Especialistas da indústria discutem o futuro do propano em motores de combustão interna

No mês passado, o Engine Technology Forum explorou a viabilidade do propano como combustível alternativo em motores de combustão interna (IC) em seu webinar, “Como o propano está evoluindo para o futuro”.

“O propano como combustível oferece diversas vantagens, incluindo alta octanagem e ampla disponibilidade e abastecimento em mais de 3.500 distribuidores”, afirmou o Fórum de Tecnologia de Motores em um comunicado à imprensa após o evento. “Geralmente, ele apresenta emissões mais baixas em comparação à gasolina ou ao diesel, e essas emissões podem ser controladas de forma econômica com a utilização de um catalisador de emissões de três vias semelhante ao da gasolina.”

Diferenças no pós-tratamento

Gavin Hale, diretor de desenvolvimento de produtos e geração de energia do Propane Education & Research Council (PERC), abordou as diferenças entre os sistemas de pós-tratamento de diesel e propano durante o webinar, dizendo que a maior oportunidade para fabricantes de motores e OEMs de veículos em relação ao propano é em relação ao pós-tratamento simplificado dos gases de escape.

Abastecendo um caminhão de entrega de propano. (Foto: Propane Education & Research Council)

“Eles conseguem reduzir as emissões com um combustível disponível e manter a maior parte do conteúdo de design do caminhão”, disse ele, “o que é fundamental, porque muitas outras fontes alternativas de energia representam um grande prejuízo para os fabricantes de equipamentos originais (OEMs).”

Ao descrever a atual tecnologia de pós-tratamento de motores a diesel, Hale citou um sistema SCR da Bosch para motores a diesel de serviço pesado com baixo teor de óxido de nitrogênio (NOx), publicado como parte de um relatório de junho de 2020 do Conselho de Recursos do Ar da Califórnia (CARB). Ele observou que os componentes desse sistema de pós-tratamento incluem catalisadores de oxidação de diesel (COD) primários e secundários, redução catalítica seletiva (SCR), catalisadores de deslizamento de amônia (ASC), queimadores de combustível, sensores de NOx e um filtro de partículas diesel (DPF).

“O pós-tratamento é muito mais complexo do que o motor, na verdade”, disse ele. “Ele se torna o fator dominante.”

Por outro lado, Hale disse que o pós-tratamento para um motor de combustão interna alimentado a propano é consideravelmente mais simples.

Com o propano hoje em dia, tudo o que você precisa é de um conversor catalítico de três vias, semelhante aos que você tem no seu carro hoje. Para as normas de 2027, provavelmente dois conversores catalíticos.

Ele acrescentou que os limites de GEE da Fase 3 podem exigir pequenas modificações.

“Esta continua sendo a receita principal, com a adição potencial de SCR no pós-tratamento do escapamento”, disse Hale. “Mas isso depende do equilíbrio da tecnologia que conseguirmos implementar no cilindro para gerar a melhor eficiência no motor, em vez de depender do pós-tratamento para capturar tudo.”

Examinando a injeção direta

Segundo Allen Schaeffer, diretor executivo do Engine Technology Forum, a inovação também é fundamental para tornar o propano viável como combustível alternativo em aplicações dentro e fora de estrada. Uma dessas inovações é a injeção direta (DI) de propano. No comunicado à imprensa, ele afirmou que a tecnologia DI tem "o potencial de mudar o jogo na expansão do uso da tecnologia de propano para mais aplicações".

A empresa de fabricação, engenharia e testes Katech Engineering e a especialista em sistemas de combustível Stanadyne firmaram uma parceria para explorar o DI de propano em motores de combustão interna. Eles apresentaram suas descobertas durante o webinar.

Eric Suits, engenheiro-chefe da Katech, afirmou que vale a pena explorar a injeção direta de propano por vários motivos. Ele observou que, no caso dos motores a gasolina, a injeção direta representa grande parte do mercado de veículos leves, com 73% dos veículos do ano-modelo 2023 utilizando a tecnologia, de acordo com um relatório de 24 de fevereiro do Departamento de Energia dos EUA.

“Ele já é altamente aceito e tem seus benefícios naturais, eficiência e emissões melhoradas, e é por isso que as porcentagens dos OEMs que o utilizam atualmente continuam a aumentar”, disse Suits, acrescentando que, quando combinado com a alta octanagem do propano (105) e as baixas emissões, “unir essas duas tecnologias era uma área óbvia”.

Havia, no entanto, obstáculos a serem superados. Um deles é o bloqueio de vapor, já que o propano pode existir na forma gasosa ou líquida, dependendo da temperatura e da pressão, disse Suits. Se, a caminho da bomba de combustível, o propano for aquecido a um determinado ponto e não houver um aumento correspondente na pressão, ele vaporizará e causará um bloqueio de vapor.

Além disso, Suits afirmou que a injeção direta de propano não havia sido especialmente bem pesquisada. "Houve alguns artigos escritos aqui e ali, mas, do ponto de vista da viabilidade, ninguém realmente se preocupou em abordá-la."

Teste DI

A Katech iniciou o projeto DI com testes sem queima para comparar os componentes de injeção direta de gasolina (GDI) disponíveis no mercado, como injetores e bombas, disse Suits, a fim de determinar quais deficiências esses componentes apresentavam ao utilizá-los com propano. Isso levou a testes de queima para comparar a gasolina com o propano, cujos resultados foram fornecidos à Stanadyne para que a empresa pudesse determinar as características específicas necessárias para o uso com propano.

O motor de teste L8T 6.6L GDI da General Motors foi atualizado com os componentes Stanadyne e operado com injeção direta de GLP. (Foto: Stanadyne)

Após desenvolver os componentes necessários para o sistema de combustível, a Stanadyne testou o conceito usando um motor V-8 L8T de 6,6 L da General Motors com ignição por faísca como plataforma de motor base, de acordo com Srinu Gunturu, engenheiro-chefe da Stanadyne. Ele disse que a Stanadyne alterou apenas alguns componentes de hardware para uso com combustível propano.

“No motor, são apenas a bomba de combustível e o injetor”, disse ele, “e o motor foi usado no estado em que se encontra”.

Gunturu disse que Stanadyne teve que melhorar a eficiência volumétrica da bomba e fazer alterações no injetor para um fluxo de combustível maior e fornecer a quantidade certa de combustível ao motor.

“Adicionamos uma entrada secundária para garantir que não tenhamos aquele bloqueio de vapor dentro da bomba, especialmente na área do êmbolo e da luva”, disse ele.

Suits disse que os testes do motor foram realizados com um lambda de 1,0, acrescentando que isso era importante do ponto de vista das emissões.

“Com a regulamentação de 2027, o enriquecimento durante testes em campo aberto não será permitido”, disse ele. “E com o propano, podemos fazer isso facilmente sem limites ou preocupações com a EGT (temperatura dos gases de escape), e isso permite que o catalisador funcione como deveria.”

Resultados do teste DI

Os testes realizados pela Stanadyne e pela Katech foram além de simplesmente examinar o desempenho do motor e dos componentes.

“Testamos a durabilidade do motor por até 250 horas para provar que esse motor DI é promissor para sistemas de propano”, disse Gunturu.

Suits acrescentou que os testes de durabilidade incluíram ciclos de testes dentro e fora de estrada, bem como ciclos de testes da Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) e do CARB.

Após os testes de durabilidade, a Stanadyne examinou os componentes do sistema de combustível.

"Nas bombas, não observamos nenhuma mudança no desempenho após 250 horas de operação com propano", disse Gunturu. No entanto, houve alguma mudança no desempenho do injetor de combustível, disse ele.

“Observamos algum desgaste devido à mudança de sustentação em nossos injetores”, disse ele. “E conseguimos identificar o que mudou neles — o que causou a mudança de sustentação. Conseguimos fazer algumas correções.”

Gunturu disse que um exame mais detalhado revelou desgaste entre a armadura e o retentor, o que Stanadyne atribuiu à diminuição da sustentação.

“Já tínhamos uma correção de projeto implementada para lidar com essa mudança na elevação e no desgaste da armadura e do retentor”, disse ele. “Além disso, já estamos planejando realizar mais testes.” A Stanadyne está trabalhando com fabricantes de equipamentos originais (OEMs) para comprovar essas ações corretivas, disse Gunturu.

Suits disse que, em termos de motor, os testes de durabilidade não revelaram desgaste mecânico significativo.

“Muitas vezes, no início, talvez a formulação — 10, 20, 30 anos com propano — fosse a de que era preciso atualizar as sedes das válvulas, porque é propano e não há líquido passando pelas válvulas”, disse Suits. “Mas os motores modernos com injeção direta levam isso em conta. Os materiais e as tecnologias para isso avançaram. Portanto, não houve recessão das válvulas, em nenhum lugar do lado do motor enquanto o motor funcionava com propano, mesmo em um perfil de teste bastante rigoroso.”

Em relação ao bloqueio de vapor, Suits disse que a Katech resolveu o problema com sucesso como parte do projeto.

“Uma das grandes áreas em que a Katech se concentrou, com a Stanadyne fornecendo o hardware, foi construir um sistema de hardware e software que fornecesse o propano corretamente à bomba e nunca permitisse uma condição de bloqueio de vapor”, disse ele.

Por meio de algumas válvulas e sistemas de controle, Suits disse que a Katech foi “capaz de fornecer propano líquido para a bomba em todas as condições de teste”.

Programa de pesquisa revela viabilidade da injeção direta de GLP em motores de médio porte Financiado pelo PERC e conduzido pela Katech Engineering, o projeto usou software e hardware especialmente projetado pela Stanadyne para ajudar a superar o bloqueio de vapor.