universidade federal rural do semi-arido campus angicos
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UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMI-ARIDO CAMPUS ANGICOS DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS TECNOLÓGICAS E HUMANAS CURSO DE BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA FELIPE EMANUEL BARBOSA FERREIRA REVISÃO DE LITERATURA SOBRE A EVOLUÇÃO DO MOTOR DIESEL, SUAS APLICAÇÕES PRÁTICAS E MELHORIAS NA QUESTÃO AMBIENTAL ANGICOS-RN 2013 FELIPE EMANUEL BARBOSA FERREIRA REVISÃO DE LITERATURA SOBRE A EVOLUÇÃO DO MOTOR DIESEL, SUAS APLICAÇÕES PRÁTICAS E MELHORIAS NA QUESTÃO AMBIENTAL Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-árido – UFERSA, Campus Angicos para a obtenção do titulo de Bacharel em Ciência e Tecnologia. Orientador (a): Prof. Marcus Vinicius Sousa Rodrigues – UFERSA ANGICOS-RN 2013 FELIPE EMANUEL BARBOSA FERREIRA REVISÃO DE LITERATURA SOBRE A EVOLUÇÃO DO MOTOR DIESEL, SUAS APLICAÇÕES PRÁTICAS E MELHORIAS NA QUESTÃO AMBIENTAL Monografia apresentada a Universidade Federal Rural do Semi-árido – UFERSA, Campus Angicos para a obtenção do titulo de Bacharel em Ciência e Tecnologia. APROVADA EM: _____ /_____ /______ BANCA EXAMINADORA ___________________________________________________ Prof. Me. Marcus Vinicius Sousa Rodrigues - UFERSA Presidente ___________________________________________________ Prof. Me. Marcio Furukava - UFERSA Primeiro Membro ___________________________________________________ Prof. Dr. Alex Sandro de Araújo Silva - UFERSA Segundo Membro AGRADECIMENTOS A minha mãe, Mariza Maria Barbosa, que sempre fez todo o esforço e deu todo o apoio possível para que eu pudesse entrar e concluir essa primeira fase do curso, e que continuara me apoiando e ajudando em qualquer fase da minha vida. A minha família, que sempre acreditou em mim, e que torcem pelo meu sucesso e futuro, além do apoio em momentos difíceis. Ao meu primo, Marcelo Antônio de Morais Barbosa, que tem me dado todo o apoio me fornecendo livros e materiais para que eu possa concluir o curso, além de seus conselhos sobre a profissão. Aos Meus amigos, Adja Karla, Evelly Michelly, Luiz Antônio, Tereza Noêmia, pela amizade e por ter me suportado durante todos os períodos de BCT. Ao meu orientador, Marcus Vinicius Sousa Rodrigues, por ter me sugerido o tema, e orientado para a formulação desse trabalho de conclusão de curso. A bancada presente na defesa, professor Alex Sandro e ao professor Márcio Furukava, que deram sugestões para a melhora desse trabalho. À música, apesar de não ter nenhuma ajuda direta, sempre esteve presente, minhas bandas preferidas, de Rock e Metal, que apesar do peso, serviram como calmantes, não consigo estudar sem escutar: Pink Floyd, Queen, Black Sabbath, Led Zeppelin, Heart, Bruce Dickinson, Iron Maiden, Judas Priest, Slayer, Metallica, Exodus, Megadeth, Sepultura, Soulfly, Arch Enemy, entre outras bandas que me inspiraram durante o curso e o TCC. “Não basta admirar a beleza de um jardim sem ter que acreditar que há fadas escondidas nele?” Douglas Adams RESUMO O motor diesel sofreu diversas modificações ao decorrer das décadas, e essas modificações acarretaram várias melhorias no motor. O motor diesel é um motor de combustão interna com ignição por compressão, que tem seu funcionamento baseado no ciclo diesel. Devido ao sua alta relação de compressão, o motor diesel apresenta um rendimento de até 40%, enquanto o motor a gasolina, que são mais utilizados em carros leves, o rendimento alcança algo por volta de 25%. Apesar de ter um ótimo rendimento, o motor diesel peca por ser bem mais poluente que o motor a gasolina, e, além disso, por muitos anos apresentava um pobre desempenho em carros de passeio. Entre os poluentes liberados pelo motor diesel está o dióxido de nitrogênio, que é o principal responsável pelas chuvas acidas, além de ter um cheiro forte e ser toxico e ofensivo à saúde humana. A emissão de partículas sólidas também é outro grande problema do motor diesel, pois é nociva a saúde, e estudos indicam que é cancerígena. As principais mudanças feitas no motor diesel foram com a intenção de reduzir o nível de emissões, foi melhorada no motor, principalmente a queima do combustível, já que isso é a principal causa das emissões de poluentes. As reduções de poluentes obedecem a legislações, que originalmente foram criadas nos EUA, devido à alta poluição ambiental que existia nas grandes cidades, principalmente no estado da Califórnia. Com o tempo, diversos países também desenvolveram sua própria legislação, e estudos são realizados por engenheiros para cada vez o motor diesel tenha menores níveis de emissões. No trabalho foi feito um estudo do funcionamento teórico dos motores de combustão interna, sendo levantados dados sobre seus principais componentes e funções. Um pequeno histórico foi feito, apontando as principais melhorias desde sua criação. Entre as melhorias, foi dado um maior enfoque naquelas que apontavam melhorias com a redução de emissões e as causas que forçaram essas melhorias. Palavras-chave: Ciclo diesel. Motor de combustão interna. Redução de emissões. LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Esquema de uma máquina térmica .......................................................................... 15 Figura 2 - Ciclo de Carnot para uma máquina de calor ............................................................ 20 Figura 3 - Ciclo de refrigeração de Carnot ............................................................................... 21 Figura 4 - PMS e PMI .............................................................................................................. 23 Figura 5 – Etapas do motor quatro tempos ............................................................................... 24 Figura 6 - Etapas do motor dois tempos ................................................................................... 25 Figura 7 - Taxa de compressão em um motor a gasolina ......................................................... 26 Figura 8 - Comparação do ciclo ideal e real ............................................................................. 28 Figura 9 - Funcionamento do Ciclo Otto .................................................................................. 29 Figura 10 - Dispositivos de ignição nos motores a gasolina e a Diesel ................................... 31 Figura 11 - Ciclo Diesel ........................................................................................................... 31 Figura 12 - Formação de poluentes nos motores diesel............................................................ 34 Figura 13 - Design do primeiro motor Diesel .......................................................................... 36 Figura 14 - Design do motor diesel quanto a disposição de cilindros ...................................... 42 Figura 15 - Tendência de redução de NOX quando utilizado um sistema EGR ....................... 52 Figura 16 - Desenvolvimento dos niveis de emissões europeus .............................................. 55 Figura 17 - Comparação da diminuição da concentração de enxofre....................................... 57 LISTA DE TABELAS Tabela 1 - Limite de emissões de um motor diesel de acordo com o codigo UIC 623 ............ 44 Tabela 2 - Produtos refinados ................................................................................................... 46 Tabela 3 - Tier 2 bin8/bin5 limite de emissões para meia vida util (50000 milhas) ................ 54 Tabela 4 - Comparação de consumo da Chevrolet S10 com motor diesel e motor a gasolina. 58 LISTA DE QUADROS Quadro 1 - Linha de tempo do desenvolvimento de motor diesel grande ................................ 38 Quadro 2 - Linha de tempo do desenvolvimento do motor de alta velocidade para veículos .. 39 Quadro 3 - Vantagens e desvantagens ...................................................................................... 59 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................... 12 1.1 OBJETIVOS GERAIS ....................................................................................................... 13 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ............................................................................................. 13 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ...................................................................................... 14 2.1 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA ........................................................................ 14 2.1.1 Introdução à segunda lei da termodinâmica ............................................................... 14 2.1.2 Máquinas térmicas ........................................................................................................ 14 2.1.3 Enunciado de Kelvin-Plank da segunda lei da termodinâmica ................................. 16 2.1.4 Processos reversíveis e irreversíveis ............................................................................. 17 2.1.5 Ciclo de Carnot .............................................................................................................. 18 2.1.6 Teoremas referentes ao ciclo de Carnot ...................................................................... 21 2.2 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA ...................................................................... 22 2.2.1 Breve definição sobre o motor de combustão interna ................................................ 22 2.2.2 Classificação dos motores de combustão interna........................................................ 22 2.2.3 Ponto morto superior e ponto morto inferior ............................................................. 22 2.2.4 Motor quatro tempos .................................................................................................... 23 2.2.5 Motor dois tempos ......................................................................................................... 24 2.2.6 Cilindradas do motor .................................................................................................... 25 2.2.7 Taxa de compressão do motor ...................................................................................... 26 2.3 CICLOS DE POTÊNCIA ................................................................................................... 27 2.3.1 Introdução aos ciclos de potência ................................................................................. 27 2.3.2 Ciclo Otto ....................................................................................................................... 28 2.3.3 Ciclo Diesel ..................................................................................................................... 30 2.4 EMISSÕES DE POLUENTES POR MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA ........... 32 2.4.1 Hidrocarbonetos ............................................................................................................ 33 2.4.2 Monóxido de carbono (CO) .......................................................................................... 33 2.4.3 Óxido de nitrogênio (NOx) ............................................................................................ 33 2.4.4 Partículas ........................................................................................................................ 34 3 METODOLOGIA E MÉTODOS ...................................................................................... 35 3.1 TIPOLOGIA DE PESQUISA ............................................................................................ 35 3.2 DELIMITAÇÃO DA PESQUISA ..................................................................................... 35 3.3 PROCESSOS DE PESQUISA ........................................................................................... 35 4 ANÁLISE SOBRE A EVOLUÇÃO E DESENVOLVIMENTO DO MOTOR DIESEL .................................................................................................................................................. 36 4.1 SURGIMENTO E PRIMEIROS DESENVOLVIMENTOS DO MOTOR DIESEL ........ 36 4.2 APLICAÇÕES ................................................................................................................... 40 4.2.1 Automóveis de passageiros ........................................................................................... 40 4.2.2 Caminhões e ônibus ....................................................................................................... 42 4.2.3 Locomotivas ................................................................................................................... 43 4.2.4 Motores industriais e estacionários .............................................................................. 44 4.3 TIPOS DE COMBUSTIVEIS UTILIZADOS ................................................................... 44 4.3.1 Combustível diesel derivado do petróleo ..................................................................... 45 4.3.2 Combustíveis alternativos ............................................................................................. 46 4.3.2.1 Diesel reformulado ....................................................................................................... 46 4.3.2.2 Gás natural comprimido ............................................................................................... 47 4.3.2.3 Alcoóis .......................................................................................................................... 47 4.3.2.4 Biodiesel ....................................................................................................................... 47 4.4 EMISSÕES DO MOTOR DIESEL .................................................................................... 48 4.4.1 Formação de óxidos de nitrogênio no motor diesel .................................................... 48 4.4.2 Formação de hidrocarbonetos ...................................................................................... 49 4.4.3 Formação de partículas ................................................................................................. 50 4.4.4 Fumaça ........................................................................................................................... 50 4.5 ESTRATÉGIAS PARA REDUÇÃO DE EMISSÕES....................................................... 50 4.5.1 Sistema de injeção eletrônica ........................................................................................ 51 4.5.2 Sistema EGR – Recirculação dos gases de escape ...................................................... 51 4.5.3 Turbocompressores de gases de escape ....................................................................... 52 4.5.4 Válvulas .......................................................................................................................... 53 4.6 LEGISLAÇÃO REFERENTE AO MOTOR DIESEL ...................................................... 53 4.6.1 Legislação dos Estados Unidos ..................................................................................... 54 4.6.2 Legislação da Europa .................................................................................................... 55 4.6.3 Legislação do Brasil ....................................................................................................... 55 4.7 PERSPECTIVAS FUTURAS ............................................................................................ 57 4.8 VANTAGENS E DESVANTAGENS ............................................................................... 58 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................................. 60 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 61 12 1 INTRODUÇÃO O motor diesel tem grande importância econômica para o Brasil e para o mundo, pois as frotas de caminhões e ônibus são exclusivamente movidas a diesel, principalmente no Brasil, onde existe uma restrição para a utilização do tipo de motor. A preferência da utilização de motor diesel em veículos pesados é devido ao alto torque gerado pelo motor a baixas rotações, o que o torna mais econômico e apto a transportar cargas pesadas, além de ter maior duração que motores movidos à gasolina. Apesar de ser mais utilizado em veículos pesados, o motor diesel têm diversas aplicações, sua utilização pode ser na indústria, em motores marítimos, em carros de passeio e locomotivas. O primeiro motor diesel foi um motor estacionário, feito para aplicação industrial, e com o intuito de ser mais eficiente. Apenas algumas décadas depois começaram as aplicações em automóveis. Por muito tempo o motor diesel foi conhecido por suas emissões de fumaça visível e cheiro forte, por emitir muito ruído, e com péssima aplicação em carros de passageiros pela sua baixa potência. Mas diversas tecnologias foram desenvolvidas para tornar o carro diesel viável, e aproveitar ao máximo todas as suas vantagens de consumo e durabilidade. Hoje em praticamente todo o planeta o motor diesel é utilizado como uma opção para carros de passeio, tendo níveis de emissões e conforto semelhante ao seu concorrente, o motor a gasolina. Nesse trabalho é feito um levantamento do histórico desse motor, falando seus principais desenvolvimentos e tecnologias importantes para a sua melhoria. Também são identificadas as melhorias feitas no motor para que este tivesse uma diminuição no nível de emissões, e o que levou a tais melhorias a serem essenciais para o motor. Inicialmente são apresentadas as principais teorias que levaram a formulação de motores térmicos. Foi feito um estudo sobre os princípios do motor diesel e explicações sobre os dois ciclos termodinâmicos que serve de base para motores utilizados em veículos. O funcionamento do motor é outra questão importante, a partir daí podemos definir eficiência do motor e tipo de mecanismo de ignição. Foram identificadas as emissões geradas por motores de combustão interna, e os problemas ambientais causados. Sabendo o tipo de emissão do motor, pode ser feito pode ser estudados métodos para diminuição de gases liberados, e que tipo de tecnologia pode ser desenvolvido para o controle de suas emissões. 13 1.1 OBJETIVOS GERAIS Esse trabalho tem como objetivo fazer um levantamento bibliográfico sobre as melhorias ocorridas no motor diesel, apontando suas aplicabilidades e desenvolvimentos. Também como reduções de emissões e fatores que influenciaram a tais reduções. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Fazer um estudo sobre embasamento teórico termodinâmico do motor diesel, um estudo sobre ciclos termodinâmicos e funcionamento de motores de combustão interna. Fazer um estudo sobre as emissões causadas pelos motores de combustão interna, sempre tendo como enfoque principal o motor Otto e o motor diesel. Fazer um breve levantamento histórico do motor diesel, indicando os principais pontos históricos do seu desenvolvimento. Mostrar as melhorias feitas no hardware no motor e no combustível utilizado para que o motor obedecesse aos limites de emissões impostos pelas legislações mundiais. Fazer um balanço das informações levantadas durante o desenvolvimento do trabalho e mostrar perspectivas futuras e indicar vantagens e desvantagens do motor diesel. 14 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA 2.1 SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA 2.1.1 Introdução à segunda lei da termodinâmica A primeira lei da termodinâmica é conhecida como a lei da conservação da energia, nela é dita que nenhuma energia é criada ou destruída durante um processo termodinâmico. Todos os processos termodinâmicos obedecem à primeira lei da termodinâmica, mas só a primeira lei da termodinâmica não garantirá que o processo seja real. Sabe-se que a água não pode subir uma cachoeira, ou que o calor não irá se transferir de uma sala em temperatura ambiente para uma xícara de café quente. Porém, a primeira lei da termodinâmica não impede que esses fenômenos ocorram. A segunda lei da termodinâmica afirma que processos termodinâmicos ocorrem em um determinado sentido, e não no sentido oposto, quando você esquenta água em uma panela no fogão, o calor da chama será transferido para a água, e não o contrário. Sendo assim, para que um processo termodinâmico possa ocorrer, ele terá que obedecer tanto a primeira quanto à segunda lei da termodinâmica. Outra coisa que é afirmada pela segunda lei da termodinâmica, é que a energia tem qualidade e quantidade. Na primeira lei da termodinâmica uma determinada quantidade de energia é conservada quando é transformada para outro tipo de energia sem que tenha perda de qualidade. A segunda lei da termodinâmica afirma que em um processo, a energia sofrerá certo grau de degradação, ou seja, que ela não vai ter a mesma qualidade do inicio do processo. (BOLES; CENGEL, 2006). 2.1.2 Máquinas térmicas Segundo Gordon (1995), o motor térmico é um sistema que opera segundo um ciclo termodinâmico e que realiza trabalho liquido positivo a custa da transferência de calor de um corpo de temperatura elevada TH para um corpo de baixa temperatura TL. A substância de onde ou para onde o calor é transferido é chamada de substancia ou fluido de trabalho. As máquinas de calor se diferenciam umas das outras em diversos aspectos, mas podese dizer que elas têm algumas coisas em comum. Elas recebem calor de uma fonte de alta temperatura, elas convertem parte desse calor em trabalho, o calor perdido é disperso em 15 reservatórios de baixa temperatura (rios, atmosfera, entre outros), e as máquinas térmicas funcionam em ciclos (BOLES e CENGEL, 2006). O termo máquina térmica normalmente é utilizado em um sentido mais amplo, e máquinas que realizam trabalho através da transferência de calor ou combustão são consideradas maquinas térmica, e não necessariamente as que funcionem através de ciclos termodinâmicos. Um exemplo disso seria o motor de combustão interna, que na verdade opera através de um ciclo mecânico, e não em um ciclo termodinâmico. A Figura 1 esquematiza como apenas parte do calor cedido é convertido em trabalho. De modo geral, a eficiência térmica é a razão da energia pretendida W pelo calor QH cedido pela fonte de alta temperatura. Essa relação mede o desempenho de uma maquina térmica. A energia pretendida seria o trabalho realizado, e a energia gasta é o calor transferido da fonte de alta temperatura. A equação 2.1 que expressa esse rendimento é dada da seguinte forma: Figura 1 - Esquema de uma máquina térmica Fonte: Boles; Cengel (2006) 16 (2.1) A energia pretendida W, também pode ser chamada de trabalho liquido; que é a transferência liquida de calor para o sistema, e pode ser expresso da seguinte forma: (2.2) Substituindo a equação 2.2 na equação 2.1, teremos a seguinte equação: (2.3) A eficiência térmica mostra a capacidade de uma maquina térmica converter o calor recebido em trabalho. Essa eficiência em máquinas térmicas normalmente é baixa. Para automóveis com motores com ignição por meio de uma centelha, a eficiência gira em torno dos 25%, já o motor diesel, que tem a ignição por meio de compressão, consegue converter 40% da energia em trabalho. Alguns outros tipos de máquinas térmicos conseguem ter um rendimento maior, como em algumas estações de energia. (BOLES; CENGEL, 2006). 2.1.3 Enunciado de Kelvin-Plank da segunda lei da termodinâmica Existem dois enunciados clássicos da segunda lei da termodinâmica: o enunciado de Clausius, e o enunciado de Kelvin-Plank. Esses dois enunciados se diferem na aplicação prática da segunda lei da termodinâmica. O enunciado de Clausius refere-se a refrigeradores e a bombas de calor, enquanto o enunciado de Kelvin-Plank aborda as máquinas térmicas. “É impossível construir um dispositivo que opere num ciclo termodinâmico, e que não produza outros efeitos, além da transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente.”(KELVIN-PLANK, apud, CENGEL; BOLES, 2006). Esse enunciado implica em dizer que apenas parte do calor fornecido é convertida em trabalho, e que o calor será transferido de um corpo a alta temperatura para o motor térmico, e do motor térmico para um corpo a baixa temperatura. Ou seja, é impossível construir uma máquina térmica que tenha um rendimento de 100%. 17 2.1.4 Processos reversíveis e irreversíveis Processos reversíveis são processos que quando concluído, consegue voltar ao estado inicial sem causar nenhuma mudança no meio, ou seja, o processo consegue fazer o caminho reverso sem deixar nenhum vestígio. Um processo que não consegue fazer o caminho inverso é chamado de processo irreversível. Um exemplo de processo irreversível seria uma xícara de café quente em uma sala, após o café se esfriar ele não consegue recuperar o calor perdido e voltar ao estado inicial sem que houvesse uma alteração do meio. (VAN WYLEN; SONNTAG; BORGNAKKE, 1995). O processo pode ser reversível de três formas diferentes. Aquele onde não ocorrem irreversibilidades dentro da fronteira é chamado de processo internamente reversível. Processo onde nenhuma irreversibilidade ocorre fora das fronteiras é chamado de processos externamente reversível. E o totalmente reversível é o processo onde nenhum tipo de irreversibilidade ocorre nem dentro nem fora da fronteira do processo. (WU, 2007). Todos os processos reversíveis não ocorrem na natureza, por isso são chamados de ideais. Os dispositivos que utilizamos hoje em dia apenas apresentam um comportamento que simula processos reversíveis. Apesar de um processo reversível ser impossível, uma aproximação dele é possível. E seu conhecimento é de grande importância na engenharia, já que estes funcionam como modelos. Suas aplicações são as mais diversas, motores de carros; turbinas a vapor ou a gás, entre diversos outros dispositivos. Existem vários fatores que tornam os processos irreversíveis, esses fatores são chamados de fatores de irreversibilidade. Esses fatores existem principalmente devido às limitações do sistema, algumas das mais importantes serão detalhadas nessa seção. O atrito é um dos fatores que causam irreversibilidade, ele ocorre em processos onde há movimentos, e devido ao atrito entre os corpos há uma perda de energia que não é convertida em trabalho. Um exemplo seria um conjunto cilindro-pistão, a força que é oposta ao movimento necessita de uma determinada energia para ser superada. O trabalho que esse movimento causa é convertido em energia térmica, que aumenta a temperatura entre os corpos em contato. Quando o pistão retorna ao estado inicial, essa energia térmica não é convertida de volta em trabalho. Um processo onde existe atrito é um processo irreversível, e quanto maior for à força de atrito, mais irreversível esse processo será. (VAN WYLEN; SONNTAG; BORGNAKKE, 1995). 18 O atrito não necessariamente envolve o contato entre dois corpos sólidos, também pode ocorrer no contato de um corpo sólido com um fluido. Esse atrito entre fluidos e sólidos pode ser causado devido à velocidade de movimento, formato do sólido, viscosidade do fluido. Um exemplo disso seria o comportamento do vento em torno de um carro de corrida, e as perdas que esse contato a alta velocidade causa, um escoamento de um fluido qualquer em uma tubulação também causaria perdas. Outro fator de irreversibilidade é a expansão não resistida, quando um pistão contendo um gás comprimido começa a expandir seu volume, o gás é separado do vácuo por uma fina membrana. Quando essa membrana é rompida o gás preenche todo o volume do pistão. Esse processo é irreversível porque para que o processo possa voltar ao seu estado inicial seria necessária uma compressão e transferência de calor do gás. (VAN WYLEN; SONNTAG; BORGNAKKE, 1995). Para que uma expansão seja reversível, a diferença entre a força que o gás exerce e a força resistiva teria que ser infinitesimal, e a velocidade da fronteira necessitaria ser infinitesimal, ou quase estática. O que faz com que esse processo seja irreversível é o fato de que as diferenças de força em casos reais são finitas, e envolve velocidades finitas. (VAN WYLEN; SONNTAG; BORGNAKKE, 1995). A transferência de calor seria outro fator. É impossível que dois corpos, um com alta temperatura, e o outro com baixa temperatura, após a ocorrência da transferência de calor consiga retornar ao seu estado inicial sem afetar o meio. Um exemplo bem clássico e que já foi citado seria o da xícara de café quente em uma sala à temperatura ambiente, após a xícara entrar em equilíbrio térmico com a sala é impossível que a xícara de café volte a sua temperatura inicial. Para que isso ocorresse de forma natural, a sala teria que ser aquecida até uma temperatura equivalente no qual xícara estava inicialmente para que houvesse uma nova transferência de calor. Como nesse caso o meio teria que ser afetado, o processo é irreversível. De um modo geral, os processos são reversíveis porque ocorrem em uma escala infinitesimal e ocorrem a uma velocidade infinitesimal, ou quase estática. A impossibilidade de processos reais serem reversíveis é que esses processos ocorrem em escalas finitas, a velocidades finitas. Daí que se pode chegar a uma aproximação do ideal, pois se sabe que quanto maior for à distância para o equilíbrio, maior será o grau de irreversibilidade. 2.1.5 Ciclo de Carnot 19 A partir do conceito de processo reversível pode-se chegar a um conceito de um ciclo termodinâmico reversível. Para que um ciclo termodinâmico seja considerado reversível, todos os processos do ciclo terão que ser reversível. Os ciclos reversíveis são inatingíveis, mas apesar disso, eles servem como modelos para motores reais. O ciclo reversível funcionaria entre dois reservatórios térmicos, um a alta temperatura e um a baixa temperatura. Têm-se como reservatório térmico, uma fonte de calor de alta ou baixa temperatura, que ao receber ou ceder calor, manteria sua temperatura constante. O ciclo de Carnot é um ciclo reversível idealizado pelo engenheiro francês Nicola Leonard Sadi Carnot (1796- 1832) em 1824. O ciclo funciona entre dois reservatórios térmicos, tem quatro processos reversíveis envolvidos, dois processos isotérmicos reversíveis, e dois processos adiabáticos reversíveis. Também ocorre em um sistema fechado, ou um sistema com fluido estável. Logicamente um dispositivo que funciona segundo o ciclo de Carnot é chamado de maquina de Carnot, ela é uma maquina ideal, apenas teórica (VAN WYLEN, SONNTAG e BORGNAKKE, 1995). O primeiro processo do ciclo de Carnot em uma máquina térmica seria a expansão isotérmica. Nesse primeiro processo ocorreria uma expansão lentamente, gerando trabalho, a tendência seria que a temperatura caísse, mas o sistema estaria em contato com o reservatório térmico de alta temperatura. O calor seria transferido para o sistema, mantendo a temperatura constante. A diferença de temperatura sempre seria infinitesimal (BOLES e CENGEL, 2006). O segundo processo seria uma expansão adiabática, aqui a temperatura iria cair, e se igualar a temperatura do reservatório de baixa temperatura. Para não haver transferência de calor, o sistema não entraria em contato com o reservatório térmico (BOLES e CENGEL, 2006). Após isso, o sistema sofreria uma compressão isotérmica. O processo é semelhante ao processo de expansão isotérmica, a diferença é que o sistema está em contato com o reservatório de baixa temperatura, e enquanto estivesse comprimindo e ganhando temperatura, ele cederia calor para o reservatório, o que manteria a temperatura constante. (BOLES; CENGEL, 2006). Para finalizar o ciclo, o reservatório térmico de baixa temperatura seria removido, o sistema iria sofrer uma compressão adiabática, o que faria a temperatura subir e o sistema voltar ao seu estado inicial. (BOLES; CENGEL, 2006). O diagrama P-V mostrado na Figura 2 ilustra o comportamento dos processos reversíveis que compõe o ciclo de Carnot. A área entre as curvas dos processos representa o trabalho realizado pelo sistema. Durante o processo 123 o trabalho esta sendo realizada pelo 20 sistema, e no processo 341 o processo esta sendo realizada sobre o sistema, a diferença entre esses dois processos totaliza o trabalho final. Figura 2 - Ciclo de Carnot para uma máquina de calor Fonte: Boles; Cengel (2006) Todos os processos descritos até aqui sobre o ciclo de Carnot, inclusive o diagrama P-V são processos para o motor de Carnot. Sabe-se que o ciclo de Carnot é reversível, e com processos reversíveis. Fazendo os processos com os caminhos inversos, o motor se torna um refrigerador, e o ciclo do motor de calor de Carnot se torna um ciclo de refrigeração de Carnot, e é exemplificado na Figura 3. (BOLES; CENGEL, 2006). 21 Figura 3 - Ciclo de refrigeração de Carnot Fonte: Boles; Cengel (2006) 2.1.6 Teoremas referentes ao ciclo de Carnot Existem dois teoremas que se referem ao rendimento do ciclo de Carnot, segundo Van Wylen (1995), eles estão explícitos da seguinte forma: “É impossível construir um motor que opere entre dois reservatórios térmicos dados e que seja mais eficiente que um motor reversível operando entre os mesmos dois reservatórios.”. (VAN WYLEN; SONNTAG; BORGNAKKE, 1995, p. 148). Esse é o primeiro teorema, e de forma clara ele diz que não é possível que existam motores irreversíveis no qual apresentem maior rendimento que um motor funcionando segundo um ciclo reversível nas mesmas condições. “Todos os motores que operam segundo o ciclo de Carnot e entre dois reservatórios de temperatura constante apresentam o mesmo rendimento térmico.”. (VAN WYLEN; SONNTAG; BORGNAKKE, 1995, p. 148). O segundo teorema afirma que qualquer motor de Carnot vai ter a mesma eficiência. Os dois teoremas afirmam que, não existem motores reais que tenham melhor rendimento que motores reversíveis, quando estão entre os mesmo reservatórios térmicos. E que motores reversíveis sempre terão o mesmo rendimento quando estiverem nas mesmas condições. 22 2.2 MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA 2.2.1 Breve definição sobre o motor de combustão interna Motores de combustão interna são máquinas térmicas que tem como finalidade produzir trabalho mecânico a partir da energia química contida no combustível utilizado. O funcionamento desse motor é devido à mistura ar-combustível que é queimada em seu interior. Os motores de combustão interna mais comum, principalmente por sua utilização em veículos são os motores de ignição por centelha e os motores de ignição por compressão, respectivamente o motor do ciclo Otto e o motor do ciclo diesel. (HEYWOOD, 1988). 2.2.2 Classificação dos motores de combustão interna Existem diversos tipos de motores de combustão interna, cada tipo de motor apresentam características diferentes; força, eficiência, utilização, tipo de combustível, entre outras coisas. Algumas das classificações dos motores de combustão interna são apresentas como: Aplicação: Automóveis, caminhões, locomotivas, aviões leves, marinha, sistemas de força portáveis, geração de força. Disposição dos cilindros: linha, V, opostos (Boxer), em estrela. Ciclo de trabalho: Quatro tempos e dois tempos. Tipo de ignição: Ignição por centelha (spark ignition, SI), ignição por compressão (compression ignition, CI). Movimento do pistão: Alternativo (Otto e Diesel), Rotativo (Wankel e Quasiturbine). Número de cilindros: Monocilindro, policilindro. Disposição das válvulas: I, L, F, T. Refrigeração: Refrigeração por ar, refrigeração por líquido. 2.2.3 Ponto morto superior e ponto morto inferior Segundo Heywood (1988), um pistão faz um movimento cíclico dentro do cilindro, o que implica dizer que ao final do deslocamento realizado por ele, o pistão retorna ao seu 23 ponto inicial. Nesse movimento cíclico, o pistão alcança o ponto morto superior (PMS, ou TDC – top dead Center), onde o cilindro estará com o volume mínimo, e o ponto morto inferior (PMI, ou BDC – bottom dead Center), onde o volume do cilindro será máximo. Na Figura 4 quatro o PMS e o PMI são mostrados. Figura 4 - PMS e PMI Fonte: Martinelli Júnior (2008) 2.2.4 Motor quatro tempos O motor quatro tempos é o motor que necessita de quatro movimentos do pistão, ou duas voltas completas da árvore de manivelas, para completar o ciclo de combustão. Tanto os motores por ignição por centelha quanto os motores de ignição por compressão utilizam o mesmo ciclo do pistão. (MARTINELLI JÚNIOR, 2008). A Figura 5 mostra as quatro etapas do ciclo de combustão de um motor de quatro tempos e o comportamento do pistão nos processos, as etapas são dadas pela admissão, compressão, explosão e exaustão da mistura ar-combustível. Aspiração ou admissão: O primeiro tempo do motor começa quando o pistão está no PMS e termina quando ele chega ao PMI. Nessa fase a válvula de admissão é aberta e o ar ou a mistura de ar é aspirado para dentro da câmera de combustão. Compressão: Nessa fase as duas válvulas estão fechadas, e o pistão se move do PMI até o PMS, com isso o mistura ou o ar contido dentro do cilindro é 24 comprimido até o volume inicial. Como está comprimida, a pressão dentro do cilindro aumenta. Expansão ou explosão: No terceiro tempo o pistão começa no PMS e sofre a ignição, que pode ser por centelha no caso dos motores Otto, onde uma vela de ignição solta uma centelha que causa a combustão da mistura ar-combustível é consequentemente a expansão. Nos motores dieseis não há vela de ignição, e apenas o ar é comprimido, nesse caso o ar comprimido está há alta temperatura por causa da compressão, e ao entrar em contato com o combustível que é injetado dentro do cilindro, faz com que ocorra a combustão. Esse tempo termina com o pistão na posição PMI. Exaustão: Finalmente no ultimo tempo do motor, a válvula de escape é aberta, e os gases devido à combustão são expelidos do cilindro. Essa fase começa quando o pistão está no PMI, e termina no PMS, fazendo com que o ciclo termine e volte ao seu estado inicial. Figura 5 – Etapas do motor quatro tempos Fonte: streetcustoms1 2.2.5 Motor dois tempos Os motores dois tempos possuem um design mais simples e uma maior força de saída em relação ao motor quatro tempos. Como no motor quatro tempos, o motor dois tempos tem esse nome por causa do movimento do pistão, o pistão faz dois movimentos para completar o ciclo. A Figura 6 ilustra um tipo conjunto cilindro-pistão de dois tempos, nela pode-se ver que 1 Imagem disponível em <http://www.streetcustoms.com.br/revistas-carros/carros/motor-de-quatro-tempos-oque-e-isso.html> visitado no da 10/02/2013 as 21:19 25 o design e funcionamento são bem mais simples do que um motor quatro tempos. Tanto os motores de ignição por centelha quanto os motores de ignição por compressão podem ser motores dois tempos. (HEYWOOD, 1988). No motor dois tempos duas fases são executadas de uma só vez: Admissão e compressão: Essa fase começa quando as portas de exaustão e admissão estão fechadas, o principio é o mesmo, o pistão sobe até o PMS e comprime a mistura ou o ar. Enquanto o pistão move até o PMS, e comprime a mistura, a janela de admissão é aberta e uma nova mistura entra em outro compartimento. Explosão e exaustão: Na segunda fase, ocorre a explosão e a expansão no cilindro. Enquanto o pistão esta sendo empurrado pela explosão, a porta de admissão é fechada, quando a nova mistura é admitida dentro do cilindro, ela ajuda a expulsar os gases da combustão. Quando os gases são expulsos, o pistão está novamente em sua posição inicial, onde as janelas de exaustão e admissão estão ambas fechadas. Figura 6 - Etapas do motor dois tempos Fonte: high-tech-mecanica-popular2 2.2.6 Cilindradas do motor A cilindrada é definida como o volume varrido pelo motor quando os pistões completam um ciclo. Para se calcular as cilindradas de um motor é necessário o conhecimento do curso do motor, que é exemplificado na Figura 4, o diâmetro D da área circular do pistão e 2 Imagem disponível em <http://high-tech-mecanica-popular.blogspot.com.br/2011/08/ciclo-2-tempos.html> acessado no dia 10/02/2013 ás 22:13 26 o número de cilindros Ncilindros que o motor tem. A equação indica o número de cilindradas do motor, e a sua unidade de medida é em cm3. (MARTINELLI JÚNIOR, 2008). (2.4) A equação 2.4 pode ser simplificada, já que a área circular do cilindro multiplicada pelo curso do pistão é simplesmente o volume varrido pelo pistão Vd, a equação pode ser expressa da seguinte forma: (2.5) É comum se ver nos carros o número 2.0 ou 1.6, esse número está ligado à cilindrada do motor. Por exemplo, um carro 2.0 significa que o motor varre aproximadamente 2000 cm3 de mistura ar-combustível. 2.2.7 Taxa de compressão do motor A taxa de compressão do motor mede o quanto o ar ou a mistura contida na câmera de compressão é comprimido antes que o processo de combustão se inicie. Quanto maior é a taxa de compressão, melhor será o aproveitamento energético do motor. Os motores dieseis tem uma melhor capacidade de compressão do que os motores a gasolina. A taxa de compressão de um motor diesel pode chegar até 22:1, o que é considerado uma taxa altíssima de compressão. A Figura 7 mostra um motor com uma taxa de compressão de 8:1, uma taxa comum em um motor a gasolina. (MARTINELLI JÚNIOR, 2008). Figura 7 - Taxa de compressão em um motor a gasolina 27 Fonte: Martinelli Júnior (2008) Para se calcular a taxa de compressão de um motor, é feita uma relação entre a cilindrada do motor C e o volume mínimo da câmara de compressão Vm, que é o volumo da câmara de compressão quando o pistão esta no PMS, essa relação é dada pela Equação 2.6: (2.6) 2.3 CICLOS DE POTÊNCIA 2.3.1 Introdução aos ciclos de potência Como foi visto até agora, os motores funcionam baseados em um ciclo, e cada ciclo se diferencia um dos outros em vários aspectos. Para efeito de simplificação, nesse trabalho será estudado apenas os dois principais ciclos utilizados em um motor de combustão interna; o ciclo Otto e o ciclo Diesel. A análise de ciclos nos motores não é uma tarefa tão simples de se estudar, isso se deve ao fato de vários fenômenos estarem presentes nos dispositivos, como atrito e a falta de tempo para alcançar condições de equilíbrio durante o ciclo. Por isso em engenharia se trabalha com ciclos ideais, onde são eliminados os fatores de irreversibilidades do ciclo, a fim de facilitar o estudo referente ao ciclo. Na Figura 8 é feita uma comparação do comportamento do ciclo quando ele trabalha de forma reversível e na forma real. Esses ciclos ideais são reversíveis internamente, eles podem ter irreversibilidades externas, como a transferência de calor a partir de uma diferença finita de temperatura. Para construir um ciclo ideal são feitas algumas simplificações, é retirado o atrito envolvido, a análise de expansão e compressão é feita de forma quase estática, as transferências de calor causadas por fatores externos são desprezados, também são desprezados as variações de energia cinética e potencial. (BOLES; CENGEL, 2006). 28 Figura 8 - Comparação do ciclo ideal e real Fonte: Boles; Cengel (2006) 2.3.2 Ciclo Otto O ciclo Otto é o ciclo ideal que é utilizado em motores com ignição por centelha. Este ciclo foi idealizado pelo engenheiro Nikolaus A. Otto, em 1876. O motor que funciona baseado no ciclo Otto existe tanto na forma de dois tempos, quanto na forma de quatro tempos. No motor do ciclo Otto é utilizado uma mistura ar-combustível, e logicamente a combustão é feita por dispositivo chamado vela de ignição, que gera uma centelha quando o pistão se posiciona no PMS e a mistura ar-combustível esta comprimida, o que causa a explosão, e consequentemente a explosão. 29 Figura 9 - Funcionamento do Ciclo Otto Fonte: Boles; Cengel (2006) Na Figura 9 o ciclo Otto é representado em funcionamento em um motor quatro tempos. O processo 1-2 é um processo de compressão isoentrópica da mistura. Logo em seguida, no processo 2-3 há uma transferência de calor para a mistura, enquanto o volume permanece constante. No processo 3-4, onde ocorre à ignição, ocorre à expansão isoentrópica. E no ultimo processo do ciclo, o calor é expelido enquanto o volume permanece constante. (VAN WYLEN; SONNTAG; BORGNAKKE, 1995). Considerando o calor específico do ar constante, o rendimento do motor Otto é dado por: (2.7) Onde cv é o calor específico a volume constante. O processo 1-2 e 3-4 são processos isentrópicos, e V2=V3 e V4=V1. (2.8) Substituindo 2.8 em 2.7, teremos o rendimento térmico de um motor Otto: (2.9) Onde rv é a relação de compressão, é dada por: 30 (2.10) A equação 2.9 mostra que o rendimento térmico do ciclo Otto aumenta quando a relação de compressão aumenta. Sempre se procura uma maior compressão nos motores para que se tenha melhor rendimento, mas cada combustível tem um limite de compressão. Chama-se tendência para detonação de combustível, e a maior relação de compressão utilizada é aquela onde a detonação de combustível é evitada. Quando o combustível é comprimido alem do limite de compressão, ocorre uma autoignição, que causam batidas no motor. (VAN WYLEN; SONNTAG; BORGNAKKE, 1995). Alguns fatores afetam o rendimento térmico do motor Otto, um deles é o fato do calor específico aumentar com o aumento da temperatura. O rendimento térmico dos motores atuais com ignição por centelha gira em torno dos 25% a 30%. A causa do baixo rendimento é porque os fluidos de trabalho hoje contêm muitas moléculas de dióxido de carbono. (BOLES; CENGEL, 2006). 2.3.3 Ciclo Diesel O ciclo Diesel foi proposto por Rudolph Diesel na década de 1890. Esse ciclo é semelhante ao ciclo Otto, a principal diferença é que ele tem sua ignição por compressão, onde ocorrerá uma combustão espontânea devido à alta pressão e temperatura, e não por uma centelha. Outra diferença entre os dois ciclos, é que apenas o ar é comprimido no ciclo Diesel, e quando o pistão se encontra no PMS, o combustível é injetado no cilindro, fazendo com que ocorra a combustão (WU, 2007). Logicamente no motor diesel não existe uma vela de ignição, no lugar desse dispositivo existe um injetor de combustível, e na figura 10 é mostrada a diferença de um para o outro. O motor diesel trabalha com uma compressão muito alta, as relações de compressão normalmente estão entre 12% e 24%. 31 Figura 10 - Dispositivos de ignição nos motores a gasolina e a Diesel Fonte: Boles; Cengel (2006) O ciclo Diesel também tem uma diferença em um dos processos do ciclo, no diagrama P-V da figura 11, o comportamento dos processos em um ciclo diesel. No processo 1-2 ocorre uma compressão isentrópica do ar. Logo após calor é adicionado à pressão constante. No processo 3-4, quando combustível é injetado no cilindro, que ao entrar em contato com o ar comprimido a alta temperatura e pressão, entra em combustão e ocorre uma expansão isoentrópica. O ciclo finaliza com a liberação de calor a volume constante, no processo 4-1. Figura 11 - Ciclo Diesel Fonte: Boles; Cengel (2006) 32 O rendimento do ciclo Diesel é representado da seguinte maneira: (2.11) Comparando os dois tipos de motores citados, o motor Diesel tem uma relação de compressão maior que o motor Otto. O motor Diesel também queimara melhor o combustível, desde que trabalhe a baixa revolução por minuto. A eficiência térmica do motor diesel é aproximadamente 40%. (BOLES; CENGEL, 2006). 2.4 EMISSÕES DE POLUENTES POR MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA As emissões de gases nocivos atmosfera é uma questão que ganhou força nas ultimas décadas. Com o aumento do número de carros e indústrias, as emissões cresceram significativamente. Os problemas causados pelos poluentes são as questões fundamentais do século XXI, aquecimento global, chuva ácida, poluição, problemas respiratórios e de saúde são algumas das contribuições causadas pelos poluentes atmosféricos. (PULKRABEK, 1997). As principais emissões causadas pelos motores de combustão interna são as de hidrocarbonetos (HC), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOx), enxofre e partículas sólidas de carbono. Por ser prejudicial, varias ações e regulamentações para redução de emissões foram tomadas pelos países. (PULKRABEK, 1997). Para tentar amenizar o problema da poluição atmosférica foram desenvolvidos motores mais eficientes no consumo de combustível e pós-tratamento dos gases de escape. Com essas medidas tomadas, as emissões foram reduzidas em até 95% nas décadas de 1970 e 1980. Mas mesmos com essas medidas controlar ou amenizar as emissões ainda é uma tarefa difícil e que têm um alto custo. Mesmo com essas reduções e melhorias, a população dos países sempre estão crescendo, cada vez tem mais automóveis, e esses padrões de emissões se tornam cada vez mais essenciais. 33 2.4.1 Hidrocarbonetos Os motores de ignição por centelha são os maiores emissores de hidrocarbonetos na atmosfera. Nos gases expelidos na combustão contém até 6000 ppm3 de componentes de hidrocarboneto, cerca de 1-1,5% do combustível. Quando as emissões de hidrocarbonetos reagem com a atmosfera, eles causam irritações e odores. Os hidrocarbonetos formam uma neblina fotoquímica quando reagem com a atmosfera. Nos motores de ignição por compressão as emissões de hidrocarboneto são bem menores que nos motores de ignição por centelha, apenas cerca de 1/5 das emissões. A causa dessa menor taxa de emissão é por causa do combustível diesel, nele, as moléculas tem um maior peso molecular, o que resulta numa maior temperatura de ebulição e condensação. As principais causas das emissões e hidrocarbonetos são: À relação ar-combustível, combustão incompleta, volumes de fenda ao redor do pistão, vazamentos nas válvulas de escape, sobreposição de válvulas, partículas de gás depositadas nas paredes das câmaras de combustão, óleo nas paredes das câmaras de combustão (PULKRABEK, 1997). 2.4.2 Monóxido de carbono (CO) Monóxido de carbono é um gás expelido pelos motores de combustão interna que são formados quando durante o processo de combustão não há oxigênio suficiente, e ao invés de formar dióxido de carbono (CO2), acaba formando CO. O monóxido de carbono é caracterizado por ser um gás incolor e sem cheiro, e, além disso, ele é bastante nocivo. O monóxido de carbono também é mais expelido pelos motores de ignição por centelha do que os motores de ignição por compressão (PULKRABEK, 1997). 2.4.3 Óxido de nitrogênio (NOx) Os óxidos de nitrogênios são formados durante o processo de combustão, e esse grupo incluem sete óxidos de nitrogênio, onde os mais comuns são o monóxido de nitrogênio NO e o dióxido de nitrogênio NO2. A formação do NO é devido à temperatura, concentração de oxigênio, relação ar-combustível, pressão. (VAN BASSHUYSEN; SCHÄFER, 2004). 3 Partes por milhão, mede a concentração de substâncias em concentrações muito diluídas. 34 Os óxidos de nitrogênio quando em reação com a luz do sol é um dos principais causadores das nevoas fotoquímicas, a reação química é dada por: í 2.4.4 Partículas Motores de ignição por compressão liberam partículas sólidas de fuligem quando ocorre a combustão. Essas partículas causam fumaça visível e maus odores. As partículas de fuligem são aglomeradas de esferas sólidas de carbono, nessas esferas contem HC e outras substâncias absorvidas na superfície. As esferas tem diâmetro entre 1 e 1000 nm. A Figura 12 mostra a formação de poluentes durante a combustão do motor diesel. Figura 12 - Formação de poluentes nos motores diesel Fonte: Van Basshuysen (2004) 35 3 METODOLOGIA E MÉTODOS 3.1 TIPOLOGIA DE PESQUISA Para a realização do trabalho foi feito um levantamento bibliográfico sobre assuntos que englobam os temas ligados ao motor diesel. Foram pesquisados livros de engenharia, manuais técnicos, revistas e artigos científicos que abordavam de modo especifico o motor diesel e os motores de combustão interna. 3.2 DELIMITAÇÃO DA PESQUISA Na pesquisa foi levado em considerações assuntos que mostravam as mudanças que o motor diesel sofreu desde sua criação. Mudanças tais como melhorias em relação ao rendimento, durabilidade e aplicabilidade. Também foi feito uma pesquisa sobre as emissões e os principais problemas ambientais causados pelo motor diesel, e medidas que foram tomadas para reduzir essas emissões e problemas ambientais, e obedecer a novas normas e legislações mundiais sobre poluentes que criaram força nas ultimas décadas. 3.3 PROCESSOS DE PESQUISA Para fazer as pesquisas relacionadas ao assunto, primeiro foi necessário criar um ponto de partida de onde pudesse embasar por onde e o que procurar. Inicialmente foram pesquisados no PPC4 do curso de engenharia mecânica da UFERSA os livros que tinha relação com motores de combustão interna. Logo após disso, foi feito um levantamento de livros de engenharia que tinham como tema motor diesel e poluição de motores de combustão interna. 4 Projeto pedagógico do curso – documento que traz todas as informações de um curso de graduação oferecido por uma faculdade. 36 4 ANÁLISE SOBRE A EVOLUÇÃO E DESENVOLVIMENTO DO MOTOR DIESEL 4.1 SURGIMENTO E PRIMEIROS DESENVOLVIMENTOS DO MOTOR DIESEL No século XIX, devido à revolução industrial e a criação de automóveis, vários motores de combustão interna foram idealizados e desenvolvidos. O engenheiro filho de alemães, e nascido em Paris, Rudolph Diesel, foi quem teve a ideia do motor diesel, ele projetou um motor com uma maior relação de compressão, onde o ar seria aquecido e logo depois o combustível injetado, que tinha como objetivo dobrar a eficiência do motor. O primeiro motor diesel foi construído em 1893, e seu combustível era óleo de amendoim. A patente referente ao motor foi concedida a Rudolph em 23 de fevereiro de 1893, patente DRP 67207. Mas o motor só foi apresentado oficialmente em 1898 na França, na feira mundial de Paris. Primeiramente os motores diesel eram utilizados de forma estacionaria, e para propulsão de navios. Eles funcionavam a baixa velocidade, e com quatro tempos. (CHALLEN; BARANESCU, 1999). A ideia inicial de Diesel era fazer um motor baseado no ciclo de Carnot, que apresentava uma eficiência de 73% a 800º C, ele idealizou um motor que apresentaria uma perda máxima de 30 a 40%. A primeira indústria que contratou Diesel para construir o seu motor foi a Maschinenfabrik Augsburg AG. Em sua idealização, Diesel propôs um motor com três cilindros como é mostrado na Figura 13: Figura 13 - Design do primeiro motor Diesel Fonte: Mollenhauer (2010) 37 Com a primeira guerra mundial os motores diesel de alta velocidade começaram a ser desenvolvidos com a intenção de serem utilizados em veículos. A Peugeot foi a primeira a instalar o motor diesel em um carro, isso ocorreu em 1923. Os motores de ignição por centelha foram os primeiros a serem utilizados em veículos de estrada, mas por ter uma maior eficiência, o motor diesel começou a ser implantado em caminhões e ônibus a partir da metade da década de 1930. Pelo fato dos motores turbocompressores a vapor não serem muito eficientes, na Alemanha, durante a segunda guerra mundial as locomotivas começaram a utilizar motor diesel como novo aero motor. Desde a segunda guerra mundial (1939-1945), a maioria dos países industrializados tem desenvolvidos sua própria variedade de motor diesel. Pela sua alta eficiência, o motor diesel é principalmente utilizado em maquinas pesadas e de formas estacionárias. (CHALLEN; BARANESCU, 1999). O Quadro 1 apresenta uma linha de tempo que enumera os principais marcos e desenvolvimentos ocorridos em relação ao motor diesel grande de alto desempenho. Enquanto o Quadro 2 apresenta uma linha do tempo sobre o motor diesel de alta velocidade para veículos. 38 Quadro 1 - Linha de tempo do desenvolvimento de motor diesel grande 1897 Primeiro motor diesel a funcionar com uma eficiência de 26,2% pela Maschinaenfabrik Augsburg 1898 Entrega do primeiro motor diesel com dois cilindros com 2 x 30 HP por 180 rpm 1899 Primeiro motor diesel dois tempos da MAN AG por Hugo Güldner 1899 Primeiro motor diesel sem cruzeta, modelo W, de Gasmotorenfabrik Deutz 1901 Primeiro motor diesel com tronco pistão da MAN por Imanuel Lauster 1903 Primeira instalação de dois cilindros quatro tempos oposto com 25 HP em um barco 1904 Primeira estação de potência da MAN com 4 x 400 HP em Kiev 1905 Alfred Büchi propõe a utilização da energia do gás de escape para supercompressor 1906 1912 1914 1951 1972 Introdução do primeiro motor dois tempos reversível por Sulzer e Winterthur brothers para um motor marítimo 100 HP/cilindro Funcionamento do primeiro barco de alto mar MS Selandia com dois motores quatro tempos do Burmeister & Wain cada com 1088 HP Primeiro teste de dupla ação com motor seis cilindros dois tempos com 2000 HP/cilindro do MAN Nürnberg Primeiro motor diesel da MAN (modelo 6KV30/45) com supercompressor com alta pressão: rendimento de 44,5% Maior motor diesel dois tempos até o momento começa a funcionar, potencia de 40000 HP 1982 Lançamento do super long-stroke motor dois tempos 1984 MAN B & W alcança um consumo de 167,3 g/kWh com um rendimento de 50,4% Funcionamento do maior sistema de propulsão diesel-elétrico com o motor diesel quatro 1987 tempos MAN B & W e uma potência de saída de 95600 kW para o navio RMS Queen Elizabeth II 1998 2000/01 2004 Sulzer RTX-3 pesquisa um motor para testar uma tecnologia de injeção direta em grandes motores dieseis dois tempos MAN B & W 12K98MC-C: O mais potente motor diesel dois tempos com Pe = 68520 kW e n=104 rpm Primeiro motor diesel quatro tempos média velocidade da MAN B & W 32/40 com injeção direta a ser usado em um barco container 39 Quadro 2 - Linha de tempo do desenvolvimento do motor de alta velocidade para veículos 1898 1905 Primeiro uso de um motor quatro tempos com dois cilindros opostos; feito por Lucian Vogel pela MAN Nünberg (motor de teste, não colocado a venda.) Motor de teste feito por Rudolph Diesel baseado em um motor a gasolina Saurer quatro cilindros com compressor de ar e injeção direta 1906 Patente DRP 196514 por Deutz para injeção indireta 1909 Patente básica DRP 230517 por L’Orange para uma câmara prévia 1910 Patente britânica 1059 por McKenchie para injeção direta a alta pressão 1912 Primeiro compressor Deutz no motor diesel, modelo MKV, feito em produção em massa 1913 Primeira locomotiva diesel com motor V dois tempos quatro cilindros apresentado por Sulzer Brothers (força de 1000 HP) 1914 1924 1927 1931 1934 1936 1953 1978 1983 1986/87 1988 1989 1996 1997 1998 Primeiro veículo comercial com motor diesel feito pela MAN Nünberg (injeção direta) e Daimler Benz AG (injeção indireta em uma antecâmara). Começo da produção em massa do sistema de injeção direta de diesel pela Bosch Teste do protótipo do motor de avião diesel dois tempos seis cilindros com pistões opostos JUMO 204 da Junkers-motorenbau GmbH: 530 kW (750HP) Motor diesel V8 quatro tempos com antecâmara da Daimler Benz AG para o dirigível LZ 129 Hindenburg com 1200 HP e 1650 rpm Primeira produção de motores dieseis para carros com antecâmaras da empresa DaimlerBenz AG Primeiro motor diesel para carro com câmara de turbulência da Borgward e Fiat Primeira produção de motor diesel para carro com escape turbocompressor de gás (Deimler-Benz AG) Primeira produção de motor diesel de alta velocidade e alto desempenho da MTU Primeira vez que um controle eletrônico de diesel (ECD) é usado em veículos com motor diesel Primeira produção de motor diesel para carro com injeção direta de combustível (Fiat) Primeira produção de motor diesel com escape turbocompressor de gás e injeção direta de combustível (Carro da Audi 100 DI) Primeiro motor diesel para carro com injeção direta de combustível e câmara de combustão com quatro válvulas (Opel Ecotec Diesel Engine) Primeiro motor diesel supercompressor para carro com injeção common rail a alta pressão geometria de turbina variada Primeiro motor diesel V8 para carro: BMW 3.9 I DI turbodiesel 40 Primeira produção de carro com motor diesel com filtro de partículas (Peugeot) 2000 4.2 APLICAÇÕES 4.2.1 Automóveis de passageiros Demorou um pouco para o motor diesel começar a ser utilizado em carros. Testes foram feitos em 1897, mas apenas em 1936 o motor diesel estava apto a ser utilizado em carros. Os primeiros motores dieseis eram muito pesados, eram comumente instalados em veículos grandes. Seu desempenho em carros era muito baixo e tinha um mercado limitado. Na metade da década de 1970 a Volkswagen produziu o motor diesel 1.5 l IDI5, que foi o primeiro motor com aplicação em automóveis de passageiros que conseguia se aproximar de um motor a gasolina na questão do desempenho. Esse motor conseguia apresentar uma potência especifica de 25 kW/kg, enquanto outros motores dieseis apresentavam um máximo de 20 kW/kg. Ele foi utilizado no Golf Volkswagen, um carro leve, e apresentava um bom desempenho e um ótimo consumo de combustível. Esse foi o primeiro passo para a utilização de motor diesel em carros leves. Turbocompressores foram aplicados nos motores dieseis de carros de passageiros. As empresas Mercedes-Benz, Peugeot, Volkswagen foram às pioneiras nessa inovação. Mas as maiorias das inovações do motor diesel para carros de passageiros começaram a surgir a partir da década de 1990, quando muitas empresas começaram a manufaturar seus automóveis com motor diesel. Depois da adição do turbocompressor, outras melhorias foram feitas, tais como: 5 Intercooler Sistema de injeção eletrônica Sistema de EGR – recirculação dos gases de escape Catalisadores de oxidação Cabeçotes com multiválvulas – com 3 ou 4 válvulas por cilindro Injeção direta de combustível DI Injeção indireta de combustível 41 O gráfico 1 mostra o desenvolvimento de vários aspectos do motor diesel em carros, a maioria das melhorias vieram a ocorrer a partir da segunda metade da década de 1990. Gráfico 1 - Desenvolvimento do motor diesel em carros Fonte: Mollenhauer; Tschoke (2007) Os carros com motor diesel hoje são bem mais aceitos pelos consumidores. Antes esses automóveis tinham várias desvantagens: tinham baixo desempenho, poluía bastante com fumaça visível e cheiro forte dos gases de escape, emitia muito ruídos e vibrações (principalmente após o motor dá partida a frio até esquentar). Hoje eles apresentam boa potência especifica similares aos motores a gasolina. (CHALLEN; BARANESCU, 1999). A principal característica do motor diesel é a economia no consumo de combustível, sempre foi o principal ponto entre os consumidores. O consumo médio do motor diesel IDI é 25-30% menor que em um motor a gasolina, apesar de alguns dos melhores veículos a gasolina terem consumo semelhante ao motor diesel IDI. Os motores dieseis DI apresenta uma redução de 15-20% no consumo de combustível quando comparados com motores IDI. (CHALLEN; BARANESCU, 1999). Para o futuro é previsto que motores a gasolina com injeção direta de combustível iram competir com os motores dieseis IDI em relação à eficiência no consumo de combustível, mas os motores dieseis DI ainda serão superiores. Em contra ponto, o motor diesel DI emitira mais CO2 para a atmosfera do que os motores a gasolina DI, enquanto o motor diesel ira emitir 2,6 42 kg de CO2 por litro de combustível queimado, o motor a gasolina emitira apenas 2,4 kg por litro. (CHALLEN; BARANESCU, 1999). O número de cilindros no motor a ser utilizado dependera do design do carro. O carro poderá ter três, quatro, cinco, seis, oito e até dez cilindros. O número de cilindros também afetara o formato do motor e a disposição dos cilindros. Os motores que tem três, quatro ou cinco cilindros tem design em linha, enquanto os motores com oito ou dez cilindros tem design em V. Apenas os motores com seis cilindros poderão apresentar os dois designs diferentes, em linha ou em V. A Figura 14 mostra os dois designs de motor utilizados, um motor I6 e um motor V8. (MOLLENHAUER; TSCHOEKE, 2007). Figura 14 - Design do motor diesel quanto a disposição de cilindros Fonte: Mollenhauer; Tschoke (2007) 4.2.2 Caminhões e ônibus O motor diesel utilizado em caminhões e ônibus tem que atender as necessidades do mercado. Essas necessidades são requisitos do motor para que ele mantenha certo nível de qualidade. As preocupações em relação ao motor utilizado são: tamanho, peso, custo, durabilidade, desempenho e economia de combustível, gazes e emissões de barulhos. O tamanho do motor e sua localização no veiculo se tornaram importantes características. As restrições de espaços faz com que seja estudado como ficara o posicionamento do motor, como por exemplo, a localização do coletor de admissão e do turbo compressor. Outra característica muito importante no motor é o seu peso. Existe uma faixa de peso em que o motor deve estar. No mercado de caminhões o peso admissível apresenta valores entre 1360 kg e 910 kg, motores que estão fora desse limite, são considerados motores muito 43 pesados ou muito leves. A durabilidade do motor é a quilometragem rodada para ser feita a primeira inspeção, e é um fator importante para o mercado. Nas ultimas décadas a durabilidade do motor quadruplicou, em 1977 a quilometragem era de 402 000 km, em 1994 alcançou 1 207 000 km. Para aumentar a durabilidade do motor várias ferramentas de analise de redução de falhas são usadas pelos projetistas. (CHALLEN; BARANESCU, 1999). Os veículos pesados para transporte comercial tem uma importância fundamental para a sociedade moderna. Esses veículos são utilizados em transportes de entregas locais e regionais, como também são utilizados em veículos municipais de limpeza, carros de bombeiros. Os ônibus são também classificados como veículos pesados, e eles podem ser utilizados tanto para cobrir pequenas quanto grandes distancias. 4.2.3 Locomotivas Dois tipos de fontes de energia podem ser utilizados em locomotivas hoje em dias, pode ser utilizado motor diesel ou ter uma alimentação elétrica externa. As locomotivas elétricas apresentam várias vantagens em relação às locomotivas que utilizam motor diesel. Apesar de ser muito caro eletrificar uma linha locomotiva, os custos de manutenção, dependência de combustível com base no petróleo são bastante reduzidos, e, além disso, ainda tem uma maior potência por locomotiva. Apesar de ainda ser utilizada, a tendência é que as locomotivas elétricas substituam as locomotivas a diesel. Mesmo assim as locomotivas a diesel ainda tem um mercado forte, e ainda manterá certa força por algum tempo. Segundo Challen e Beranescu (1999) existem cerca de 25000 locomotivas a diesel nos Estados Unidos. Em sua maioria são locomotivas com motor diesel de velocidade média, entre 900 a 1050 rev/min. Normalmente essas locomotivas conseguem percorrer em 800000 a 1000000 km entre inspeções. Padrões de emissões foram estabelecidos pela Union International de Chemins de Fer (UIC) para locomotivas e veículos ferroviários com potencia maior que 100 kW, que com o passar dos tempos foi ficando mais rigorosos. Para chegar a esses limites, a UIC teve a cooperação da European Railway Research Institute (ERRI). A Tabela 1 mostra os dados referentes aos padrões de emissões. 44 Tabela 1 - Limite de emissões de um motor diesel de acordo com o codigo UIC 623 ANO Substância (g/kW.h) Pré-1982 1982 1993 1997 CO 12.0 8.0 4.0 3.0 HC 4.0 2.4 1.6 0.8 NOx 24.0 20.0 16.0 12.0 4.2.4 Motores industriais e estacionários Os motores industriais e estacionários são aqueles que são feito para ser utilizados fora da estrada. Os motores estacionários servem para gerar potência, podendo ser utilizado também com outras funções como sistemas de refrigeração, bombas e compressores. Além da aplicação estacionaria os motores também podem ser utilizados em maquinaria móvel e em equipamento agrícolas. Motores dieseis feitos para serem utilizados exclusivamente de forma estacionária ou industrial tem potência aproximada de 75 kW, de um a quatro cilindros. Também podem ser implementados como motores de veículos, esses são motores industriais com faixa de potência acima de 75 kW, tem design com quatro, cinco, seis, ou oito cilindros. Os motores industriais necessitam de muitos equipamentos opcionais para satisfazer as necessidades do cliente, ou para ter os mais variados usos. Esses equipamentos opcionais são feitos em poucas quantidades. Por essa razão os motores industriais normalmente são mais caros que motores de carros ou de veículos comerciais. (MOLLENHAUER; TSCHOEKE, 2007). 4.3 TIPOS DE COMBUSTIVEIS UTILIZADOS Os combustíveis utilizados em um motor diesel têm algumas propriedades diferentes da gasolina, que é o principal combustível utilizado em carros. Pode se dizer que a principal característica do combustível utilizado no motor diesel é a autoignição. Como ele vai ser injetado após o ar contido na câmara de compressão estar à alta pressão e temperatura, esse 45 combustível devera ter a capacidade de entrar em combustão sem a necessidade de uma centelha. A combustão não ocorre imediatamente, existe um pequeno atraso de ignição que ocorre quando o combustível e o ar a alta temperatura e pressão entram em contato. Durante esse atraso o combustível deve ser vaporizado, misturado com o ar e ocorrem reações químicas necessárias para a autoignição. (CHALLEN; BARANESCU, 1999). Para medir a qualidade da ignição do combustível utilizado no motor diesel é utilizado um coeficiente adimensional chamado de número de cetano, é uma escala que vai de 0 a 100. Esse número indica o atraso que ocorre quando o combustível entra em contato com o ar na câmara de compressão. Os combustíveis com o número de cetano mais alto tem um menor atraso na ignição. Os combustíveis com melhor rendimento tem número de cetano entre 40 e 55. O combustível diesel tinha melhor eficiência e um baixo custo de produção, isso levou ao motor diesel ter bastante sucesso no mercado inicialmente. Por um longo tempo, o combustível diesel foi um subproduto da produção de gasolina e ainda hoje, o combustível diesel é produzido a partir do petróleo. O combustível também pode ser produzido a partir de gás natural, de matéria prima renováveis e biodegradáveis, entre outras fontes. Normalmente apenas um grau de combustível diesel é utilizado no tráfego. São os chamados de diesel para caminhão ou de diesel premio, e recentemente começou a ser comercializados em diversos países com uma grande frota de veículos a diesel. (MOLLENHAUER; TSCHOEKE, 2007). 4.3.1 Combustível diesel derivado do petróleo Diversos tipos de produtos são derivados do petróleo. O mais conhecido é a gasolina, mas outros tipos de combustíveis são produzidos a partir do petróleo, inclusive o diesel. A Tabela 2 mostra alguns dos produtos derivados do petróleo e os seus respectivos pontos de ebulição. O diesel nº 1 é mais utilizado como combustível de inverno, já que apresenta um ponto de ebulição mais baixo que o diesel nº 2. Enquanto o diesel nº 2 é comumente utilizado em motores de média e alta velocidade. Os combustíveis dieseis são normalmente designados como combustíveis destilados ou combustíveis residuais. Os combustíveis destilados são aqueles 46 que foram recuperados através de um processo de destilação, enquanto os residuais são combustíveis que contem frações de resíduos de destilação ou quebra térmica. (CHALLEN; BARANESCU, 1999, p. 102). Tabela 2 - Produtos refinados Produto Ponto de ebulição em ºC Gás liquefeito de petróleo -40 – 0 Gasolina 30 – 200 Querosene, combustível de jato, diesel nº 1 170 – 270 Diesel nº 2 180 – 340 Óleo mineral 340 – 540 Óleo residual 340 – 650 Asfalto 540 + Coque Solido Fonte: (CHALLEN e BARANESCU, 1999) 4.3.2 Combustíveis alternativos Segundo Challen e Beranescu (1999), combustíveis alternativos começaram a ganhar espaço durante a década de 1970, quando se começou a ter uma discussão sobre a diminuição das reservas de combustíveis fosseis, e novos tipos de fontes energéticas começaram a ser debatidas. Com o tempo outras questões começaram a ser incluídas no debate, por exemplo, a diminuição de emissões, combustíveis renováveis, limpos. Alguns combustíveis ficaram mais populares que outros, os mais importantes são o diesel reformulado, gás natural comprimido, álcool e o biodiesel. 4.3.2.1 Diesel reformulado O diesel reformulado é resultado de algumas mudanças do diesel comum, uma das mudanças feitas foi para reduzir as emissões causadas por causa do combustível, sem que seja preciso modificar o hardware do motor. Esse tipo de diesel tem um menor teor de enxofre, maior número de cetano, menor ponto de ebulição. 47 Para que os objetivos traçados nesse combustível sejam alcançados, aditivos são utilizados, esses aditivos obedecem a normas para que possam ser utilizados. Para que o aditivo seja aceitável, a oxigenação, que é um tipo de aditivo, tem que obedecer a normas quanto à volatilidade, solubilidade com o combustível e compatibilidade de custo e materiais. (CHALLEN; BARANESCU, 1999). 4.3.2.2 Gás natural comprimido O gás natural comprimido é utilizado em motores com ignição por centelha pesados, mas seu uso não é adequado para motores de ignição por compressão. Porém eles são utilizados como combustível secundário em motores de duplo combustível. Nesses motores, uma pequena quantidade de combustível diesel é injetada para que ocorra a ignição da mistura ar-gás natural. Caso o fornecimento de gás natural seja interrompido, o motor pode ser adaptado como um motor diesel convencional. (CHALLEN; BARANESCU, 1999). 4.3.2.3 Alcoóis Etanol e metanol são bastante utilizados como um combustível diesel alternativo. Os Alcoóis tem baixo número de cetano e para ser utilizado como um combustível diesel tem que ser usados alguns aditivos no combustível. Apesar de aditivos utilizados diminuírem as emissões de NOX e partículas sólidas, os custos de produção é elevado e não se sabe os efeitos dele na durabilidade do motor. 4.3.2.4 Biodiesel O biodiesel é o melhor candidato para combustível alternativo no motor diesel. Ele apresenta características semelhantes ao diesel derivado do petróleo, e ainda é um combustível renovável e biodegradável. Como definição, o biodiesel é um combustível formado por ésteres de ácidos graxos, éster alquila de ácidos carboxílicos de cadeia longa; e suas fontes são de óleo vegetal ou gordura animal. (DEMIRBAS, 2008). O biodiesel não é toxico e é biodegradável, e também reduz a emissão de partículas de fuligem. Ele pode ser utilizado misturado com diesel comum, porém, sua característica como combustível não tóxico e biodegradável desaparece, mesmo assim, ainda tem menor nível de emissões. (CHALLEN; BARANESCU, 1999). 48 Várias vantagens são características do biodiesel, principalmente nas questões ambientais. Por isso ele é o principal substituto do diesel como combustível alternativo. As principais vantagens e mais significativas são: É energia renovável e pode ser produzida com baixo custo de produção É um ótimo lubrificante, e pode aumentar a vida útil do motor Colabora na diminuição do efeito estufa e da poluição Substitui o diesel nos motores sem necessitar de ajustes Pode ser usado puro em motores, mas também pode ser misturado com o diesel comum, pois é bastante miscível Pouca emissão de partículas de fuligem Na queima do biodiesel ocorre a combustão completa Número de cetano mínimo de 51 4.4 EMISSÕES DO MOTOR DIESEL O motor diesel quando comparado com o motor a gasolina, apresenta menores índices de emissões de poluentes a atmosfera. Porém, o motor diesel libera um significante maior índice de óxidos de nitrogênio e partículas sólidas (principalmente partículas de fuligem), o que faz com que o motor diesel seja bem mais ofensivo ao meio ambiente. A causa disso é o fato de que o combustível não e totalmente queimado durante a combustão (MOLLENHAUER; TSCHOEKE, 2007). O motor diesel sempre foi relacionado às emissões de fumaça visível e com forte odor, além da vibração, o que fazia com que ele perdesse terreno para carros com motor a gasolina. Com o tempo foram desenvolvidas novas tecnologias para reduzir esse problema, e nos carros de hoje, dificilmente consegue perceber as diferenças entre os dois tipos de motor. 4.4.1 Formação de óxidos de nitrogênio no motor diesel Dois mecanismos são responsáveis pela formação de óxidos de nitrogênio durante a combustão; o primeiro é as altas temperaturas de fixação térmica das moléculas de nitrogênio (N2) e oxigênio (O2). A segunda é a reação do oxigênio atmosférico com o nitrogênio que contem compostos no combustível. Os dois mecanismos formam monóxidos de nitrogênio, 49 pelo fato do tempo de gasto em um processo de combustão ser muito curto para oxidar monóxido de nitrogênio em dióxido de nitrogênio. (SHER, 1998). A formação de óxidos de nitrogênio depende da temperatura, da concentração de oxigênio local, e do tempo gasto durante o ciclo termodinâmico a alta temperatura. Em um motor diesel a maioria da emissão produzida é monóxido de nitrogênio, cerca de 60-90%, e apenas um pouco dióxido de nitrogênio. Desses dois, o dióxido de nitrogênio é bem mais ofensivo para a atmosfera, é um gás com uma cor acastanhada e com um forte cheiro, é um gás toxico. No motor diesel é formado NO2 a partir do NO, quando esse oxida no ar (MOLLENHAUER; TSCHOEKE, 2007). Alguns pontos e características do motor são responsáveis pela formação dos óxidos de nitrogênio. Uma menor velocidade do motor geralmente produz uma maior concentração de óxidos de nitrogênio por dar um maior tempo para que a reações ocorram. A redução de óxidos de nitrogênio é normalmente associada a uma queima menos violenta com um atraso de ignição menor. Uma maior taxa de compressão reduz o atraso da ignição, que pode controlar a formação de monóxido de nitrogênio. (SHER, 1998). 4.4.2 Formação de hidrocarbonetos As formações dos hidrocarbonetos são diretamente dependentes da duração do atraso de ignição. O combustível não queimado da mistura ar-combustível é o responsável pela formação de hidrocarbonetos, às vezes é formado pelo combustível que penetra a parede do cilindro. Segundo Sher (1998), as cinco principais fontes de emissão de hidrocarbonetos de um motor diesel são: Sobremistura do combustível e do ar além do limite mínimo para a combustão Submistura para uma relação ar-combustível rica para uma combustão completa Penetração do combustível espirrado nas paredes do cilindro Extinção da reação devido à expansão da mistura Vazamento de combustível pelos injetores ou furos nos bocais 50 4.4.3 Formação de partículas As partículas liberadas pelo motor diesel é o principal problema ligado a ele. Em diversos estudos feitos, elas foram identificadas como cancerígenas. A composição dessas partículas são normalmente 31% de carbono, 14% de sulfato e água, 7% de combustível não queimado, 40% de óleo não queimado e 8% desconhecida. (SHER, 1998). Emissões de partículas de um veículo é a massa total de sólidos e constituintes solúveis ou voláteis. As partículas são constituídas principalmente de fuligem de carbono. As partículas formadas nos motores dieseis atuais com injeção indireta de combustível são significativamente menores e menos visíveis. Existem duas hipóteses para a formação de fuligem. Uma diz que o combustível dissocia a altas temperaturas de combustão, decompondo em elementos básicos de carbono e hidrogênio. Segundo as hipóteses, as partículas primárias tem um diâmetro menor que 10 nm, e densidade de 1,8 g/cm3. Essas partículas primárias vão se aglomerando e formando partículas maiores. A maioria da fuligem é produzida durante a combustão enquanto estão dentro da câmara de combustão. (MOLLENHAUER; TSCHOEKE, 2007). 4.4.4 Fumaça A fumaça escura produzida pelo motor diesel é composta de partículas de carbono. A fumaça visível do diesel esta ligada a formação das partículas. Algumas das partículas de fumaça são oxidadas quando elas alcançam o lado mais fraco da reação. A maioria é oxidada durante a expansão do volume no cilindro. A fumaça pode ser reduzida diminuindo o tempo de duração da difusão da combustão. Isso pode ser feito aumentando a velocidade da mistura ar-combustível, técnicas como turbulência durante a injeção de combustível ou injeção mais fina no spray de combustível garantem uma melhor mistura. (SHER, 1998). 4.5 ESTRATÉGIAS PARA REDUÇÃO DE EMISSÕES Para obedecer as mais diversas legislações e normas pelo mundo que restringem a quantidade de poluentes na atmosfera pelos motores de combustão interna, foram estudadas, tomadas e planejadas várias medidas. Essas medidas influenciaram tanto na melhoria do combustível utilizado como mudança no motor e nos equipamentos. Essas mudanças feitas no motor diesel aumentaram seu preço cerca de 40% do motor a gasolina equivalente. 51 4.5.1 Sistema de injeção eletrônica A mudança da injeção indireta para injeção direta de combustível acarretou em melhorias no motor diesel, seu rendimento no consumo de combustível, nos veículos familiares seu consumo foi melhorado, se tornou capaz de consumir 4,7 litros/100 km. Com as legislações, os motores com injeção direta tiveram que empregar novas tecnologias de injeção de combustível visando à redução das emissões. Os sistemas de injeção eletrônica começaram a substituir os sistemas mecânicos, fazendo com que além da diminuição das emissões, outras melhorias, tais como: melhora na dirigibilidade, mais suavidade, integração com outros sistemas do veículo, autodiagnóstico e verificação de desempenho. (SHER, 1998). Nos sistemas de injeção eletrônica, o combustível é injetado a uma alta pressão, que é controlado por um sistema eletrônico, tanto a quantidade de combustível quanto o tempo de injeção é controlado. Existem vários tipos de sistemas utilizados para há injeção eletrônica, os mais comuns em motores modernos são os sistemas EUI (electronic unit injector), e os sistemas Common-rail ou CRDI. 4.5.2 Sistema EGR – Recirculação dos gases de escape O sistema EGR é uma técnica usada para reduzir as emissões de óxidos de nitrogênio NOX e poder atender os padrões estabelecidos. Em um motor diesel as reduções acarretadas pelo sistema EGR pode chegar até a 50%. A Figura 15 mostra a redução de NOX em um motor protótipo Ford TCI DI 16 válvulas. (SHER, 1998). No teste realizado, da para se perceber que com o aumento da taxa de recirculação dos gases, o nível de óxidos de nitrogênio cai consideravelmente, entretanto o nível de monóxidos de carbono e hidrocarbonetos aumenta. Mas fazendo com que as emissões de óxidos de nitrogênio caiam pela metade, as emissões de hidrocarbonetos e monóxido de carbono permanecem praticamente constantes. O sistema EGR faz com que parte dos gases de escape seja reutilizada na câmara de combustão, a taxa máxima de reaproveitamento de gases de exaustão é de 30%, onde os gases são resfriados e misturados com o ar vindo do sistema de intercooler. Além de diminuir a formação de óxidos de nitrogênio, ainda aumenta o desempenho do motor em alta temperatura. 52 Figura 15 - Tendência de redução de NOX quando utilizado um sistema EGR Fonte: Sher (1998) O principal fator que faz com que ocorra a redução da formação de partículas de óxidos de nitrogênio é a redução de oxigênio na taxa de entrada. A dissociação do dióxido de carbono nas emissões de escape é baixa. (SHER, 1998). 4.5.3 Turbocompressores de gases de escape Segundo Sher (1998) turbocompressor é uma espécie de supercompressor onde calor é extraído por uma turbina no sistema de exaustão do motor. O turbocompressor aproveita a energia advinda dos gases de escape para melhorar a admissão do ar. A turbina é acoplada por um eixo do compressor, no qual extrai uma carga de ar, fornecida para os cilindros sobpressão. O uso de turbocompressores fornece a capacidade para: Acrescentar a avaliação do motor Melhorar os limites de torque Melhorar a resposta dinâmica do motor Melhor o consumo específico de combustível Reduz as emissões de escape 53 4.5.4 Válvulas No motor diesel a utilização de quatro válvulas por cilindro tem objetivos um pouco diferentes do que no motor a gasolina. Em um motor diesel com quatro válvulas por cilindro os bocais de injeção de combustível podem ser arranjados tanto de forma vertical, quanto de forma inclinada. Nos motores de duas válvulas eles tinham que ser arranjados inclinados, para que tivesse uma melhor mistura de ar-combustível. Por ter mais metal entre quatro pequenas válvulas do que em duas grandes, reduz a alta gradiente de calor, que levam a estresse térmico e problemas de rachadura. Com quatro válvulas por cilindro existe um potencia para aumento de eficiência volumétrica em uma faixa de velocidade mais baixa, o que acarreta numa melhor dirigibilidade. As quatro válvulas por cilindro em um motor diesel ajuda a reduzir a formação de partículas e de óxidos de nitrogênio. Isso é porque necessitasse nesse caso menor requerimento nos redemoinhos de injeção de combustível, que reduz a quantidade de arcombustível misturada durante o atraso de ignição. (SHER, 1998). 4.6 LEGISLAÇÃO REFERENTE AO MOTOR DIESEL As preocupações com o aquecimento global e com o meio ambiente nos últimos anos fizeram com que várias padronizações de emissões de poluentes ao redor do mundo fossem elaboradas. No caso dos motores utilizados em automóveis, existem legislações especificas, e elas se diferenciam para o tipo de motor, seja diesel ou gasolina, quanto para as suas aplicações especificas. Segundo Challen e Beranescu (1999), se o combustível diesel fosse completamente queimado pelo motor durante o processo de combustão, a queima iria produzir apenas água e dióxido de carbono CO2, porém, a combustão nunca é completa. O que os engenheiros tentam fazer é que o motor consiga queimar o máximo de combustível possível para atender as legislações de emissões e aumentar o desempenho do motor tanto em eficiência quanto em consumo. As legislações referentes ao motor diesel estão ligadas a diminuição de óxidos de nitrogênio (NOx), monóxido de carbono (CO), hidrocarbonetos (HC), partículas sólidas e a fumaça visível. Dentre essas, as partículas (principais responsáveis pela fumaça visível) e os óxidos de nitrogênio são as que merecem mais atenção no motor diesel, pois são as que 54 causam mais danos à saúde humana, além de normalmente as emissões de um motor diesel tem um forte cheiro. 4.6.1 Legislação dos Estados Unidos Os Estados Unidos foram os pioneiros na formulação de padrões de emissões de poluentes por motores automobilísticos. Isso foi resultado da lei federal Clear Air Acts, que tem como intuito controlar os níveis de emissões americanas. (CHALLEN; BARANESCU, 1999). A Califórnia foi o primeiro estado americano a estabelecer tais padrões, isso teve como causa os problemas de qualidade do ar que Los Angeles tinha, e por causa disso, a Califórnia é o único estado americano a ter sua própria legislação. (FAIZ; WEAVER; WALSH, 1996). Segundo Faiz (1996), a legislação 1981 de americana para veículos de passageiros e caminhões leves foi adotada por vários países como Áustria, Canadá, Chile, Finlândia, México, Suécia e até mesmo o Brasil. Nos Estados Unidos os padrões de emissões de poluentes são chamados de Tiers, dentro do Tier contem diferentes niveis de emissões permitidas, que são uma espécie de sub-ranking chamados de bins. Os fabricantes podem escolher entre diversos tipos de bins, mas tem que obedecer ao limite máximo de 0,07 g/mi de óxidos de nitrogênio. A legislação americana de emissões vale para os dois tipos de motor, tanto o movido a diesel quanto a gasolina. (MOLLENHAUER; TSCHOEKE, 2007). A Tabela 3 ilustra os limites de emissões do tier 2 bin 8 e bin 5, para um motor diesel é um grande desafio de ser alcançado, já que ele tem que ter níveis de emissões iguais ao de um motor a gasolina. Tabela 3 - Tier 2 bin8/bin5 limite de emissões para meia vida util (50000 milhas) Emissões Particulas NMOG (g/mi) CO (g/mi) NOx (g/mi) Bin 8 0,100 3,4 0,14 0,02 0,015 Bin 5 0,075 3,4 0,05 0,01 0,015 Fonte: Mollenhauer; Tschoeke (2007) (g/mi) HCHO 55 4.6.2 Legislação da Europa Os padrões de emissões europeus comparado com a americana foram preparados apenas na decada de 1990 e foi formulada pela United Nations Economic Commission for Europe (UNECE). Já foram formuladas seis legislações para emissões, sendo que a Euro 6 entrará em vigor em setembro de 2014. A legislação europeia de emissões diferencia o nível de emissões pela categoria do veículo, a massa determina o nível de emissões permissível, quanto mais leve for o veiculo mais rigorosa é o nível permitido. Diferente da legislação americana, a legislação europeia diferencia também nível de emissões para motor diesel e motor a gasolina. Na legislação europeia é permitida ao motor diesel uma maior emissão de óxidos de nitrogênio que os motores a gasolina, mas as futuras legislações vão diminuir a lacuna entre os dois tipos de motor. As emissões de partículas também esta sendo discutida para que nas futuras legislações também diminuam significativamente o nível de emissões. (MOLLENHAUER; TSCHOEKE, 2007). A Figura 16 mostra o desenvolvimento do nível de emissões permitido pela legislação europeia. Na figura são mostradas apenas as reduções dos dois poluentes mais nocivos emitidos no escape do motor diesel, óxidos de nitrogênio e partículas. Figura 16 - Desenvolvimento dos niveis de emissões europeus Fonte: Mollenhauer; Tschoeke (2007) 4.6.3 Legislação do Brasil No Brasil a legislação referente ao motor diesel é um pouco mais pesada, pois aqui carros de passeios com motor diesel são proibidos, sendo o único lugar no mundo que proíbe 56 a utilização desse tipo de veículo. Mas essa proibição de carros de passeio com motor diesel foge a questão das emissões de poluentes, já que hoje com toda a tecnologia para a redução de envolvida, o motor diesel consegue ter emissões similares ao motor a gasolina e ainda consumir menos combustível. A proibição vem de uma lei antiga, que impede a utilização de carros de passeio com motor diesel e também carros de carga com capacidade inferior a mil quilogramas. Aqui no Brasil quase 100% do diesel refinado é destinado na utilização de veículos pesados, e pelo fato do Brasil ser muito dependente do transporte rodoviário, o combustível tem subsídios e benefícios. Isso faz com que muitos resistam à liberação do motor diesel para qualquer veiculo. A lei em vigor referente às emissões de poluentes por motores do tipo diesel aqui no Brasil é a PROCONVE P-7, e é similar a Euro 5. A PROCONVE P-7 é referente aos veículos pesados. A P7 exige modificação nos motores e a utilização de combustível diesel com um menor teor de enxofre, já que os sistemas EGR são sensíveis a isso. Nessa legislação as reduções de óxidos de nitrogênio alcançaram até 60% e 80% das emissões de partículas sólidas. As tecnologias exigidas para a redução é a EGR, ou a redução catalítica seletiva. (CANTERO, 2012). Para atender as exigências da P7, foi desenvolvido um novo tipo de diesel, que contem uma menor concentração de enxofre. Em 2012 os veículos começaram a ser abastecidos com diesel S50, que significa que tem o combustível tem 50 ppm de enxofre. No começo do ano de 2013 o diesel S50 foi substituído pelo diesel S10, que além de reduzir as emissões e estar dentro do padrão estabelecido, ainda possui propriedades que beneficiam a combustão do motor. A Figura 17 apresenta a redução da concentração de enxofre do diesel na legislação P7 com legislações antigas. (CANTERO, 2012). 57 Figura 17 - Comparação da diminuição da concentração de enxofre Fonte: Ferreira (2011) 4.7 PERSPECTIVAS FUTURAS Nos últimos anos o motor diesel se tornou cada vez mais limpo, e com uma série de novas tecnologias aplicadas ao motor que além de diminuir bastante as emissões ainda tornou o carro mais confortável e atrativo para os consumidores. Mas segundo Ashley (2007) o futuro do motor diesel ainda é incerto, algumas empresas como a Honda e a Volkswagen são otimistas em relação ao mercado do motor diesel na America do norte. Outras empresas já são pessimistas, e o porta voz da Toyota John Hanson falou que a Toyota não pensa em promover o motor diesel no EUA, não considera o mercado de lá receptivo. Além disso, Hanson diz que mesmo com a diminuição dos poluentes, os níveis de emissões ainda estariam fora do padrão da Califórnia. Por outro lado a Toyota continua a desenvolver motor diesel para a Europa e Ásia. Em contra ponto, os combustíveis dieseis tem uma tendência de diminuir cada vez mais a concentração de enxofre, o que ajudara a torna o combustível cada vez mais limpo e mais consistente. Essa melhora nos combustíveis é uma boa ajuda para promover a tecnologia diesel. A uma estimativa que os veículos a diesel de hoje permaneçam em atividade por mais vinte e cinco anos ou mais, o que significa que os benefícios das melhorias do motor diesel na questão ambiental demorariam pelo menos mais uma década para começar a fazer efeito. 58 4.8 VANTAGENS E DESVANTAGENS Segundo Carazoo.com (2009), o motor diesel apresenta melhor eficiência no consumo de combustível do que o motor a gasolina, por causa de uma maior relação de compressão. O motor diesel também apresenta uma maior durabilidade, isso porque o petróleo destrói a lubrificação do motor, e o diesel não faz isso. Segundo um artigo publicado por Amolgadelas (2010?), o motor diesel além de apresentar eficiência cerca de 30% superior ao motor a gasolina, ainda são mais econômicos quando se compara o preço da gasolina com o combustível diesel e tem um melhor desempenho no asfalto. Um bom motor diesel chega a rodar entre 400.000 a 500.000 milhas sem precisar de revisão. Em relação ao consumo de combustível, uma pesquisa feita e publicada pelo site G1 por Sandoval (2009), na estrada, um carro com motor diesel terá um melhor consumo de combustível do que o motor a gasolina, por outro lado terá um consumo inferior quando roda na cidade. Alexandre Lignus fez uma comparação entre Chevrolet S10, e a Tabela 4 apresenta o resultado do consumo. Tabela 4 - Comparação de consumo da Chevrolet S10 com motor diesel e motor a gasolina Consumo do motor diesel (km/l) Consumo do motor a gasolina (km/l) Estrada 15,5 11,5 Cidade 12,4 8,9 Fonte: Próprio autor (2013) Alguns aspectos negativos podem ser apontados no motor diesel. Ele tem uma maior taxa de compressão, o que apesar de aumentar a potência do motor, faz com que seu peso seja relativamente maior que os automóveis com motor a gasolina. Pelo fato de serem mais pesados, os motores a diesel tem baixas rotações máximas por minuto, eles têm alto torque ao invés de alta potência, isso faz com que o motor diesel tenha uma aceleração lenta e progressiva. As características negativas mais claras do motor diesel é o fato de apresentar um maior ruído e a emissão de fumaça visível, principalmente em carros com motores a diesel mais antigos, onde os tratamentos de redução de emissões e ruídos não eram tão eficientes. Isso é consequência da forma como o combustível diesel é queimado e expelido através do escape. (AMOLGADELAS, 2010?). 59 O Quadro 3 apresenta algumas das principais vantagens e desvantagens que normalmente são relacionadas ao motor diesel. Muitas dessas desvantagens são apontadas usando o motor a gasolina como referência ou contraponto. O quadro foi montado a partir das informações colhidas nesse trabalho. Quadro 3 - Vantagens e desvantagens Vantagens Melhor eficiência no consumo de combustível. Maior durabilidade do motor. Apresentam ótimo desempenho quando utilizados como motores estacionários. Desvantagens São motores mais pesados, o que afeta com o desempenho em veículos leves. Têm baixa aceleração em veículos por causa da baixa rotação. Motor diesel apresenta maior ruído e vibração. Melhor desempenho em máquinas pesadas como As emissões do motor diesel são mais nocivas à caminhões e ônibus. saúde humana. Existem vários tipos de combustíveis alternativos, e muitos deles são biodegradáveis, renováveis e menos ofensivos a atmosfera. O combustível diesel serve como lubrificante o que aumenta a vida útil do motor. Fonte: autoria própria (2013) São motores mais caros por necessitar de equipamentos para atender padrões de emissões. 60 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS Tendo como base os dados colhidos para a formulação desse trabalho de conclusão de curso, pode-se ter noção da importância do motor diesel. Foi criado com o intuito de ter melhor rendimento, e por isso ele é um motor ideal para várias aplicações. O motor diesel é um motor pesado, e isso é consequência da forma como ele funciona. Por muito tempo ele foi o motor perfeito para a utilização em indústrias, em locomotivas e em veículos pesados (ônibus e caminhões). Por ser muito pesado, não apresentava um bom desempenho em veículos de passageiros, já que não tinha muita potencia para gerar velocidade. Apenas nas ultimas décadas é que o motor diesel começou a ter melhorias para sua aplicação em veículos de passeio, sendo que hoje em dia, tem desempenho quase que indistinguível do motor a gasolina. O motor diesel sofreu muitas alterações desde que essas legislações foram criadas, e hoje essas alterações são mais do que necessárias e apresentaram várias melhorias no motor, além da diminuição de emissões. Injeção direta de combustível, sistema injeção eletrônica, sistema EGR, turbocompressores, válvulas e até o desenvolvimento de combustíveis alternativos, como o biodiesel. As tecnologias aplicadas para redução de emissões trouxe melhorias na dirigibilidade, consumo de combustível, durabilidade do motor, mais conforto e maior interesse dos consumidores. Apesar de todas as melhorias, aqui no Brasil o motor diesel é usado apenas em veículos pesados. Sendo permitida ainda a utilização em caminhonetes. A lei que proíbe a utilização do motor diesel no Brasil é antiga, sendo o único país no mundo que proíbe o uso de motor diesel em veículos leves. Essa lei é muito mais política e econômica do que ambiental, ela faz com que o combustível diesel seja utilizado em sua maior parte em veículos pesados e com fins rodoviários, para que o preço do diesel não aumente. Mas várias discussões já foram abertas para a que essa restrição acabe, e mesmo que não seja em curto prazo, o provável é que no futuro o brasileiro tenha a opção de ter veículos leves a gasolina ou a diesel. 61 REFERÊNCIAS AMOLGADELAS. 7 problemas comuns que afetam os carros a diesel, 2010? Disponivel em: <http://amolgadelas.com/comment/reply/471#comment-form>. Acesso em: 25 maio 2013. ARMANDO, F. Ciclo 2 tempos. Mecanica popular, 2012? Disponivel em: <http://high-techmecanica-popular.blogspot.com.br/2011/08/ciclo-2-tempos.html>. Acesso em: 10 fev 2013. ASHLEY, S. Diesels come clean. 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