GNC e Downsizing – mais de 30% de redução nas emissões de CO2

A combinação do downsizing e da operação usando gás natural comprimido (GNC) oferece o potencial de reduzir dramaticamente as emissões de CO2. A MAHLE analisou o potencial e os desafios associados usando um motor downsized reconfigurado, tanto em testes de bancada como em veículos. Com um projeto otimizado do motor, as emissões foram até 31% menores.

De vários fabricantes, veículos movidos a GNC já estão no mercado há muitos anos. Seus motores foram originalmente projetados para funcionar com combustível convencional e, assim, utilizam a maioria do potencial de CO2 meramente substituindo-se o combustível – o que pode melhorar as emissões em até 24%. Novas otimizações devidas ao desenvolvimento específico do CNG chocam-se com o ainda relativamente baixo número de veículos GNC produzidos.

A MAHLE tem investigado o potencial para redução ainda maior das emissões de CO2 com uma combinação de downsizing e GNC. Em uma primeira fase, o bem conhecido motor downsizing da MAHLE – um motor a gasolina de 3 cilindros, com turbocompressor de um estágio, injeção direta e deslocamento de 1,2 litros – foi adaptado para operação dual com gás natural e gasolina. Para isso, a taxa de compressão foi aumentada para 12,5:1 e uma alimentação adicional de GNC foi implementada no coletor de admissão. O motor foi, então, colocado à provas na bancada de testes, integrado a um veículo de teste e submetido a medições. O objetivo da primeira fase foi demonstrar o potencial e os limites da variante bivalente, determinar o foco de otimização potencial e identificar os desafios associados. Os resultados formam a base para a segunda fase, na qual serão implementados um projeto otimizado monovalente e a aplicação dos sistemas e componentes de motor necessários.

A menor suscetibilidade do GNC à detonação em comparação com a gasolina é fundamentalmente favorável para a abordagem downsizing: um ponto de ignição mais avançado é possível, assim como um aumento na taxa de compressão. As cargas de temperatura e pressão sobre os componentes do motor, entretanto, também aumentam. A fim de atender os requisitos de desempenho de pico, os componentes devem ser adaptados às condições alteradas e as necessárias condições de contorno devem ser compreendidas com precisão. Para assegurar que os componentes do motor possam atender aos requisitos extremos de resistência à pressão e difusividade térmica, a MAHLE planejou o uso das seguintes técnicas para a variante monovalente:

  • Pistões: o EVOTEC® RSC combina alta estabilidade e arrefecimento otimizado devido ao seu porta-anel fundido e à galeria de refrigeração
  • Kit de anéis: otimizado quanto a perdas por atrito e desgaste, com anel de controle do óleo de três peças
  • Biela: biela com embuchamento por pressão para melhor dissipação da pressão de superfície mais elevada.
  • Válvulas: válvulas TopTherm® resfriadas por sódio nos lados de admissão e escape para maior resistência à temperatura, com extremidade inferior reforçada.
  • Pinos do pistão: pinos com revestimento DLC
  • Bronzinas: bronzinas principais e das bielas revestidas com polímero

Os resultados dos testes do motor MAHLE mostram três faixas de operação nas quais o desempenho do motor GNC downsizing é atualmente limitado e podem ser significativamente melhoradas com medidas focadas.

Na faixa de baixas velocidades, o motor apresenta problemas de desempenho no modo gás natural em comparação com os modernos motores a gasolina com injeção direta. A razão para isso é que quando funcionando com gás natural, não é possível realizar um processo de purgação de combustível (“lavagem”) – ou seja, uma sobreposição parcial dos tempos de abertura das válvulas de entrada e saída a fim melhorar a responsividade do turbocompressor. O gás natural também desloca parte da massa de ar de admissão e, assim, reduz a alimentação do cilindro. Este déficit pode ser compensado, por exemplo, usando-se um turbocompressor com turbina de geometria variável em conjunto com alimentação de GNC no duto de admissão. Alternativamente, pode ser usada alimentação direta de GNC em combinação com um turbocompressor otimizado de válvula de alívio para melhorar o desempenho na faixa de velocidades que é essencial na operação real de condução. A MAHLE aplicará e avaliará ambas as variantes no veículo de teste.

A faixa de velocidades médias é principalmente dominada pelo limite da pressão de pico do cilindro e, portanto, pelos limites das especificações dos componentes. Começando com 125 bar, devem ser enfrentadas pressões de pico de até 185 bar, o que é possível utilizando-se componentes de motor listados pela MAHLE.

As questões de desempenho na faixa de velocidades máximas são principalmente atribuíveis às cargas térmicas sobre as juntas do injetor que realiza a injeção direta e sobre os componentes do cilindro. Se um motor é fabricando para uso exclusivamente monovalente – ou seja, funcionando apenas com GNC, sem injeção direta de gasolina – e os componentes do motor forem otimizados de acordo, então a faixa de operação relevante para a potência especificada pode ser significativamente melhorada.

Cálculos e simulações indicam que a resistência à pressão de pico requerida de 185 bar e limites de temperatura mais altos são possíveis com melhorias no motor básico apresentado acima. Isto também significa que uma potência específica de 110 kW/L e torque nominal de 270 Nm (acima de 1.600 rpm) são possíveis na operação monovalente GNC com o motor downsizing da MAHLE. Uma van familiar com um peso seco de 1.700 kg pode, assim, conseguir emissões de CO2 de cerca de 106 g/km, um número perto de 31% abaixo da variação atual a gasolina, e com desempenho de condução comparável.

O conhecido motor downsizing MAHLE foi adaptado para operação dual, com gás natural e gasolina. Na bancada de testes, o motor foi testado e aplicado, e também integrado a um veículo de teste, e então medido.

Estes resultados formam a base para o próximo passo, no qual um projeto otimizado, monovalente é implementado com sistemas e componentes de motor otimizados.

Cálculos e simulações já mostraram que, com melhorias feitas no motor básico, são possíveis resistência à pressão de pico requerida de 185 bar e limites de temperaturas mais altos.

Para o motor downsizing, uma potência específica de 110 kilowatts por litro e torque nominal de 270 Newton metros são possíveis na operação monovalente GNC.

Com um projeto otimizado de motor, as emissões de CO2 no veículo de testes ficam até 31% menores.