Catalisador de Armazenamento ou de Redução de NOx utilizados em motores ciclo OTTO e Diesel

Operando em temperaturas na faixa de 200^OC a 500^OC, o catalisador de Armazenamento/Redução de NOx, também conhecido com as denominações de catalisador Adsorvente de NOX ou catalisador Acumulador de NOx, é constituído de forma similar ao de 3 vias, por um substrato cerâmico poroso sobre o qual são depositados os elementos catalíticos.

- Platina: Elemento catalisador oxidante do excesso de HC e CO e redutor de NOx.

- Compostos de bário (Ba), entre outros, que funcionam como agentes de armazenamento (adsorção) de NOx.

Aplicação

Encontra aplicação tanto em motores de ciclo Otto com "combustão de mistura pobre" (basicamente, nos motores de injeção direta GDI) como em motores diesel, os que normalmente trabalham pobres. Nestes casos não resulta possível utilizar o catalisador de 3 vias já que este só apresenta máxima eficiência de conversão durante o funcionamento com mistura estequiométrica. 

Funcionamento

O princípio de funcionamento se baseia no mecanismo de adsorção do NOx pelo agente catalisador que pode ser bário (Ba) ou potássio (K). O exemplo a seguir supõe que o agente de adsorção é bário.

Adsorção é o mecanismo pelo qual as moléculas de um fluido (gás ou líquido) se aderem à superfície de uma substância sólida.

Absorção é o mecanismo de fixação de um gás por um sólido ou um líquido ou de fixação de um líquido por um sólido. A substância absorvida se mistura à substância que absorve.

Cabe salientar que este tipo de catalisador tem uma capacidade limitada de acumulação de NOx pelo que, periodicamente deve ser regenerado.

-  Fase de adsorção ou acumulação (figura 1): Durante o funcionamento com mistura pobre, os gases contém uma alta porcentagem de NOx e O₂. Ao entrar no catalisador de NOx, e pela ação catalítica da platina, o monóxido de nitrogênio (NO) é transformado (oxidado) em dióxido de nitrogênio (NO₂), o qual é "armazenado" como nitrato de bário.

-  Fase de regeneração (figura 2): Quando a unidade de controle do motor determina que a camada de bário está saturada, por alguns segundos enriquece a mistura. Com isto, diminui a quantidade de O₂ e NOx e se eleva a concentração de HC e CO. O NOx armazenado é liberado e a ação catalítica da platina promove a reação química que resulta na formação de CO₂ (dióxido de carbono), H₂O (água) e N₂ (nitrogênio livre).

Reparar que a necessidade de regeneração do catalisador afeta o consumo de combustível. Tipicamente, a fase de adsorção pode levar em torno de 5 a 10 minutos e a de regeneração entre 10 e 30 segundos.

Processo de Acumulação/Redução

Sobre o substrato cerâmico são depositados agentes catalíticos: platina (Pt) para oxidação/redução, e o composto de bário (Ba) para armazenamento.

1. Durante o funcionamento com mistura pobre (alto porcentagem de O₂ e monóxido de nitrogênio NO) (figura 3), a platina promove a reação química (oxidação) que dá como resultado dióxido de nitrogênio (NO₂). Este por sua vez reage com o bário resultando em nitrato de bário (NO₃Ba) que fica adsorvido sobre o agente catalisador. Esta é a fase de acumulação.

2. Durante o funcionamento com mistura rica (fase de redução) (figura 4) o catalisador é regenerado, ou seja, os gases de escape compostos com alta porcentagem de HC e CO, reagem com o nitrato de bário liberando NOx (NO + NO2).

Em contato com a platina:          - O NOx é reduzido a N₂.

- O HC e o CO são oxidados formando CO₂ e H₂O.

Ciclo Otto com Combustão de Mistura Pobre

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 está instalado o catalisador de 3 vias.

Este último, por sua vez, está 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 5 ilustra uma configuração de pós-tratamento típica.

Desta forma:

-  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, 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).

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 250^OC a 500^OC. Dentro dessa faixa a UC comanda os modos homogêneo-pobre e estratificado.

   Por outro lado, para o caso de combustível com enxofre, este, na forma de sulfato, tem preferência sobre os nitratos (formados a partir do NOx) pelo que também se acumula no catalisador. Para retirar o enxofre acumulado, a UC inicia o processo de dessulfatação, durante o qual a temperatura deve alcançar a faixa de 650^OC.

-  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.

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 650^OC. 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.

-  No modo homogêneo o catalisador acumulador opera de forma similar ao de 3 vias.

Em princípio, nos veículos equipados com motores de "combustão de mistura pobre", o catalisador de armazenamento/redução de NOx não é monitorado diretamente. Nestes casos, a recomendação dos fabricantes é no sentido de que, ao ser detectado defeito no catalisador de 3 vias, ambos sejam trocados.

Catalisador DPNR - Toyota

É um conversor integrado (desenvolvido pela Toyota) que conjuga as funções de filtro de particulado e de catalisador acumulador/redutor de NOx. Atualmente, equipa os comerciais leves e veículos de passeio com motor diesel.

A figura 6 apresenta um corte do catalisador com a ampliação de uma porção do substrato totalmente poroso, cuja superfície está recoberta pelos agentes catalisadores que promovem a acumulação/redução do NOx. Estes são a platina e a substância de acumulação (bário; potássio). O material particulado é retido nos poros até a regeneração do filtro.

A figura 7 apresenta uma evolução do conversor em que o DPNR está associado a um catalisador acumulador/redutor de NOx. Este último ajuda a elevar a temperatura dos gases, o que por sua vez serve à dessulfatação do DPNR nos casos em que o combustível possui um teor de enxofre superior a 50 ppm.