Eficiência de Veículos com Eficiência de Veículos com ... · • A fase fria do ciclo domina o...

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Simpósio de Eficiência Energética: Emissões e Combustíveis

Eficiência de Veículos com Eficiência de Veículos com EtanolEtanol

Francisco E. B. NigroFrancisco E. B. NigroSão Paulo, 21/05/2015São Paulo, 21/05/2015


AGENDA:AGENDA:�� PROPRIEDADES PROPRIEDADES -- ETANOL X GASOLINAETANOL X GASOLINA�� EVOLUÇÃO DA PROPULSÃO DE AUTOMÓVEISEVOLUÇÃO DA PROPULSÃO DE AUTOMÓVEIS�� EVOLUÇÃO DOS VEÍCULOS A ETANOL E FLEXÍVEIS NO PAÍSEVOLUÇÃO DOS VEÍCULOS A ETANOL E FLEXÍVEIS NO PAÍS�� DESAFIOS TECNOLÓGICOSDESAFIOS TECNOLÓGICOS�� O CONTEXTO DO INOVARO CONTEXTO DO INOVAR--AUTOAUTO�� O CONTEXTO DO INOVARO CONTEXTO DO INOVAR--AUTOAUTO�� OPORTUNIDADES TECNOLÓGICAS PARA O OPORTUNIDADES TECNOLÓGICAS PARA O

DESENVOLVIMENTO DE FFVsDESENVOLVIMENTO DE FFVs�� SUMÁRIO DOS ASPECTOS TÉCNICOS ESTRATÉGICOSSUMÁRIO DOS ASPECTOS TÉCNICOS ESTRATÉGICOS�� AÇÕES PARA PROMOÇÃO DO USO EFICIENTE DO ETANOLAÇÕES PARA PROMOÇÃO DO USO EFICIENTE DO ETANOL


PROPRIEDADES ETANOL PROPRIEDADES ETANOL X X GASOLINAGASOLINAProperty Gasoline Ethanol E10 E85 E100

hydrousLower Heat Value LHV (MJ/kg) 42-44 27 41 29 25Mass Density (kg/dm3) 0.72-0.77 0.79 0.75 0.78 0.81Heat of Vaporization h lv (kJ/kg) 310 885 366 836 9701000·hlv/LHV 7 33 9 27 397 33 9 27 39Air/Fuel Stoichiometric Ratio 14.7 9.0 14.1 9.8 8.4LHV/CO2 Exhaust Emission (MJ/kg) 13.5 14.1 13.6 14.0 14.1Cooling Potential of Intake Air ( °°°°C) 19 81 23 71 93Laminar Flame Velocity @ 1 bar, 20 °°°°C(m/s)

0.33 0.41 - - -

Research Octane Number RON 86-98 110 +7- +3 a 105-109 111

Reid Vapor Pressure @ 37.8C (bar) ~ 0.6 0.16 ~ 0.7 ~ 0.4 ~ 0.15

a – Incremental values of research octane number over clear gasoline for splash blending Data obtained mainly from Kasseris E. “Knock limits in spark ignited direct injected engines

using gasoline/ethanol blends” Ph.D Thesis – MIT, 2011; from Larsen U., Johansen T., Schramm J. “Ethanol as a fuel for road transportation” IEA-AMF Report, May 2009; and from “Determination of the potential property ranges of mid-level ethanol blends” API Final Report, April 2010.


CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTAIS DO ETANOL PARA CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTAIS DO ETANOL PARA MOTORES OTTOMOTORES OTTO

•• Elevada Octanagem;Elevada Octanagem;

•• Elevado Calor Latente de Vaporização;Elevado Calor Latente de Vaporização;

•• Baixo Poder CaloríficoBaixo Poder Calorífico

•• Baixa Pressão de VaporBaixa Pressão de Vapor

•• Agressividade Agressividade a materiaisa materiais

Solução ideal do ponto vista de desenvolvimento de Solução ideal do ponto vista de desenvolvimento de motores seria utilizar etanol e gasolina em tanques motores seria utilizar etanol e gasolina em tanques separados, com 2 injetores por cilindro, alterando a separados, com 2 injetores por cilindro, alterando a

participação de cada combustível conforme a condiçã o participação de cada combustível conforme a condiçã o de operação do motor. de operação do motor.

Nesta concepção o valor do litro de etanol seria ma ior Nesta concepção o valor do litro de etanol seria ma ior que o da gasolina, mas o percentual reduzidoque o da gasolina, mas o percentual reduzido


EVOLUÇÃO dos AUTOMÓVEIS EVOLUÇÃO dos AUTOMÓVEIS –– PERSPECTIVA da ENGENHARIAPERSPECTIVA da ENGENHARIA

Compromisso: Desempenho X Economia de CombustívelCompromisso: Desempenho X Economia de Combustível

Na busca de alternativas, é fundamental compreender as implicações em

� F.E.Number = ηtot/μmov ~ (eficiência termo-mecânica total)/(fator de resistência ao

movimento) (tonelada· km/MJ)

� Performance Index (m/s2) ·(m/s) ~ capacidade de acelerar a dada velocidade (kW/tonelada)

implicações em um setor globalizado e bem estabelecido, no qual o “cliente” é o comprador do veículo novo.


CONSUMO de AUTOS a ETANOL X GASOLINA no BRASILCONSUMO de AUTOS a ETANOL X GASOLINA no BRASIL

• 1979 – Conversão de motores; Ênfase total na economi a de combustível (Rc 7.5 → 11:1, mistura pobre a plena carga, aquecimento do ar de admissão, dirigibilidade pobre)

• 1982/85 – PECO: Ganho de torque → redução de rotação do motor (Rc 8.5 → 12:1, compatibilidade dos materiais, mistura pobre , dirigibilidade)

• 1997 – catalisadores 3-vias ( λ = 1, Rc 10 → 13:1, ganho de torque → melhor desempenho)

Nigro, F.; Swarcz, A. “Ethanol as Fuel” in book “Ethanol and Bioelectricity: Sugarcane in the Future of the Energy Matrix”; – UNICA, 2010, completados com dados do PNEV


EMISSÃO DE ESCAPAMENTO DE VEÍCULOS A ETANOLEMISSÃO DE ESCAPAMENTO DE VEÍCULOS A ETANOL

Valores médios para carros novos segundo Cetesb ( Relatório da Qualidade do Ar no Estado de São Paulo – 2007

• Após a entrada dos catalisadores de 3 vias, o etano l perdeu a vantagem de poder usar mistura pobre (sem EGR)

• A fase fria do ciclo domina o total de emissões (P, D&I)

• Etanol não queimado é importante na emissão de VOC (potencial de formação de ozônio)


EMISSÃO de COV por VEÍCULO FLEX (4EMISSÃO de COV por VEÍCULO FLEX (4 aa Geração)Geração)

Potencial de Formação de OzônioPotencial de Formação de Ozônio

• Branco, G.M., Nigro, F. et al “Controle de Emissão de Compostos Orgânicos com base no Potencial de Formação de Ozônio - SIMEA 2013; São Paulo – agosto, 2013• Graner, L.; Garcia, I.S. & Joseph Jr, H. “Qualificação Comparativa dos Hidrocarbonetos Não Metano Emitidos pelo Gás de Escapamento de um Veículo Flex Fuel quando Abastecido com E22 e E100)” -SIMEA 2013; São Paulo – Agosto, 2013

Emissões Tóxicas Ponderadas Emissões Tóxicas Ponderadas (1,3 butadieno; benzeno; acetaldeído; e formaldeído):com E100 << com E22 com E100 << com E22


DESAFIOS TECNOLÓGICOSDESAFIOS TECNOLÓGICOS

Evolução da eficiência energética média dos Evolução da eficiência energética média dos FFVsFFVsno ciclo combinado, segundo o PBEV no ciclo combinado, segundo o PBEV

A grande diferença de diferença de consumo nos FFVs, observada em 2013, pode estar associada à entrada de grande número de veículos mal adaptados à condição brasileira.



PBEV PBEV 2015



5

6

7

8

Ch

am

be

r P

ress

ure

[M

Pa

] Gasoline

Alcohol

Aumento da Solicitação Mecânica em ComponentesAumento da Solicitação Mecânica em Componentes

A more recent version NA with compression ratio of ~13 :1Gasoline: 70 bar @ 20º ATDCFEthanol : 90 bar @ 12º ATDCF

0

1

2

3

4

5

180 270 360 450 540 630

Crank Angle [deg]

Ch

am

be

r P

ress

ure

[M

Pa

]

Neil Fraser– Simpósio SAE Brasil Powertrain ago/2009

Maximum PCPGasoline: 51.5 bar @ 18º ATDCFEthanol: 70.2 bar @ 12º ATDCF

Downsized turbocharged with compression ratio of 9.4:1Gasoline: 85 barEthanol : 130 bar


O PROGRAMA INOVARO PROGRAMA INOVAR --AUTOAUTOMONTADORA SATISFAZ A META CORPORATIVA MÉDIA DE EFICIÊNCIA VEICULAR?

MONTADORA SATISFAZ METAS DE NÚMERO DE PROCESSOS DE MANUFATURA NO PAÍS?

SIM

NÃO

SIM

NÃO

MONTADORA NÃO SE QUALIFICA PARA ATÉ 30% DE DESCONTO DE IPI

SIM

MONTADORA SATISFAZ AO MENOS 2 DOS 3 SEGUINTES REQUISITOS?

• P&D• Engenharia, Tecnologia e

Capacitação de Fornecedores• Participação no Programa de

Etiquetagem Veicular

NÃO

SIM MONTADORA SE QUALIFICA PARA ATÉ 30% DE DESCONTO DE IPI

MONTADORA SATISFAZ METAS ADICIONAIS DE EFICIÊNCIA VEICULAR?

MONTADORA SE QUALIFICA PARA DESCONTOS ADICIONAIS DE 1 OU 2% DE IPI

SIM

NÃO


INOVARINOVAR--AUTO em uma COMPARAÇÃO INTERNACIONALAUTO em uma COMPARAÇÃO INTERNACIONAL

Observar que os valores das metas são para todos os veículos vendidos, não

“Global Comparison of Light-Duty Vehicle Fuel Economy/GHG Emissions Standards” divulgado pelo ICCT –The International Council on Clean Transportation – agosto/2011

Fundamental não confundir CO2 no

escapamento com CO2 no ciclo de vida completo

vendidos, não só para os etiquetados

?


IMPACTO DO INOVARIMPACTO DO INOVAR--AUTO nas EMISSÕES DE COAUTO nas EMISSÕES DE CO 22

Extrapolação para um Cenário “Verde”

• A contribuição de uma redução média de consumo nos veículos Otto, que se inicia em 2014 e atinge 19% em 2017 tem um impacto de 13 MtCO2 nas emissões em 2020, calculado como se toda a frota operasse com gasolina A. Desconsiderando as emissões de CO2 referentes ao uso de etanol previsto para 2020, o efeito fica reduzido a 6 MtCO2. O valor parece pequeno no curto prazo, mas é muito significativo à medida que a frota mais antiga vai sendo substituída.

Talvez se reduza à metade


DISPONIBILIDADE FUTURA DE ETANOLDISPONIBILIDADE FUTURA DE ETANOL

Apresentação do Ministro Eduardo Braga à Comissão de Serviços de Infraestrutura do Senado Federal “Panorama Geral dos Setores de Energia e Mineração” – Brasília 08/04/2015


ONDE ESTAMOS NO INOVARONDE ESTAMOS NO INOVAR--AUTO AUTO

Fonte: BOSCH, Os Desafios da Legislação Automotiva, 09/2014


2,10

2,30

2,50C

onsu

mo

Ene

rgét

ico

[MJ/

km]

Meta HabilitaçãoMeta HabilitaçãoMeta Habilitação

Art. 41-B.” O Poder Executivo, no âmbito do Inovar-Auto, poderá estabelecer alíquotas do Imposto sobre Produtos Industrializados - IPI menores para os veículos que adotarem motores flex que tiverem relação de consumo entre etanol hidratado e gasolina superior a 75% (setenta e cinco por cento), sem prejuízo da eficiência energética da gasolina nos veículos novos.”

PROPOSTA DE BENEFÍCIO ADICIONALPROPOSTA DE BENEFÍCIO ADICIONALAutonomia do Etanol igual a

75% da Gasolina corresponderia a meta para 2 p.p.

de IPI !!

1,30

1,50

1,70

1,90

800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

Con

sum

o E

nerg

étic

o [M

J/km

]

Massa [kg]

Meta Habilitação

Meta IPI 1 p.p.

Meta IPI 2 p.p.

Meta Habilitação

Meta IPI 1 p.p.

Meta IPI 2 p.p.

Meta Habilitação

Meta IPI 1 p.p.

Meta IPI 2 p.p.

G 15,93 km/lE 11,04 km/l

G 16,57 km/lE 11,48 km/l

G 17,26 km/lE 11,96 km/l

15,93x0,75=11,96

A autonomia com E100 igual a 75% da E22 na meta de habilitação corresponde a meta IPI -2% para etanol. A relação de autonomias para o mesmo rendimento térmico, considerando a diferença de poder calorífico é de 69,4%. Logo 75% é uma meta ambiciosa.


ONDE ESTAMOS NO INOVARONDE ESTAMOS NO INOVAR--AUTO AUTO


OPORTUNIDADES DE DESENVOLVIMENTO OPORTUNIDADES DE DESENVOLVIMENTO DE VEÍCULOS FLEXÍVEIS EFICIENTESDE VEÍCULOS FLEXÍVEIS EFICIENTES

�Metas mandatórias desafiadoras de economia de combustível nos principais mercados mundiais;

� Necessidade de melhorar o desempenho dos veículos para atender aos consumidores;veículos para atender aos consumidores;

� Previsões da IHS de que motores de injeção direta deverão representar mais de 50% dos motores novos de ignição por centelha em 2020, sendo metade destes turbo- comprimidos, por conciliarem redução de consumo e aumento de desempenho.

��Etanol reúne propriedades excelentes para atender Etanol reúne propriedades excelentes para atender a essas condições.a essas condições.


OPORTUNIDADES TECNOLÓGICASOPORTUNIDADES TECNOLÓGICAS

Tolerância à diluição (2000 rpm, 4bar BMEP)Tolerância à diluição (2000 rpm, 4bar BMEP)

Tomanik, E “Ethanol as future fuel for optimized combustion engines” – BBEST, August 2011

EGR pode garantir 2 – 3% de ganho de eficiência para o etanol


Aumento do número de marchasAumento do número de marchas

Aproveitar o maior torque


Fraidl, G. “Market & Technology Trends – Passenger Car Powertrain ” – AVL Fuel efficiency Seminar, July 2013

Aproveitar o maior torque e potência com etanol para reduzir a rotação dos motores e consequentemente o consumo de combustível.


OPORTUNIDADES DE OTIMIZAÇÃO DE OPORTUNIDADES DE OTIMIZAÇÃO DE FFVsFFVsControle Eletrônico das Válvulas de Admissão Controle Eletrônico das Válvulas de Admissão

Ciclos de Atkinson ou Miller poderiam ser

Moore, W. et al “Engine Efficiency Improvements Enabled by Ethanol Fuel Blends in a GDi VVA Flex Fuel Engine”- SAE 2011-01-0900, December 2011

Benefício de 5 a 20% na operação com E85

poderiam ser usados para complementar a eficiência com etanol.


Taxa de Compressão VariávelTaxa de Compressão Variável

OPORTUNIDADES DE OTIMIZAÇÃO DE OPORTUNIDADES DE OTIMIZAÇÃO DE FFVsFFVs

http://www.nissan-global.com/EN/TECHNOLOGY/OVERVIEW/vcr.html

Benefício de 4 a 5% na redução de consumo do E100 sobre E22


Redução de tamanho do motor e Redução de tamanho do motor e turboturbo--carregamentocarregamento


Fraidl, G. “Market & Technology Trends – Passenger Car Powertrain ” – AVL Fuel efficiency Seminar, July 2013


Redução de Consumo em Altas Cargas Redução de Consumo em Altas Cargas (MJ/kWh)(MJ/kWh)

Com “Downsizing & Turbo-charging” é necessário enriquecer a mistura para controlar a temperatura de escape. A economia de energia com E85 pode atingir


Freeland, P. et al “Technologies for the Next Generation of Downsized SI Engines ” – Mahle Powertrain - Simpósio SAE Brasil de Powertrain, Agosto 2013

energia com E85 pode atingir 15-20% sobre a gasolina


��Injeção Direta de Etanol combinada com “downsizing & Injeção Direta de Etanol combinada com “downsizing & turboturbo--chargingcharging” (pressão de combustão ” (pressão de combustão -- 140 bar; pressão de injeç ão 250 bar)140 bar; pressão de injeção 250 bar)

�� Aumento de 17% e 22% de torque e potência respectiv amenteAumento de 17% e 22% de torque e potência respectiv amente

�� CVT p/ mesmo desempenho 10 CVT p/ mesmo desempenho 10 –– 12% economia de energi a com E8512% economia de energia com E85

OPORTUNIDADES DE USO DO ETANOL EM OPORTUNIDADES DE USO DO ETANOL EM FFVsFFVs

Yilmaz, H. et al “Optimally Controlled Flexible Fuel Powertrain System”- Completion Report – Bosch, November 2010


SUMÁRIO DOS ASPECTOS TÉCNICOS ESTRATÉGICOSSUMÁRIO DOS ASPECTOS TÉCNICOS ESTRATÉGICOS

� Vale realçar que, em função dos elevados valores de pico de pressão de combustão suportados pelo etanol sem a o corrência de detonação (140 bar X 90 para gasolina em motores com injeção direta), é possível que o etanol reassuma o diferencial reassuma o diferencial de eficiência energética em relação à gasolina (10 a 15%), de eficiência energética em relação à gasolina (10 a 15%), explorando relações de transmissão mais adequadas;explorando relações de transmissão mais adequadas;

� Entretanto, para que isto seja possível, é fundamen tal que a resistência mecânica dos componentes dos motoresresistência mecânica dos componentes dos motores sup ortem as elevadas pressões de combustão;

� Motores flexíveis baseados em motores básicosmotores básicos já plenamente desenvolvidos para gasolinadesenvolvidos para gasolina, e que já não suportam acréscimos nas solicitações mecânicas, ficam condenados a sere m motores motores à gasolina que também podem consumir etanolà gasolina que também podem consumir etanol, como, em geral, se tem observado no mercado pelos consumos relativo s etanol/ gasolina C;


� O aproveitamento do potencial do etanol aproveitamento do potencial do etanol em motores fl ex demanda tecnologias mais avançadasdemanda tecnologias mais avançadas, cujos benefício sbenefícios de eficiência energética são geralmente transferidos p ara a gasolinatransferidos para a gasolina, como se observou na fase inicial de introdução dos motores flex no Brasil. Por outro lado, ao se ficar refém de mot ores básicos e componentes limitados em termos de resistência mecâ nica, não é


componentes limitados em termos de resistência mecâ nica, não é possível aplicar tecnologias mais avançadas em moto res no país;

� A incorporação de tecnologias mais avançadas anteci paria parte dos investimentos necessários para um Inovar-Auto “ 2”;

� Portanto, diferenciar metas do Inovardiferenciar metas do Inovar--Auto para etanolAuto para etanol, e valorizá-las adequadamente, faz todo sentido para o desenvolvimento tecnológico do setor automotivo no paísdesenvolvimento tecnológico do setor automotivo no país. Além disso, a atração antecipada de modelos mais avançad os de modelos mais avançados de motoresmotores trará benefícios tanto da perspectiva da red ução de redução de consumo de combustíveisconsumo de combustíveis como da maior competividade maior competividade internacionalinternacional da indústria aqui instalada;


� Sem o reconhecimento de metas diferenciadas para et anol, corre-se o risco de importação de modelos à gasolina já d esenvolvidos para mercados que lideram o esforço global de reduç ão de consumo veicular, e de sucateamento do diferencial da engenharia sucateamento do diferencial da engenharia automotiva nacional automotiva nacional relativo a biocombustíveisbiocombustíveis. Além disso, um aumento da eficiência relativa no uso do etanol sob re a gasolina


aumento da eficiência relativa no uso do etanol sob re a gasolina nos veículos flex traria efeitosefeitos muito positivospositivos para a economia economia agroindustrial agroindustrial do etanol;

� Finalmente, observe-se ainda que diversos sistemist as diversos sistemistas já possuem seus centros de competência internacional centros de competência internacional em biocombustí veis em biocombustíveis instalados no no país país que, face à indiferença ao etanol, têm perdido importância no contexto global das empresas.


AÇÕES PARA PROMOÇÃO DE FFVs AÇÕES PARA PROMOÇÃO DE FFVs EFICIENTES A ETANOLEFICIENTES A ETANOL

� ReconhecimentoReconhecimento da essencialidade da defesa do tema pela Engenharia Automotiva Nacionalpela Engenharia Automotiva Nacional

� Disponibilização de informação adequada ao MDIC e informação adequada ao MDIC e ABDIABDI para inclusão do tema em regulamentações ABDIABDI para inclusão do tema em regulamentações futuras ou novas fases do Inovar-Auto, concedendo benefícios diferenciados benefícios diferenciados para veículos flex com mai or maior eficiência energética no uso do etanoleficiência energética no uso do etanol

� Realização de projetos deprojetos de pesquisa, desenvolvimento pesquisa, desenvolvimento e demonstraçãodemonstração com participação de montadoras, sistemistas e universidades, com suporte financeiro de entidades governamentais (Fapesp, Finep e BNDES)


AÇÕES PARA PROMOÇÃO DE FFVs AÇÕES PARA PROMOÇÃO DE FFVs EFICIENTES A ETANOLEFICIENTES A ETANOL

� Realização de estudo para órgãos tributários órgãos tributários no sentido de demonstrar benefícios de classificar, para efeito de IPVAIPVA, veículos flexveículos flex que alcancem determinada meta de consumo meta de consumo relativo à gasolina [por ex.: ConsCons (L/km) < (4/3)(L/km) < (4/3) ··ConsCons (L/km(L/km ))], [por ex.: ConsCons etHetH (L/km) < (4/3)(L/km) < (4/3) ··ConsCons gasCgasC (L/km(L/km ))], como se fossem veículos a etanolveículos a etanol

� Envidar esforços no sentido de viabilizarviabilizarurgentemente fases posteriores para o Inovarfases posteriores para o Inovar--AutoAuto, de modo a valorizar a escolha de soluções soluções tecnológicas tecnológicas de de alcance mais alcance mais longolongo.


OBRIGADO PELA OBRIGADO PELA ATENÇÃOATENÇÃOATENÇÃOATENÇÃO

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