Recirculação de Gases de Escape - EGR

Conteúdo extraído do site do fabricante MTU

Emissões de óxido de nitrogênio podem ser reduzidos com uso da tecnologia interna do motor pelo resfriamento de parte dos gases de escape, o qual é então reencaminhado à carga de ar. Isto resulta na redução da temperatura de combustão e menos óxido de nitrogênio é produzido. Este processo é conhecido como Recircuolação de Gases de Escap – Exhaust Gas Recirculatio (EGR) – e é um dos métodos principais utilizados para reduzir emissões de óxido de nitrogênio de motores diesel. A MTU tem testado esta tecnologia chave por muitos anos. Como um recurso padrão, será incluído pela primeira vez nos motores da Série 4000 – a partir de meados de 2011 em motores a diesel e a gás para aplicações que necessitam estar em conformidade com os padrões de emissão provisória da EPA, seguido de aplicações ferroviário que precisão estar de acordo com os padrões  EU Stage IIIB que entrão em vigor a partir de 2012.

Formas de se reduzir as emissões de óxido de nitrogênio

A firm de cumprir com as normas de emissões cada vez mais severas em todo o mundo, fabricantes de motores são obrigados, não só a reduzir substancialmente as emissões de particulas de fuligem (PM), mas também emissões de óxidos de nitrogênio. A abordagem principal que a MTU visa é a de baixa emissão de combustão, em outras palavras, uma solução interna ao motor. No entanto, isto significa levar em conta um princípio básico que rege o processo de combustão – se o combustível queima-se internamente na mais elevada temperatura no interior do cilindro, pouca fuligem é produzida contra uma elevada quantidade de óxido de nitrogênio  Por outro lado, em baixas temperaturas de combustão, emissões de óxido de nitrogênio são reduzidas, enquanto a produção de partículas de fuligem é elevada. Para se encontrar o equilíbrio certo, todas as tecnologias-chave que afetam a combustão deve ser perfeitamente casada. Quando combinado com a injeção de combustível e sobrealimentação em particular, o uso da recirculação de gases de escape resulta em um processo de combustão que produz níveis de óxido de nitrogênio significativamente menores.

Fig. 1 – Integração da recirculação de gás de escape na concepção do design do motor. A MTU tem integrado o sistema de recirculação de gás de escape no design do motor de maneira que tem pouquíssimo efeito nos requisitos de espaço.

Fig 2 - Na recirculação de gases de escape, uma parte do gás é retornado à admissão de ar fresco. A mistura resultante de ar fresco e gás de escape tem um poder calorífico inferior em termos de volume. Isto baixa as temperaturas na cãmara de combustão, consequentemente reduzindo a produção de óxido de nitrogênio (NOx)

Benefícios da recirculação de gás

De modo geral, os sistemas destinados a reduzir as emissões devem ser modificados para coincidir com os sistemas de acionamento. A MTU tem produzido um design muito compacto que permite que todos os componentes do sistema de recirculação de gás de escape sejam integrados na concepção do motor (vide figura 1), de modo que quaisquer modificações no motor tenham relativamente pouco efeito nos requisitos do motor e no sistema de escape. No entanto, é necessário modificar o radiador, a fim de lidar com o aumento da capacidade de arrefecimento do motor. O sistema recirculação de gases não requer consumíveis aidicionais para reduzir os níveis de óxido de nitrogênio, o que resultaria por outro lado em custos para um tanque de combustível adicional e tubulações. O cliente se beneficia em termos de redução de custos  de manuseio e manutenção.

Princípio de operação

Na recirculação dos gases de escape, uma parte do gás de escape é retirada do sistema de escape, arrefecida e reencaminhada para dentro dos cilindros (vide figura 2). Embora os gases de escape encham a câmara de combustão, ele não está envolvido na reação de combustão que acontece no cilindro devido ao seu baixíssimo conteúdo de oxigênio. A velocidade do processo de combustão global é então reduzida, resultando numa temperatura de pico da ignição (flama) reduzida. Isso reduz drasticamente a produção de dióxidos de nitrogênio.

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Informe.

Recirculação dos gases de escape de alta e baixa pressão

O sistema de recirculação dos gases de escape amplamente utilizado hoje retira parte do fluxo de escape a montante da turbina do turbocompressor e o realimenta ao sistema de ar de admissão a jusante do sistema de admissão do compressor. Ele funciona no nível da pressão impulso gerada pelo turbocompressor e é, portanto, referido como recirculação de gases de escape de alta pressão. No caso de baixa pressão de recirculação de gases de escape, os gases de escape são retirados a jusante da turbina do turbocompressor e reencaminhados para montante do compressor, de modo que o nível de pressão seja aproximadamente equivalente à pressão ambiente. Em comparação com a alta pressão de recirculação dos gases de escape, o sistema de baixa pressão de recirculação tem sérias desvantagens: o compressor tem que trabalhar mais, de forma que o calor a ser removido do intercooler aumenta. Além disso, o sistema requer um filtro de partículas, já que de outra forma partículas no sistema de gases de escape poderiam danificar os componetnes do sistema de recirculação ou o compressor e o intercooler. Por comparação, a alta pressão de recirculação de gases de escape é inerentemente mais robusto de modo que nenhum filtro de partículas seja necessário. Baixa pressão de recirculação dos gases de escape pode ser um meio de, posteriormente, se atualizar um projeto de motor existente para cumprir as normas de emissão mais rigorosas. Devido às desvantagens consideráveis ​​do sistema, particularmente no que diz respeito à exigência de manutenção para o cliente, a MTU não está atualmente a trabalhar nesta versão

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Solução patenteada da MTU: a concepção de cilindro doador.

A recirculação dos gases de escape é mais exigida ao nível dos gases de escape do turboalimentador, uma vez que pressões de impulso maiores têm que ser alcançadas com o fluxo de massa reduzida no sistema de turboalimentação. Estas pressões de impulso elevadas são necessárias para dirigir o fluxo de massa elevado resultante da taxa de recirculação de gases de escape para dentro do cilindro durante o ciclo de gás. Além disso, o gás de escape só pode ser redireccionado para dentro dos cilindros quando existe uma queda de pressão entre os gases de escape e os sistemas de ar de alimentação. Esta queda de pressão deve ser estabelecida com um sistema de turbocarregamento configurado adequadamente, o que resulta numa redução da eficiência da sobrealimentação. A queda de pressão entre os sistemas de gases de escape e de ar de alimentação conduz a perdas no ciclo de gás. Esses fatores tendem a resultar em menor desempenho do motor ou maior consumo de combustível. Para melhorar o efeito combinado de recirculação dos gases de escape e turboalimentação, a MTU desenvolveu o que é conhecido como o sistema de recirculação de gás de escape do cilindro doador (ver Figura 3a).

Fig. 3a – Em comparação com o sistema convencional de recirculação de gás de escape a alta pressão, o sistema patenteado da MTU alcnça menores consumos de combustível, já que reduz as perdas no ciclo de gás no motor e permite níveis mais alto de eficiência do turboalimentador. Isto requer uma válvula de escape adicional do cilindro doador.

O sistema patenteado da MTU utiliza somente alguns dos cilindros do motor como doador para a recirculação de gás de escape. Uma válvula de escape (válvula doadora) retém o fluxo de gases de escape a jusante dos cilindros doadores e assim cria uma queda de pressão necessária entre os gases de escape e o sistema de ar de alimentação. Isto significa que o sistema de turboalimentação pode ser otimizado para um nível de eficiência excelente, com as perdas no ciclo de gás afetando somente os cilindros doadores. Comparado com o sistema de recirculação de gás convencional a alta pressão (como é o caso dos motores da Série 1600), a concepção de cilindro doador (Série 2000 e 4000) alcança menor consumo de combustível, já que se reduzem as perdas no ciclo de gás no motor e permite níveis de eficiência de turbo alimentação maiores. Para este propósito, uma válvula de escape adicional do cilindro doador é necessária em comparação com o sistema de recirculação de gás de escape a alta pressão. Acumulação de sujeira nos componentes e a quantidade de serviço requerido ao longo da vida útil do motor são menores com a concepção de cilindro doador, como ocorre no caso da recirculação de gás de escape a alta pressão: ao contrário, na situação com baixa pressão de recirculação de gases de escape, o gás de escape só é alimentado para o ar de admissão quando este estiver muito próximo de ser admitido no cilindro, o que significa que apenas ar limpo flui através do rotor do compressor e do trocador de calor (intercooler) e não gás de escape contendo partículas.

Sistema de resfriamento para a recirculação de gás de escape

O gás de escape retirado para a recirculação tem uma temperatura de cerca de 650 graus Celsius. Por conseguinte, é demasiado quente para ser alimentado diretamente para dentro dos cilindros, o que iria aumentar a temperatura da câmara de combustão ainda mais, e assim anulando sua finalidade real - o de reduzir a formação de óxidos de nitrogênio, através do rebaixamento da temperatura de combustão. Por esta razão, o gás de escape é primeiro arrefecido até cerca de 120 graus Celsius (ver Figura 4). No caso de motores industriais com taxas elevadas do fluxo de ar de admissão e do gás de escape que requer grandes capacidades de resfriamento, os quais têm de ser supridos por trocadores de calor de alta performance. Basicamente falando, radiadores veícular de padrão comercial podem ser utilizados em tais casos. No entanto, para cobrir a capacidade de resfriamento para um motor de 16 cilindro com uma capacidade de 4.8 litros por cilindro, dependendo do fornecedor, de quatro aoito radiadores veicular comercial convencional da mais alta capacidade disponível seria necessário para a recirculação de gás de escape. O uso deste número de radiadores individual com a força mecânica necessária  não é possível numa aplicação móvel. Por esta razão, a MTU trabalha com os fornecedores para desenvolver soluções de radiador integrado no qual somente componentes internos dos trocadores de calor são adaptados de aplicações veícular comercial aprovada. O corpo do trocador de calor é projetado para combinar com os contornos do motor perfeitamente e incorpora todos os tubos de ligação. Os benefícios para o cliente são exigências de menores espaços, elevada confiabilidade funcional e baixa manutenção. A MTU utiliza tantas peças comuns quanto possível para os motores de uma mesma série com números de cilindros diferentes. Devido ao estágio avançado de desenvolvimento, isto também resulta em um nível elevado de confiabilidade funcional.

Fig. 4: Seção através de um radiador

O gás de escaperetirado para recirculação, a uma temperatura de cerca de 650 graus Celsius é demasiado quente para ser alimentada diretamente para dentro dos cilindros. Por esta razão, o gás de escape é primeiro arrefecido até cerca de 120 graus Celsius. O sistema de arrefecimento é otimamente integrado no conceito de design do motor, de modo que o cliente necessita apenas dispor de espaço muito reduzido.

Resumo

Recirculação dos gases de escape é uma das principais tecnologias internas de motor da MTU para redução de emissões. Pode ser usado para reduzir a formação de óxido de nitrogênio no interior do cilindro em cerca de 40 por cento ou mais, resultando em que muitas aplicações - dependendo dos limites aplicáveis ​​em cada caso - podem satisfazer os padrões de emissão requerido sem a necessidade de pós-tratamento dos gases de escape adicional para remoção NOX. Nos casos em que a legislação de emissões é particularmente rigorosa, um sistema SCR ou mesmo uma combinação de recirculação de gases de escape e sistema SCR é necessário. A MTU produziu uma solução compacta para integrar  todos os componentes de recirculação de gases de escape no conceito de criação do motor de modo que nenhum espaço de instalação adicional é requerido. Isso significa que os clientes podem atualizar suas aplicações para cumprir com novas normas de emissões sem o envolvimento de grande esforço. O sistema também não requer consumíveis adicionais.