Sensor de óxidos de Nitrogênio

A presente matéria, elaborada com informações retiradas de uma futura publicação, tem por objetivo apresentar a constituição interna e funcionamento do sensor de NOx. Este é um componente do sistema de pós-tratamento de veículos a diesel com catalisador SCR e daqueles equipados com motor de ciclo Otto com combustão de mistura pobre e injeção direta (GDI).

Célula de Nernst

O elemento principal dos sensores de O2 e de NOx é a célula de Nernst, formada por um elemento de óxido de zircônio e dois eletrodos de platina ou ródio, nas faces. O óxido de zircônio é uma cerâmica cuja característica é a condução de íons de oxigênio quando uma tensão é aplicada a alta temperatura. Ou seja, permite a passagem de uma corrente elétrica. Este é o princípio de funcionamento das células de injeção ou de bombeamento.

Inversamente, uma corrente elétrica de íons de O2 circula quando há uma diferença de concentração de oxigênio entre as faces do elemento de zircônio. Este é o princípio de funcionamento das células de medição. As propriedades mencionadas se manifestam com a célula em torno dos 400ºC.

Em função da alta temperatura e da ação catalítica dos eletrodos, as moléculas de O2 se dissociam em íons com carga negativa que atravessam o elemento de óxido de zircônio, formando novamente moléculas de oxigênio livre no lado oposto.

Célula de medição

A figura 1 apresenta a configuração básica de uma célula de Nernst de medição. Uma tensão ou diferença de potencial é gerada em resposta a uma diferença de concentração de O2 dentro (câmara de referência) e fora da célula de Nernst. Conhecendo a densidade de O2 em uma das suas faces, é possível medir a existente na outra.

- Diferenças elevadas entre as concentrações de O2 na câmara de referência e nos gases de escape resultam numa alta condutividade do óxido de zircônio (circulação de alta taxa de íons de O2). Neste caso, a tensão entre os eletrodos atinge valores acima de 500 mV. Diferenças elevadas correspondem a gases de escape com baixo conteúdo de O2 (abaixo de 0,3%), resultantes da combustão de mistura rica.

- Diferenças menores resultam em condutividade menor e, com isto, tensões da ordem de 100 mV. Diferenças menores correspondem a gases de escape com alto conteúdo de O2 (acima de 2%) resultantes da combustão de mistura pobre.

- Concentrações da ordem de 0,3% a 2% provocam a variação da tensão entre 100 mV e 900 mV.

Uma concentração próxima de 1% de O2 produz uma tensão de 450 mV aproximadamente.

 

Célula de injeção ou de bombeamento

Nesta configuração (fig. 2), íons de O2 se movimentam, gerando uma corrente elétrica em resposta a uma tensão aplicada entre os eletrodos. A corrente resulta proporcional à tensão aplicada. Desta forma, é possível controlar a densidade de moléculas de O2 na câmara do gás medido em função da tensão aplicada. Para Vm = 450 mV, a concentração de O2 na câmara do gás medido corresponde àquela que resulta da combustão de mistura estequiométrica.

SENSOR DE NOX

Como mostra a figura 3, o sensor é constituído, basicamente, de uma célula de medição e uma outra de bombeamento de duas câmaras nas que, constantemente, se difundem os gases de escape: câmara 1 com eletrodos de platina (oxidante) e câmara 2 com eletrodos de ródio (redutor). O sensor é fabricado com tecnologia planar. Associado ao conjunto há um módulo de controle cujas funções são:

- Medir a tensão Vm da célula de medição e as correntes Ip1 e Ip2.

- Gerar as tensões de V1 e V2 de controle das câmaras da célula de injeção ou bombeamento.

- Controlar o aquecedor do sensor.

- Disponibilizar as informações do sensor na rede CAN.

 

Tensão V1 de controle da câmara 1

Durante a operação, o circuito comparador do módulo ajusta a tensão V1 de forma a estabilizar Vm em 450 mV. Ou seja, manter a câmara 1 com a concentração de oxigênio correspondente à mistura estequiométrica à medida que os gases de escape se difundem nela.

Assim, em função do teor de oxigênio presente nos gases, moléculas de O2 são retiradas ou admitidas na câmara, com o objetivo de manter a concentração dentro dela, no valor correspondente à mistura estequiométrica.

O sentido de circulação dos íons de O2 é determinado pelo valor da tensão V1.

- Com V1 positiva com relação à massa, moléculas de oxigênio são retiradas da câmara.

- Com V1 negativa com relação à massa, moléculas são admitidas na câmara.

A função do circuito comparador é de comparar a tensão da célula de medição Vm com uma tensão de referência Vr1, igual a 450 mV, e ajustar a tensão V1 de forma a estabilizar Vm em 450 mV.

 

Tensão V2 de controle da câmara 2

A tensão V2 (Vr2) é fixa em 450 mV, pelo que a ação na câmara 2 será no sentido de retirar o excesso de O2 gerado pela redução do NO. Esta ação gera a corrente Ip2 de sentido positivo.

 

Operação

Basicamente, a função do sensor pode ser resumida nos seguintes pontos:

 

1. Na câmara 1, pela ação catalítica dos eletrodos de platina:

- O CO e o HC são oxidados e transformados em H2O e CO2.

- O NO2 (presente no NOx) é transformado em NO.

- No caso de combustão de mistura pobre, o excesso de O2 é retirado da câmara, fazendo o eletrodo externo (V1) positivo com relação ao interno e gerando, assim, uma corrente Ip1 de sentido positivo (+).

- No caso de combustão de mistura rica, a falta de O2 é compensada admitindo oxigênio; para isto, o eletrodo externo é feito negativo com relação ao eletrodo interno, gerando, assim, uma corrente Ip1 de sentido negativo (-).

Como resultado do processo, a corrente Ip1, proporcional às moléculas de O2 retiradas ou admitidas na câmara, representa a relação ar/combustível da mistura que produziu os gases de escape.

 

2. Na câmara 2, pela ação catalítica do eletrodo de ródio:

 

- O equilíbrio químico é rompido e o NO é reduzido a N2 e O2. Em função da relação de 1:1, a concentração de O2 representa, portanto, a concentração de NOx nos gases de escape.

- O excesso de O2, resultado da redução do NOx, é bombeado para fora da câmara, gerando a corrente Ip2. Por ser proporcional às moléculas de O2 retiradas, é uma medida da concentração de NOx.

Como mencionado acima, na maioria das aplicações atuais, o sensor é controlado por um módulo que adapta os sinais do sensor às necessidades da UC do motor. Um exemplo é o sensor VDO/NGK UniNox, que fornece as seguintes informações, através do canal de comunicação CAN:

- Concentração de NOx (ppm)

- Concentração de O2 (%)

- Tensão Lambda (0,2V – 0,9)