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Catalisador de três vias oferece eficiência de conversão de componentes poluidores

fevereiro 28, 2021

O catalisador de três vias funciona em um circuito fechado que inclui uma catálise redutora, uma catálise oxidante e um sensor de oxigénio para controlar a entrada de ar/combustível no motor

Por ser o catalisador de 3 vias um item de preço elevado, o diagnóstico de defeitos com ele relacionados deve ser bastante criterioso a fim de evitar trocas desnecessárias. É nesse ponto que a avaliação da eficiência de conversão torna-se um fator importante.

Conceito

A eficiência de conversão indica a capacidade que o catalisador possui de diminuir as emissões dos gases poluentes de escape.

Isto é, a capacidade de transformar o HC (hidrocarbonetos) e CO (monóxido de carbono) residuais, em CO2 (dióxido de carbono) e H2O (vapor d’água) e de reduzir o NOx a seus componentes básicos: N2 (nitrogênio) e O2 (oxigênio).

O oxigênio resultante da dissociação do NOx reage com parte do CO para formar CO2.

Em boas condições de funcionamento, um catalisador de 3 vias deve ter uma eficiência superior a 80%/85%.

Isto significa que os valores de CO, HC e NOx na saída do escapamento (após terem passado pelo catalisador) são 80%/85% menores que os valores na entrada do conversor catalítico.

Quando a eficiência atinge valores inferiores a estes, a degradação do catalisador é bastante acelerada, pelo que pode diminuir a níveis não aceitáveis em um curto espaço de tempo.

Assim, a eficiência de conversão para os gases mencionados é definida da seguinte forma [1]:

Como mostra a figura 2, a máxima redução para os 3 gases é obtida quando o catalisador de 3 vias processa gases de escape produzidos pela queima de mistura estequiométrica, ou seja, quando o motor funciona admitindo mistura com Lambda=1,0 +/- 2%.

Observar que quando o motor admite mistura rica, a eficiência para NOx é máxima mas, para CO e HC resulta inferior à recomendada. 

Como mostrado na figura 2, por exemplo, a eficiência de conversão de CO para Lambda=0,94 (pontos A e B) (fórmula [2]) é sensivelmente menor que para Lambda=1,0 (pontos C e D) (fórmula [3]).

Portanto, a verificação da eficiência na condição de Lambda=0,94, levaria a considerar defeituoso um catalisador que de outra forma, pode estar em boas condições.

Daí a importância de verificar o lambda da mistura antes de realizar a medição. Os analisadores de “4 gases” comercializados atualmente apresentam os valores de concentração de CO, HC, CO2, O2 e o valor do lambda, calculado a partir da fórmula de Brettschnider.

Portanto, para que a avaliação da eficiência seja válida, o lambda mostrado no analisador deverá estar entre 0,98 e 1,02 (janela de máxima eficiência de conversão).

Procedimento para Veículos Pré-OBDII

O método mais preciso (e o único conclusivo atualmente) é aquele que considera os valores dos referidos gases antes e depois do catalisador, e aplica a fórmula acima.

As medições devem ser feitas com rotação constante, preferivelmente fora da marcha lenta (2500 rpm, por exemplo), certificando-se que o lambda indicado pelo analisador esteja dentro da janela de máxima eficiência. 

A medição antes do catalisador pode ser feita de duas formas:

1. Método intrusivo. Instalar um rebite com rosca no escapamento, antes do catalisador. Nele poderá ser instalada a sonda do analisador, o que assegurará medidas de concentrações sem diluição. Quando terminada a medição, o furo é tampado com um parafuso.

Não é recomendável utilizar o furo do sensor de O2 para instalar a mangueira (sonda) do analisador, devido a que o lambda da mistura admitida poderá estar fora da janela de máxima eficiência de conversão. Assim, a eficiência calculada não será conclusiva.

Lembrar que ao retirar o sensor de oxigênio, para instalar a sonda do analisador, o controle da mistura não mais será em malha fechada.

Nota: Não existindo no mercado ferramenta específica para a instalação do rebite, há a possibilidade de utilizar uma rebitadeira manual (tipo tesoura) para rebites M8 ou M10. 

No entanto, a furação do escapamento pode resultar na perda da garantia no caso de veículos que ainda contem com ela. 

2. Método com catalisador frio. Menos preciso que o intrusivo, este método permite fazer uma avaliação aproximada da eficiência. Para isso:

– Aquecer o motor e desligá-lo por, aproximadamente, 15 minutos para promover o esfriamento do catalisador. O motor, no entanto, estará ainda na temperatura de operação ou próximo dela. 

– Com o catalisador ainda frio, ligar o motor e elevar a rotação a 2500 rpm e registrar as concentrações dos gases nos primeiro 10 a 15 segundos. 

Neste caso, o catalisador não entrou ainda em operação, pelo que as concentrações pré e pós-catalisador são similares. Representam os valores pré-catalisador. 

– Para um catalisador em razoável estado de funcionamento, após este atingir a temperatura de acendimento, as concentrações devem começar a diminuir. 

– Registrar as concentrações após a estabilização das leituras. Estes são os valores pós-catalisador. Caso os valores não diminuam, o catalisador está defeituoso.

Necessidade da Avaliação da Eficiência

A norma utilizada atualmente nos programas de I/M não legisla sobre a eficiência mínima aceitável. Somente são considerados os níveis máximos de emissões.

Portanto, a avaliação da eficiência de conversão faz-se necessária somente nos casos em que haja suspeita de que o catalisador seja a causa de:

– Não atendimento dos níveis máximos acima citados

– Problemas de dirigibilidade do veículo

Outros Métodos

Existem outros métodos indiretos para avaliação da eficiência, relativamente mais simples, mas, imprecisos. Entre eles:

– Incremento de temperatura entrada/saída: somente indica se o catalisador atingiu a temperatura de “light-off” (supostamente 50% de eficiência); em outras palavras, este método somente indica se o catalisador está funcionando ou não.

– Teste de CO2 durante a partida: com o catalisador já quente, verificar o aumento de CO2 (superior a 12%) no escape, com o sistema de ignição desabilitado e dando partida durante 10 segundos. Somente avalia a capacidade de converter HC sem dar valores sobre a real eficiência de conversão para os 3 poluentes.

Eficiência de Conversão em Sistemas OBD II

Como mostra a figura 3, os sistemas de controle do motor que aderem ao padrão OBDII possuem, pelo menos, 2 sensores de oxigênio.

Aquele instalado antes do catalisador é utilizado para o controle da mistura e apresenta oscilações em torno de lambda=1, quando o motor trabalha com rotação estabilizada na marcha lenta e nas cargas parciais.

O sensor posterior é utilizado para avaliar a eficiência de conversão. Normalmente não apresenta oscilações acentuadas. Isto é devido ao fato que o catalisador (em bom estado de funcionamento) armazena oxigênio, quando o gás de escape contém excesso de O2 (queima de mistura pobre) e libera oxigênio, quando o gás de escape não contém O2 (queima de mistura rica).

A figura 4 mostra os sinais de ambos os sensores para os casos de eficiências acima e abaixo do limite.

Portanto, nos sistemas OBD II é possível, em princípio, dispensar o uso do analisador de gases para diagnosticar perda de eficiência de conversão já que, nesse caso, é a UC do motor que detecta tal situação e grava o código correspondente. 

Os códigos OBDII genéricos que identificam catalisador com eficiência abaixo do limite são:

– P0420/P0430: para o sistema catalítico como um todo; ou para o caso de um único catalisador convencional para cada banco (banco #1/banco #2)

A norma OBDII estabelece que todo sistema ou dispositivo relacionado com as emissões deve ser verificado pelo menos, uma vez a cada ciclo de operação do veículo.

Para este fim a norma especifica os monitores OBDII, entre os quais, o Monitor do Catalisador tem por função verificar a eficiência e estado do catalisador de 3 vias.

No caso de um catalisador com alta eficiência, quando a mistura é mantida rica ou pobre por um tempo maior que o normal, o catalisador se “sobrecarrega” e perde, temporariamente, a sua capacidade de armazenar/liberar oxigênio.

A figura 5 ilustra este conceito. Reparar que, enquanto a sonda pré-catalisador oscila com a frequência normal (uma ou duas oscilações por segundo), a sonda posterior apresenta baixa atividade.

Já quando a mistura é mantida rica ou pobre durante um tempo maior que o normal, o sinal da sonda pré-catalisador diminui a frequência de oscilação. Em ambos os casos, o catalisador resulta «sobrecarregado», e não consegue nem armazenar oxigênio, quando a mistura é pobre, nem liberar oxigênio, quando a mistura é rica. O resultado é que o sinal da sonda posterior segue, com certo atraso, as variações da sonda pré-catalisador. 

Quanto maior o atraso, maior é a capacidade de armazenamento e, portanto, maior a eficiência.

– A figura 5 mostra o caso de um catalisador com alta capacidade de armazenamento.

– A figura 6 mostra o caso de um catalisador degradado, com eficiência baixa. Neste caso, também é baixa a capacidade de armazenar oxigênio pelo que a sonda posterior acompanhará as variações da sonda pré-catalisador com atraso mínimo, ainda que com uma amplitude menor.

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