Monitor do Catalisador de 3 Vias no ciclo Otto contribui com a redução de emissões de gases

A presente matéria analisa a funcionalidade do monitor do catalisador de 3 vias. Como mostrado na figura 1, no catalisador de 3 vias se processam as seguintes reações químicas:

- Oxidação do CO (monóxido de carbono) e do HC (hidrocarbonetos), que se transformam em CO₂ (dióxido de carbono) e H₂O (água).

- Redução dos NOx (óxidos de nitrogênio), que se transformam em O₂ (oxigênio livre) e N₂ (nitrogênio livre).

Eficiência de Conversão

O processo de oxidação é favorecido pele presença de oxigênio nos gases de escape. Por sua vez, o processo de redução resulta mais eficiente quando existe mínimo conteúdo de oxigênio nos gases de escape.

Assim, verifica-se que o catalisador atinge o índice de maior eficiência de conversão quando processa gases de escape resultantes da queima de misturas com fator Lambda próximo de 1; entre 0.98 e 1.2. Este intervalo denomina-se "janela de máxima eficiência de conversão". Um catalisador em bom estado apresenta eficiência superior a 90% ou 95%.

Como se observa na figura 2, o processo do catalisador é uma solução de compromisso:

- Para mistura admitida pobre, há uma sensível diminuição do CO e HC (efeito oxidante).

- Para mistura admitida rica, há máxima diminuição de NOx (efeito redutor).

Monitoramento da Eficiência de Conversão

O monitoramento é realizado através do Monitor do Catalisador, e é executado uma vez a cada ciclo de condução.

Como mencionado, um catalisador em bom estado apresenta eficiência superior a 90% ou 95%. Quando a eficiência cai abaixo de 65%, com o veículo rodando a velocidade constante, entre 50 km/h e 80 km/h, o catalisador é considerado defeituoso. Estes valores podem mudar de acordo com as regulamentações ambientais, as quais são atualizadas assim que a tecnologia evolui.

Capacidade de Armazenamento de Oxigênio

O catalisador de 3 vias apresenta uma característica denominada “capacidade de armazenamento de oxigênio“ que é utilizada para avaliar a eficiência catalítica de conversão de HC em CO₂ e H₂O. Parte-se do princípio que se a eficiência de conversão de HC é satisfatória, as correspondentes ao CO e NOx também o são.

Para ajudar no processo de conversão, o catalisador de 3 vias contêm um metal de base (Cério) que possui a propriedade de armazenar o excesso de O₂ produzido pela combustão de mistura pobre e liberá-lo quando da combustão de mistura rica. Esta capacidade é um fator estabilizador da quantidade de oxigênio presente na saída do catalisador e também contribui para o aumento da efetividade da ação dos outros metais nobres que o compõem.

Na medida em que o catalisador vai-se degradando e perdendo eficiência, sua capacidade de armazenamento de oxigênio também diminui. Nesse caso, a quantidade de oxigênio na saída do catalisador apresenta oscilações similares àquelas verificadas na entrada do mesmo. Verifica-se, portanto, uma correlação entre capacidade de armazenar e liberar oxigênio e a eficiência de conversão.

Sensor de Oxigênio Pós-catalisador

O padrão OBDII prevê o uso de um segundo sensor de O₂ (fig.3), instalado após catalisador (sensor pós-catalisador). Este é utilizado no monitoramento da eficiência de conversão.

A função do sensor posterior é a de detectar as variações de concentração de oxigênio na saída do catalisador. O nível das variações ou nível de atividade da sonda posterior é utilizado para avaliar a capacidade de armazenamento de oxigênio, ou seja, para avaliar a eficiência de conversão.

Normalmente, o sinal do sensor posterior não apresenta oscilações acentuadas no caso de um catalisador em bom estado de funcionamento. Assim, o catalisador funciona como um "filtro", eliminando as oscilações acentuadas de concentração de O₂ na sua entrada.

A figura 3 mostra os sinais das sondas pré e pós-catalisador para os casos de alta e baixa eficiência.

Um catalisador em bom estado de funcionamento apresenta na saída uma concentração de oxigênio bastante estável, que se manifesta em um valor de tensão mais ou menos constante do sinal do sensor posterior. Este valor pode ser superior a 450 mV, indicando a admissão de mistura rica ou inferior a 450 mV, indicando mistura pobre. Lembrar que o catalisador não modifica o fator Lambda da mistura admitida. Portanto, o sinal recebido da sonda posterior pode ser utilizado, também, para realizar o ajuste fino da mistura admitida.

Por outro lado, um catalisador com eficiência comprometida apresenta na saída oscilações de concentração similares às da entrada, indicando que o catalisador perdeu parte da sua capacidade de armazenar e liberar oxigênio.

No entanto, no caso de um catalisador com alta eficiência, quando a mistura é mantida rica ou pobre por um tempo maior que o normal, o catalisador se "sobrecarrega" e perde, temporariamente, a sua capacidade de armazenar/liberar oxigênio.

A figura 4 ilustra este conceito. Reparar que, enquanto a sonda pré-catalisador oscila com a freqüência normal (uma ou duas oscilações por segundo), a sonda posterior apresenta baixa atividade.

Já, quando a mistura é mantida rica ou pobre durante um tempo maior que o normal, o sinal da sonda pré-catalisador diminui a freqüência de oscilação. Em ambos os casos, o catalisador resulta "sobrecarregado", e não consegue nem armazenar oxigênio, quando a mistura é pobre, nem liberar oxigênio, quando a mistura é rica. O resultado é que o sinal da sonda posterior segue, com certo atraso, as variações da sonda pré-catalisador. Quanto maior o atraso, maior é a capacidade de armazenamento e, portanto, maior a eficiência.

-  A figura 4 mostra o caso de um catalisador com alta capacidade de armazenamento.

-  A figura 5 mostra o caso de um catalisador degradado, com eficiência baixa. Neste caso, também é baixa a capacidade de armazenar oxigênio, pelo que a sonda posterior acompanhará as variações da sonda pré-catalisador com atraso mínimo, ainda que com uma amplitude menor.

Critérios de Habilitação

As condições prévias a serem observadas para a execução do monitor são:

- Motor a temperatura normal de funcionamento.

- Sistema funcionando em malha fechada. Para isto é verificado o sinal do sensor de O₂ pré-catalisador.

- Rotação e pressão de coletor (MAP) indicando estado de carga parcial estabilizada.

O valor da relação ar/combustível (valor calculado) é verificado para evitar que o monitor seja executado em condição de:

- Enriquecimento durante as acelerações.

- Empobrecimento durante desacelerações.

- Outros modos de operação em que o sistema funciona fora da relação estequiométrica.

No entanto, o monitor pode ser impedido de rodar se existem condições outras que podem causar a detecção de falha inexistente, propiciar resultados imprecisos ou provocar conflito com outros monitores. São estas:

- Código de falha de combustão ou de sensor de O₂ presente.

- Código de defeito no ajuste de combustível presente.

- Sistema operando no modo emergência.

- Monitor de EGR sendo executado.

- Teste intrusivo do ajuste de combustível em execução.

- Monitor do sistema EVAP em execução.

- O motor não funcionou por um período especificado.

- Há código pendente relacionado com as emissões.

Teste Passivo

Como foi visto, a atividade do sensor pós-catalisador é uma medida da capacidade de armazenamento de oxigênio e por conseqüência, da eficiência de conversão. Assim que as condições de habilitação são satisfeitas, o monitor começa a contar o número de comutações (transições rica/pobre e pobre/rica) do sinal das sondas pré e pós-catalisador. Quando atingido um número pré-estabelecido de comutações do sensor pré-catalisador, o acumulado de comutações do sensor pós-catalisador é dividido pelo número total do sensor pré-catalisador. Isto, para computar a "relação de comutação". Assim, supondo que o número pré-estabelecido de comutações do sensor pré-catalisador seja 100:

- Se o acumulado do sensor posterior é 7, a relação resulta igual a 0,07 (7%).

- Se o acumulado do sensor posterior é 95, a relação resulta igual a 0,95 (95%).

Uma "relação de comutação" próxima de 0 (0%) é indicação de alta capacidade de armazenamento de O₂ e conseqüentemente, de alta eficiência de conversão.

Pelo contrário, relações próximas de 1 (100%) apontam para baixa capacidade de armazenamento e baixa eficiência.

Teste Intrusivo

O teste intrusivo é aplicado pelo monitor, para avaliar a eficiência de conversão, quando o monitoramento passivo não resulta conclusivo.

A figura 6 mostra a tela de um osciloscópio com as ondas resultantes da execução do teste intrusivo. Nela é possível observar o gráfico do "tempo de injeção" (tinj) e os sinais dos sensores pré-catalisador (HO2S11) e pós-catalisador (HO2S12), correspondentes a uma seqüência de teste.

Observar a freqüência do sinal da sonda pré-catalisador antes e depois do intervalo de teste. A freqüência é tal que quando a sonda indica mistura pobre, o excesso de oxigênio dos gases é armazenado no catalisador e quando indica mistura rica, o oxigênio é liberado. Com isso, o sinal da sonda pós-catalisador permanece estável, indicando a condição média da mistura admitida.

Já no intervalo de teste, observar as variações lentas e acentuadas do tempo de injeção (tinj). Assim, este fato se reflete em variações lentas do sinal de HO2S11. Portanto, quando o tempo é diminuído, a mistura é empobrecida e a sonda permanece em nível baixo por um tempo maior, durante o qual o catalisador armazena oxigênio.

Depois de um atraso A, se esgota a capacidade de armazenamento pelo que o excesso de O₂ transportado pelos gases de escape passa pelo catalisador sem sofrer modificação e é detectado pela sonda pós-catalisador, cuja tensão assume o nível baixo. De forma similar, quando o tempo de injeção aumenta, enriquecendo a mistura, a sonda pré-catalisador passa ao nível alto.

Nesse momento o catalisador libera o oxigênio armazenado, pelo que a sonda pós-catalisador permanece por certo tempo B ainda, no nível baixo, depois do qual, esgotado o oxigênio armazenado no catalisador, o sinal passa ao nível alto. Os atrasos A e B estão, portanto, relacionados com a capacidade do catalisador de armazenar e liberar oxigênio. Quanto menor o atraso, menor a capacidade e conseqüentemente, menor a eficiência de conversão do catalisador.

Já que, como conseqüência do procedimento acima, pode haver efeitos não desejados na dirigibilidade do veículo, o teste intrusivo deve ser aplicado, por exemplo, com o veículo parado e motor funcionando.