Ciclo Otto Convencional - Para este tipo de motor, que funciona admitindo mistura estequiométrica, a tecnologia de pós-tratamento utilizada já desde os anos ´90 é a do catalisador de 3 vias.
As figuras 1 e 2 mostram as configurações utilizadas em motores em linha e em “V”, com a localização das sondas pré e pós-catalisador segundo especificado pela norma OBDII.
A sonda anterior tem por função auxiliar a UC do motor no controle da mistura. A sonda posterior, por sua vez, é utilizada para o ajuste fino da mistura e para avaliar a eficiência de conversão do catalisador.
Já para atender à especificação “zero de emissões” (especificação ZLEV dos EE.UU.) a configuração utilizada é mais complexa. A figura 3 apresenta como exemplo o sistema de pós-tratamento aplicado em veículos Honda. Neste caso, o baixo nível de emissões é atingido em 3 etapas:
1. Durante a partida com motor frio, através do comando variável (sistema VTEC), uma das válvula de admissão (2 em cada cilindro) tem um curso maior, o que provoca um redemoinho que propicia uma melhor homogeneidade da mistura admitida e com isto uma melhor combustão já na fase fria.
2. O catalisador principal está instalado logo após o coletor de escape com o objetivo de obter uma entrada em funcionamento mais rápida. No entanto, parte das emissões (principalmente de HC) escapa da ação do catalisador de 3 vias, mas, é retida no catalisador adsorvedor de HC. Nesta fase, as emissões de NOx são ainda baixas.
3. Finalmente, o HC não retido no catalisador adsorvedor (de aquecimento mais lento), é convertido no catalisador aquecido eletricamente que entra em funcionamento em poucos segundos.
A figura 4 apresenta a configuração utilizada no Toyota Prius (híbrido) a partir de 2004. O catalisador [1] está instalado logo após o coletor de escape. Por isto último e por ser de volume menor, o seu aquecimento é rápido, entrando em funcionamento em, aproximadamente, 20 segundos.
Ciclo Otto com Combustão de Mistura Pobre
Como mencionado na edição anterior, para evitar os altos índices de formação de NOx durante a operação com mistura pobre, os veículos equipados com motores com “combustão de mistura pobre”, que operam com relações ar/combustível de até 22:1 ou 24:1, incluem um catalisador extra, de armazenamento/redução de NOx, na posição onde normalmente se encontra o catalisador de 3 vias (figura 5).
Este último, por sua vez, está instalado logo após o coletor de escape com o objetivo de reduzir o tempo de entrada em funcionamento, ou seja, o tempo para atingir a temperatura de “light off” ou de 50% de eficiência de conversão.
A figura 6 apresenta o gráfico com a variação de concentração dos gases na saída do catalisador de 3 vias em função do Lambda da mistura admitida. Observar o aumento considerável na concentração do O2 e do NOx para misturas pobres. Por outro lado, para misturas ricas, reparar no excesso de HC e CO.
Assim:
- Quando o motor funciona admitindo mistura estequiométrica ou levemente rica (acelerações, plena carga) o catalisador de 3 vias reduz a emissão dos 3 gases.
- Quando o motor funciona no regime de mistura pobre (excesso de oxigênio nos gases de escape), o catalisador de 3 vias reduz as emissões de CO e HC (funciona como catalisador oxidante) e o catalisador de NOx, aquelas emissões de óxidos de nitrogênio (funciona como catalisador redutor).
A ação oxidante do catalisador de 3 vias cria uma atmosfera pobre em oxigênio, o que favorece ação do catalisador de NOx.
Nestes sistemas:
- A sonda Lambda pré-catalisador é substituída por um sensor de O2 de banda larga. Isto em função do funcionamento com mistura pobre. Lembrar que a informação da sonda Lambda só é útil no controle da mistura em torno da relação estequiométrica.
- Com a informação do sensor de temperatura, a UC opera as fases de injeção. O catalisador de NOx somente armazena óxidos de nitrogênio com temperaturas na faixa de 250OC a 500OC. Dentro dessa faixa a UC comanda os modos homogêneo-pobre e estratificado.
Por outro lado, dentro dessa faixa, o enxofre, na forma de sulfato, tem preferência sobre os nitratos (formados a partir do NOx) pelo que também se acumula no catalisador. Ou seja, durante as fases estratificada e homogênea-pobre o catalisador armazena NOx e enxofre. Para retirar este último, a UC inicia o processo de dessulfatação (regeneração) durante o qual, a temperatura deve alcançar a faixa de 650OC.
- O sensor de NOx é utilizado para determinar os ciclos de regeneração do catalisador. Durante o processo de regeneração, o sistema passa do modo estratificado para o homogêneo levemente rico. Num comportamento típico, o ciclo de armazenamento pode demandar 90 seg. e o de regeneração, 2 seg.
1. Quando ultrapassado o nível máximo de NOx, a UC do motor inicia um ciclo de regeneração já que esta situação sinaliza que a capacidade de armazenamento de NOx foi excedida.
2. Se o nível máximo é ultrapassado em intervalos de tempo decrescentes, a UC do motor inicia um ciclo de regeneração de enxofre já que esta situação sinaliza que o catalisador está saturado desse elemento. Para isto, a temperatura dos gases de escape, na entrada do catalisador, deve aumentar para a faixa de 650OC. Esta condição é atingida atrasando o ponto de ignição no modo homogêneo com o que ainda há combustão com a válvula de escape aberta. Portanto, combustíveis com baixo teor de enxofre ampliam os intervalos de regeneração de NOx.
O exemplo da figura 4 salienta o fato que o sensor de NOx está associado a um módulo de controle que transfere as informações para a UC do motor, através da rede CAN.