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.