Manual Sobre Emissoes Gasosas

ESTUDO DAS EMISSÕES GASOSAS

ÍNDICE

ÍNDICE

ESTUDO DAS EMISSÕES GASOSAS

1. EMISSÕES GASOSAS 11.1. MEDIDAS PARA REDUZIR AS SUBSTÂNCIAS TÓXICAS 21.2. ELEMENTOS QUÍMICOS, COMPONENTES E REACÇÕES 21.3. GASES DE ESCAPE, EMISSÕES E POLUENTES 31.4. EMISSÕES DO SISTEMA DE ESCAPE 31.5. SISTEMA POSITIVO DE VENTILAÇÃO DO CÁRTER 41.6. VENTILAÇÃO DO DEPÓSITO DE COMBUSTÍVEL 41.7. MOTORES A GASOLINA E DIESEL, COMPARAÇÃO DE POLUENTES 41.8. CONTROLO DAS EMISSÕES NOS MOTORES A GASOLINA 4

1.8.1. FORMAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DA MISTURA 51.8.2. COMBUSTÃO 51.8.3. GASES DE ESCAPE DO PROCESSO DE COMBUSTÃO 51.8.4. SISTEMAS DE CONTROLO DE EMISSÃO 51.8.5. CORTE DE COMBUSTÍVEL NA DESACELERAÇÃO 51.8.6. IGNIÇÃO E COMBUSTÃO DA MISTURA 61.8.7. VÁLVULA EGR 61.8.8. GASES DE ESCAPE DA COMBUSTÃO, SISTEMA DE INJECÇÃO DE AR 61.8.9. CONVERSOR CATALÍTICO 71.8.10. CONVERSOR CATALÍTICO DE 3 VIAS 71.8.11. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 71.8.12. INUTILIZAÇÃO DO CATALISADOR 81.8.13. CONTROLO “LAMBDA” 81.8.14. SUBIDA E DESCIDA DAS EMISSÕES NO CONVERSOR CATALÍTICO 9

1.9. GASES DE ESCAPE POR EVAPORAÇÃO E VAPORIZAÇÃO 101.9.1. VENTILAÇÃO POSITIVA DO CÁRTER 101.9.2. VENTILAÇÃO DO DEPÓSITO DE COMBUSTÍVEL 10

1.9.2.1. COMPONENTES 101.9.3. SISTEMA ELECTRÓNICO DE CONTROLO DE EMISSÃO POREVAPORAÇÃO 111.9.4. SISTEMA PNEUMÁTICO DE CONTROLO DE EMISSÃO POREVAPORAÇÃO 11

1.10. EMISSÕES GASOSAS EM MOTORES DIESEL 111.10.1. NOTAS INTRODUTÓRIAS 111.10.2. CARACTERIZAÇÃO DAS EMISSÕES GASOSAS 12

1.10.2.1. COMBUSTÍVEIS 121.10.2.2. PREPARAÇÃO DA MISTURA AR/COMBUSTÍVEL 121.10.2.3. COMBUSTÃO 121.10.2.4. CONSTITUIÇÃO DOS GASES DE ESCAPE DOS MOTORES DIESEL 13

1.10.3. SISTEMAS DE CONTROLO EM EMISSÕES DE MOTORES DIESEL 141.10.3.1. ÁREA DE ACTUAÇÃO DO MOTOR 14

1.10.4. FORMAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DA MISTURA 141.10.4.1. PONTO DE INJECÇÃO 14

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1.10.4.2. DURAÇÃO E LEI DA INJECÇÃO 151.10.4.3. PRESSÃO DA INJECÇÃO 16

1.10.5. SOBREALIMENTAÇÃO 161.10.6. COMBUSTÃO 16

1.10.6.1. DESENHO DA CÂMARA DE COMBUSTÃO 161.10.6.2. RELAÇÃO VOLUMÉTRICA DE COMPRESSÃO 161.10.6.3. AFINAÇÃO DAS VÁLVULAS DE ADMISSÃO E DE ESCAPE 171.10.6.4. RECIRCULAÇÃO DE GASES DE ESCAPE 17

1.10.7. TRATAMENTO SECUNDÁRIO DOS GASES DE ESCAPE 181.10.8. FILTRO PARA A FULIGEM 181.10.9. SEPARADOR ELÉCTRICO 201.10.10. CATALIZADOR 201.10.11. GASES DE ESCAPE DE EVAPORAÇÃO E VAPORIZAÇÃO 21

1.10.11.1. VENTILAÇÃO POSITIVA DO CÁRTER 211.10.11.2. VENTILAÇÃO DO DEPÓSITO DE COMBUSTÍVEL 21

1.10.12. AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DOS SISTEMAS DE CONTROLO DASEMISSÕES 211.10.13. TÉCNICAS DE ANÁLISE DE GASES DE ESCAPE 22

1.10.13.1. LEGISLAÇÃO ANTI-POLUIÇÃO 221.10.13.2. MÉTODOS DE ENSAIO 221.10.13.3. ENSAIOS DE HOMOLOGAÇÃO 231.10.13.4. CICLOS DE CONDUÇÃO E MÉTODOS DE TESTE 231.10.13.5. TESTES DE EMISSÕES DE FUMOS 25

1.10.14. APARELHOS DE MEDIDA 20

1ESTUDO DAS EMISSÕES GASOSAS

1. EMISSÕES GASOSAS

De acordo com as normas europeias, desde o inicio doano de 1993 todas as viaturas a gasolina à venda devemsuperar um ensaio que garanta um baixo nivel deemissões poluentes. Este ensaio só pode serultrapassado por meio de um artifício no escape: uso deum catalisador.

Os motores usados nos veículos geram gases de escapequando queimam combustível para produzir trabalho.

Os gases de escape são também descritos comoemissões, querendo isto significar a expulsão de gasesem geral. Antes de passarem pelo catalisador, os gasesde escape são caracterizados como emissões em bruto.

A gasolina é altamente volátil e evapora à temperaturaambiente, podendo formar-se gases tóxicos e explosivos.Para o evitar, os vapores de combustível são recolhidosnum depósito de carvão e com o motor a trabalhar sãoconduzidos através do sistema de admissão até aoscilindros, para a sua combustão.

Fig. 1

1 “Monolito” de cerâmica2 Material isolante3 Revestimento em aço inoxidável4 Estrutura tipo colmeia em cerâmica ou metal5 Revestimento de óxido de alumínio6 Superfície reactora de metal nobre

Durante o funcionamento do motor são ainda produzidosoutros gases. No cárter gera-se uma mistura compostapelos gases resultantes da combustão que passam pelossegmentos, dos êmbolos e por uma neblina de óleo,resultante dos processos de lubrificação e arrefecimento.Esta mistura gasosa é adicionada ao ar de admissão domotor, através do sistema de ventilação do cárter equeimada.

Estas medidas significam que todas as emissõesgasosas do motor só passam para a atmosfera atravésdo sistema de escape.Nos sistemas de escape actuaisencontra-se um catalisador de três vias controlado, quepurifica os gases de escape. Neste processo, os óxidosde nitrogénio (azoto), altamente tóxicos (NOX), omonóxido de carbono (CO) e os hidrocarbonetos (HC)são, por redução ou por oxidação, convertidos emnitrogénio inofensivo (N2), oxigénio (O2), água (H2O) edióxido de carbono (CO2).

O dióxido de carbono, embora em principio inofensivo, éindesejável, pois é responsável pelo fenómenoatmosférico denominado efeito de estufa.

Fig. 2

1. Catalisador de três vias integrado no coletor de escape2. Sensor de oxigénio (sonda lambda)

Como o catalisador de três vias só se torna eficiente auma temperatura de funcionamento bem acima dos 300ºC, existem motores com um catalisador de aquecimentorápido adicional montado directamente no colector deescape, que atinge muito rapidamente a sua temperaturade funcionamento.

A composição e a quantidade dos gases de escapedetermina a sua influência sobre o meio ambiente.

No caso do motor de combustão interna, a melhorcomposição de gases de escape no que respeita àsemissões gasosas em bruto só é possível quando acombustão alcança um nível optimo. No entanto, taldepende de vários factores como:

- formação da mistura;

- formato da câmara de combustão;

- tipo de combustível;

- compressão

- ponto de ignição;

- temperatura do motor;

- rotação do motor;

- sobreregime;

- carga máxima;

- comando das válvulas; etc.

As condições de funcionamento dos motores decombustão interna dos veículos variam muito. A rotaçãodo motor desde o ralenti a carga máxima e em especiala fase de aquecimento têm grande influência sobre asemissões de gases de escape.

2 ESTUDO DAS EMISSÕES GASOSAS

Fig. 3

1. Alimentação de combustível em circuito fechado2. Recirculação dos gases de escape (EGR)3. Injecção de ar secundário4. Injecção de ar secundário de impulso5. Sistema de controlo das emissões de vapor de combustível6. Ventilação do cárter7. Módulo de controlo do motor

1.2. ELEMENTOS QUIMICOS, COMPONENTES EREACÇÔES

Todos os elementos químicos são referidos comosubstâncias constituídas por átomos homogéneos.

Segundo um padrão internacional que regula adesignação dos elementos, as iniciais dos seus nomeslatinos ou gregos foram escolhidas como símbolosgeralmente válidos.

Alguns dos mais importantes elementos indicam-seabaixo, como exemplo:

Estes elementos raramente se apresentam na sua formapura. Na maior parte dos casos, encontram-se sob a formade compostos.

Em baixo, um dos mais importantes compostos, constituium bom exemplo:

H2O = 2 átomos de hidrogénio + 1 átomo de oxigénio =Água

Ocorrem reacções químicas sempre que:

- os elementos se combinam;

- se produzem outros compostos, a partir de outroscompostos já existentes;

- os compostos se desdobram nos seus elementosindividuais.

Há reacções que requerem energia adicional e outrasque cedem energia.

Uma das mais importantes reacções é:

C + O2 = CO2.

Neste caso, o oxigénio combina-se com o carbono.Sempre que o oxigénio entra num composto, referimo-nos a um processo de oxidação. Se este processo severifica rápidamente, libertam-se consideráveisquantidades de energia, num curto intervalo de tempo.Este processo é geralmento denominado por“combustão”, independentemente de se tratar, porexemplo, de madeira a arder numa fornalha ou de gasolinaa ser queimada num motor alternativo. Uma combustãosúbita e extremamente rápida denomina-se explosãotérmica. Basicamente, isto envolve sempre a mesmareacção química, durante a qual a energia se liberta.

Na linguagem corrente, os elementos e os seuscompostos são referidos como substâncias.

S í m b o l o N o m e o r i g i n a l N o m e e m p o r t u g u ê s

O O x ig e n i u m O x ig é n i o

N N a t r i u m A z o t o

C C a r b o n e u m C a r b o n o

H H y d r o g e n iu m H i d r o g é n i o

1.1. MEDIDAS PARA REDUZIR AS SUBSTÂNCIASTÓXICAS

Os valores limite para as emissões de gases de escapetêm sido constantemente baixados pela legislação.Consequentemente, entrou em vigor, em Janeiro de 1996,a segunda fase da legislação sobre emissões de escape:norma 94/12/CEE (96 CEE).

A redução do nível de substâncias tóxicas nos gases deescape dos motores modernos é presentementeconseguida através das seguintes medidas:

- alimentação de combustível em circuito fechado;

- recirculação dos gases de escape (EGR);

- injecção de ar secundário;

- injecção de ar secundário de impulso;

- sistema de controlo das emissões de vapor decombustível;

- ventilação do cárter;

- corte de combustível em sobreregime.

Estas medidas respeitam os valores limite determinadospela UE sobre a emissão de gases de escape, norma94/12/CEE (2ª fase).

Os sistemas de controlo de emissões acima indicadospodem ser combinados de várias maneiras, dependendoda cilindrada do motor ou do módulo de controlo do motor.


Os gases de escape são aqui definidos comosubstâncias sólidas, líquidas ou gasosas que secombinam com o meio ambiente, alterando a composiçãonatural do ar. Principalmente, as emissões contêm ousão constituídas apenas por poluentes.

Os poluentes são substâncias libertadas pelo Homem eque prejudicam o meio ambiente, de uma ou de outraforma. Podem classificar-se de acordo com várioscritérios, por exemplo:

· Altamente tóxicos: Substâncias que causam danosdirectos ao Homem, animais ou plantas.

· Tóxicos: Substâncias que causam danos, quando emcertas concentrações.

· Perigosos: Substâncias que são perigosas, masapenas em certas condições e concentrações.

· Cancerígenos: Substâncias que causam cancro devi-do a contactos permanentes.

Gases de escape, emissões e poluentes nos veículos amotor

Fig. 5

1. Emissões provenientes do sistema de escape2. Emissões provenientes do sistema de ventilação positiva do

cárter3. Emissões provenientes do sistema de ventilação do depósito de combustível

A maior proporção de emissões gasosas ocorre durantea combustão do combustível e escapam-se para aatmosfera pelo sistema de escape.

No entanto, podem ocorrer emissões gasosasprovenientes do cárter, devido à passagem de parte dos

gases de combustão da câmara de combustão para ocárter e à evaporação dos lubrificantes.

Alguma quantidade de combustível evapora-se dodepósito de combustível, dependendo da temperaturaambiente exterior.

Emissões e poluentes

Os poluentes incluem basicamente as seguintessubstâncias:

· Monóxido de Carbono (CO): é uma toxina que, ao serinspirada, conduz à asfixia por falta de oxigenaçãodas células, tanto no Homem como nos animais,mesmo em pequenas concentrações.

· Dióxido de Carbono (CO2): não é por si tóxico, noentanto é considerado perigoso por ser um dosprincipais responsáveis pelo denominado efeito deestufa.

· Hidrocarbonetos (HC): Há cerca de 100 (cem)espécies diferentes de hidrocarbonetos, alguns dosquais são tóxicos ou cancerígenos (exemplo: obenzeno).

· Óxidos de Azoto (NO, NO2, símbolo colectivo NOX):são toxinas perigosas quando inspiradas. Contribuempara as chuvas ácidas e juntamente com oshidrocarbonetos dão origem a produtos agressivoscomo por exemplo, o Ozono (O3). Esta substânciaproduz uma camada protectora contra os perigososraios solares na atmosfera superior, mas no nossomeio ambiente imediato, actua como uma toxina dascélulas.

· Dióxido de enxofre (SO2): é uma toxina perigosaquando inspirada. A sua proporção depende dopetróleo em bruto utilizado na refinação para produziro combustível.

· Tetraetileno de Chumbo: composto de chumbo, é umapoderosa toxina para o sistema nervoso.

· Tetracloreto de Chumbo: só se encontra na gasolina.Na gasolina conhecida por “sem chumbo” aindapodem, por vezes, serem encontrados vestígios.

· Fuligem: é constituida por partículas sólidas de carvãoinofensivo. Contém também depósitos dehidrocarbonetos policlíticos aromáticos (PAH), que dãoorigem a cheiros desagradáveis e são, numa certamedida, carcinogénios (exemplo: o benzipireno). Afuligem encontra-se na emissão pelo sistema deescape dos motores Diesel.

1.4. EMISSÕES DO SISTEMA DE ESCAPE

As emissões que ocorrem como resultado imediato dacombustão (mistura ar/combustível, vestígios de óleoslubrificantes, condensação, depósitos nas paredes doscilindros) podem ser reduzidas optimizando o processode combustão. O conteúdo de poluentes das restantesemissões dos gases de escape pode ser reduzido pelos

1.3. GASES DE ESCAPE, EMISSÕES E POLUENTES

Fig. 4


sistemas catalíticos.

1.5. SISTEMA POSITIVO DE VENTILAÇÃO DOCÁRTERTeóricamente, os segmentos devem vedar o cilindro deuma forma absolutamente estanque. No entanto, naprática, durante o curso da compressão e de combustão,isto nem sempre é possível.

Durante os tempos de compressão e combustão, algunsgases passam, através da folga dos segmentos, para ocárter. A quantidade de gases aumenta com o desgastedos segmentos, dos pistões e das superfícies das paredesdos cilindros. Devido ao aquecimento e arrefecimento domotor forma-se vapor de água e por sua vez,condensações.

O óleo de lubrificação é pulverizado e atomizado pelasaltas temperaturas e pelas peças móveis do motor.Forma-se um nevoeiro de óleo que se mistura com ovapor de água e com os gases que chegam ao cárter.

A função do sistema de ventilação positiva do cárter deveser:

· Afastar os gases agressivos.

· Evitar pressão excessiva no cárter que poderá darorigem a fugas.

As emissões menos intensas que ocorrem (em partecomo consequência da combustão, evaporação evaporização) são encaminhadas para a câmara decombustão através do sistema de ventilação positiva docárter. Passam então a ser uma componente dasemissões do escape.

1.6. VENTILAÇÃO DO DEPÓSITO DE COMBUSTÍVEL

As emissões que ocorrem devido à evaporação (vaporesde combustível), são também encaminhadas para acâmara de combustão, pelos sistemas de controlo daemissão por evaporação. Passam também a constituirparte das emissões do escape.

1.7. MOTORES A GASOLINA E DIESEL,COMPARAÇÃO DE POLUENTES

Os dois princípios de funcionamento apresentam asseguintes diferenças fundamentais que têm uma influênciadecisiva nas características da emissão:

Fig. 6- Comparação do consumo de combustível e das emissõesgasosas poluentes dos motores Diesel e gasolina com cilindradasidênticas

Características Motor a gasolina Motor Diesel

Combustível Gasolina Gasóleo

Local da mistura Exterior da câmara de combustão Interior da câmara de combustão

Controlo da mistura Quantitativa Qualitativa

Sistema de ignição Exterior Interior

Ponto da ignição Controlável directamente Não controlável directamente

Rendimento global Aproximadamente 25% Aproximadamente 35%

A. Motor Diesel sem controle de emissãoB. Motor gasolina sem controle de emissão

Consumo de combustível

Emissão de CO

Emissão de HC

Emissão de NOX

A emissão de partículas sólidas, no caso dos motoresDiesel, bem como as emissões de CO2 nos motores aDiesel e a gasolina, não são tomadas em consideração.

Atendendo às diferenças acima especificadas entre estesdois tipos de motores, as medidas a implementar para aredução dos poluentes diferem consideravelmente.

1.8. CONTROLO DAS EMISSÕES NOS MOTORES AGASOLINA

Combustível

A gasolina utilizada nos motores é constituida quaseexclusivamente por hidrocarbonetos. Devido aosdiferentes graus do petróleo em bruto utilizado e dosaditivos sintéticos, contém também enxofre, chumbo ououtros compostos em pequenas percentagens. É muitovolátil e evapora-se a temperaturas ambientes normais.

Desde a introdução do conversor catalítico nos veículos,comercializam-se os seguintes tipos de gasolina (deacordo com os regulamentos da União Europeia), namaioria dos países europeus:

O índice de octano (I.O.) é uma comparação entre acapacidade anti-detonante da substância octano(hidrocarboneto com alto poder anti-detonante, I.O. = 100)e a própria gasolina.

O índice de octano indica a capacidade anti-detonantedo combustível. Quanto maior for o valor deste índice,maior é a capacidade do combustível resistir à detonação,logo maior pode ser a taxa de compressão do motor.Conseguindo-se uma taxa de compressão mais elevadamelhora-se o rendimento térmico do motor, isto é,

Tipo Conteúdo máx. Chumbo Índice de Octano mín.

Normal sem chumbo 10 mg/litro 91 octanas

Super sem chumbo 10 mg/litro 95 octanas

Extra sem chumbo 10 mg/litro 98 octanas

Super com chumbo 150 mg/litro 98 octanas


assegura-se uma melhor utilização da energia durante oprocesso de combustão.

Note-se que o valor máximo da taxa de compressão estálimitado pela capacidade do combustível resistir àdetonação. Nos motores aspirados recentes, a taxa decompressão atinge valores que variam entre 10:1 e 12:1.Nos motores sobrealimentados, a taxa de compressãotem de ser inferior à utilizada para os motores aspirados,de modo a evitar sobrepressões muito elevadas, uma vezque o ar admitido já está comprimido.

Até há bem pouco tempo, o chumbo tinha sido utilizadopara aumentar a capacidade anti-detonante docombustível. Nas gasolinas sem chumbo, este foisubstituído, em larga escala, por outros aditivos. Obenzeno serviria os mesmos objectivos, mas éextremamente caro e, além disso, altamentecancerígeno.

1.8.1. FORMAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DA MISTURA

A mistura ar/combustível forma-se no exterior da câmarade combustão. Se o motor requer uma quantidadeconsiderável de energia, terá que se aumentar ofornecimento da mistura. Não basta aumentar a proporçãode combustível ou de ar. A quantidade é alterada, mas, aqualidade (composição) da mistura apenas se modificadentro de limites muito restritos. O controlo dofornecimento da mistura é, portanto, um controloquantitativo.

1.8.2. COMBUSTÃO

A relação ideal da mistura ar/combustível para o processode combustão é de 14,7:1, o que significa 14,7quilogramas de ar para 1 quilograma de gasolina. Estarelação ou proporção da mistura de 14,7:1 é tambémreferida como λ (lambda) = 1.

λ>1 indica mistura pobre (há oxigénio mais do quenecessário para uma oxidação completa).

Exemplo: λ=1,2 corresponde a 14,7x1,2=17,64kg de arpara 1kg de gasolina.

Combustão com diferentes valores de LambdaZona A Maior potência, elevadas emissões de CO e

HC, elevado consumo de combustívelZona B Reduzidas emissões de CO e HC, elevada

emissão de NOX, consumo favorávelZona C Emissão reduzida de poluentes, consumo

favorável, problemas térmicosCe Consumo específico de combustível (g/kW)

1.8.3. Gases de escape do processo de combustão

Fig. 8 - Emissões com diversos valores Lambda

Óxidos de azoto (NOX) - a sua produção deve-se a um excesso deoxigénio e a elevadas temperaturas e pressões.Monóxido de carbono (CO) e Hidrocarbonetos (HC) - quandoencontrados em excesso nos gases de escape indicam falta deoxigénio e baixas temperaturas durante a combustão

1.8.4. SISTEMAS DE CONTROLO DE EMISSÃO

Para se optimizar a combustão e/ou reduzir as emissõesde CO, HC e NOX, vários componentes do motor foramaperfeiçoados em quatro importantes áreas sendo criadossistemas de controlo adicionais:

1.8.5. CORTE DE COMBUSTÍVEL NADESACELERAÇÃO

Como não é pedida qualquer potência ao motor quando oveículo vai a deslocar-se numa descida sem acelerar ouem caso de desaceleração, pode economizar-secombustível durante estas fases da utilização, reduzindo-se assim também a emissão.

A função de corte de combustível na desaceleração só éactivada quando são satisfeitas três condiçõessimultâneamente:

· O motor está à temperatura normal de funcionamento.

· O motor está a funcionar sem carga (borboleta do

λ<1 indica mistura rica (o oxigénio disponível não chegapara uma oxidação completa).

Exemplo: λ=0,8 corresponde a 14,7x0,8=11,76kg de arpara 1kg de gasolina.

Fig. 7


acelerador fechada).

· Rotação do motor superior a cerca de 1500 r.p.m.

Estas três condições são avaliadas por meioselectrónicos, os quais activam o processo de corte decombustível na desaceleração. Este é desactivado assimque uma das duas primeiras condições deixe de existir.No entanto, a rotação do motor pode cair abaixo do valorespecificado na terceira condição antes do sistema decorte ser desactivado.

As condições para a activação do sistema não são,portanto, idênticas às necessárias para a desactivação.

1.8.6. IGNIÇÃO E COMBUSTÃO DA MISTURA

Ponto de ignição programado electronicamente

Os sistemas de ignição deste tipo não dispõem deplatinados e são controlados electronicamente.Consequentemente, produz-se uma faísca mais limpa eque não pode ser afectada pelo desgaste mecânico oupelas altas rotações do motor. Os sistemas mecânicosde ignição podem admitir tolerâncias até 80º do ânguloda cambota, enquanto os bons sistemas electrónicosapresentam tolerâncias inferiores a 10º do ângulo dacambota. Uma série de sinais eléctricos, como sejam arotação do motor, a sua carga e temperatura, sãoutilizados pela unidade de controlo. Para alcançar o pontode ignição òptimo, o programa toma em consideração ascaracterísticas da ignição, a carga a que está sujeito omotor (posição da borboleta) e a rotação do motor.O sistema recircula uma certa quantidade de gases deescape novamente para o ciclo de combustão com oobjectivo de reduzir a produção de óxidos de azoto (NOX).

A adição de gases de escape à mistura da combustão,em certas condições de funcionamento, reduz o nível deoxigénio, reduzindo também a temperatura durante oprocesso de combustão, sem aumentar de formasignificativa as emissões de CO e HC. A proporção deNOX pode reduzir-se até cerca de 30% com a utilizaçãodeste sistema.

O sistema EGR não é activado quando o motor está frioou sob carga máxima de forma a evitar a ocorrência dedeficientes condições de funcionamento econsequentemente, perda de potência.

1.8.7. VÁLVULA EGR

A válvula EGR encontra-se localizada entre os colectoresde escape e o de admissão ligada por um tubo. Quandoé aplicado vácuo na ligação 4 pela válvula reguladora devácuo (7 da figura da página anterior), a depressão exercidasobre o diafragma (2) vence a força da mola (3) e faz abrira sede da válvula, permitindo a entrada dos gases deescape. A sede da válvula é fechada novamente pelapressão da mola quando o vácuo deixa de ser aplicado.

Por vezes a válvula EGR tem incorporado um sensor de

1.8.8. GASES DE ESCAPE DA COMBUSTÃO

Sistema de injecção de ar

Verifica-se, temporariamente, um vácuo relativo nocolector de escape devido à frente de pressão pulsatóriados gases de escape. Como consequência destadiferença de pressão, o ar primário é aspirado, atravésde um filtro de ar e de uma válvula de impulso de ar,directamente atrás das válvulas de saída, para oscolectores de escape. A injecção de ar secundário éactivada por um curto intervalo de tempo durante a fasede aquecimento do motor (cerca de 80 a 90 segundos).

Com o sistema de injecção de ar, dá-se a injecção directade ar para as aberturas de escape na cabeça do motor,de forma a que os hidrocarbonetos e o monóxido decarbono não queimados na câmara de combustãopossam ser oxidados, ou seja, posteriormente queimadospela elevada temperatura dos gases de escape.

Durante este processo, a temperatura dos gases deescape sobe ainda mais e o catalizador atinge maisrapidamente a sua temperatura de funcionamento na fasede aquecimento do motor. Simultaneamente sãoreduzidas as substâncias tóxicas dos gases de escape.

Fig. 9

A. Gás de escape vindo do colector de escapeB. Gás de escape para o colector de admissão1. Cone da válvula2. Diafragma de borracha3. Mola de compressão4. Ligação de vácuo com origem no coletor de admissão

temperatura para controlar o seu funcionamento. Se atemperatura no canal de recirculação dos gases fordemasiado elevada, tal significa que a EGR estáconstantemente aberta. Se a temperatura for demasiadobaixa significa que a EGR não abre correctamente.


1.8.9. CONVERSOR CATALÍTICO

Um catalisador é uma substância que aumenta ou diminuia velocidade de uma reacção química, sem modificar atemperatura da reacção ou o equilíbrio químico. Ocatalisador interfere na reacção mas mantém-se semalterações quando a reacção fica concluída. A este efeitodo catalisador nas reacções químicas denomina-secatálise. Uma catálise positiva acelera a reacção química;uma catálise negativa desacelera essa mesma reacção.

Nos automóveis a catálise realiza-se no interior de umapanela de escape com elementos catalisadores no seuinterior. A catálise positiva é orientada para os três maiorespoluentes, produzidos nos motores a gasolina, HC, COe NOX Isto significa a conversão dos poluentes emcompostos inofensivos, antes de sairem pelo tubo deescape. Os catalisadores utilizados para esta funçãosão a Platina, o Ródio e o Paládio.

1.8.10. CONVERSOR CATALÍTICO DE TRÊS VIAS

A figura mostra um catalisador de três vias, que actuasegundo as seguintes fases:

1. Redução do NOX a N2 e O2

2. Oxidação do CO em CO2

3. Oxidação dos HC em H2O e CO2

Concepção

O corpo base do conversor catalítico é feito de cerâmicaou material metálico, designado por monolito. O monolitode cerâmica é conhecido por “tijolo”. Este monolito éconstituído por milhares de pequenos canais, através dosquais circulam os gases de escape. Sobre estes canaisencontram-se os elementos catalisadores (Platina, Ródioe Paládio). As superfícies rugosas são constituídas poróxido de Alumínio (AlO2).

A área total da superfície é o resultado do factor derugosidade em comprimento vezes a largura dos canais,multiplicado pelo número destes. O resultado disto é umaárea teórica que corresponde à área de vários camposde futebol.

Como a superfície de reacção fica destruída pelaprecipitação do Tetraetileno de Chumbo, apenas se podeutilizar gasolina sem chumbo.

O “tijolo” está acomodado com uma camada de fibraintermédia flexível (fibra mineral ou rede metálica) numalojamento de aço especial.

1.8.11. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

Fig. 13

Fig. 12

O conversor catalítico só pode desempenhar a sua funçãoquando:

· A sua temperatura de funcionamento for superior a300ºC.

· A deficiência e o excesso de oxigénio alternam-senuma rápida sequência.

· A mistura ar/combustível é mantida numa tolerância

Fig. 11

Fig. 10 - Esquema do sistema de injecção de ar num motor deinjecção

1. Filtro/silencioso do impulso de ar2. Válvula de controlo de ar3. Válvula de impulso de ar (unidireccional)4. Solenóide de vácuo do ar secundário5. Válvula de escape6. Colector de escape7. Colector de admissão8. Borboleta do aceleradorA. Vácuo do colector de admissãoB. Ar primário


rigorosa, próxima de Lambda = 1.

O conversor catalítico exige oxigénio livre para poder oxidaros HC (hidrocarbonetos) e o CO (monóxido de carbono)para H2O (água) e CO2 (dióxido de carbono), sob a formade gás.

Por outro lado, é necessária uma deficiência de oxigéniopara reduzir o NOx (óxido de azoto) a N2 (azoto) e O2(oxigénio), porque a molécula de oxigénio deve serdesdobrada neste caso.

Estas duas reacções não se podem realizar ao mesmotempo, mas sim sucessivamente, uma após a outra. Parareduzir o NOX, a mistura deve ser primeiro enriquecida, oque provoca a produção de CO. Imediatamente a seguir,a mistura deve tornar-se pobre de forma a libertar oxigéniopara a oxidação dos HC e do CO.

Estes pré-requisitos são satisfeitos quando a mistura varianuma curta tolerância da relação Lambda = 1. Para istotorna-se necessário um sistema de controlo (controloLambda), em circuito fechado.

1.8.12. INUTILIZAÇÃO DO CATALISADOR

A superfície catalisadora activa composta por metaispreciosos pode ser desactivada devido à acumulação dedepósitos. Se existir uma concentração de chumbo nocombustível superior a 5 mg/litro, tal pode causar ainutilização do catalisador.

Por este motivo, os veículos equipados com catalisadorsó podem utilizar gasolina sem chumbo.

Alguns óleos do motor contêm Zinco (Zn) e Fósforo (P).Tal pode conduzir à inutilização do catalisador. O enxofretambém pode destruir o catalisador mas só se nota oseu efeito quando é expelido pelo catalisador sob a formade ácido sulfídrico (H2S), o qual tem um cheironauseabundo, semelhante a ovos podres.

O enxofre forma uma película na superfície rugosa docatalisador. É necessário ter uma mistura rica para queo enxofre se misture com o hidrogénio por forma a formaro ácido sulfídrico.Este problema vai desaparecendo àmedida que o catalisador envelhece. A substituição destesó viria promover este fenómeno.

Por forma a reduzir a expulsão de ácido sulfídrico para omínimo possível, o teor de CO ao ralenti tem de encontrar-se dentro dos valores limites definidos, de preferência osmínimos. O sistema de controlo do motor tem de estar afuncionar correctamente.

O catalisador envelhece térmicamente quando em uso.Em especial durante os primeiros 6500 km, em média.O processo de envelhecimento regular verifica-se àtemperatura de funcionamento normal de 850ºC. Atemperaturas superiores a 1000ºC, o processo deenvelhecimento torna-se mais rápido. A uma temperaturasuperior ou igual a 1400ºC o favo de cerâmica derrete-se. Isto torna-se evidente através da perda de potênciacausada pela elevada resistência á passagem do fluxo

dos gases de escape no catalisador.

Estas temperaturas extremamente elevadas, podemocorrer devido a uma anomalia no sistema de ignição oude combustível, quando este sem se queimar incendeia-se no interior do catalisador.

1.8.13. CONTROLO LAMBDA

Um sensor de oxigénio está instalado antes do conversorcatalítico, no fluxo dos gases de escape. Damos a seguiruma descrição mais pormenorizada.

O sensor de oxigénio também é conhecido como sondaLambda ou sensor de oxigénio aquecido nos gases deescape.

O sensor de oxigénio é um gerador de tensão que forneceuma tensão directa com valores até 1 Volt.,na maior partedas viaturas europeias. A definição científica destecomponente é: Célula galvânica da concentração dooxigénio com electrodos sólidos.

Fig. 14 - Sonda Lambda

1. Resistência de aquecimento2. Suporte de cerâmica3. Alojamento do sensor4. Anilha vedante5. Elemento activo6. Tubo protector

Com uma relação de mistura dos gases de combustãocom Lambda=1, o sensor de oxigénio irá gerar uma tensãoeléctrica à volta de 450mV. Isto significa um excesso deoxigénio de 1 a 1,5 %.

Quando a mistura se torna mais rica, por exemplo Lambda= 0,9, a tensão neste sensor aumenta para 800 mV comoresultado da diminuição de oxigénio.

Quando a mistura se torna mais pobre (por exemploLambda=1,05) a tensão desce para 200 mV.

A tensão altera-se bruscamente quando o controlo seaproxima do valor Lambda=1±0,05. Se o sensor deoxigénio assinala uma mistura rica à unidade de controlo(U~0,9V), a mistura ar/combustível é imediatamenteregulada para pobre. Quando o sensor indica uma misturapobre (U~1,1V) à unidade de controlo, a mistura éenriquecida. Este ciclo é repetido milhares de vezesdurante o funcionamento do motor.


Fig. 15

A. Mistura ricaB. Mistura pobreC. Tolerância (mistura ideal)D. Sinal do sensor em mV

Para garantir que o sensor de oxigénio alcançarapidamente a sua temperatura de funcionamento, esteestá equipado com uma resistência que aquece o sensorlogo que se liga a ignição.

1.8.14. SUBIDA E DESCIDA DAS EMISSÕES NOCONVERSOR CATALÍTICO

(1) Área da composição da mistura controlada (janela Lambda) Valores da emissão sem conversor catalítico Valores da emissão com conversor catalítico

A alimentação de combustível em circuito fechado é amedida mais importante para a redução do nível desubstâncias tóxicas nos gases de escape.

Este sistema é composto por um catalisador de três vias,um sensor (ou sensores) de oxigénio aquecido e ummódulo de controlo do motor. A alimentação decombustível em circuito fechado controla a composiçãoalternada da mistura, ora pobre ora rica, ou seja, o nívelde oxigénio nos gases de escape varia constantementeentre baixo e elevado.

Fig. 17

A. Sinal do sensor de oxigénio aquecidoB. Emissões em bruto antes do catalisadorC. Gases de escape tratados depois do catalisador de três vias

1. Módulo de controlo do motor2. Sensor de oxigénio aquecido pré-catalisador *3. Injector de combustível4. Catalisador de três vias

* Sensor de oxigénio aquecido pré-catalisador: montado antes docatalisador Sensor de oxigénio aquecido pós-catalisador: montado a seguirao catalisador

Fig. 16

Tal significa que o catalisador de três vias funciona comuma relação de conversão de 95%, pois tem de haverfalta de oxigénio para reduzir o NOX, enquanto a oxidaçãode CO e HC requer oxigénio livre. Sem uma alimentaçãode combustível em circuito fechado, o catalisador de trêsvias teria uma eficiência de apenas 70%.

A alimentação de combustível em circuito fechado permitea formação de uma mistura ideal para a combustão, comuma tolerância muito limitada de Lambda=1, (janelalambda). Assim se consegue um baixo nível de emissõesgasosas.

Alguns veículos que têm montados dois catalisadores,estão ainda equipados com um ou dois sensores deoxigénio aquecido pós-catalisador, para além do sensorou sensores de oxigénio aquecido pré-catalisador.

A função deste(s) sensor(es) de oxigénio pós-catalisadoré detectar o teor de oxigénio à saída do catalisador. Osensor envia apenas um sinal de tensão aproximadamenteuniforme pois, em condições normais, o teor de oxigénioresidual nos gases de escape pós-catalisador égeralmente baixo.

O módulo de controlo do motor recebe informaçõesexactas sobre o processo de combustão e sobre ofuncionamento correcto dos sensores de oxigénio atravésda comparação da tensão dos dois sensores. Tal conduza uma melhoria das características da gestão do motore a uma redução das emissões dos gases de escape sópossivel através de um controlo do motor bastanteapertado.


Fig. 18

1. Módulo de controlo do motor2. Sensor de oxigénio pré-catalisador (sinal de tensão oscilante

para a alimentação de combustível em circuito fechado)3. Catalisador de três vias4. Sensor de oxigénio pós-catalisador (sinal de tensão uniforme)5. Injector de combustível

1.9. GASES DE ESCAPE POR EVAPORAÇÃO EVAPORIZAÇÃO

1.9.1. VENTILAÇÃO POSITIVA DO CÁRTER

Apenas um sistema fechado que não tenha qualquerespécie de ligação com o ar exterior pode satisfazer osrequisitos relacionados com uma eficiente redução daemissão.

Fig. 19 - Representação dummotor com carburador

1. Filtro de ar2. Ligação ao filtro de ar3. Separador de óleo4. Válvula5. Ligação ao colector deadmissão

Função

O ar primário é encaminhado desde o lado do ar limpo dofiltro de ar para a tampa das válvulas. Havendo umexcesso de pressão nesta área, os gases não serãolibertados para a atmosfera, mas sim aspirados pelomotor, através do filtro de ar.

Os gases do cárter são encaminhados através doseparador de óleo (3) e da válvula (4) para o colector deadmissão (5).

O separador de óleo evita que as pequenas gotículas de

óleo sejam transportados no fluxo dos gases para acâmara de combustão. Contém uma série de placas ondeos vapores de óleo se condensam voltando em seguidaao cárter, por efeito de gravidade.

A válvula (4) controla o fluxo dos gases ao ralenti, a cargaparcial e carga total. A sua abertura é provocada pelovácuo no colector de admissão, sendo sugados os gasesdo bloco do motor para as câmaras de admissão.

O separador de óleo não se encontra instalado, sempreque a válvula (4) possa ser montada directamente natampa das válvulas.

1.9.2. VENTILAÇÃO DO DEPÓSITO DE COMBUSTÍVEL

Em condições de grande flutuação de temperatura, ocombustível expande-se e evapora-se parcialmente oucontrai-se. A quantidade de combustível no depósitoaltera-se constantemente, devido ao reabastecimento eao consumo causado pela condução. Atendendo a estesfactos o sistema de ventilação deve assegurar umaequalização da pressão no depósito.

Componentes:

Tampão de combustível

Uma válvula de segurança de pressão está incluida notampão da gasolina. Esta válvula abre a uma pressão de± 0,3 bar. Alguns tipos de tampões são ainda dotadas deválvulas de segurança de vácuo.

Fig. 20

1. Válvula de segurança2. Válvula de vácuo3. Fechadura4. Bocal de enchimento5. Anilha de vedação

A. Excesso de pressãoB. Ar aspirado

Válvula de esfera

Esta válvula assegura que não podem passar mais de 30gramas por minuto de gasolina pelo tampão, quando aposição do veículo se altera na vertical para mais de 37º.Nessa altura, a esfera fecha completamente o tubo deventilação.


Fig. 21

1. Tubo de ventilação2. Limitação do fluxo3. Válvula de esfera aberta4. Válvula de esfera fechada

1.9.3. SISTEMA ELECTRÓNICO DE CONTROLO DAEMISSÃO POR EVAPORAÇÃO

Este sistema está instalado nos veículos equipados commotor de injecção electrónica de combustível e com umconversor catalítico de três vias.

As emissões de hidrocarbonetos do depósito decombustível são encaminhadas através de uma tubagempara um filtro de carvão. O carvão vegetal activado tem apropriedade de aglutinar substâncias tóxicas sob a formade moléculas de hidrocarbonetos. Um outro tubo deligação encaminha os vapores de gasolina desde o filtrode carvão até ao processo de combustão.

Quando o motor está desligado, os vapores sãoarmazenados no filtro de carvão. Quando o motor está atrabalhar, os vapores são enviados imediatamente para oprocesso de combustão. Os vapores são aspirados dofiltro de carvão.

O depósito de carvão está ligado por um tubo à válvula desegurança em caso de capotamento, existente nodepósito de combustível.

Fig. 22

1 Carvão granulado activado2 Filtro de espuma3 Ligação da válvula de segurança em caso de capotamento4 Ligação da válvula de purga do depósito de carvão5 Protecção de plástico6 Protecção de metal

1.9.4. SISTEMA PNEUMÁTICO DE CONTROLO DASEMISSÕES POR EVAPORAÇÃO

Fig. 23

1. Depósito de combustível2. Válvula de segurança contra acidentes3. Tubo de evaporação de combustível4. Filtro de carvão5. Orifício calibrado6. Borboleta do acelerador

1.10. EMISSÕES GASOSAS EM MOTORES DIESEL

1.10.1. NOTAS INTRODUTÓRIAS

A partir da segunda metade da década de 80, tem sidodada a devida atenção a esta problemática, poisanteriormente todos os esforços estavam centradas nainvestigação sobre motores a gasolina.

A extensão do uso de motores Diesel aos automóveisligeiros, a par da crescente preocupação com o ambiente,produziu até à presente data, já legislação aprovada oupor aprovar a qual definirá para todas as situações defuncionamento, o nível de contaminação permitido paraos motores Diesel.

Por outro lado, tem sido efectuado um notável esforçopor parte dos fabricantes de motores, tentando em dezanos colocar os padrões de desenvolvimento ao nível dosjá alcançados para os motores a gasolina.

Persistem no entanto algumas dúvidas, sobre se estamosa percorrer o caminho certo, pois existe a tentação denão serem resolvidos os problemas de fundo, como o dacombustão dos motores e dos combustíveis mas apenaso tratamento posterior dos gases de escape, fruto dapressão dos grupos industriais, nomeadamente sobre oslegisladores, que parece continuar a desenvolver-se.

Até ao fim do Século vamos assistir a um grandedesenvolvimento dos motores Diesel, em duas direçõespreferencias, a poupança de combustível e a diminuiçãodas emissões gasosas, com a devida ressalva para osavanços que tal irá provocar sobre a generalidade domotores e dos combustíveis.

Para o desenvolvimento deste tema abordaremosinicialmente os parametros que o caraterizam, emseguida descreveremos os sistemas de controlo deemissões, os equipamentos para medição e finalmente


Fig.24 - Comparação de emissões poluentes no ambito do testeeuropeu, com motores 4 cilindros e de 2l de cilindrada.Motor 1 agasolina sem catalizador, motor 2 do ciclo Diesel.

O ar não é usado de uma forma optimizada o que explicaque os motores Diesel, necessitem de mais ar do que osmotores a gasolina. Este facto limita o valor da pressãomédia efectiva, mas por outro lado diminui a emissão depoluentes, podendo ser comparado o seu valor ao de ummotor a gasolina catalizado (fig.24).

No caso de o motor Diesel ter tratamento de gases deescape então este valor será mesmo inferior ao de ummotor a gasolina catalizado.

A fuligem é produzida devido à combustão incompleta,pois o combustível apesar de finamente atomizado nãose consegue misturar completamente com o ar, ha- vendosempre zonas da camâra onde a mistura é rica.

Assim a fuligem ocorre em zonas onde a o coeficientedo excesso de ar (l) oscila entre 0,3 e 0,6 e astemperaturas entre 1127ºC e 1247ºC.

a legislação existente e a que se encontra em preparação.

1.10.2. CARACTERIZAÇÃO DAS EMISSÕESGASOSAS EM MOTORES DIESEL

1.10.2.1. COMBUSTÍVEIS

Vamos analizar os combustíveis na óptica das emissõesgasosas. Existe actualmente a tendencia para adiversificação de combustíves em motores Diesel.

Esta diversificação tem como grande objectivo a dimuiçãoda dependencia do petróleo. Recorre-se assim a par douso de combustíveis constituídos por hidrocarbonetos,ao gás natural, aos biocombustíveis, aos óleos recicladose até em certas aplicações a combustíveis multi-uso, ábase de querozene.

A escolha do combustível passa assim por um conjuntode factores de ordem económica, ambiental e estratégica,os quais vão condicionar os consumos, e as emissõesgasosas.

Quando nos referimos a combustíveis líquidos à base dehidrocarbonetos, podemos apontar como problemafundamental a resolver a quantidade de enxofre contido ea melhoria da capacidade de auto-inflamação, com oaumento do indice de cetano (mínimo aceitável de 45).Os problemas de evaporação a baixa temperatura nãose colocam neste tipo de combsutíveis.

Quando empregamos combustíveis como o gás natural,com vantagens no que respeita á diminuição dasemissões gasosas, temos de salientar a desvantagemda necessidade de transformação do motor, o qual passaa funcionar segundo o ciclo Otto.

Uma solução interessante parece no entanto ser a douso de Biocombustíveis, com os quais se tem obtido umdecréscimo considerável do nível de emissões, sem havernecessidade de alterações nos motores.

1.10.2.2. PREPARAÇÃO DA MISTURA ARCOMBUSTÍVEL

A preparação da mistura ar-combustível, influenciabastante o consumo de combustível, a composição dosgases de escape e o ruído da queima dos motores Diesel.

A mistura é formada na camara de combustão do motor,a partir do ar que é introdu- zido na admissão, e docombustível que posteriormente é injectado na fase finaldo curso da compressão.

O controlo da mistura contráriamente ao motor Otto, érealizada de uma forma qualitativa, através do doseamentode combustível injectado efectuado pelo sistema deinjecção.

A relação ar-combustível varia assim contínuamenteentre a situação de “ralenti” e a carga máxima, atingindoum valor mínimo de 16/1, nunca sendo igual ao valorestaquiómetrico devido ao limite de fumos.

1.10.2.3. COMBUSTÃO

Uma combustão uniforme e rápida garante um consumoespecífico económico e uma elevada potencia específica.A emissão de monóxido de carbono (CO),Hidrocarbonetos (HC) e de fuligem é baixa, embora sejamproduzidos elevados níveis de óxidos de azoto (Nox).


Fig.26 - Variação do com Nox o excesso de ar

Fig. 25 - Evolução da combustão para deferentes emissões defuligem e de Nox

O controlo da emissão de partículas é particularmentedelicado, pois as medidas que são tomadas para a suadiminuição, têm geralmente consequencias negativas noconsumo de combustível , na emissão de Nox e mesmono ruído de funcionamento do motor (fig.25).

1.10.2.4. CONSTITUIÇÃO DOS GASES DE ESCAPEDOS MOTORES DIESEL

Os gases produzidos pelo motor Diesel, são constituídospor cerca de 1000 substancias diferentes. Na tabela 1encontramos as principais, sendo indicados valore a paraa situação de ralenti e de potencia máxima.

TAB.1 - Composição dosgases de escape

% Valor ao ralenti Valor a pot.máxima

Óxidos de azoto volume 0,005 a 0,025 0,06 a 0,15Hidrocarbonetos volume 0,05 a 0,06 0,02 a 0,06

Monóxido de carbono volume 0,01 a 0,045 0,035 a 0,2Dióxido de carbono volume a 3,5 a 12,0

Vapor de àgua volume a 3,0 a 11,0Oxigénio volume a 16,0 a 10,0

Nitrógenio volume resto restoFuligem mg%m3 ≈ 20 ≈ 200

Temperatura dos gases º C 100 a 200 550 a 750

Fig.27 - Constituição da fuligem das emissões dos motores decombustão interna.

Mais de 95% das emissões são relativamente inofensivas:Dióxido de carbono, vapor de água,azoto, oxigénio residualnão queimado.

Nos restantes 5% encontramos: Benzeno, aldeídos,hidrocarbonetos aromáticos policíclicos, azoto e sulfatos.

Os óxidos de azoto, produzem-se em níveis apreciáveisem certas gamas da relação ar-combustível, sendo noentanto nessas gamas que a utilização do motor é maiseficiente (fig. 26)

Quanto aos sulfatos a sua presença deriva directamentedo facto de existir enxofre no combustível.

A fuligem é constituída por partículas sólidas. Assim aoreferirmo-nos ás suas emissões, usamos o termo emissãode partículas. Na sua forma químicamente pura a fuligemé carvão inofensivo (fig.27). No entanto uma elevadapercentagem de poluentes já mencionados aderem áspartículas de fuligem na emissão dos escape do motor.


Área 1: Formação e distribuição da mistura

- Sistema de injecção...... CO, HC, NOx, Fuligem

- Sobrealimentação....................CO, HC, Fuligem

Área 2: Combustão

- Desenho camara de combustão..........HC, NOx- Rel.Vol.Compressão.............................HC, NOx- Afinação das válvulas...........................HC, NOx- Recirculação G.Escape.............................. NOx

Área 3 : Gases de Escape

- Oxidação n/Conversor catalítico.....CO, HC, Ful.

Área 4 : Gases d/evaporação e vaporização

- Ventilação positiva do carter...........................HC

O início da injecção influencia igualmente o aparecimentoda fuligem, que é o resultado de uma má combustão.

A contradição existente entre um valor óptimo para oconsumo específico e a emissão de fumo negro e óxidosde azoto, exige uma afinação muito correcta do ponto deinjecção.

No interior do motor os atrasos á auto inflamação docombustível são função das diferentes temperaturas aque se inicia o início da injecção.

Fig. 28

Na fig. 28 temos oportunidade de entender em que medidaas partículas podem ser prejudiciais para os sereshumanos.

A dimensão das partículas que constitui a fuligem, oscilaentre os 0,05 e os 150 mi-lionésimos de milímetro. Nasua pequena dimensão reside a causa do seu malefício.Com dimensões aproximadas de 0,7 a 8 mm, podempenetrar nos pulmões e aí se fixarem. As partículas comdimensões inferiores, voltam a sair quando expiramos.As de dimensões superiores ficam retidas na área defiltragem das nossas vias respiratórias.

1.10.3. SISTEMAS DE CONTROLO DE EMISSÕES EMMOTORES DIESEL

1.10.3.1. ÁREAS DE ACTUAÇÃO NO MOTOR

São quatro as áreas fundamentais de actuação nosmotores, e em cada uma delas actuamos sobre diferentesemissões. Nos pequenos quadros seguintesdescriminamos as áreas bem como as emissõesabrangidas.

1.10.4. FORMAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DA MISTURA

1.10.4.1. PONTO DE INJECÇÃO

A expressão “início da injecção”, refere o momento inicialde compressão do combustível no interior da bombainjectora. Como este momento é mais fácil de determinardo que o início efectivo da injecção quando o motor estáparado, a sincronização entre o motor e a bomba, faz-sesempre através do momento do início da acção da bomba.Quando o início da injecção acontece com bastanteavanço, a pressão de combustão resultante da queimaactua como uma força frenante sobre a subida do embolo,alterando o rendimento mecanico.

A combustão deve igualmente terminar antes da aberturada válvula de escape, e a condição de consumo mínimode combustível acontece quando o início da queima sesitua próximo do PMS.

O avanço do início da queima provoca um aumento datemperatura no interior da camara de combustão econsequentemente o aumento da emissão de óxidos deazoto.

O início da combustão tardio, pode por outro lado darorigem a um processo de queima incompleto e como talà emissão de hidrocarbonetos não queimados HC e deCO (fig.29).

Fig. 29 - Emissões de óxidos de azoto e de hidrocarbonetos emfunção do início da injecção (a = início da injecção correcto)


Fig.30 - Cartografia do início da injecção em função, da temperaturade arranque a frio e da carga. 1. Arranque a frio 2.Plena carga3.Carga parcial.

Fig.31 - Consumo de combustível e emissões de poluentes em função da duração e do início da injecção (motor sobrealimentado compré-camara, velocidade de rotação de 1600 RPM e presão média de 4,11 Bar)as=início da injecção em graus (º) de manivela antes do PMS.

1.10.4.2. DURAÇÃO E LEI DA INJECÇÃO

A expressão “ lei da injecção”, caracteriza a evolução daquantidade de combustível injectada na câmara decombustão em função da posição do veio de manivelasou do veio de ressaltos.

A duração da injecção é um parametro fundamental dalei da injecção, exprimindo o tempo durante o qual oinjector está aberto e é enviado combustível para o interior

O comprimento das condutas de injecção e a velocidadede propagação das ondas de pressão influenciamigualmente o atraso á auto inflamação do combustível(atrasando o início da queima), o qual se agrava com oaumento da rotação do motor.

Torna-se assim indispensável que o avanço à injecçãovarie com a rotação do motor e a sua carga.A cartografiado início da injecção mostra claramente a relação entrea carga, o regime e a temperatura de funcionamento domotor (fig.30).


Fig. 32 - Consumo de combustível e produção de fumo negro emfunção das emissões de óxido de azoto e da pressão de injecção.(motor de injecção directa, regime de 1200RPM,pressão médiaefectiva de 16,2 bar).as = início da injecção em graus (º) de manivela antes do PMS.

1.10.4.4. INJECTORES

Um desenho otimizado das cabeças dos injectores, éfundamental para o desempenho correcto do processode queima.

Em motores de injecção directa utilizamos injectores devários furos e em injecção indirecta os de furo único, comou sem furo piloto.

No que respeita ás emissões, temos o problema do

Fig. 33 - Sistema de sobrealimentação com trubo compressor eválvula de controlo de pressão de descarga do turbo.

Verifica-se assim uma redução das emissões de CO,HC e de fuligem, com o aumento do rendimento térmicoreal do motor e consequentemente um menor consumode combustível.

As emissões de Nox, podem em determinadascircunstancias aumentar, mas este efeito pode serminorado de uma forma efectiva pela recirculaçãocontrolada de gases de escape.

1.10.6. COMBUSTÃO

1.10.6.1. DESENHO DA CÂMARA DE COMBUSTÃO

Durante o processo de injecção e o desenrolar da queima,formam-se no interior da câmara, zonas de diferentesrelações ar combustível. Junto e na zona do jacto temosuma mistura rica e em zonas mais distantes uma misturapobre.

Este facto obriga a que tanto o desenho da camara comoa movimentação do ar e a distribuição do combustívelsejam orientados de forma a conseguir-se ahomogeneidade possível.

1.10.6.2. RELAÇÃO VOLUMÉTRICA DECOMPRESSÃO

Uma elevada compressão vai aumentar o rendimento

da câmara.

Para que o envio de combustível se faça em condições omotor de injecção directa necessita de 25 a 30º de veiode manivelas e o motor de injecção indirecta de 35 a40º.Como o tempo que caracteriza um grau de rotaçãodiminui com o aumento de rotação torna-se assimimprescindível, para minizarmos o consumo e asemissões, que a duração da injecção seja adaptada aoinício da injecção e ao tipo de motor (fig.31).

1.10.4.3. PRESSÃO DE INJECÇÃO

O seu valor dependo do tipo de motor, ou seja se estamosperante injecção directa ou indirecta.

Para os motores de injecção directa, é correctoafirmarmos que quanto mais elevada for a pressão deinjecção, melhor será a mistura do ar e do combustível ecomo tal o próprio processo de queima.

A emissão de fuligem para pressões até os 1000 bar éportanto fortemente reduzida. Infelizmente o consumo decombustível sobe com presões superiores a este valordevido á potencia necessária ao accionamento da bombasinjectoras (fig.32).

combustível residual que pode permanecer nos furos dosinjectores e alcançar a camâra durante a fase deexpansão, não sendo totalmente queimado, indo entãoaumentar a quantidade de HC.

1.10.5. SOBREALIMENTAÇÃO

A principal função da sobrealimentação é a de aumentara potencia do motor, mantendo a cilindrada constante(fig. 33).

Devido ás características do processo uma quantidadede ar adicional é fornecida ao motor, sendo a mistura édesviada para a zona mais pobre.

17ESTUDO DAS EMISSÕES GASOSASFig. 34 - Influencia da taxa de reciclagem dos gases de escape sobre as características dos motores

térmico real do motor.

O motor Diesel não está sujeito ás mesmas limitaçõesdo motor Otto no que respeita á detonação.

Podemos portanto aumentar a relação volumétrica decompressão tendo em atenção o aumento das cargasmecânicas, mas igualmente o aumento da potencia domotor, a diminuição do consumo específico decombustível e da produção de CO e HC.

1.10.6.3. AFINAÇÃO DAS VÁLVULAS DE ADMISSÃOE DE ESCAPE

Há semelhança dos motores Otto, o ponto das válvulasé definido para cada motor em particular. O seu valordepende de entre outros parametros da velocidade dosgases e da rotação do motor.

Inflencia assim a curva de binário e consequentementeas emissões gasosas. Os critérios são idênticos aosusados para os motores Otto.

1.10.6.4. RECIRCULAÇÃO DE GASES DE ESCAPE

Os motores Diesel funcionam normalmente semestrangulamento de ar na sua admissão. Com um excessode ar importante o combustível arde sem problemas e aprodução de CO e fuligem é muito baixa.

O excesso de ar diminui quando a quantidade decombustível injectado aumenta. Para cargas elevadas omotor deve trabalhar com um excesso de ar mínimopois temos de rentabilizar o mais possível a cilindrada.

A quantidade de combustível injectado deve ser semprede acordo com a massa de ar existente no motor. Nosmotores sobrealimentados a quantidade de ar é limitadapelo valor da pressão máxima de admissão.

No motores com reciclagem de gases de escape, temosmisturas de ar com estes gases a cargas parciais a fimde diminuirmos os óxidos de azoto. Com a mistura dosgases reduzimos a concentração de oxigénio na carga.

Por outro lado a temperatura específica dos gases ésuperior á do ar. Estes dois factos contribuem para umadiminuição da temperatura da queima.

O aumento da taxa de reciclagem vai diminuir a entradade ar fresco no motor e portanto o excesso de ar.

No entanto para taxas de reciclagem demasiadamenteelevadas temos um acréscimo importante dos valores deHC e CO (fig. 34).

A intenção de reduzirmos substancialmente as emissõesde óxidos de azoto por recicalgem de gases de escapeimpõe uma adaptação precisa da quantidade decombustível face ao volume de ar disponível a cargasparciais.

Na fig. 35 apresentamos um esquema do sistema derecirculação de gases de escape usado em automóveisligeiros, identico ao usado nos sistemas de injecçãoDiesel com comando electrónico.

Quando o motor se encontra á temperatura normal defuncionamento e em carga parcial, temos uma taxa dereciclagem que pode atingir um valor de 30% dos gasesde escape, através da vávula EGR.

Quando a carga é máxima os gases não são recicladospor motivos de mantermos uma elevada perfomance. Omódulo EGR controla todo o processo.

O funcionamento do motor mantém-se bastante suavecom este sistema diminuindo a violencia característicado seu funcionamento.


Nas figs. 37 e 38 apresentamos o sistema de filtragemintroduzido pela Deutz em 1989.É constituído por umnucleo monolítico em ceramica e tem um sistema deregeneração forçada, que entra em funcionamento 10 a13 horas após o começo da operação do motor e duracerca de 5 minutos.

Fig. 35 - Sistema EGR com controlo electrónico.1.Bomba injectora2. Controle de carga parcial3. Sensor da posição da bomba injectora4. Controlo de arranque a frio5. Alternador6. Sensor da temperatura do líquido do sistema de arrefecimento7. Módulo EGR8. Distribuidor de vácuo9. Filtro10. Pré-filtro11. Bomba de vácuo12. Válvula EGR

1.10.7. TRATAMENTO SECUNDÁRIO DOS GASES DEESCAPE

A emissão das partículas devidas à circulação representaà volta de 10% da poluição atmosférica total. As emissõesde fumo negro, branco ou azul dos motores Diesel sãodirectamente visíveis, tal como os odores dos gases deescape. O tratamento secundário de gases de escape,permite resolver este problemas diminuindo em cerca de75% a emissão de partículas.

A dimensão das partículas a eliminar é decisiva para aescolha do sistema que podemos utilizar. Como foianteriormente referido as dimensões das partículasoscilam entre 0,01 e 10mm de diametro, com um valormédio inferior a 1mm.Só os separadores com filtro oueléctricos são usados para estas dimensões.

1.10.8. FILTRO PARA A FULIGEM

Com a presença de um excesso de ar permanente naqueima dos motores,existe uma quantidade de oxigénioresidual nos gases de escape, o qual é suficiente paraqueimar num filtro especial a fuligem nele acumulada,sendo assim efectuada a sua regeneração de uma formacontínua através do seu auto-vazamento.

As temperaturas resultantes podem atingir os 1200ºC, oque pressupõe materiais como a ceramica, com umaestrutura semelhante à usada para os catalizadores dosmotores Otto.

A fig. 36, mostra um sistema deste tipo. As célulassão obstruídas altenadamente por tampõescerâmicos.Os gases de escape penetram no canalaberto podendo atravessar a parede cerâmica coma espessura de 0,5mm, passando aos canaisvizinhos abertos até atingirem a saída.

A fim evitarmos o risco de contra-pressão torna-se necessária a instalação de auxiliarres deregeneração do filtro.A adição de substanciasespeciais que permitem abaixar as temperaturasde inflamação para valores de 200 a 250ºC. Oautovazamento é assim suficiente mesmo se ainstalação de filtragem está situada abaixo dochassis da viatura. A regeneração do filtro podeser feita de uma forma forçada através da colocaçãode um queimador de combustível que actue quando

a contra-pressão atinga um determinado valor.

Fig. 36 - Equipamento cerâmico do tipo “favo de abelha”.a) Filtro de fuligem para motor Dieselb) Catalizador para motor Otto1. carcassa , 2. estrutura cerâmica , 3. tampões cerâmicos

Fig. 37 - Filtro DPFS da Deutz Service


De acordo com o fabricante o sistema reduz as emissõesda fuligem do motor Diesel à volta 95 a 99% e as emissõesde partículas em geral são reduzidas de 70%.

O sistema está disponível para motores de 40 a 400Kw.Encontra-se actualmente aplicado em diversas viaturasde transporte urbano. A sua aplicação para além dascitadas viaturas, dirige-se a motores que trabalhem emambientes fora do ar livre.

O outro sistema apresentado foi desenvolvido pelaLeistritz em conjunto com a MAN em 1990 (fig. 39), sendoconstituído por dois filtros paralelos, com um sistemasequencial de regeneração, que é controladaelectrónicamente e pode surgir a a qualquer instantedurante o funcionamento do motor.

Fig. 38- Diagrama de funcionamento do sistema.A operacionalidade mantém-se durante a regeneração.

Fig. 39 - Sistema de filtragem Leitritz

O queimador regenerativo é alimentado com gasóleo eaquece a temperatura do ar de um soprador próprio avalores da ordem dos 550ºC.

Finalmente na fig. 40, temos o filtro produzido por ErnstAparatebau. O fabricante especifica um valor de eficienciada ordem dos 95% e reclama igualmente uma diminuiçãodo odor ds gases de escape bem como do ruído.Asemissões sonoras medidas indicaram valores inferioresaos dos silenciosos convencionais. A construção émodular podendo ser adaptado a diversos tipos de veículoscomo carros, camiões, empilhadores e outro equipamentomóvel.

Fig. 40 - Esquema de funcionamento do filtro de partículas Ernst


O catalizador reduz a emissão de CO e HC, oxidando-os para H2O e CO2.

Numa menor percentagem a emissão de partículas étambém reduzida pelo desdobramento e conversão dos

1.10.9. SEPARADOR ELÉCTRICO

A intensidade do campo eléctrico aparecendo ao níveldos pontos ou arestas do electrôdo de difusão doseparador eléctrico vai provocar a libertação de electrões.

Fig. 41 - Separador eléctrico 1. Gases de escape não tratados 2. Aglomerador electrostático 3.electrôdo circular de difusão4. da fuligem 5. ciclone 6. Gases orifício de evacuação de escape despoluídos.

Desta descarga resulta que os portadores das cargaslivres vão-se acumular nas partículas dos gases deescape.No campo electrostático as partículas carregadaselectricamente são atraídas pelo electrôdo de polaridadeinversa e ficam separadas.

O separarador de partículas não é usado nos veículosautomóveis.O seu esquema de funcioanmento estáexpresso na fig. 41. O aglomerador é seguido por umseparador de ciclone. O turbilhão formado pelo aceleraçãodevida à força centrífuga envia as partículas (cujadimensão aumentou devido à aglomeração) sobre asparedes exteriores donde caiem para o fundo sendodepois retiradas.

Contrariamente ao filtro de fuligem, a perda de pressãonos gases de escape é independente da carga de fuligem,sendo constante para cada ponto de funcionamento.

1.10.10. CATALIZADOR

O catalizador é similar ao usado nas viaturas com motoresa gasolina. A principal diferença reside no facto de apenasfazer oxidações e não reduções, os óxidos de azoto sãode difícil controlo, uma vez que o motor trabalha comexcesso de ar.

Assim o metal nobre com que são bombardeadas asparedes do favo é apenas platina. Na figura 42 podemosver uma representação do catalizador. Como esquemade funcionamento, temos:

Fig. 42 - Catalizador 1. alojamento especial 2. Revestimentoflexível 3. Corpo ceramico.

poluentes que aderiram às partículas de fuligem.Os processos de redução no conversor catalítico nãosão possíveis face ao elevado excesso de ar. Tal tornadesnecessário o sistema de controlo com sonda Lambda,sendo assim este um sistema não controlado.

Através de outros métodos podemos conseguir umaredução dos óxidos de azoto, como pelo atraso do pontode injecção e uma melhor afinação do sistema deinjecção.


1.10.11. GASES DE ESCAPE DE EVAPORAÇÃO EVAPORIZAÇÃO

1.10.11.1. VENTILAÇÃO POSITIVA DO CARTER

Este sistema é identico aos usados em motores agasolina. A proporção dos gases que passam da câmarade combustão é significativamente mais elevada nosmotores Diesel, devido à sua elevada compressão.

Fig. 43 - Diagrama de funcionamento do catalizador para diferentesvalores da p.m.e. e da rotação do motor.

Fig. 44 - Comparação dos motores Diesel e Gasolina em relação aos consumos de combustível e às emissões poluentes

1.10.11.2. VENTILAÇÃO DO DEPÓSITO DECOMBUSTÍVEL

O sistema de ventilação é apenas necessário para aequalização da pressão no depósito de combustível. Osistema de controlo de emissão por evaporação não énecessário visto que o gasóleo não se evapora comqualquer valor significativo nas condições normais deutilização.

1.10.12. AVALIAÇÃO DA EFICIENCIA DOS SISTEMASDE CONTROLO DE EMISSÕES

Ao compararmos os consumos e a emissão de poluentesde motores a gasolina e motores Diesel, com a mesmacilindrada e com/sem os sistemas anteriormentemencionados (fig. 44), constatamos fácilmente que osmotores com tratamento de emissões gasosasapresentam um aumento de consumo da ordem dos 5%.

Este aumento de consumo é largamente compensadopela redução drástica de poluentes tanto no caso do motorDiesel, como no do motor a gasolina.Em ambas assituações o motor Diesel é menos poluente do que omotor a gasolina.A unica aproximação do nível depoluentes apenas é verificada para os valores dos óxidosde azoto, no caso de ambos os motores estarem sujeitosa tratamento dos gases de escape.


TABELA 2 - LEGISLAÇÃO PARA EMISSÕES DE CARROS DEPASSAGEIROS (Directivas 91/441/EEC e 94/12/EEC,Regulamentação ECE15)PAÍS COMUNIDADE EUROPEIADATA FASE I -1992 1994 FASE II - 1996 FASE III -

1999APLICAÇÃO IDI DI DI IDI DI IDI & DI

HC +Nox

g/km 0.97 1.36 0.97 0.7 0.9 0.5

CO g/km 2.72 2.72 2.72 1 1 0.5Pm g/km 0.14 0.2 0.14 0.08 0.1 0.04

1.10.13. TÉCNICAS DE ANÁLISE DE GASES DEESCAPE

1.10.13.1. LEGISLAÇÃO ANTI-POLUIÇÃO

Numerosos países limitam as emissões poluentes dosveículos equipados com motores Diesel através deadequada legislação.

Esta legislação prevê os métodos de ensaio, astécnicas de medida e os valores limites aplicados deforma única em certos países, ou de forma comumcomo no caso da Comunidade Europeia.

Os valores fixam os limites máximos para os seguintesgases:

- hidrocarbonetos (HC)

- monóxido de carbono (CO)

- óxidos de azoto (Nox)

- substâncias sólidas e fumos.

As emissões de poluentes englobam:

- as emissões provenientes da combustão no interior domotor (gases de escape, compostos de enxofre,substancias sólidas, cheiros)

- as emissões provenientes da respiração do carter (gases,compostos de enxofre,cheiros)

Os poluentes mencionados, não são abrangidos naglobalidade pelo controlo anti poluição. Os gases do carternão são controlados, nem os compostos de enxofre quederivam exclusivamente do facto do combustível conterenxofre. Os odores também não são controlados,constituindo um problema ainda não totalmente resolvido.

A legislação existente para as viaturas ligeiras e pesadas,limita todos os restantes poluentes.

1.10.13.2. MÉTODOS DE ENSAIO

Depois dos Estados Unidos, a Comunidade Europeia e oJapão definiram os métodos de ensaio para o controledos gases de escape das viaturas automóveis, ligeiras epesadas.

Três métodos de ensaio são definidos pela legislaçãoem função da categoria do veículo e da finalidade doensaio:

- homologação para obter autorização de comercialização.

- controlo durante o fabrico para a futura homologação.

- controlo periódico para análise dos gases de escapedos veículos ligeiros durante a sua utilização pelorespectivo proprietário.

De todas as anteriores situações a mais complexa dizrespeito ao ensaio para homologação, sendo os métodosmais simples usados para o controlo periódico. Todos ospaíses impõem uma classificação uniforme para asviaturas automóveis:

- Viaturas particulares: o controlo é realizado num freiode rolos.

- Viaturas utilitárias ligeiras: o peso máximo destasviaturas situa-se entre os 3,5 e os 3,8t dependendo dalegislação de cada país: o controlo é realizado num freiode rolos.

- Viaturas utilitárias pesadas: peso superior a 3,5 … 3,8t,o ensaio é realizado num freio de potência, não existindoensaio de veículos.

Nas tabelas 2 e 3, temos os valores das emissões deacordo com a legislação actual. Para todos os outrosmotores Diesel não existe actualmente qualquerlegislação restritiva respeitante ás emissões gasosas.

Está em estudo legislação para todos os motoresindustriais, a qual deverá fundamentar-se na norma ISO8178. Esta norma já foi adoptada por diversos fabricantese está a ser negociada entre as várias partes interessadas.A associação de construtores de motores industriaisEUROMOT, tem vindo a propor a aplicação da legislaçãoem duas fases distintas, a Euromot I para 1996 e aEuromot II para 1999.

Um dos grandes desafios apresentados aos legisladores,consiste na introdução de métodos de ensaiouniversalmente aceites, que tenham em conta eespecificidade da aplicação dos motores. Nestaprespectiva os motores Diesel são agrupados pordiferentes classes:


TABELA 3 - LEGISLAÇÃO PARA EMISSÕES DE MOTORES DEVIATURAS PESADAS

(Directivas 91/542/EEC e Regulamentação ECE R49 e R24 )PAÍS COMUNIDADE EUROPEIADATA 1992 FASE I - JUL.

1992FASE II -OUT.95

FASE III -1999

APLICAÇÃO TODOS TODOS TODOS TODOSHC 2.4 1.1 1.1 0.7CO 11.2 4.5 4 2.5Nox g/kWh 14.4 8 7 5Pm< 85 kW 0.61 0.15 0.12> 85 kW 0.36 0.15 0.12

Tipo A - Viatures ligeiras

Tipo B - Viaturas pesadas

Tipo C - Veículos fora de estrada e equipamento industrial

Tipo D - Velocidade constante

Tipo E - Aplicações marítimas

Tipo F - Tracção ferroviária

Tipo G - Pequenos motores para diversas aplicações <20 Kw

1.10.13.3. ENSAIOS DE HOMOLOGAÇÃO

Ensaio de homologação Europeu

No caso dos países da CE, o contrôlo de gases de escapefaz parte das análise efectuada ao veículo. No caso dosmotores Diesel que equipam viaturas pesadas, éefectuado o controlo sobre as seguintes emissõespoluentes:

Hidrocarbonetos, monóxido de carbono, óxidos de azotoe opacidade dos fumos

Ensaios em série

O construtor pode realizar os ensaios em série comofazendo parte do seu “standart” de produção. Os serviçosde homologação podem no entanto efectuar mais ensaiosse o entenderem.

1.10.13.4. CICLOS DE CONDUÇÃO E MÉTODOS DETESTE

Os testes de gases de escape devem permitir aquantificação das emissões gasosas nas condições decirculação viária, sem necessidade de ensaios no terreno.

As condições de ensaio são simuladas num freio de rolosou no freio de potência. As emissões obtidas num períodode funcionamento em freio são idênticas às obtidas emestrada.

Na figura 45 apresentamos os ciclos de condução, usadosem três diferentes locais: os Estados Unidos, a Europae o Japão. Todos os ciclos são usados para o teste emviaturas ligeiras.

Na figura 46 é apresentado o esquema de aquisição dosgases e o respectivo equipamento de medição. Estemétodo é apelidado de volume constante.

O volume de gases de escape é diluido com ar puro a fimde obtermos um volume constante de mistura.

Para os utilitários pesados, utiliza-se o teste em freio depotência, chamado ciclo de condução CE R49 (fig. 47).Esta teste tem vindo a ser adaptado com algumadificuldade à inclusão de medições sobre substânciassólidas.


Fig. 45 - Ciclos de condução para a avaliação das emissões gasosas em viaturas ligeiras. a) EU b) Europa c) Japão

Fig. 46 - Método de teste CVS para viaturas utilitárias ligeiras.

1. ventilador 5. bomba 9. permutador 13.gás neutro 17.aspiração2.dinamómetro 6. tunel de mistura 10. forno 14. saco de gases de escape 18. integrador3. ar 7. debitómetro 11.saco de ar 15. tubagem quente 19.calculador4. filtro 8. contador de gás 12. gás de medida 16. soprador Roots 20. registador


tempo min factorponderação

regime

0..10 0,25/3 ralenti10..5050..60

0,080,25

regime interméd.até RPM max.

60..70 0,25/3 ralenti70..8080..120

0,10,02

regime nominal

120..130 0,25/3 ralenti

Fig. 47 - Ciclo de condução de 13 modos

1.10.13.5. TESTE DE EMISSÕES DE FUMOS

Uma legislação separada tem vindo a ser adoptadabastante tempo antes do contrôlo dos das substânciaspoluentes. Esta legislação continua hoje a ser aplicadasem práticamente qualquer modificação.

Os países que impõem o teste de fumos não utilizamotodos os mesmos métodos de teste. Todos os métodosestão estritamente ligados aos aparelhos conhecidos.

No caso do teste Europeu (fig. 49) o motor deve rodar aplena carga e a regime constante, equipado com oescape de origem e na temperatura normal de

Fig. 48 - Recolha de amostras e sistema de medição para o teste dos 13 modos

1. gases de escape 5. carburante 9. filtro 13.debitómetro2. ar 6. retorno 10.bomba3.gás neutro 7.escape 11. refrigerador4.gás de calibração 8. tubeira aquecida 12.separador de água

funcionamento do óleo e da água.

A medição deve ser efectuada em seis regimes diferentesrepartidos para velocidades compreendidas entre 100%e 45% da velocidade nominal do motor, sem que o regimedesça das 1000 RPM.

Um aparelho de absorção luminoso deve ser utilizadopara a medida.O valor comparativo para o grau deopacidade é o coeficiente de absorção K, sendo definidauma curva de valores limite (fig. 50).

Este método permite obter uma determinação clara efácilmente reproduzir as emissões de fumos a plena carga


Fig. 49 - Ciclo de condução com teste de fumos CE R24

Fig. 50 - Valores limites para as emissões de fumos de viaturasDiesel > 3,5 t de acordo com a ECE R24 (CE 72/306)

Definição: V = débito de gás nonimalV= Vh . n/120 , Vh = volume do cilindro (l)n = rotação do motor RPMk = coeficiente de absorçãok = - L-1. ln (1- N/100) (m-1)L = distancia de absorção (m)N = valor da escala linear de 0...100

Fig. 51 - detector de ionização de chama (FID) para análise de HC.1. medidor 2. queimador 3. saída 4. hidrogénio 5. ar livre de HC6. gás de calibração 7. gás de escape

uma vez estabelecido o equilíbrio térmico. Os valoresobtidos são falseados se os fumos forem provenientesnão apenas das partículas de fuligem mas da queima deóleo ou do vapor de água.

A medição de fumos em aceleração livre é tambémefectuada de acordo com a regulamentação R24. Nesteteste o motor quente é submetido a uma aceleraçãodesde o ralenti até ao regime máximo por uma acçãorápida no pedal do acelerador.

1.10.14. APARELHOS DE MEDIDA

Os métodos de controlo das emissões necessitam deequipamento de medida e de métodos de mediçãoperfeitamente definidos.

Os principais aparelhos usados à escala mundial são:

Análise de hidrocarbonetos

A análise do valor global dos hidrocarbonetosnos gasesde escape de motores Diesel faz-se através de umdetector de ionização de chama (FID). Como princípio defuncionamento podemos referir a formação de iões dehidrocarbonetos numa chama de hidrógenio (fig. 52).

Os gases de escape contém numerosas combinaçõesdiferentes de hidrocarbonetos não queimados, dissociadose parcialmente oxidados,cuja proporção depende danatureza e do estado de funcionamento do motor.

A medida do valor golbal dos HC é igualmenteproblemática pois depende do modo de condicionamentodas amostras. Devido aos processos alternados decondensação e vaporização com um elevado limite deebulição nas tubagens, torna-se necessáriocontráriamente ao motor a gasolina, aquecrecompletamente a tubagem do sistema de captação dasamostras , junto á entrada do FID, no interior do FID ejunto á camara de combustão.A temperatura deaquecimento do sistema deve ser de 190ºC.

Fig. 52 - registador de infravermelhos por absorção (URAS) paraanálise do CO/CO2.

1. fonte de tensão contínua 2. amplificador 3. estabilizador dosector 4. camara de recepção 5. membrana metálica 6. diafragma7. gás de escape 8. vaso de medida 9. vaso de referencia 10.vasos com filtro 11. roda com diafragma accionado por motor 12.fontes luminosas


Estes dois compostos são analizados pelo método daabsorção com o recurso a um registador de raiosinfravermelhemos URAS, fig. 52. O sistema utiliza oseguinte efeito: todos os gases poliatómicos absorvemos raios infravermelhos numa banda específica para cadagás. O gás a medir atravessa o vaso de medida situadano trajecto dos raios. O vaso de referência atravesadopelo segundo feixe contém azoto, o qual não absorve osraios.

O feixe emitido pelos dois emissores de infravermelhosde igual potencia chega á camara receptora apósatravessar os vasos de referencia e de medição. As duascamaras são cheias do gás analizar e separadas poruma membrana metálica. O feixe apenas é absorvido nasbandas de absorção específicas do gás receptor, dumaforma selectiva.

Uma diferença de energia absorvida dá origem a umadiferença de energia e de pressões entre as duas camarasreceptoras, a qual é transformada numa tensão eléctriaporporcional á concentração do composto a medir.

Análise dos óxidos de azoto

Para a medição dos óxidos de azoto recorre-se áquiminulescência (fenómeno luminosos de origemquímica) produzida pela reacção do óxido de azoto NOcom o ozono O3 (fig. 53)

O vaso de gás a medir contém o óxido de azoto produzidopela combustão no motor, o qual reage com o óxigenioresidual contido nos gases de escape, formando outrosóxidos de azoto NO2 e N2O. Destes gases apenas emrelação ao NO2 podemos considerar um valor nãoneglecenciável, sendo necessário proceder a umaredução térmica para se obter NO. A quiminulescênciaprovocada pelo O3 , corresponde assim á totalidade doteor em óxidos de azoto.

Medição das substancias sólidas

A medição das substâncias sólidas devido ás particulasde fuligem, é actualmente objecto de limitação nalegislação anti-poluição para veículos Diesel.

O método de medição de partículas mais preciso utilizaa gravimetria. Nesta técnica os gases de escapeatravessam um filtro e a massa de particulas édeterminada pela pesagem diferencial do filtro. Tendo emconta as propriedades higroscópicas do filtro a pesagemdeve ser efectuada em condições de humidade etemperatura constantes. O material do filtro influenciabastante os resultados da medição. Os filtros em fibrade vidro não tratados absorvem mais água ehidrocarbonetos do que os filtros em fibra de vidroendurecidos com teflon.

Determinação das emissões de fuligem

Para a medição do teor de fuligem dos gases de escapede motores Diesel, a legislação actual prevê os métodosda filtragem e da absorção.

Uma correlação existe entre este dois métodos se amedição efectuada pelo método da absorção é realizadoem gases sem vapor de àgua nem óleo queimado.

Os resultados dos dois métodos variam numa proporçãologarítmica com o aumento da concentração da fuligem.

A utilização de aparelhos ópticos permite uma precisãode medição da ordem dos 10%. No caso do método defiltragem é usado um disco filtro cujo escurecimento seutiliza como escala.

O aparelho de medida de absorção ou da opacidade utilizaum fluxo luminoso para medir a concentração de fuligem.Com a ajuda de um receptor luminoso o aparelho mede àsaída de um tubo de fumos o feixe luminoso produzidopor uma lampada colocada na entrada do tubo. Aabsorção da luz pelos gases de escape na camara de

Fig. 53 - Detector de quiminulescencia (CLD) para análise dos óxidos de azoto.

1. bomba de vácuo 2. filtro molecular 3. tubagem de referencia 4. regulador de débito 5. filtro 6. ar 7. oxigénio 8. gerador de O3 9.capilar 10. camara de reacção 11. filtro óptico 12. fotomultiplicador 13. amplificador 14. fixador 15. gases de escape 16. conversorde NO2 /NO


Fig. 55 - método de absorção para medição do valor da fuligem(sistema Hartridge).

1. separador de àgua 2. válvula de descarga 3. entrada de gases4. fonte luminosa 5. tubo de fumos 6. fotoelemento 7. tubocalibrado 8. posição de medida 9. posição de calibragem 10.saída de gases 11 . ventilador 12. ar

Leitura de resultados

Todas as medições efectuadas nos gases de escape sãoafectadas por erros aleatórios (estáticos) e erros dosistema . Os erros aleatórios podem ser eliminados pelarepetição das medidas efectuadas.

Os erros sistemáticos são preponderantes quandoapenas existe um equipamento disponível. A apariçãodeste tipo de erro não pode muitas vezes ser limitadopelo uso de meios suplementares (caso do freio de

Fig. 54 - método da filtragem para a medida do teor de fuligem

a) teste de fumos BOSCH b) analizador1. gases de escape 2. filtro de papel para recolha da fuligem 3.posição do embolo antes da medida 4. volume de aspiração 5.posição do embolo depois da medida 6. mola de tensão 7. bateria8. fonte luminosa 9. indicador 10.receptor luminoso.

medição resulta na diferença dos fluxos luminoso quesaiem da camara de medida e da camara de referencia.

O coeficiente de absorção k resulta não apenas dafuligem, mas igualmente da pressão e temperatura dosgases, reagindo igualmente a outras propriedades ópticasdos gases. Nas figuras 54 e 55 podemos analizar doisdos equipamentos usados para esta medição.

potência).

Só o valor médio dos resultados de numerosas medidaspode garantir um resultado aceitável das emissões devidasaos gases de escape.

Documents

Manual Sobre Emissoes Gasosas