Emissões e Sistemas de Tratamento de Gases de Escape

SISTEMAS DE TRATAMENTO DE GASES

EMISSÕES E SISTEMAS DE TRATAMENTO DE GASES DE ESCAPE

Para ocorrer combustão dentro de um motor de combustão interna, a diesel ou gasolina, são necessários dois produtos essenciais, ar e combustível.

Na Figura 1, à esquerda são apresentados os elementos que são admitidos pelo motor, ar e combustível e à direita os produtos que são libertados pelo motor, registados antes do sistema de tratamento de gases de escape.

Figura 1 - Elementos de Entrada e Saída

Emissões poluentes

COMPREENSÃO E IMPACTOS

1 - Principais compostos libertados pelo motor:

Óxido de azoto (NOx);

Hidrocarbonetos (HC);

Monóxido de carbono (CO);

Partículas (PM).

Outros Elementos no Escape (não considerados poluentes):

Azoto;

Oxigénio;

Água;

Dióxido de carbono (CO2).

CO2 e o Efeito de Estufa:

Não é considerado um poluente direto, mas contribui para o efeito de estufa.

Embora não seja nocivo em grandes concentrações na atmosfera, as emissões de CO2 têm sido cada vez mais limitadas devido ao seu impacto climático.

Emissões Prejudiciais à Saúde:

CO, HC, SO2, PM, NOx: Contribuem diretamente para doenças respiratórias e outros problemas de saúde.

A Figura 2, permite verificar quais as diferenças de emissões de um veículo a gasolina e diesel.

Figura 2 - Emissões (Gasolina de Injeção Indireta VS Diesel)

Observando a imagem verifica-se que um motor a gasolina, neste caso de injeção indireta, e um motor diesel libertam praticamente o mesmo tipo de compostos pelo escape, com exceção das partículas e oxigénio presentes nos veículos diesel, devido ao seu funcionamento com uma mistura de ar/combustível mais pobre.

No entanto as quantidades que cada um emite são bastante diferentes em termos percentuais. Um motor diesel produz uma maior quantidade de NOx e um motor de gasolina uma maior quantidade de CO.

Com o aumento da poluição e a rápida degradação da qualidade do ar, começou a haver a necessidade de um controlo mais apertado das emissões dos veículos.

NORMAS EURO

CONTROLO DE EMISSÕES EM VEÍCULOS

As emissões de veículos na Europa são limitadas pelas normas EURO. Estas limitam os poluentes dos veículos a diesel e gasolina individualmente, uma vez que a quantidade de poluentes que emitem são diferentes.

EURO 1 (1992): Obrigou a utilização de gasolina sem chumbo e a utilização de catalisador para veículos a gasolina. O limite dos poluentes emitidos são iguais para os veículos a gasolina e diesel, com a exceção das partículas, pois a sua emissão é limitada apenas para os veículos diesel.
EURO 2 (1996): Reduziu o limite de emissões de CO e de HC+NOx para todos os veículos. Os limites passaram a diferir consoante o combustível utilizado.
EURO 3 (2000): O teste para analisar as emissões foi modificado, deixou de existir uma fase para aquecer o motor antes das medições começarem a ser realizadas e o limite de CO diminui. Nos veículos a gasolina passou a limitar-se a emissão de HC e de NOx separadamente. Nos veículos a diesel foram limitadas as emissões de partículas.
EURO 4 (2005): Limitaram-se principalmente as emissões dos veículos diesel, especialmente as partículas e o NOx. Alguns fabricantes começaram a utilizar filtros de partículas.
EURO 5 (2009): Limitou-se a emissão de NOx e todos os veículos diesel passaram a utilizar filtros de partículas devido à restrição das mesmas. As partículas emitidas pelos veículos a gasolina de injeção direta passam a ser monitorizadas.

a) A partir de Setembro de 2011, o número de partículas por km nos veículos a diesel passou a ser controlado.
EURO 6 (2014): Limitação significativa das emissões de NOx nos veículos Diesel. O limite de emissões é muito exigente e passa a ser idêntico para diesel e gasolina.

Estas alterações estão esquematizadas na Tabela 1, onde são apresentados os limites para cada poluente.

Tabela 1 - Emissões (Gasolina de injeção indireta VS Diesel)

ORIGEM

PRINCIPAIS POLUENTES

CO, monóxido de carbono: Resulta de uma combustão incompleta na câmara de combustão. Quanto mais rica a mistura ar/combustível, maior a quantidade de CO produzido.
HC, hidrocarbonetos: Tem origem em combustível não queimado. Existem várias causas possíveis para a formação de HC, como por exemplo mistura ar/combustível demasiado rica, fraca atomização e défice de compressão nos cilindros. Particularmente nos veículos a gasolina, o excesso de HC também pode ser causado por problemas no sistema de ignição ou no catalisador.
NOX, óxidos de azoto: A principal causa da emissão de NOX são as elevadas temperaturas dentro da câmara de combustão. Uma vez que o combustível baixa a temperatura de combustão, o funcionamento do motor com mistura pobre favorece a formação de NOX.
CO2, dióxido de carbono: A formação de CO2 está diretamente relacionada com a eficiência da combustão. Considerando um motor em bom estado de funcionamento, a emissão de CO2 é máxima quando a mistura ar/combustível é estequiométrica.

Contudo, como o CO2 é responsável pelo efeito de estufa, a sua emissão está limitada. Atualmente os motores em determinado regime de funcionamento trabalham em regime pobre, possibilitando queimar o combustível na totalidade e reduzindo as emissões de CO2.

Figura 3 - Relação entre emissão de CO2 e relação A/F

Na Imagem 3, com uma mistura rica nem todo o combustível é queimado e há um decréscimo das emissões de CO2. Caso o motor opere com mistura pobre, a quantidade de CO2 irá diminuir pois existe menos combustível para queimar.

Como já foi referido anteriormente, o CO2 não é um poluente e do ponto de vista de rendimento de um motor e de emissões, faria sentido trabalhar sempre com uma mistura estequiométrica.

Devido aos motores diesel funcionarem com misturas mais pobres, não necessitam de sonda lambda para medir a quantidade de oxigenio nos gases de escape e assim ajustar a mistura. O catalisador para este tipo de motores é ligeiramente diferente uma vez que o componente realiza principalmente reacções de oxidaçao. Como os motores diesel emitem uma quantidade de NOx muito superior aos veículos a gasolina por funcionarem com misturas pobres, precisam de sistemas de tratamente de NOx dedicados.

QUAL A FUNÇÃO DOS CATALISADORES?

Os catalisadores tem a função de converter substâncias tóxicas CO, HC e NOx em substâncias menos perigosas, como por exemplo CO2 e vapor de água através de reações químicas. Estas reações podem ser de oxidação ou de redução. Uma reação de oxidação ocorre quando o oxigénio presente nos gases de escape é utilizado para converter os compostos nocivos, transformando o CO em CO2 e o HC em CO2 e vapor de água. As reações de redução que ocorrem no catalisador, têm como objetivo converter o NOx quando este reage com os materiais que compõem o catalisador, desta reação resulta N (azoto) e oxigénio.

Para estas reações acontecerem de forma ideal é necessária uma mistura de ar/combustível estequiométrica e uma temperatura de funcionamento do catalisador superior a 300 ⁰C.

O controlo e monitorização do processo de limpeza e tratamento dos gases de escape fica a cargo da gestão eletrónica do motor.

Nos veículos a gasolina mais recentes, o controlo é realizado em malha fechada, isto é, o catalisador possui uma sonda lambda à entrada e outra à saída (Ver Imagem 4). A primeira sonda lambda tem como função detetar se a mistura é rica ou pobre para depois a unidade de comando ajustar a quantidade de combustível a injetar. A segunda sonda lambda monitoriza a operação do catalisador.

Figura 4 - Funcionamento do catalisador

Artigo Técnico LD Auto
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