Controle das Emissões de NOx - EGR Interno

As 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 1300OC o que propicia a reação de oxidação do nitrogênio gerando os NOx.
Nos motores de ciclo Otto, o controle preciso da mistura, em torno da ideal, não resolve o problema deste tipo de emissão. A solução consiste na recirculação dos gases de escape associado ao pós-tratamento com catalisador de 3 vias.

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, a solução consiste na recirculação dos gases de escape e no pós-tratamento, mas, utilizando um outro tipo de catalisador.

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

Um dos recursos utilizados para diminuir a temperatura de combustão 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 recircular 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 dos anos ´70, o sistema EGR (do inglês: “Exhaust Gas Recirculation” ou Recirculação dos Gases de Escape), aplicado a motores ciclo Otto nos quais, uma proporção de até 20% de gases de escape são integrados à mistura.
Em motores modernos de ciclo Otto a proporção pode chegar a 30%. 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 re-circulados. 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 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 com comando de exaustão variável, para duas condições de funcionamento.

A figura 2 apresenta uma configuração típica de marcha lenta. Reparar no cruzamento das válvulas de 8o em torno do PMS, onde a válvula de admissão abre em 4o APMS e a de escape fecha em 4o DPMS.
A figura 3 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.
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.