0,988
0,08000
31,00
9,14
7,1
76,0
9,0
63,00
9,18
7,60
1345,00
45,00
377
347
39
9,8
12,0
77
140
522,0
13,9
9,0
46,9
116,1
8,1
155,8
1,001
46,9
116,2
8,1
155,7
0,00
1,803
1,679
0,903
0,10000
17,00
6,57
10,2
408,0
9,0
51,00
6,56
10,80
988,00
50,00
327
357
39
9,4
11,3
131
213
645,0
12,9
8,7
70,5
174,7
12,2
153,0
1,000
70,5
174,7
12,2
153,1
0,00
2,288
1,981
0,931
0,10000
22,00
7,79
9,2
325,0
13,0
49,00
7,77
9,51
1205,00
51,00
358
356
39
8,9
11,0
43
115
450,0
12,8
8,3
46,3
105,9
8,0
154,6
1,000
46,3
105,9
8,0
154,6
0,06
1,672
1,547
0,930
0,05000
21,00
6,88
10,2
456,0
13,0
72,00
6,80
10,48
1103,00
61,00
329
358
38
14,2
14,7
80
163
563,0
15,8
9,6
69,8
159,8
12,1
151,8
1,002
70,0
160,1
12,1
151,5
0,06
2,091
1,821
0,967
0,05000
23,00
8,18
8,3
334,0
12,0
76,00
8,21
8,87
1264,00
55,00
369
367
37
139,2
140,0
733,6
765,5
586,5
604,6
721,1
747,9
508,9
525,2
7
1639
32,7
576
0,30
-3,1
92,5
76,8
130
217
168
294
536
15,1
50,7
34,3
332
295
40,9
Confidencial
12,7
13,8
5
83
366,0
15,5
9,2
23,4
53,6
4,1
174,4
1,002
23,5
53,7
4,1
174,1
0,00
1,330
1,346
0,873
0,05000
37,00
4,77
12,9
738,0
17,0
158,00
4,75
12,88
731,00
80,00
258
335
36
Confidencial
623,9
410,6
648,1
420,0
Ventilador:
Nível Swirl:
Tipo de Diesel:
Cabeçote:
8
1772
131,3
163
0,29
-3,1
99,5
79,4
633
1051
948
1005
1226
12,0
139,1
35,1
610
483
41,0
9
1770
33,2
565
0,24
-3,0
94,1
77,4
169
264
205
352
581
15,1
56,5
34,5
334
295
40,9
10
1913
131,6
160
0,33
-3,2
101,1
79,8
740
1062
945
1048
1389
14,4
143,4
35,2
636
509
41,0
11
1913
32,8
554
0,24
-3,0
95,4
77,6
222
310
242
421
696
13,6
61,2
34,4
341
296
41,3
12
1915
98,3
214
0,34
-3,1
99,1
79,0
632
926
817
992
1036
11,9
126,6
34,6
528
414
40,7
13
1916
65,4
316
0,43
-3,0
98,0
78,1
385
603
516
688
1036
12,0
92,8
34,4
448
367
41,2
10,5
11,7
160
276
746,0
13,3
8,8
94,0
232,7
16,3
153,5
0,999
94,0
232,5
16,3
153,6
0,00
2,688
2,163
0,967
0,09000
24,00
9,11
7,5
298,0
12,0
53,00
9,08
7,59
1330,00
47,00
402
377
34
13,8
14,3
9
105
412,0
15,5
9,7
23,8
58,8
4,1
175,2
1,002
23,8
58,9
4,1
174,8
0,00
1,404
1,418
0,860
0,10000
24,00
4,70
13,0
718,0
16,0
74,00
4,70
13,24
710,00
63,00
260
335
33
15,1
15,0
188
316
815,0
15,7
10,6
94,3
251,8
16,3
156,0
1,003
94,5
252,4
16,4
155,6
0,00
2,738
2,184
0,941
0,08000
24,00
9,36
7,2
323,0
11,0
60,00
9,29
7,61
1274,00
46,00
427
398
32
11,1
12,5
19
128
467,0
14,0
9,1
23,5
62,7
4,1
180,8
1,001
23,5
62,8
4,1
180,7
0,00
1,480
1,494
0,840
0,05000
28,00
4,60
12,7
675,0
16,0
122,00
4,57
12,76
673,00
67,00
264
341
32
11,1
11,8
148
281
747,0
13,1
9,7
70,4
188,2
12,2
156,2
1,000
70,4
188,2
12,2
156,2
0,00
2,495
2,185
0,896
0,05000
26,00
7,40
9,6
398,0
14,0
52,00
7,39
10,00
1042,00
50,00
353
351
30
10,6
11,5
66
196
593,0
12,7
9,5
46,8
125,3
8,1
159,0
1,000
46,8
125,3
8,1
159,0
0,00
1,944
1,792
0,876
0,05000
26,00
6,30
10,9
394,0
16,0
52,00
6,24
11,13
929,00
54,00
314
343
30
827,7
863,5
460,3
470,6
888,6
927,9
525,0
536,3
828,2
857,6
664,3
684,2
102
Fluxo Ar CO2 (kg/h)
135,8
704,8
Fluxo Ar CO2 (kg/h) - antes
141,4
701,8
Dif. CO2/PLU (%)
-2,5
-3,9
Fluxo ar Spindt (kg/h)
125,2
708,0
Fluxo ar Spindt (kg/h) - antes
120,4
724,8
Dif. SPI/PLU (%)
-10,1
-3,5
Correção NOX (-)
1,0073
0,9525
Correção Seca/Úmida
0,9891
0,9191
C.Corr.CO2 (%)
1,25
9,14
C.Corr.NOX (ppm)
182,3
72,4
c.corr.CO (ppm)
6,0
31,0
C.Corr.HC (ppm)
8,0
9,0
Concen O2 (%)
17,53
7,07
C.Corr.CO2 (%) - antes
1,20
9,18
C.Corr.NOX (ppm) - antes
193,4
1281,2
c.corr.CO (ppm) - antes
216,0
63,0
C.Corr.HC (ppm) - antes
111,0
45,0
Concen O2 (%) - antes
16,57
7,60
Fluxo NOX (g/h)
40,5
87,9
Fluxo CO (g/h)
0,8
22,9
Fluxo HC (g/h)
0,5
3,3
Fluxo NOX (g/h) - antes
43,0
1556,4
Fluxo CO (g/h) - antes
29,2
46,6
Fluxo HC (g/h) - antes
7,4
16,5
Pot.OBS (kW)
0,0
156,0
EE NOX (g/kW.h)
0,00
0,56
EE CO (g/kW.h)
0,00
0,15
EE HC (g/kW.h)
0,00
0,02
EE NOX (g/kW.h) - antes
0,00
9,98
EE CO (g/kW.h) - antes
0,00
0,30
EE HC (g/kW.h) - antes
0,00
0,11
Cond.Atmosf. p/ NBR ISO 1585 (-)
1,025
1,008
Cond.Atmosf. p/ Emissões (-)
1,013
1,002
Fluxo fuligem estim. MIRA(mg/m³)
1,090
9,125
Fluxo de fuligem estim.MIRA (g/h)
0,127
5,801
E.esp.Fuligem estim.MIRA(g/kW.h)
0,000
0,037
Fluxo fuligem estim. FEV(mg/m³)
12,592
18,941
Fluxo de fuligem estim.FEV(g/h)
1,464
12,041
E.esp.Fuligem estim.FEV(g/kW.h)
0,000
0,077
Emiss.específica média de NOX (g/kW.h)
Emiss.específica média de CO (g/kW/h)
Emiss.específica média de HC (g/kW.h)
Emiss.especifica média de fuligem estim. MIRA (g/kW.h)
Emiss.especifica média de fuligem estim. FEV (g/kW.h)
Erro vazão de ar estim.pela concen.CO2 (%)
Erro vazão de ar estim. pela equ. Spindt (%)
Potência média do ciclo (kW)
Cons.Específico médio do ciclo (OBS) (g/cv.h)
Material Particulado (g/Kwh)
562,6
563,4
-4,1
541,5
558,7
-7,7
0,9627
0,9426
6,57
392,8
17,0
9,0
10,17
6,56
951,1
51,0
50,0
10,80
376,8
9,9
2,6
912,5
29,8
14,4
85,4
4,41
0,12
0,03
10,68
0,35
0,17
1,003
0,994
9,932
4,986
0,058
19,587
9,833
0,115
697,1
485,8
601,1
698,8
491,3
599,0
-3,3
-4,5
-3,6
701,6
478,5
595,5
713,3
488,4
612,3
-2,7
-6,0
-4,6
0,9568
0,9605
0,9455
0,9310
0,9401
0,9277
7,79
6,88
8,18
311,0
438,0
315,8
22,0
21,0
23,0
13,0
13,0
12,0
9,18
10,16
8,25
7,77
6,80
8,21
1153,0
1059,5
1195,2
49,0
72,0
76,0
51,0
61,0
55,0
9,51
10,48
8,87
369,1
365,1
324,8
15,9
10,7
14,4
4,6
3,3
3,7
1368,4
883,1
1229,3
35,4
36,5
47,6
18,2
15,3
17,0
128,5
77,9
117,5
2,87
4,69
2,76
0,12
0,14
0,12
0,04
0,04
0,03
10,65
11,33
10,46
0,28
0,47
0,40
0,14
0,20
0,14
0,998
0,998
1,009
0,989
0,988
1,004
8,331
14,175
14,175
5,174
6,183
7,629
0,040
0,079
0,065
18,308
22,999
22,999
11,370
10,031
12,378
0,088
0,129
0,105
3,66
10,47
65
0,15
0,43
66
0,04
0,17
77
0,044
0,097
-3,5
-3,1
-4,4
-2,9
93,99
93,99
157,0
157,0
0,127
Depois
Antes
Effic. (%)
403,0
404,7
-1,9
386,6
386,8
-5,8
0,9592
0,9577
4,77
707,9
37,0
17,0
12,86
4,75
701,2
158,0
80,0
12,88
471,8
15,0
3,4
467,4
64,1
16,1
39,4
11,97
0,38
0,09
11,86
1,63
0,41
1,010
1,002
7,037
2,454
0,062
17,278
6,026
0,153
792,0
794,5
-4,3
812,0
814,9
-1,9
0,9455
0,9197
9,11
281,7
24,0
12,0
7,53
9,08
1257,5
53,0
47,0
7,59
386,1
20,0
5,0
1723,1
44,2
19,4
171,1
2,26
0,12
0,03
10,07
0,26
0,11
0,997
0,991
6,783
4,863
0,028
17,076
12,244
0,072
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