p A maioria dos esforços para reduzir a poluição atmosférica adversa e os impactos climáticos dos veículos de hoje se concentram em carros e caminhões leves que normalmente são movidos a gasolina, com estratégias que vão desde eletrificação e carona até veículos autônomos. p "Essas estratégias podem ser uma parte importante da solução geral, "diz Daniel Cohn, cientista pesquisador da MIT Energy Initiative. "Mas também é cada vez mais importante pensar em caminhões pesados ​​e médios. Encontrar uma maneira de limpá-los poderia realmente trazer uma melhoria maior na qualidade do ar em todo o mundo durante as próximas décadas."

p Alimentado em grande parte por motores a diesel, esses caminhões são agora os maiores produtores de emissões de óxido de nitrogênio (NOx) no setor de transporte, contribuindo para o ozônio ao nível do solo, Problemas respiratórios, e mortes prematuras em áreas urbanas. Algumas estimativas projetam que o óleo diesel - usado tanto para caminhões quanto para carros - superará a venda da gasolina em todo o mundo na próxima década, ameaçando aumentar ainda mais a poluição do ar urbano já severa, bem como as concentrações de gases de efeito estufa (GEE).

p Os motores a diesel para serviço pesado de hoje fornecem eficiência de combustível e alta potência, tornando-os ideais para longa distância, veículos comerciais de alta quilometragem. Mas encontrar outra opção é fundamental, diz Cohn. "Precisamos substituir os motores a diesel por outros motores de combustão interna que são muito mais limpos e produzem menos gases de efeito estufa."

p Usando análise de simulação de computador, Cohn e seu colega Leslie Bromberg, engenheiro de pesquisa principal do Centro de Ciência e Fusão de Plasma e do Laboratório Sloan Automotive, projetaram um motor de substituição a gasolina-álcool com metade do tamanho que deveria ser não apenas mais limpo, mas também de custo mais baixo e melhor desempenho - e poderia ser introduzido na frota de veículos nas estradas em breve.

p Substituindo o diesel para serviço pesado

p Nos Estados Unidos, A pressão sobre a indústria de caminhões para lidar com as emissões de diesel tem aumentado. De fato, os regulamentos esperados na Califórnia exigiriam que as emissões de NOx de caminhões médios e pesados ​​fossem cortadas em cerca de 90 por cento em relação aos motores diesel mais limpos de hoje, que usam sistemas de tratamento de exaustão complexos e caros apenas para atender aos regulamentos atuais. Em algumas partes do mundo, como Índia e China, esses sistemas de limpeza geralmente não são usados. Como resultado, As emissões de NOx são cerca de 10 vezes maiores, e reduzi-los ao nível das futuras regulamentações da Califórnia exigiria uma redução de cerca de 98%.

p Nos Estados Unidos, alguns caminhões começaram a atender aos limites estritos de NOx esperados usando grandes motores de ignição por centelha (SI) movidos a gás natural. Mas a adoção em grande escala desses motores seria problemática. Armazenar e distribuir um combustível gasoso aumenta o custo do veículo e apresenta desafios de infraestrutura, e o uso de gás natural pode levar a um maior impacto climático por causa do vazamento de metano, um GEE com alto potencial de aquecimento global.

p Para evitar os desafios de lidar com gás natural, Cohn e Bromberg decidiram buscar outra abordagem:um motor SI para serviços pesados ​​movido a gasolina. Em geral, os motores a gasolina SI produzem baixas emissões de NOx. Guiados por seus modelos de computador, Cohn e Bromberg tomaram uma série de medidas para aumentar a potência e a eficiência desse projeto sem sacrificar seus benefícios de emissões.

p Durante a operação normal do motor a gasolina SI, o processo de tradução da combustão de gases em torque (força rotacional) nas rodas progride suavemente - até que haja a necessidade de operação de alto torque, por exemplo, para puxar uma carga pesada em alta velocidade ou subir uma colina. Então, as pressões e temperaturas dentro do cilindro podem aumentar tanto que os gases de combustão não queimados entram em ignição espontaneamente. O resultado é uma batida, que causa um ruído metálico e pode danificar o motor. A necessidade de evitar detonações até agora limitou as melhorias na eficiência e no desempenho que seriam necessárias para os motores a gasolina competirem com os diesel.

p Cohn e Bromberg lidaram com esse problema usando álcool. Quando o motor SI está trabalhando duro e, de outra forma, ocorreria uma batida, uma pequena quantidade de etanol ou metanol é injetada na câmara de combustão quente, onde vaporiza rapidamente, resfriar o combustível e o ar e tornar a combustão espontânea muito menos provável. Além disso, por causa da composição química do álcool, sua resistência à batida inerente é maior do que a da gasolina. O álcool pode ser armazenado em uma pequena, tanque de combustível separado - já que o fluido de limpeza do escapamento é armazenado em um veículo com motor a diesel. Alternativamente, poderia ser fornecido pela separação a bordo do álcool da gasolina no tanque de combustível normal. (Quase toda a gasolina vendida nos Estados Unidos é agora uma mistura de 90 por cento de gasolina e 10 por cento de etanol.)

p Com a preocupação com a batida removida, os pesquisadores foram capazes de tirar o máximo proveito de duas técnicas usadas nos carros de passageiros de hoje. Primeiro, eles usaram turboalimentação, mas em níveis mais elevados. A turbocompressão envolve a compressão do ar que entra para que mais moléculas de ar e combustível caibam dentro do cilindro. O resultado é que uma determinada saída de potência pode ser alcançada usando um volume total de cilindro menor. E em segundo lugar, eles usaram uma alta taxa de compressão, que é a relação entre o volume da câmara de combustão antes da compressão e o volume depois. Em uma taxa de compressão mais alta, os gases em combustão se expandem mais a cada ciclo, portanto, mais energia é fornecida para uma determinada quantidade de combustível.

p Os pesquisadores também fizeram uso de uma característica importante do motor SI de baixo NOx para serviço pesado alimentado por gás natural:eles presumiram que a mistura de ar e combustível dentro de seu motor continha apenas ar suficiente para queimar todo o combustível - nada mais, não menos. Essa operação estequiométrica permitiu mudanças importantes não possíveis no diesel, que deve funcionar com muito ar extra para controlar as emissões. Com operação estequiométrica, eles poderiam utilizar um catalisador de três vias para limpar o escapamento do motor. Um sistema relativamente barato, o catalisador de três vias remove NOx, monóxido de carbono, e hidrocarbonetos não queimados do escapamento do motor e é a chave para o baixo NOx alcançado nos motores SI de hoje.

p Então, dada operação estequiométrica combinada com um nível mais alto de turbocompressão e uma alta taxa de compressão, os pesquisadores conseguiram encolher todo o motor. O motor SI não contém todo o excesso de ar que existe em um diesel, portanto, o volume total de seus cilindros pode ser menor.

p "Por causa dessa diferença, você pode substituir um motor a diesel por um motor SI com cerca da metade do tamanho, "diz Bromberg.

p Com essa redução no tamanho, vem um aumento na eficiência do combustível. Em qualquer motor, o processo de bombear ar para os cilindros e várias fontes de atrito inevitavelmente reduzem a eficiência do combustível. Essas perdas por bombeamento dependem do tamanho do motor. Faça um motor menor, e há menos atrito e menos combustível desperdiçado.

p Tomados em conjunto, o catalisador de três vias de baixo custo e o tamanho geral menor ajudam a tornar o motor a gasolina-álcool mais barato do que o motor a diesel mais limpo com um sistema de limpeza de escapamento de última geração. De fato, de acordo com as estimativas dos pesquisadores, o custo do motor a gasolina e álcool mais seu sistema de tratamento de escapamento seria aproximadamente a metade do custo do motor a diesel mais limpo.

p Poder, eficiência, e uso de álcool

p Como o motor SI gasolina-álcool com metade do tamanho se compara ao diesel de tamanho normal mais limpo de hoje em termos de eficiência e potência? Para responder a essa pergunta, os pesquisadores usaram uma série de simulações sofisticadas de motores e veículos e modelos cinéticos químicos desenvolvidos por Bromberg.

p Para a comparação, eles usaram uma versão ilustrativa de seu motor baseado em um motor de 6,7 litros que agora é fabricado e poderia - com alterações relativamente pequenas - ser convertido para a configuração gasolina-álcool. Sua análise assumiu que a taxa de compressão e o torque do motor eram aproximadamente os mesmos no motor SI 6,7 a gasolina-álcool e em um motor a diesel de 12 litros. Mas o motor SI pode funcionar muito mais rápido do que o diesel. (A combustão é mais rápida com a ignição por centelha do que com a ignição por compressão usada nos motores a diesel.) Por causa da operação mais rápida e do torque aproximadamente equivalente, o motor pequeno pode produzir quase 50% mais potência do que o diesel. E embora o motor a gasolina-álcool seja um pouco mais eficiente do que o diesel em alto torque e menos eficiente em baixo torque, em geral, o pequeno motor SI é tão eficiente quanto o diesel.

p Contudo, como mais torque é necessário, bater torna-se mais provável, então mais etanol é necessário. No torque mais alto, cerca de 80 por cento do combustível total deve ser etanol para evitar detonação. Essa estimativa levanta uma preocupação:nos Estados Unidos, o etanol é amplamente utilizado em uma mistura de baixa concentração com gasolina, mas o etanol puro ou uma mistura de alta concentração de etanol e gasolina pode não estar disponível ou pode ser muito caro. Então, quanto etanol provavelmente será necessário para uma determinada viagem?

p Como um exemplo, os pesquisadores consideraram uma viagem feita por um longo curso, veículo pesado que requer alto torque na maioria das vezes. Dependendo da taxa de compressão, o etanol pode representar de 20 a 40 por cento do consumo total de combustível. Em contraste, um caminhão de entrega pode operar com baixo torque na maior parte do tempo e se sair bem com etanol como 10% de seu combustível total ao longo de um período de condução.

p “Esses níveis de consumo de etanol são viáveis, "observa Cohn." Mas o sistema seria mais atraente para as pessoas se houvesse um caso em que pudesse usar menos etanol. "

p Uma maneira de reduzir o uso de etanol seria diluir o etanol com água. Usando o modelo de batida, Cohn e Bromberg determinaram que a resistência à detonação é realmente maior quando a água representa até um terço do combustível secundário. "E em alguns casos em que você não precisa de etanol como anticongelante, você pode ser capaz de funcionar apenas com água como fluido secundário, "diz Cohn.

p Outra abordagem para reduzir o uso de álcool - chamada de aumento de velocidade - envolve operar o motor em uma velocidade mais alta. Operar o motor mais rápido e ajustar a marcha na transmissão para aumentar a relação entre as rotações do motor e as rotações das rodas tornam possível usar menos torque do motor no motor a gasolina para atingir o mesmo torque nas rodas que no diesel. De acordo com os cálculos dos pesquisadores, que a redução no torque do motor poderia reduzir o uso de etanol durante um período de condução para menos de 10 por cento do total de combustível consumido, uma quantidade que poderia ser fornecida pela separação de combustível a bordo.

p Reduzindo os impactos do clima

p Cohn aponta mais um benefício do motor SI gasolina-álcool:um caminho para reduzir as emissões de GEE.

p "Um aspecto pouco reconhecido na avaliação dos impactos ambientais dos veículos de transporte é que as emissões de gases de efeito estufa de caminhões em todo o mundo ultrapassarão as emissões de gases de efeito estufa em algum momento entre 2020 e 2030, "ele observa.

p O motor SI gasolina-álcool pode ser operado em um modo de combustível flexível, onde usa apenas álcool puro, se desejado. Agora mesmo, olhando para o ciclo de vida dos combustíveis e assumindo uma eficiência comparável do motor, o uso do etanol produzido a partir do milho por métodos de última geração gera cerca de 20% menos emissões de GEE do que o uso de gasolina ou óleo diesel. Reduções ainda maiores nas emissões de GEE podem ocorrer quando o etanol e o metanol são produzidos na agricultura, silvicultura, e resíduos municipais ou biomassa especial.

p "Reduzindo as emissões de GEE dos caminhões, encontrando uma fonte alternativa de energia - por exemplo, através da eletrificação - pode levar muito tempo, "diz Cohn." Mas se você pode operar seu motor parcialmente com etanol ou inteiramente com etanol, essa é uma boa maneira de começar imediatamente. " p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.