Tecnologias de pós-tratamento em motores ciclo Otto – Eficiência de conversão

Como é de conhecimento do reparador, o catalisador de 3 vias 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 (mistura estequiométrica). 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 1, o processo do catalisador de 3 vias 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).

EFICIÊNCIA DE CONVERSÃO

Em motores que aderem ao padrão OBD II, a eficiência de conversão é monitorada pela UC através do Monitor do Catalisador que é executado uma vez a cada ciclo de condução.

Nota: Em OBD II, o ciclo de condução é definido como o intervalo de funcionamento no qual é dada a partida com motor “frio” e na seqüência, o veículo é conduzido até atingir a temperatura normal de funcionamento. O próximo ciclo de condução só começará após o motor ser desligado, atingir novamente o estado de “motor frio” e na seqüência ser ligado. 

Como mencionado, um catalisador em bom estado apresenta eficiência superior a 90% ou 95%. Quando a eficiência cai por debaixo 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 que são atualizadas assim que a tecnologia evolui.

ARMAZENAMENTO DE O2

O catalisador de 3 vias apresenta uma característica denominada “capacidade de armazenamento de oxigênio“ que é utilizada para avaliar a eficiência de conversão do 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 contém 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 característica 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. Estas oscilações, na concentração de oxigênio, são resultantes do processo de controle da mistura em malha fechada. Verifica-se, portanto, uma correlação entre capacidade de armazenar e liberar oxigênio e a eficiência de conversão. Uma alta capacidade de armazenamento de oxigênio é indicação de um bom catalisador. Uma baixa capacidade, pelo contrário, caracteriza um catalisador defeituoso.

SENSOR PÓS-CATALISADOR

Para o monitoramento da eficiência de conversão, o padrão OBDII prevê o uso de um segundo sensor de O2, após o catalisador (sensor pós-catalisador), além da sonda pré-catalisador, já utilizada no controle da mistura em circuito fechado (fig. 2)

Nesta configuração, 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.

A figura 2 mostra os sinais das sondas pré e pós-catalisador para os casos de alta e baixa eficiência.

Um catalisador em bom estado de funcionamento (90%-95% de eficiência na conversão de HC) 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.

Assim, o catalisador funciona como um “filtro” eliminando as oscilações acentuadas de concentração de O2 na sua entrada. 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 (65% de eficiência para HC) apresenta na saída, oscilações de concentração similares às da entrada. Conseqüentemente, o sinal da sonda posterior varia de forma bastante perceptível, indicando que o catalisador perdeu parte da sua capacidade de armazenar e liberar oxigênio. 

Portanto, nos sistemas OBDII seria possível, em princípio, dispensar o uso do analisador de gases para diagnosticar a perda de eficiência de conversão já que neles, é a unidade de comando do motor que detecta tal situação e grava o código correspondente.

Como foi visto, no caso de um catalisador com alta eficiência de conversão, o sinal do sensor pós-catalisador deve apresentar atividade reduzida. No entanto, 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 3 ilustra este conceito. Reparar que, enquanto a sonda pré-catalisador oscila com a freqüência normal, 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”, ou seja, a partir de certo ponto, 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 como conseqüência, maior a eficiência de conversão.

- A figura 3 mostra o caso de um catalisador com alta capacidade de armazenamento.

- A figura 4 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 e como resultado, a sonda posterior apresentará um nível de atividade significativo, acompanhando as variações da sonda pré-catalisador.

Reparar, em ambos os casos, na significativa diferença nos atrasos.