A presente matéria tem por objetivo salientar as emissões associadas ao processo de combustão e que podem ter sua origem:
- Nos gases presentes no escapamento. São as emissões resultantes do processo de combustão, o qual nunca é perfeito. Seja devido a deficiências de projeto, ou desregulagem do motor, os gases de escape possuem, sempre, uma proporção de componentes poluentes.
- Na evaporação do combustível do tanque e da cuba do carburador, provocada por temperatura ambiente elevada e nos vapores de combustível despejados durante o reabastecimento. São as denominadas emissões evaporativas, presentes principalmente, em motores de ciclo Otto.
- Nos vapores de combustível acumulados no cárter. O sistema de ventilação positiva do cárter (PCV) re-circula esses vapores e os integra à mistura através do filtro de ar. Anteriormente (até os anos 60) estes vapores se constituíam em mais uma fonte de poluição, já que eram despejados na atmosfera. Este vazamento acontece durante o ciclo de compressão em motores de ciclo Otto convencionais e naqueles com injeção direta (GDI) quando funcionando com mistura homogênea.
Nos motores de ciclo Diesel, assim como nos de ciclo Otto GDI (durante o funcionamento com mistura estratificada) o vazamento é aquele do HC acumulado nas paredes do cilindro (por resfriamento) e entre a cabeça do pistão e o primeiro anel.
Combustão e Emissões
Entre os componentes presentes nos gases de escape de um motor de combustão interna, a figura 1 apresenta os mais significativos:
Monóxido de carbono (CO), Dióxido de carbono (CO2), Combustível residual (HC), Óxidos de nitrogênio (NOx), Vapor de água (H2O), Dióxido de enxofre (SO2), Nitrogênio livre (N2), Oxigênio livre (O2), Material particulado (MP), Aldeídos.
Lembrar que uma combustão completa produz em teoria, água (H2O) e dióxido de carbono (CO2) no escape. O nitrogênio (N2), e outros gases contidos no ar passam inalterados pelo processo de combustão. Por outro lado, uma combustão incompleta produz gases poluentes, os quais têm um grande impacto na saúde e no meio ambiente. São os mais importantes:
- CO: Impacto na saúde
- HC: Formação do “smog” fotoquímico (névoa seca)
- NOx: Formação do “smog” fotoquímico (névoa seca) e “chuva ácida”; impacto na saúde
- MP: Impacto na saúde
- CO2: Impacto nas mudanças climáticas (efeito estufa)
- SO2: Formação de “chuva ácida”
• Monóxido de carbono (CO): É o resultado da combustão incompleta ou parcial de misturas ricas. Portanto, não havendo combustão, não haverá formação de CO. É um gás bastante poluente. A respiração de ar num ambiente fechado com 0.3% de CO (em volume) pode provocar a morte em 30 minutos.
• Hidrocarbonetos (HC): É combustível não queimado que resulta da admissão de misturas ricas ou de falhas de combustão, isto último, quando não acontece a ignição da mistura. Ainda em condições normais, nenhum motor consegue queimar todo o combustível contido na mistura.
Nas paredes do cilindro, sempre mais frias, parte do combustível é condensada por causa do resfriamento alterando assim o teor da mistura nessa região. Devido a este fato, quando a frente de chama atinge as paredes do cilindro, desaparece deixando uma pequena quantidade de combustível sem queimar. Este problema é mais evidente em motores de ciclo Otto, que admitem mistura durante o ciclo de admissão. A emissão de HC é um fator importante na formação de ozônio na baixa atmosfera.
Nota: O ozônio formado na baixa atmosfera (até 1000 metros de altitude) é o principal componente do “smog” ou névoa seca, que provoca a destruição do tecido pulmonar.
• Óxidos de nitrogênio (NOx): O nitrogênio, que deveria passar inalterado pelo processo de combustão, reage com o oxigênio, por causa das altas temperaturas na câmara de combustão (superiores a 1300ºC/1400ºC), formando os óxidos de nitrogênio. Geralmente se apresentam com maior ênfase em motores sob carga.
Assim, qualquer condição que provoque um aumento excessivo da temperatura, na presença de oxigênio, produzirá níveis excessivos de NOx. Estes são também componentes importantes na formação de ozônio.
• Material particulado: Refere-se a um dos principais poluentes emitido pelos motores Diesel e responsável pela fumaça preta. Praticamente irrelevante em motores ciclo Otto.
O particulado é constituído por todas as substâncias microscópicas, à exceção da água, que em condições normais se apresentam como sólidos (carvão, compostos de enxofre, cinzas metálicas) ou líquidos no escapamento. Basicamente é constituído de micro-esferas de carbono (C) sobre as quais se condensam hidrocarbonetos (HC) provenientes do combustível e do lubrificante
A quantidade e composição do material particulado dependem do processo de combustão e da qualidade do combustível.
Nota: Cabe lembrar que alguns autores diferenciam material particulado, constituído de micropartículas não visíveis, da fumaça, constituída basicamente, de partículas de carvão (visíveis).
• Dióxido de enxofre (SO2): Gerado a partir do enxofre presente no combustível, principalmente, no óleo diesel. Em veículos com catalisador, o dióxido de enxofre reage com o vapor de água e finalmente, com o hidrogênio para formar SO3 (trióxido de enxofre) com cheiro bastante desagradável. Resulta mais evidente quando o motor trabalha admitindo mistura rica. Por sua vez, o SO3, pela sua afinidade com a água, dá lugar à formação de H2SO4 (ácido sulfúrico) que constitui a chamada “chuva ácida”.
• Dióxido de carbono (CO2): No motor ciclo Otto, a concentração máxima se dá na condição de combustão estequiométrica perfeita. Já o motor ciclo Diesel, por trabalhar principalmente, com mistura pobre, pode emitir até 25% menos que o de ciclo Otto (gasolina).
O CO2, juntamente com o vapor de água e o gás metano (CH4), são os principais componentes dos gases de efeito estufa.
Nota: Efeito estufa: A maior parte da energia do sol é irradiada na forma de luz que não é absorvida pela atmosfera e assim, aquece a terra. A terra quente irradia calor para a atmosfera na forma de radiação infravermelha que é absorvida pelos gases de efeito estufa o que evita o seu esfriamento. Quando em excesso, provocam o sobreaquecimento da atmosfera.
• Aldeídos: São gases irritantes do sistema respiratório. Promovem a formação de formaldeídos, os que podem ser causa de doenças como asma. Presentes em maior proporção nos gases de escape resultantes da combustão de álcool combustível.
Conclusão
De forma geral, a redução das emissões em motores de combustão interna requer basicamente:
Tecnologias avançadas aplicadas ao motor
• Projeto da câmara de combustão.
• Controle preciso da injeção (ciclo Diesel): Preparação da mistura e avanço da injeção.
• Controle preciso da ignição (ciclo Otto).
• Admissão de ar com indução forçada.
• Sistema de recirculação de gases de escape (EGR).
• Sistema de injeção de ar secundário (ciclo Otto).
• Sistema de recuperação das emissões evaporativas (ciclo Otto).
Tecnologia integrada de pós-tratamento
• Catalisador oxidante, para as emissões de HC e CO (ciclo Diesel).
• Filtro de material particulado (ciclo Diesel).
• Catalisador seletivo redutor (SCR), para as emissões de NOx (ciclo Diesel).
• Catalisador adsorvente de NOx ou catalisador acumulador de NOx (ciclo Diesel e Otto).
• Catalisador de 3 vias (ciclo Otto).
Combustível com baixo teor de enxofre [S]
Humberto Manavella é autor dos livros "Emissões Automotivas", "Controle Integrado do Motor", "Eletroeletrônica Automotiva"
e "Diagnóstico Automotivo Avançado".
Mais informações: (11) 3884-0183 www.hmautotron.eng.br