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Diferenças: sistemas e estratégias para o controle de emissões de NOx – EGR externos e interno

Conheça em detalhes o princípio do processo de redução de emissão do gás NOx, e as estratégias que mais se adaptam às diferentes configurações de motores a combustão

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Por Humberto Manavella


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Figura 1As emissões de NOx atingem seu máximo nível quando o motor funciona com misturas levemente pobres, próximas da estequiométrica (figura 1). Nesta condição a temperatura máxima na câmara pode superar os 1300° C o que propicia a reação de oxidação do nitrogênio, gerando os NOx.

Nos motores de ciclo Otto convencional, o controle preciso da mistura, em torno da ideal, não resolve totalmente o problema deste tipo de emissão. Na situação de regulamentações mais restritivas, a solução consiste na recirculação dos gases de escape associada ao pós-tratamento com catalisador de 3 vias.

Nos motores de ciclo Otto GDi (injeção direta), por trabalharem com mistura estequiométrica e pobre, a solução consiste no pós-tratamento com catalisador de 3 vias e catalisador adsorvente de NOx e/ou sistema de recirculação dos gases de escape.

Nos motores de ciclo Diesel as emissões de NOx são menores, mas, em função de trabalhar com mistura pobre, não é possível a utilização do catalisador de 3 vias, já que este exige a combustão de mistura em torno da estequiométrica, para assegurar máxima eficiência de conversão. 

Assim, no motor diesel, a solução consiste na recirculação dos gases de escape e no pós-tratamento utilizando algum dos tipos disponíveis de catalisadores de NOx.

A figura 1 mostra a curva de emissão de NOx e as faixas de trabalho de ambos tipos de motores.

Tanto em Otto como em Diesel, os recursos utilizados atualmente, para diminuir a emissão de NOx, são: 

1) Redução da temperatura máxima de combustão; 

2) Pós-tratamento dos gases de escape. 

Na presente matéria é analisado um dos recursos utilizados para diminuir a temperatura de combustão, que consiste na redução da quantidade admitida de ar e com isto, a quantidade de O2, o que promove uma combustão mais controlada com pressão efetiva menor. 

Neste caso, para diminuir a quantidade de ar admitida no cilindro, a mistura deve ser diluída com algum outro gás inerte (que não participe da combustão) como CO ou CO2. Em função de estes estarem presente nos gases de escape, a solução encontrada foi re-circular ou reter na câmara uma quantidade controlada destes últimos.

Como os gases recirculados ou retidos substituem igual porcentagem de carga de ar, os cilindros recebem uma quantidade menor desta última, em relação a sua capacidade volumétrica. Assim, a pressão média efetiva e a temperatura máxima da câmara de combustão também diminuem. Como resultado, o motor desenvolve uma potência menor. A temperatura máxima menor tem como conseqüência a diminuição do nível de NOx.

SISTEMA EGR

Surgiu assim, no início da década de 1970, o sistema EGR (do inglês: “Exhaust Gas Recirculation” ou Recirculação dos Gases de Escape), aplicado a motores ciclo Otto (e posteriormente aos de ciclo Diesel) nos quais, uma proporção de até 20% de gases de escape eram integrados à mistura.

Em motores modernos de ciclo Otto a proporção pode chegar a 30% e nos de ciclo Diesel pode atingir 50%.

Desta forma, o sistema EGR pode ser visto como uma outra entrada de fluido para o enchimento do cilindro só que, neste caso, o cilindro admite gás inerte, o que contribui para a perda de desempenho.

Em função da queda de desempenho, em motores ciclo Otto, este procedimento só poderá ser aplicado em condições de carga parcial estabilizada. Se aplicado durante a marcha lenta, produz instabilidade da mesma. Nas acelerações e na plena potência, provoca falha de retomada e afeta o desempenho. Também não é aplicado durante a fase de aquecimento do motor já que nesse caso a combustão é menos estável.

Como mencionado, o resultado da ação EGR é a diluição da mistura presente na câmara, no momento da combustão. Para obter este resultado existem dois métodos:

1. Admitir uma carga previamente diluída no coletor de admissão, com uma proporção de gases de escape recirculados. É o denominado EGR externo.

2. Reter na câmara, uma parte dos gases de escape antes de se iniciar o ciclo de admissão. É o denominado EGR interno.

EGR EXTERNO

A figura 2 apresenta a configuração simplificada do sistema EGR externo, aplicada ao motor de ciclo Otto.

Figura 2

 

No caso do motor Diesel existem 2 configurações possíveis:

- A figura 3 apresenta a configuração correspondente a EGR externo de alta pressão. A principal característica é que os gases, saindo do coletor de escape, são diretamente recirculados para o coletor de admissão.

Figura 3

- A figura 4 apresenta a configuração correspondente a EGR externo da baixa pressão. A principal característica é que os gases recirculados são aqueles de saída do turbo, já com baixa pressão.

Figura 4

Em ambos os casos, os gases são resfriados para melhorar o desempenho do sistema.

EGR INTERNO

Como mencionado, a diluição da mistura (ação EGR) só pode acontecer em condições bem específicas de carga parcial estabilizada. Assim, com base nesta premissa, a retenção de uma parte dos gases produzidos na combustão só é possível em motores com, pelo menos, o comando de exaustão variável. No caso contrário, ou seja, com comando fixo, o efeito EGR afetaria todos os regimes de funcionamento do motor.

Para exemplificar o processo, as figuras mostram o diagrama de calagem de válvulas de um motor de ciclo Otto com comando de exaustão variável, para duas condições de funcionamento.

A figura 5 apresenta uma configuração típica de marcha lenta. Reparar no cruzamento das válvulas de 8º em torno do PMS, em que a válvula de admissão abre em 4º APMS e a de escape fecha em 4º DPMS.

Figura 5

A figura 6 apresenta a configuração para o caso em que o comando de exaustão é adiantado 30º com relação à situação de marcha lenta. Nesta condição, a válvula de escape fecha em 26º APMS e a de admissão continua a abrir em 4º APMS.

Figura 6

Não há, portanto, cruzamento de válvulas. Pelo contrário, durante 22o de giro do virabrequim ambas as válvulas permanecem fechadas. Como resultado, uma parte dos gases de escape é retida dentro da câmara gerando a ação EGR. Em função do pequeno deslocamento do pistão (fim do ciclo de compressão), com velocidade praticamente nula, os gases retidos não sofrem compressão apreciável. 

A quantidade de gases retidos depende do ângulo de avanço do comando de exaustão. Assim, controlando este ângulo a UC consegue ajustar a porcentagem de EGR aplicada.

 

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