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Sistema de Pós-tratamento Diesel com Monitor SCR ou Catalisador Redutor Seletivo

janeiro 30, 2020

O catalisador redutor seletivo – SCR é, basicamente, um catalisador de NOx para aplicações diesel. O processo consiste na injeção, de forma controlada eletronicamente, de um reagente químico líquido no fluxo dos gases de escape. A composição é 32,5% de ureia numa solução aquosa. O líquido não é tóxico, não tem odor e não é inflamável. A ureia é composta de nitrogênio, hidrogênio, carbono e oxigênio; sua principal utilização é como fertilizante.

A pequena quantidade de solução de ureia injetada no fluxo dos gases de escape (com temperatura superior a 170oC-200oC), em contato com o vapor de água a alta temperatura, se transforma em amoníaco (NH3) e dióxido de carbono (CO2). 

Dentro do SCR, com temperaturas entre 200oC e 450oC, o amoníaco ou amônia (NH3), por sua vez, reage com os óxidos de nitrogênio (NOx) liberando nitrogênio (N2) e água (H2O).

A figura 1 mostra uma configuração típica de sistema SCR, e a forma como se processam as reações químicas assim que os gases de escape percorrem os elementos do sistema.

Figura 1

– O catalisador oxidante [1] trata as emissões de CO, HC residual e parte do material particulado. A ação do catalisa-dor oxidante [1] combinado com uma dosagem maior de combustível permite atingir a temperatura adequada de máxima conversão. A maior dosagem pode ser obtida através da injeção atrasada no cilindro ou através de um injetor dedicado no escapamento, antes do catalisador oxidante.

Por outro lado, o catalisador oxidante contribui para converter o NO (monóxido de nitrogênio) em NO2 (dióxido de nitrogênio) o qual resulta mais favorável à conversão em nitrogênio livre no sistema SCR.

– O vapor de água resultante, tanto da combustão como da ação do catalisador oxidante [1], é utilizado, na câmara de hidrólise, para decompor a ureia injetada, em amoníaco e dióxido de carbono. Para que a hidrólise se processe corretamente, a temperatura dos gases deve ser superior a 170oC ou 200oC. 

– No interior do catalisador SCR o amoníaco reage com o NO2 para formar nitrogênio livre (N2) e água. Em função de ser o amoníaco (NH3), um composto altamente tóxico, o catalisador oxidante [2] tem por objetivo eliminar todo resíduo de amônia que não foi utilizado pelo SCR, transformando-o em água e nitrogênio livre. 

A figura [2] apresenta a configuração genérica do sistema SCR. Não representa nenhuma aplicação em particular e seu único objetivo é mostrar, de forma ampla, a funcionalidade dos elementos do sistema que podem ser encontrados nas aplicações de mercado. 

Figura 2

– O sensor de temperatura [1] é utilizado para controlar a janela de máxima eficiência de conversão do catalisador seletivo, que está na faixa de 200oC a 450oC. 

– O sensor de temperatura [2], quando presente, tem como função monitorar a temperatura dos gases de saída do catalisador SCR com o objetivo de avaliar o seu funcionamento.

– Os sensores de NOx [1] e [2] têm por objetivo o ajuste correto da dosagem de ureia na proporção estequiométrica. Ou seja, injetar a quantidade de ureia para: 1) obter máxima eficiência de conversão de NOx e 2) níveis mínimos de amoníaco na saída do catalisador SCR. Em particular, o sensor de NOx [2] permite controlar a injeção de ureia em malha fechada. O sensor de NOx pode estar integrado com o sensor de O2 de banda larga num único dispositivo.  

– O sensor de amoníaco dispensa o uso do sensor de NOx [2] e tem por função avaliar a eficiência de conversão do catalisador SCR e evitar a emissão indesejada de amoníaco, já que permite implementar a injeção de ureia em malha fechada. Ou seja, injetar ureia na proporção estequiométrica para obter: 1) máxima eficiência de conversão de NOx e 2) níveis de amoníaco na saída do catalisador SCR inferiores a 10 ppm.  O uso de sensor de amônia permite eliminar o catalisador oxidante [2], um componente de alto valor.

– O sistema de injeção de ureia é composto por: Reservatório de ureia, unidade de dosagem, bomba de injeção, compressor de ar e módulo de controle. O ar comprimido serve para propiciar uma injeção adequada da ureia no escapamento. No entanto, já há no mercado sistemas SCR que dispensam o uso de ar comprimido. O sensor de ureia no reservatório tem por objetivo verificar a qualidade do líquido redutor utilizado. No caso de reservatório vazio ou com o líquido inadequado, o motor passa a trabalhar com potência reduzida.

A solução utilizada (32% de ureia) recebe várias denominações: AdBlue na Europa, DEF nos Estados Unidos, Arla32 (Agente Redutor Líquido de NOx Automotivo) no Brasil.

A solução é dosada no escape em aproximadamente, 2% a 5% do consumo de combustível; tipicamente, 1 litro de solução a cada 1.000 km, aproximadamente. Isto implica, portanto, na existência de um reservatório extra no veículo, pelo que o sistema SCR é utilizado, principalmente, em pesados e comerciais leves. 

Um dado a ser salientado é que o sistema SCR precisa obrigatoriamente, de óleo diesel S50 (50 ppm de enxofre) ou preferivelmente, S10 (10 ppm de enxofre). Também torna-se necessária a implantação de uma rede de distribuição de Arla32.

CONTROLE DA INJEÇÃO DE UREIA

Em função de ser o amoníaco um composto altamente tóxico, o controle da injeção de ureia, na relação estequiométrica, é de fundamental importância. Este controle pode ser feito:

– Em malha aberta. Neste caso não há monitoramento da presença de amoníaco na saída do catalisador SCR. Em função disto, a UC, com base na informação de sensores (massa e temperatura do ar admitido e concentração de óxidos de nitrogênio) estima o fluxo de gases de escape e injeta ureia com uma margem de segurança, o que implica que a redução de NOx não se processa com eficiência máxima. Nesta configuração, após o SCR, há um catalisador oxidante que tem por função reduzir qualquer resto de amoníaco não utilizado no processo. 

– Em malha fechada. Neste caso há monitoramento da presença de amoníaco na saída do catalisador SCR. Isto permite ajustar a dosagem da solução de ureia na relação estequiométrica com o NOx presente nos gases de escape, de forma que, na saída do catalisador, não se verifique nem excesso de NOx nem de amoníaco acima dos limites fixados pela legislação. Ou seja, em teoria, todo o amoníaco é utilizado para reduzir todo o NOx, restando na saída do catalisador, só N2, água e CO2. Como resultado, pode ser eliminado o catalisador oxidante pós-SCR. O controle em malha fechada é necessário para atender a norma EURO 5 (Proconve 7). Para o controle em malha fechada pode ser utilizado o sensor de NOx ou o de amônia, se presente. 

MONITOR DO CATALISADOR SCR

No âmbito OBDII, o catalisador SCR possui um monitor associado cujas funções são:

– Monitorar a eficiência de conversão com base nas informações dos sensores de NOx (pré e pós-catalisador SCR). O código P20EE é gravado quando a eficiência de conversão é inferior ao limite mínimo.

– Monitorar a qualidade do líquido redutor (Arla32) com o objetivo de assegurar que o sistema seja abastecido com o redutor apropriado. O código P207F (falha de desempenho) é gravado quando é detectada deficiência na qualidade do redutor. Neste caso, se o fluido não é substituído nos próximos 300 km, a velocidade máxima é reduzida para 80 ou 90 km/hora. 

– Assegurar o controle em malha fechada do processo de injeção de Arla32. O fluxo de fluido é controlado em malha fechada aplicando correções que levam em consideração o envelhecimento de componentes do sistema: injetor, bomba, etc. Os códigos de falha correspondentes são:

. P249C: Tempo excessivo para passar a funcionar em malha fechada.

. P249D: Fluxo controlado no limite mínimo.

. P249E: Fluxo controlado no limite máximo.

– Monitorar o nível de Arla32 no tanque. Na condição de nível baixo é gravado o código P203F.

– Monitorar a temperatura dos gases de escape na entrada do catalisador. Isto, para assegurar a operação correta do SCR. O código P22FF é gravado caso o sensor na entrada do catalisador indique temperatura inferior à necessária.

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