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 imagem 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.


Imagem 1 - Elementos de entrada e saída

Quando se fala de emissões de poluentes, é normal ser feita referência a alguns compostos, óxido de azoto (NOx), hidrocarbonetos (HC), monóxido de carbono (CO) e partículas (PM). Contudo estes não são os únicos elementos libertados pelo escape como é visível na Imagem 1. e dos apresentados nem todos são considerados poluentes. Não são poluentes o azoto, oxigénio, água e dióxido de carbono (CO2).

Apesar de não ser considerado um poluente e de não ser uma substancia nociva quando em elevadas concentrações na atmosfera, as emissões de CO2 são a principal causa para o efeito de estufa e devido a isso têm vindo a ser cada vez mais limitadas. O CO, HC, SO2, PM e NOx, prejudicam a saúde directamente, contribuindo principalmente para o aparecimento de doenças respiratórias.

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


Imagem 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.

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- Normas EURO

 

Qual a origem dos 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, hidrocarboneto: 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.


 

Imagem 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.

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.

 

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 de catalisador.

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.

 

Filtro de partículas

Os filtros de partículas foram introduzidos no mercado, a fim de reduzir as emissões de partículas nos veículos diesel.

Este componente trabalha como um filtro mecânico e é normalmente constituído por um compósito cerâmico com uma geometria tipo colmeia com canais fechados alternadamente conforme é possível visualizar na Imagem 5. As partículas são retidas pelas paredes dos canais quando os gases de escape as atravessam.


Imagem 5 - Filtro de Partículas.

Como qualquer filtro mecânico, os filtros de particulas necessitam de limpeza, denominada de regeneração e esta pode ser activa ou passiva.

 

Em que consiste a regeneração activa?

Em situações normais a regeneração activa ocorre quando o filtro começa a ficar saturado, quando atinge sensivelmente 45% da sua capacidade ou a cada 1000km.

Na regeneração activa dão-se as seguintes alterações:

  • A a recirculação de gases de escape pela EGR é interrompida;
  • É efectuada uma pós injecção de combustivel, de modo a aumentar a quantidade de HC, que são posteriormente oxidados no catalizador. Esta reacção provoca um aumento da temperatura dos gases de escape antes do DPF. A quantidade de pós injecção é regulada pela unidade de comando, através do sinal do sensor de temperatura a montante do filtro de particulas;
  • É aumentada a pressão de sobrealimentação;
  • A rotação do motor aumenta ligeiramente, cerca de 200 rpm num motor de 2.0L.

A regeneração do filtro de particulas occorre a elevadas temperaturas, entre os 600 e os 650ºC.

Um ciclo normal de regeneração activa demora sensivelmente 15 min, o veículo deve ser conduzido de forma continua em 4ª ou 5ª velocidade, às 2000 rpm ou superior. Caso o filtro atinja niveis de obstrução mais elevados, a luz de avaria de motor ou de filtro de particulas poderá acender e uma regeneração activa poderá não ser possivel. Nestas situações é recomendado dirigir-se a um prestador de serviços autorizado, de forma a efectuar a limpeza do componente.

 

Em que consiste a regeneração passiva?

Um veículo com sistema de regeneração passiva não está tão dependente do tipo de condução do utilizador. Este tipo de sistema necessita de temperaturas de regeneração muito inferiores às necessárias nos sistemas de regeneração activa.

Muitos destes sistemas possuem um catalisador de oxidação e posteriormente um filtro de partículas. O catalisador de oxidação remove o CO e HC e oxida o NO presente nos gases de escape transformando-o em NO₂. O NO₂ ao entrar no filtro de partículas, reage com as partículas, eliminando-as, resultando desta reação NO e CO₂.

A regeneração nestes sistemas ocorre de forma quase contínua, e torna-se possível a partir dos 250 ºC.

Outra solução encontrada em alguns veículos são os sistemas de regeneração passiva aditivados. Nestes sistemas é injetado um aditivo juntamente com o combustível, que ao entrar em contacto com as partículas no filtro, baixa a sua temperatura de combustão. Para o correto funcionamento destes sistemas, a temperatura dos gases de escape no filtro deve ser superior a 380ºC.

Existem soluções que resultam da combinação dos vários tipos de sistemas apresentados.

 

Actualmente o desenvolvimento automóvel está directamente relacionado com as normas ambientais impostas aos fabricantes. Devido à exigencia dessas mesmas normas, tem-se verificado um aumento de complexidade de todos os sistemas periféricos do motor, de gestão e em especial de controlo de emissões.

O bom funcionamento dos sistemas que possuem filtro de particulas estão sempre dependentes do tipo de condução e trajectos que são efectuados com o veículo. Realizar periodicamente trajectos longos que possibilitem um funcionamento perto das 2000 rpm em 4ª ou 5ª velocidades são ideais para o sistema. Contudo, nem sempre é possivel conduzir nestas condições.

De forma a evitar problemas e prolongar a vida util do seu filtro de particulas a LD Auto recomenda que quando existam problemas relacionados com o componente, o mesmo seja removido da viatura para ser analisado de forma a solucionar o problema. A LD Auto salienta ainda, que a realização de regenerações forçadas como tentativa de limpeza do componente pode ser arriscada não só para o filtro de particulas como para o motor e outros sistemas da viatura. Após avaria no filtro de particulas, é necessário proceder à sua correcção (limpeza ou reconstrução), mas mais importante, é fundamental diagnosticar o problema que originou a avaria. Estando o filtro de particulas no final de todos os sistemas, o seu correto funcionamento depende do estado dos restantes componentes a montante.

© 2019 LD AUTO - LEIRIDIESEL GROUP - TODOS OS DIREITOS RESERVADOS