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Monitor do Catalisador com sistema Adsorvente de NOx – LNT Lean NOx Traps

Para atender aos limites de emissões, os motores funcionam com mistura reduzida de combustível ou “mistura pobre” e isso eleva a temperatura na câmara de combustão, o que possibilita a formação de NOx

Por Humberto Manavella

As tecnologias atualmente utilizadas para o controle das emissões de NOx são:

- Recirculação dos gases de escape – EGR (Otto e Diesel);

- Catalisador redutor seletivo – SCR (Diesel);

- Catalisador adsorvente de NOx - LNT (Otto e Diesel);

- Catalisador de NOx – LNC (Otto e Diesel);

- Catalisador redutor seletivo – SCR-HC (Diesel).

Catalisador Adsorvente de NOx - LNT

O objetivo deste catalisador é o de "reduzir" o NOx a seus componentes básicos: O2 (oxigênio livre) e N2 (nitrogênio livre). Como será visto a seguir, também funciona como catalisador oxidante do CO e HC.

A temperatura de operação está na faixa de 200OC a 500OC.

O catalisador de armazenamento/redução 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. Funcionam como agentes de armazenamento (adsorção) de NOx.

Aplicação

Encontra aplicação tanto em motores de ciclo Otto com "combustão de mistura pobre" (GDI) como em motores diesel os que normalmente trabalham pobres.

Funcionamento

O princípio de funcionamento se baseia no mecanismo de adsorção do NOx pelo agente catalisador que pode ser bário (Ba), titânio (Ti) ou potássio (K).

Nota:  Adsorção é o mecanismo pelo qual as moléculas de um fluido (gás ou líquido) se aderem à superfície de uma substância sólida. Os sólidos porosos, como o carvão, são bons adsorventes.

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. O processo de regeneração requer previamente, a eliminação do excesso de O2 no escapamento, provocado pela combustão de mistura pobre e isto, durante um curto período de tempo. A regeneração pode ser realizada enriquecendo a mistura ou injetando combustível diretamente no escapamento, antes do catalisador, para consumir o excesso de O2.

Fase de adsorção ou acumulação: Durante o funcionamento com mistura pobre, os gases contêm uma alta porcentagem de NOx e O2. Ao entrar no catalisador de NOx (os NOx formados basicamente, por NO e NO2) 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. Esta fase dura entre 60 e 120 segundos.

Fase de regeneração: 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). Esta fase dura entre 2 e 5 segundos.

Nota: Em função da maior afinidade com o agente de armazenamento (bário), o enxofre contido no combustível ocupa o lugar do NOx, provocando a saturação do catalisador e a necessidade da sua regeneração. Portanto, no caso de combustíveis com alto teor de enxofre, faz-se necessário a utilização de um catalisador de enxofre após o catalisador de armazenamento/redução de NOx.

Regeneração do Catalisador de Armazenamento/Redução de NOx

O sensor de NOx (presente nos sistemas de pós-tratamento de motores com combustão de mistura pobre, Otto e Diesel) é utilizado para determinar os ciclos de regeneração do catalisador de armazenamento.

Assim, a regeneração ativa é iniciada pela UC com base no sensor de NOx, o qual mede:

1. No fim da fase de acumulação (catalisador saturado), o aumento da concentração de NOx.

2. No fim da fase de regeneração, a ausência de NOx armazenado (finalização do ciclo).

 

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 (dessulfatação) já que esta situação sinaliza que o catalisador está saturado desse elemento. O enxofre é armazenado como sulfato de bário, evitando a acumulação do NOx.

O processo de dessulfatação é similar ao de regeneração do catalisador só que a uma temperatura maior; isto, em função de que o sulfato adsorvido (resultante do enxofre contido no combustível) é mais estável que o nitrato adsorvido (resultante do NOx contido nos gases de escape).

Para isto, a UC promove o enriquecimento da mistura para elevar a temperatura no catalisador acumulador até a faixa de 500oC a 600OC, temperatura esta em que o sulfato de bário se decompõe liberando SO2. Neste processo, a temperatura deve ser convenientemente controlada para evitar a formação de sulfeto de hidrogênio (SH2) ou gás sulfídrico.

No caso de motores diesel que utilizam combustível com alto teor de enxofre, um catalisador de SH2 é instalado após o catalisador de NOx para converter qualquer resto daquele gás poluente.

No motor diesel o aumento de temperatura se consegue com a pós-injeção. No caso do motor ciclo Otto com combustão de mistura pobre, o recurso utilizado é passar ao modo homogêneo e atrasar o ponto de ignição. Também, o aumento pode ser obtido com injeção de combustível no escapamento. Na condição de alta rotação e carga, a dessulfatação ou dessulfuração é automática.

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 se encontra o catalisador de 3 vias (figura 1).Figura 1

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.

Lembrar que, para misturas pobres, há um aumento considerável na concentração de O2 e de NOx. Por outro lado, para misturas ricas, há 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.

A figura 2 apresenta um exemplo de aplicação do catalisador adsorvente em motores GDI (injeção direta).

-  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, 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 desulfatação 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.

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

O exemplo da figura 2 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.

Figura 2

Ciclo Diesel

Como exemplo, a figura 3 apresenta a configuração utilizada em veículos VW. A figura mostra como o catalisador adsorvente se integra no sistema de pós-tratamento.
Como no caso do motor de ciclo Otto, o sensor de NOx é utilizado para determinar os ciclos de regeneração do catalisador. No lugar do sensor de NOx, alguns sistemas utilizam um sensor de O2 de banda larga. No entanto, a avaliação da capacidade de armazenamento (que caracteriza a eficiência do catalisador) se torna menos precisa pelo que esta solução pode não atender às regulamentações atuais.

Figura 3

No caso de utilizar sensor de O2 no lugar do sensor de NOx, a quantidade de NOx armazenada é calculada indiretamente, em função das características de projeto do catalisador, das condições de funcionamento do motor e do fluxo de gases de escape. Por ser um valor calculado (não ser o resultado da medição direta da concentração de NOx na saída do catalisador), este procedimento de avaliação da capacidade de armazenamento pode não atender às especificações atuais.

Durante o período de armazenamento, tanto o sensor de O2 pré-catalisador (o qual pode estar instalado na saída do turbo, como na figura) como o sensor pós-catalisador, indicam mistura pobre. Ao atingir a capacidade máxima de armazenamento, a UC inicia um ciclo de regeneração enriquecendo a mistura. Nessa situação, o sensor pré-catalisador passa a indicar mistura rica entanto que o sensor pós-catalisador continua indicando mistura pobre. Quando todo o NOx armazenado é reduzido, o sensor pós-catalisador passa a indicar mistura rica da mesma forma que o sensor pré-catalisador. Nesse instante, a UC finaliza o ciclo de regeneração e o motor passa a funcionar novamente, na condição de mistura pobre.

O tempo entre o início do ciclo de regeneração e o instante em que o sensor pós-catalisador indica mistura rica resulta proporcional à quantidade de NOx que foi armazenado durante o período prévio, de operação com mistura pobre. Assim, na medida em que a capacidade de adsorção diminui, o tempo de passagem de mistura pobre para rica, do sensor pós-catalisador, diminui na mesma proporção.

Funcionalidade do Monitor do Catalisador de Armazenamento/Redução de NOx

O monitor deve detectar falhas antes que as emissões de NOx excedam o limite especificado pela regulamentação vigente para o modelo analisado. Para isto, o monitor deve:

  • Verificar a capacidade de adsorção de NOx. Esta capacidade é um valor de projeto, função do sistema no qual é aplicado o catalisador.
  • Detectar insuficiente injeção ativa/intrusiva de HC para conseguir a regeneração efetiva do catalisador.
  • Verificar o controle em malha fechada da injeção ativa/intrusiva, detectando:
  • Falha que impede o sistema de funcionar em malha fechada.
  • Falha que faz o sistema passar a funcionar em malha aberta. Ou seja, o sistema estava funcionando em malha fechada, mas, um defeito o fez passar a operar em malha aberta
  • Falha quando a autoridade do monitor para o funcionamento em malha fechada atingiu o limite. Ou seja, foi atingido o limite de injeção ativa/intrusiva e o nível de NOx na saída ainda é elevado indicando regeneração incompleta ou catalisador com baixa eficiência. Pode também dever-se a injeção insuficiente para obter a regeneração completa do catalisador.

Eficiência de Conversão

O cálculo da eficiência de conversão é feito com base na concentração de NOx medida com os sensores pré e pós-catalisador durante a fase de adsorção.

Controle em Malha Fechada

Basicamente, é o controle durante a fase de regeneração, ajustando o enriquecimento da mistura (ciclo Otto) ou a pós-injeção (ciclo Diesel) ou ainda, a quantidade de combustível injetada no escapamento.  Isto, para obter a temperatura necessária à regeneração de NOx ou de enxofre.

 

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