A evolução dos automóveis e das suas emissões de gases

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Abastecimento de combustível
Abastecimento de combustível

Antes de mais

Uma pequena explicação sobre quem sou. Tenho uma licenciatura em engenharia mecânica automóvel pelo ISEP (Instituto Superior de Engenharia do Porto), um mestrado também em engenharia automóvel pela Universidade de Cranfield em Inglaterra e trabalho para a maior empresa independente de desenvolvimento e teste de powertrains do mundo. De momento estou baseado no centro técnico de uma grande marca em Inglaterra e trabalho como Engenheiro externo, ajudando no desenvolvimento do motor turbo diesel 2.0L, de modo a reduzir as suas emissões e a baixar o consumo de combustível.

Toda a informação presente neste artigo pode ser encontrada em pesquisas no Google. A minha opinião representa, unicamente, o meu ponto de vista e não o da minha, ou de qualquer outra, empresa.

Ultimamente, muitas notícias têm dado conta de que vários fabricantes de automóveis estão a ser uns malandros e andam a enganar as autoridades no que às emissões diz respeito. Ora, vamos lá tentar explicar isto e também saber qual é o papel da União Europeia sobre este assunto. Vou tentar ser o mais simples possível nas explicações.

O motor diesel

Vamos começar pelo motor diesel. Aquele que é usado nos carros e te leva a fazer viagens do norte ao sul de Portugal e vice-versa, a conhecer as nossas belas praias, as nossas montanhas, a fazer ski na Serra da Estrela ou caminhar nos passadiços do Paiva ou visitar o Palácio da Pena, aquele que te leva junto dos teus amigos e da tua família, aquele que te leva para o trabalho ou universidade todas as manhãs e te traz de volta ao final da tarde, aquele que veio substituir o vapor e o óleo de amendoim (sim, os primeiros motor diesel usavam óleo de amendoim como combustível) para cultivar os campos, para criar veículos de Guerra, para transportar pessoas e bens por todo o mundo, por terra e por água, aquele que, resumidamente, revolucionou o século passado, para o bem e para o mal.

O motor do ciclo diesel funciona por compressão, ou seja, ar (muito ar) e combustível (gasóleo), misturados, são pressurizados até um ponto em que se detonam espontaneamente, libertando enormes quantidades de Energia, criando assim uma nuvem de gases muito quentes que se expandem. Nesta fase de expansão um pistão é movido para baixo, o pistão por sua vez move uma manivela. A um conjunto de manivelas chama-se cambota. A cambota cria movimentos angulares e que através de engrenagens (as chamadas mudanças) fazem com que o carro ande para a frente ou para trás.

As emissões

Como foi explicado anteriormente, ar e gasóleo quando se detonam criam uma bolha de calor enorme. No entanto, o calor criado tem diferentes fases de construção e de arrefecimento e é nestas fases que se criam os diferentes tipos de emissões (NO + NO2, CO, HC e CO2) e outras partículas nocivas. Muito resumidamente, as emissões mencionadas são formadas da seguinte forma:

NO + NO2 = NOx -> É criado quando se atingem as máximas temperaturas e se arrefece muito rápido;

CO2 -> É resultado da junção do combustível com o oxigénio presente no ar;

HC -> É criado, ou melhor, não é feito desaparecer por combustível que não se detonou;

CO -> É criado quando há défice de ar. Apesar de o ar ser cerca de 30 vezes mais do que o combustível (mistura pobre) no motor diesel, a mistura é heterogénea, o que significa que há zonas em que não existe oxigénio suficiente e a formação de CO2 é interrompida.

NOx

Na situação actual vamos focar-nos apenas nos NOx (monóxidos e dióxidos de azoto), para que se possa perceber melhor o porquê das últimas notícias.

Composição molecular do Nox
Composição molecular do Nox

Os NOx são bastante prejudiciais para a Saúde das pessoas, directamente. E também ajudam a formar as chamadas chuvas ácidas. Uma pequena pesquisa no Google ajuda-te a perceber quais os seus efeitos.

Antes de mais, só uma pequena nota sobre porque é que os NOx não são problema em motores a gasolina. Isto acontece, porque os motores a gasolina operam em mistura estequiométrica, ou seja, há um balanço quase perfeito entre o ar necessário para queimar toda a gasolina (cerca de 15 partes de ar para um de gasolina). NOx também é formado, mas em muito menores quantidades.

Nos motores a gasóleo devido às suas características de compressão, a mistura é pobre, isto é, existe excesso de ar para queimar todo o combustível (cerca de 30 ou mais partes de ar para uma de gasóleo). Este excesso de ar faz com que depois de existir uma detonação, o calor criado seja arrefecido muito rapidamente, quebrando o processo ao nível molecular. Em teoria, se fosse possível arrefecer o calor da detonação durante vários minutos, este não produziria quaisquer NOx, mas na verdade, um motor pode fazer vários milhares de rotação por minuto, o que leva a que o arrefecimento seja feito em milissegundos.

Controlo de Emissões

Então, como é que os fabricantes controlam este mal do diabo, que nos faz mal à Saúde?

A resposta não é simples e vou tentar ser o menos técnico possível. Na imagem seguinte é apresentada a taxa de libertação de calor por ângulo da cambota. Isto é, por cada pequeno movimento da cambota existe uma libertação de calor consequente da detonação da mistura ar + combustível. Quando o ângulo da cambota é zero, o pistão atinge o seu movimento vertical máximo, a isto chama-se ponto morto superior (PMS ou TDC em inglês), e é por ali (depois do PMS) que se dá a maior libertação de calor.

Função da EGR
Função da EGR

Na imagem prévia, pode ver-se que a linha verde sobe mais, mas tem uma queda mais acentuada, isto significa que existiu um arrefecimento muito rápido depois da libertação máxima de calor. Como foi dito anteriormente, a criação de NOx é bastante propícia nestas condições. Para resolver esta situação, é necessário tentar criar uma curva como a azul, em que se suaviza a queda da temperatura. Para esse efeito, todos os fabricantes automóveis recorrem a válvulas EGR (Exhaust Gas Recirculation). A válvula EGR redirecciona os gases de escape, aqueles que já foram queimados, novamente para o cilindro, para a próxima combustão. Como os gases de escapes são inertes e contém bastante CO2, vão reduzir a temperatura máxima e suavizar o arrefecimento. Assim, a criação de NOx é reduzida. O que foi dito traz um inconveniente, é que, como estamos a ocupar espaço dentro do cilindro com gases com pouco oxigénio, quando a válvula EGR está activa, estamos a reduzir a performance do carro.

No entanto, a válvula EGR por si só não é suficiente para fazer cumprir os requisitos legais de apenas 0.08 g/km na Europa. Agora, entra em acção o tratamento de gases. Por baixo do teu carro já viste (ou já te disseram que havia) uns tubos mais grossos no meio dos tubos de escape. Estes tubos grossos tem a função de reduzir ainda mais as emissões. No caso dos motores diesel e da redução de NOx recorre-se a dois tipos de sistemas, em separado ou em conjunto, LNT (Lean NOx Trap) ou a SCR (Selective Catalyst Reduction). Como é que isto funciona? Simples, o LNT necessita de uma mistura rica (mais combustível e menos ar) para “regenerar”. Uma mistura rica tem bastantes hidrocarbonetos (HC) e monoxido de carbono (CO). Os HC e CO vão reagir com o NOx armazenado e transformá-lo em azoto e dióxido de carbono. Este processo acontece em pouquíssimos segundos.

Armazenamento (2a) e libertação de NOx (2b)
Armazenamento (2a) e libertação de NOx (2b)

E a SCR? Bem, a SCR não te aumenta o consumo de combustível, mas necessita de um líquido, ureia líquida (chamado de AdBlue), que, basicamente, é xixi muito bem tratado. (Já estás a ver uma oportunidade de negócio aqui, não estás? Estava a brincar). A ureia líquida precisa de ser atestada de “X” em “X” quilómetros, depende do fabricante, mas anda à volta dos 15 mil quilómetros, apesar de não ser cara. É capaz de ser algo que te tira dos bolsos uns 20 ou 30 euros por ano.

Legislação

Agora que já te falei do processo de criação e redução de NOx é preciso saber como é que as autoridades controlam isto.

Imagem com LNT e DPF
Imagem com LNT e DPF
Adblue
Adblue

De momento é tudo controlado em laboratórios. Isto, porquê? Porque é necessário ter uma mesma base de teste a todos os fabricantes de modo a que os resultados sejam comparáveis. A imagem seguinte é um exemplo desses laboratórios.

Testes em Laboratório
Testes em Laboratório
Testes em Laboratório
Testes em Laboratório
Ciclo americano FTP-75
Ciclo americano FTP-75

No final do tubo de escape estão uma série de outros tubos ligados àquelas máquinas, que parecem dos anos 80, à direita da imagem. Apesar da sua aparência, estas máquinas são bastante complexas e conseguem analisar as emissões a cada segundo, essencial para o desenvolvimento do software dos motores.

O carro é conduzido, por uma pessoa, segundo um ciclo pré-determinado pelas autoridades. No caso americano, chama-se FTP 75 (Federal Test Procedure 75) e é definido pela EPA (Environmental Protection Agency). No caso europeu, chama-se NEDC (New European Driving Cycle), que de novo tem muito pouco. A última actualização foi nos anos 90.

Ciclo europeu NEDC
Ciclo europeu NEDC

Laboratório vs Estrada

Como é possível verificar pelas imagens anteriores, tenho a certeza que tu não conduzes nem pela forma americana, nem pela europeia. Então, como é que conduzes? É muito difícil de saber. O teu estilo de condução é diferente do meu, é diferente da tua mãe, é diferente do teu pai, é diferente dos teus amigos… Qual é a solução adoptada pelos fabricantes? É simples, é aquela em que se gasta menos dinheiro, é eticamente correta e que atrai mais clientes. Antes de mais, os fabricantes desenvolvem os seus motores para cumprir com os ciclos acima descritos. No caso do NOx, temos um limite europeu de 0.08 g/km e no caso americano é cerca de 1/3 desse valor. Porque é que na Europa o limite não é baixo como o americano? Porque na Europa há uma maior preocupação com o CO2. Como te expliquei acima, para reduzir NOx é necessário aumentar o consumo de combustível o que leva à criação de mais CO2. E como é bem sabido, o CO2 é um dos principais responsáveis pelo Aquecimento Global. Portanto há, aquilo que os ingleses gostam de chamar um “trade-off”. Ou reduzes NOx e aumentas CO2 ou fazes o contrário. Caso não saibas, o CO2 não é limitado, ou seja, não há nada que te diga que o CO2 de um carro tem de ser abaixo de um certo limite, ao contrário daquilo que acontece com o NOx. No entanto, a maioria dos países europeus atribui os seus descontos ou aplica as suas taxas nos automóveis baseado na emissão de CO2. Aqui, reside o principal problema dos fabricantes. Por um lado é necessário reduzir NOx para respeitar a legislação de modo a poder vender carros, por outro lado é necessário ter um baixo CO2 para que o carro fique mais barato e atraia mais clientes.

Tudo isto tem um custo de desenvolvimento, bastante elevado, na ordem de milhões. Além do dinheiro investido, há também, tempo perdido. Se fosses o dono de uma marca automóvel qual era a tua decisão? Irias calibrar o teu motor ao máximo para todos os estilos de condução e gastar rios de dinheiro, ou irias afinar o teu motor apenas para cumprir com os requisitos legais? É normal que alguns fabricantes dêem muito mais atenção a calibrar os seus motores apenas para os ciclos acima referidos. Não os podes julgar. É um negócio, é preciso dar lucro. Como a calibração é muito mais fina nesses ciclos, quando se tem um estilo de condução completamente diferente é normal que as emissões subam um bocado. E assim aparece o frenesim dos media.

Calibração é a arte de afinar um motor através de um computador. Hoje em dia, tudo é electrónico num carro. Existem cerca de 70 mini-computadores que controlam motor, portas, travões, luzes, rádio, etc, etc. A calibração consiste num conjunto de números pelos quais o motor se guia.

Por lei, e moralmente, não se podem usar “defeat devices” que aumentem as emissões, isto é, qualquer coisa que saiba quando o carro está num laboratório de testes ou na estrada e por isso mesmo use calibrações diferentes, que fazem com que as emissões sejam mais baixas no laboratório do que na estrada. Um exemplo é como acima referi o controlo da válvula EGR. Como foi dito a válvula EGR diminui a performance e pode aumentar o consumo de combustível, quando está activa. Se o carro estiver a ser testado no laboratório a uma velocidade relativamente baixa tem a válvula EGR aberta, para diminuir NOx, e nas mesmas condições na estrada tem a válvula EGR fechada, para melhorar a performance, porque detectou automaticamente que não estava em laboratório, é considerado ilegal.

O futuro

Como vos foi demonstrado a legislação europeia ainda não está adaptada à realidade, mas está a trabalhar nesse sentido. Lentamente, mas está. Actualmente a norma que os fabricantes devem cumprir para poder homologar os seus carros na Europa chama-se Euro 6.1 e usa o ciclo NEDC e os seguintes limites para carros diesel.

Limites de emissões Euro 6
Limites de emissões Euro 6

No futuro, pensa-se que em 2017 os carros terão de cumprir com os mesmos limites no ciclo NEDC e noutro ciclo a ser definido por cada fabricante. Este ciclo definido pelo fabricante chama-se RDE (Real Driving Emissions) e terá de obedecer a uma série de regras, como por exemplo, acelerações e velocidades mínimas e máximas, tempo em estradas rurais e autoestradas, etc. O ciclo será diferente para cada fabricante, porque este será feito numa estrada e nem todas as estradas no mundo são iguais. Esta nova norma será denominada por Euro 6.2.

Quando o veículo está a ser testado em RDE recorre-se a um sistema de medição de gases transportado na traseira do carro. A este dispositivo chama-se PEMS (Portable Emissions Measurement System). Em baixo alguns exemplos de protótipos.

P.E.M.S.
P.E.M.S.
P.E.M.S.
P.E.M.S.

Espero ter sido útil com este texto. O meu objectivo é que vocês percebam que há dois grandes “players” neste assunto. Um, os fabricantes de automóveis. Dois, a União Europeia. Se a União Europeia for ambígua e abstracta nas suas leis, cabe a cada fabricante interpretar as regras à sua maneira, tendo sempre um sentido de responsabilidade social e ambiental. No entanto, e na minha opinião, esta responsabilidade tem limites quando envolve o gasto de milhões e milhões em desenvolvimento. Depois aparecem os Media, que pouco ou nada percebem em termos técnicos e legais e começam a largar notícias de que este ou aquele fabricante tem as emissões acima do limite legal. Não tem! O limite legal é definido no ciclo NEDC e não na estrada. A ilegalidade está no uso de “defeat devices” que piorem as emissões.

 

Fonte: Ppintado.wordpress.com

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