A Eaton inova na tecnologia de emissões

A Eaton e a BAE Systems testaram um sistema de transmissão elétrica integrado para caminhões médios e pesados. (Foto: BAE Systems)

A Eaton Corporation tem um enorme portfólio de produtos que abrangem praticamente qualquer aplicação de energia, desde sistemas de armazenamento de energia até energia de reserva e sistemas de transmissão de veículos.

“Como empresa, a Eaton acredita que os governos devem definir metas ambientais específicas.” Dr. Mihai Dorobantu, Eaton Corporation. (Foto: Eaton)

Em entrevista recente à PPI, o Dr. Mihai Dorobantu, diretor de Tecnologia Avançada da Eaton, explicou que praticamente todos os programas operados por sua divisão nos últimos 15 anos envolveram maneiras de reduzir as emissões dos motores. O foco principal foi nas emissões de CO2 e NOx, com o objetivo de reduzir o impacto desses gases de efeito estufa (GEE) no clima e na qualidade do ar.

“Não foi por acaso que, de repente, surgimos com essas soluções para emissões”, disse Dorobantu. “Se o que você coloca no início do processo são maneiras de reduzir as emissões, 15 anos depois não é nenhuma surpresa que tenhamos esse portfólio de tecnologias, produtos com essas tecnologias incorporadas, destinados a lidar com as emissões dos motores.”

Sejam carros de passeio ou veículos comerciais, a Eaton pode fornecer uma solução completa de redução de emissões. No caso de carros de passeio, as últimas adições à linha visam dar suporte ao desenvolvimento de motores híbridos e puramente elétricos.

Olhando para veículos comerciais, o programa de redução de emissões tem se concentrado na combustão interna (CI) a diesel e na melhoria das tecnologias existentes.

Dorobantu: “No mundo do diesel convencional, havia uma série de tecnologias que tentavam lidar simultaneamente com CO2 e NOx. Mas há uma compensação. Você quer menos NOx, então esquenta mais, mas isso produz mais CO2. Por outro lado, você pode operar com mais eficiência e produzir menos CO2, mas isso produz mais NOx.”

A unidade de desativação de cilindros (CDA) também pode ajudar a reduzir as emissões do motor. (Foto: Eaton)

Para quebrar esse paradigma, a Eaton introduziu recentemente unidades de aquecimento autônomas para sistemas de pós-tratamento de emissões. Os aquecedores elevam rapidamente a parte do catalisador do sistema à temperatura desejada (enquanto o motor ainda está frio), o que ajuda o sistema a processar e reduzir o NOx no fluxo de gases de escape com mais eficiência.

“Este sistema ajuda a resolver os infames problemas de partida a frio dos motores a diesel, quando eles emitem os níveis mais altos de poluição”, explicou Dorobantu. “E é realmente econômico, pois utiliza criteriosamente o sistema elétrico do veículo, em vez de queimar mais combustível.”

Em primeiro lugar, o sistema visa atender às novas regulamentações de NOx na Califórnia, que exigirão que caminhões pesados (HD) do ano-modelo 2024 alcancem uma redução de 75%. Esse percentual aumentará para 90% até 2027.

Dorobantu afirmou que o desenvolvimento do aquecedor catalítico começou em 2017, um tempo considerável antes da publicação destas diretrizes para emissões ultrabaixas de NOx. "Reconhecemos para onde a sociedade estava se movendo, então tínhamos uma boa ideia do que seria necessário", acrescentou.

Atuação da válvula

Dorobantu continuou explicando que, embora a Eaton já tenha uma série de tecnologias destinadas a lidar com as emissões de CO2 dos motores a diesel, uma “caixa de ferramentas” de produtos de última geração está pronta para lançamento iminente, o que reduzirá ainda mais as emissões de GEE relacionadas.

História Híbrida

Corte de sistemas híbridos leves de 48 V para caminhões HD (Imagem: Eaton)

Em 2007, a FedEx realizou uma competição para eleger o melhor sistema híbrido para um caminhão de médio porte. A Eaton ganhou o prêmio principal, e daí surgiu o primeiro sistema híbrido para veículos comerciais da empresa.

“Naquela época, uma bateria de 4 kWh era uma bateria grande”, explicou Mihai Dorobantu. “Ela era combinada com um motor de dimensões igualmente grandes. Presumimos que depois de cinco ou seis anos as baterias precisariam ser substituídas, mas esses caminhões [fabricados entre 2007 e 2014] ainda estão nas estradas.”

Dorobantu prosseguiu afirmando que o preço de US$ 20.000 pela bateria era alto demais para o mercado, exceto na China, onde havia subsídios para apoiar tecnologias de redução de emissões. Isso ajudou a Eaton a manter o desenvolvimento do sistema e aprimorar ainda mais a redução de emissões.

“Sabe, um sistema híbrido é um ecossistema completo de componentes”, acrescentou. “Até mesmo a forma como você dirige, mantendo a temperatura do escapamento do motor na medida certa, tudo faz parte de uma estratégia de hibridização bem-sucedida.”

Realizamos muitos trabalhos de ativação de válvulas em motores a gasolina de automóveis de passeio, mas levou uma década para entender como essa tecnologia pode ser adaptada para uso em motores a diesel de grande cilindrada. A pressão do cilindro [no motor do carro] é muito menor, o tempo de combustão é controlado com precisão pela vela de ignição, em oposição à ignição por compressão. Portanto, havia muitas diferenças que precisavam ser abordadas.

Essencialmente, os motores a diesel são muito eficientes em uma rotação específica do motor, mas a eficiência cai rapidamente para além desse limite. A tecnologia de acionamento de válvulas da Eaton ajuda a ampliar esse limite, modificando o ciclo de combustão para que ele permaneça dentro do ponto ideal de eficiência. Isso inclui ainda o comando de válvulas variável e outros recursos, que combinados adicionam uma complexidade considerável.

“O sistema inclui mudanças de hardware e software”, disse Dorobantu. “Para ajustar o sincronismo das válvulas, é preciso alterar o perfil do comando de válvulas, mas é o software que decide o momento ideal para isso. O objetivo é aumentar a eficiência, mas não a ponto de gerar NOx desnecessário.”

Os sistemas de freio-motor, conhecidos como "freio jake" nos EUA e frenagem de descompressão na Europa, são outra ferramenta para alcançar maior economia em motores a diesel. Embora as versões anteriores fossem componentes independentes, a Dorobantu prevê a combinação desses recursos em um único sistema de controle com o objetivo de aprimorar a funcionalidade e reduzir as emissões totais.

Retorno Híbrido

Embora a hibridização seja uma forma bem conhecida de reduzir as emissões de automóveis de passeio, a tecnologia tem tido menos sucesso em veículos comerciais. Mas as melhorias nesses sistemas são tão grandes que fabricantes de equipamentos originais (OEMs) como a Scania agora oferecem modelos híbridos de caminhões de alta performance.

Aquecedor eletrônico Eaton para sistemas de pós-tratamento. (Foto: Eaton)

Dorobantu lembrou que a Eaton começou a trabalhar em sistemas híbridos por volta de 2000. Posteriormente, os negócios nos EUA e na Europa foram lentos, mas a tecnologia ganhou força considerável na China. Ele afirma que, hoje, a última geração dessa mesma tecnologia híbrida ainda está disponível.

Embora a tecnologia híbrida não tenha tido sucesso em alguns mercados, acredito que novos padrões de emissões muito rigorosos trarão esses sistemas de volta à ativa. Além disso, a única alternativa são os veículos puramente elétricos a bateria, usando baterias grandes e pesadas, que reduzem a capacidade de carga e levam muito tempo para carregar.

“Considere isso: você pode hibridizar três caminhões HD com as baterias para obter apenas um caminhão totalmente elétrico, o que é muito mais eficiente em termos de uso de material de bateria.”

É provável, porém, que, a curto prazo, a eletrificação de veículos comerciais faça maiores progressos no setor de veículos médios. Isso porque a tecnologia comprovada dos carros de passeio pode ser transportada praticamente inalterada, com o suporte da entrega de componentes dos mesmos fornecedores.

Para híbridos de alta potência, a menos que seja utilizado um sistema elétrico de médio porte, haverá a necessidade de novos hardwares e softwares fornecidos por novos fornecedores. Tudo isso levará tempo para ser desenvolvido.

“Acredito que a solução elétrica a bateria de médio porte para caminhões híbridos de alta potência continuará em alta”, disse Dorobantu. “Você obtém uma redução de 33% nas emissões de CO2 com apenas um décimo do tamanho da bateria.”

Embora a hibridização ajude a reduzir as emissões de CO2, também há argumentos para a adição desses sistemas para auxiliar a emissão de NOx. Como as partidas a frio são a maior causa proporcional de emissões poluentes, um sistema híbrido paralelo permitiria que um caminhão fosse conduzido com energia elétrica enquanto o motor estivesse aquecendo – enquanto um sistema de tratamento de emissões aquecido catalisaria o NOx limitado produzido por um motor sem carga.

Alcançando Metas

Embora os padrões Tier 3 e Euro 6 sejam bastante semelhantes, espera-se que os próximos conjuntos de padrões de emissões sejam diferentes, onde os EUA exigirão uma redução de 90% em NOx, enquanto os padrões europeus exigem apenas uma redução de 50%.

Caminho da Eficiência

Transmissão de quatro velocidades para veículos HD eletrificados. (Foto: Eaton)

De acordo com Mihai Dorobantu, uma caixa de câmbio de velocidade única em um sistema de transmissão elétrico pode coletar com sucesso cerca de 50% da energia disponível durante um evento de regeneração. Uma transmissão multivelocidade pode aumentar esse valor para mais de 95%, já que a disponibilidade de diferentes velocidades contribui para o processo de regeneração mais eficiente.

“Isso representa um aumento de 20% na eficiência em todo o ciclo energético”, explicou ele. “É ideal para ônibus urbanos e veículos municipais que fazem paradas frequentes. Isso demonstra claramente como a redução de emissões é impulsionada pela eficiência. Afinal, a energia para aquele veículo elétrico foi produzida em algum lugar.”

Isso, disse Dorobantu, ocorre porque, embora o transporte pesado nos EUA continue sendo majoritariamente a diesel, os limites rigorosos de CO2 na Europa apoiarão a mudança para soluções de transporte com emissão zero, como eletricidade pura e hidrogênio.

Uma meta de NOx menos rigorosa exigirá menos investimento para atingir esse padrão, o que deixará mais dinheiro para investir em tecnologia de emissão zero. É uma situação vantajosa para o mercado europeu.

É claro que a Eaton investirá para fornecer a tecnologia necessária para atingir essas metas, mas Dorobantu disse que a empresa acredita que o processo de redução de poluentes específicos não é mais o caminho a seguir.

Como empresa, a Eaton acredita que os governos devem definir metas ambientais específicas. Aqui estão as metas climáticas, aqui estão as metas de qualidade do ar – e a partir daí a indústria pode encontrar a solução adequada. Isso proporciona metas de longo prazo e proporciona tempo para inventar, tempo para investir e tempo para levar essas soluções ao mercado.

Isso corrobora a visão aparentemente agnóstica da Eaton como provedora de soluções. Dorobantu destacou que a Eaton não tem um objetivo específico em termos de eletrificação ou hibridização. Em vez disso, a empresa observa a direção do mercado e as regulamentações e, em seguida, tenta desenvolver a tecnologia certa em antecipação a essas mudanças.

Conversor CC-CC para sistemas de propulsão de veículos eletrificados. (Foto: Eaton)

Um exemplo disso são as transmissões multivelocidade para veículos elétricos. A Eaton foi a primeira empresa a lançar essas unidades, o que permitiu aos fabricantes de equipamentos originais (OEMs) reduzir o tamanho dos motores elétricos e, ao mesmo tempo, melhorar o torque.

Aumentar a potência [em um VE] é fácil, basta fornecer uma voltagem mais alta. O torque é diferente; normalmente, significaria mais ímãs, mais cobre. A transmissão ajuda a reduzir o uso de material, ao mesmo tempo em que proporciona desempenho em altas e baixas velocidades e melhor regeneração. Isso leva à eficiência. Estamos investindo em eletrônica de potência, distribuição de energia, segurança das linhas de transmissão durante o carregamento e ventilação da bateria.

“Toda essa tecnologia pode ser transportada e adaptada para soluções de transporte pesado, incluindo caminhões e ônibus.”

Tecnologia do Futuro

No compromisso entre a redução das emissões de CO2 e NOx, a turbina do motor (por meio da ECU e outros controles) força os gases de escape a serem recirculados de volta para a admissão do cilindro para reduzir a emissão de NOx. Isso depende da aceleração excessiva do motor, que por sua vez gera excesso de CO2.

Bomba EGR da Eaton. (Foto: Eaton)

Segundo Dorobantu, estrangular o escapamento para manter a pressão gera perdas por bombeamento. O uso de uma bomba de recirculação dos gases de escape (EGR) em um circuito elétrico de baixa potência pode eliminar a necessidade de estrangular o motor, mantendo a pressão dos gases e praticamente eliminando as perdas por bombeamento.

"Isso se parece mais com a tecnologia de um supercharger", explicou ele. "É um controle de gás muito preciso que permite a extração da quantidade exata de gás. É especialmente eficaz quando as pressões de escape e admissão são semelhantes — é aí que a mágica acontece."

Enquanto um supercharger fornece taxas de pressão de cerca de 2,0 a 3,0, a bomba EGR usa um conjunto de rotor mais curto que cria pressão apenas um pouco acima da pressão de admissão, ou cerca de 1,05 a 1,5.

O uso do EGR de baixa potência não cria diretamente uma eficiência melhorada, mas permite que o escapamento e a turboturbina ajudem a reduzir o NOx, ao mesmo tempo em que produzem mais potência, e sem produção de excesso de CO2.

Nota do editor: este artigo foi publicado originalmente na edição de outubro a dezembro de 2024 da Power Progress International.