Manual Sobre Emissoes Gasosas

ESTUDO DAS EMISSÕES GASOSAS

ÍNDICE ESTUDO DAS EMISSÕES GASOSAS

1. EMISSÕES GASOSAS 1.1. MEDIDAS PARA REDUZIR AS SUBSTÂNCIAS TÓXICAS 1.2. ELEMENTOS QUÍMICOS, COMPONENTES E REACÇÕES 1.3. GASES DE ESCAPE, EMISSÕES E POLUENTES 1.4. EMISSÕES DO SISTEMA DE ESCAPE 1.5. SISTEMA POSITIVO DE VENTILAÇÃO DO CÁRTER 1.6. VENTILAÇÃO DO DEPÓSITO DE COMBUSTÍVEL 1.7. MOTORES A GASOLINA E DIESEL, COMPARAÇÃO DE POLUENTES 1.8. CONTROLO DAS EMISSÕES NOS MOTORES A GASOLINA 1.8.1. FORMAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DA MISTURA 1.8.2. COMBUSTÃO 1.8.3. GASES DE ESCAPE DO PROCESSO DE COMBUSTÃO 1.8.4. SISTEMAS DE CONTROLO DE EMISSÃO 1.8.5. CORTE DE COMBUSTÍVEL NA DESACELERAÇÃO 1.8.6. IGNIÇÃO E COMBUSTÃO DA MISTURA 1.8.7. VÁLVULA EGR 1.8.8. GASES GASES DE ESCAP ESCAPE E DA COMBU COMBUSTÃO STÃO,, SISTEMA SISTEMA DE INJECÇÃO INJECÇÃO DE AR 1.8.9. CONVERSOR CATALÍTICO 1.8.10. CONVERSOR CATALÍTICO DE 3 VIAS 1.8.11. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 1.8.12. INUTILIZAÇÃO DO CATALISADOR 1.8.13. CONTROLO “LAMBDA” 1.8.14 1.8 .14.. SUBID SUBIDA A E DE DESCI SCIDA DA DA DAS S EMISS EMISSÕE ÕES S NO CONV CONVER ERSOR SOR CA CAT TALÍ ALÍTI TICO CO 1.9. GASES DE ESCAPE POR EVAPORAÇÃO E VAPORIZAÇÃO 1.9.1. VENTILAÇÃO POSITIVA DO CÁRTER 1.9.2. VENTILAÇÃO DO DEPÓSITO DE COMBUSTÍVEL 1.9.2.1. COMPONENTES 1.9.3. SISTEMA ELECTRÓNICO DE CONTROLO DE EMISSÃO POR EVAPORAÇÃO 1.9.4. SISTEMA PNEUMÁTICO DE CONTROLO DE EMISSÃO POR EVAPORAÇÃO 1.10. EMISSÕES GASOSAS EM MOTORES DIESEL 1.10.1. NOTAS INTRODUTÓRIAS 1.10.2. CARACTERIZAÇÃO DAS EMISSÕES GASOSAS 1.10.2.1. COMBUSTÍVEIS 1.10.2.2. PREPARAÇÃO DA MISTURA AR/COMBUSTÍVEL 1.10.2.3. COMBUSTÃO 1.10.2.4.. CONSTITUIÇÃO DOS GASES DE ESCAPE DOS 1.10.2.4 MOTORES DIESEL 1.10 1. 10.3 .3.. SIS SISTE TEMA MAS S DE DE CO CONT NTRO ROLO LO EM EM EMIS ISSÕ SÕES ES DE MO MOTO TORE RES S DIE DIESE SELL 1.10.3.1. ÁREA DE ACTUAÇÃO DO MOTOR 1.10.4. FORMAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DA MISTURA 1.10.4.1. PONTO DE INJECÇÃO

ÍNDICE

1 2 2 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 5 6 6 6 7 7 7 8 8 9 10 10 10 10 11 11 11 11 12 12 12 12 13 14 14 14 14

1.10.4.2. DURAÇÃO E LEI DA INJECÇÃO 1.10.4.3. PRESSÃO DA INJECÇÃO 1.10.5. SOBREALIMENTAÇÃO 1.10.6. COMBUSTÃO 1.10.6.1. DESENHO DA CÂMARA DE COMBUSTÃO 1.10.6.2. RELAÇÃO VOLUMÉTRICA DE COMPRESSÃO 1.10.6.3. AFINAÇÃO DAS VÁLVULAS DE ADMISSÃO E DE ESCAPE 1.10.6.4. RECIRCULAÇÃO DE GASES DE ESCAPE 1.10.7. TRATAMENTO SECUNDÁRIO DOS GASES DE ESCAPE 1.10.8. FILTRO PARA A FULIGEM 1.10.9. SEPARADOR ELÉCTRICO 1.10.10. CATALIZADOR 1.10.11. GASES DE ESCAPE DE EVAPORAÇÃO E VAPORIZAÇÃO 1.10.11.1. VENTILAÇÃO POSITIVA DO CÁRTER 1.10.11.2. VENTILAÇÃO DO DEPÓSITO DE COMBUSTÍVEL 1.10.12. AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DOS SISTEMAS DE CONTROLO DAS EMISSÕES 1.10.13. TÉCNICAS DE ANÁLISE DE GASES DE ESCAPE 1.10.13.1. LEGISLAÇÃO ANTI-POLUIÇÃO 1.10.13.2. MÉTODOS DE ENSAIO 1.10.13.3. ENSAIOS DE HOMOLOGAÇÃO 1.10.13.4. CICLOS DE CONDUÇÃO E MÉTODOS DE TESTE 1.10.13.5. TESTES DE EMISSÕES DE FUMOS 1.10.14. APARELHOS DE MEDIDA

15 16 16 16 16 16 17 17 18 18 20 20 21 21 21 21 22 22 22 23 23 25 20

ÍNDICE

1. EMISSÕES GASOSAS De acordo com as normas europeias, desde o inicio do ano de 1993 todas as viaturas a gasolina à venda devem superar um ensaio que garanta um baixo nivel de emissões poluentes. Este ensaio só pode ser ultrapassado por meio de um artifício no escape: uso de um catalisador. Os motores usados nos veículos geram gases de escape quando queimam combustível para produzir trabalho. Os gases de escape são também descritos como emissões, querendo isto significar a expulsão de gases em geral. Antes de passarem pelo catalisador, os gases de escape são caracterizados como emissões em bruto. A gasolina é altamente volátil e evapora à temperatura ambiente, podendo formar-se gases tóxicos e explosivos. Para o evitar, os vapores de combustível são recolhidos num depósito de carvão e com o motor a trabalhar são conduzidos através do sistema de admissão até aos cilindros, para a sua combustão.

Fig. 2 1. Catalisador de três vias integrado no coletor de escape 2. Sensor de oxigénio (sonda lambda)

Fig. 1 1 2 3 4 5 6

“Monolito” de cerâmica Material isolante Revestimento em aço inoxidável Estrutura tipo colmeia em cerâmica ou metal Revestimento de óxido de alumínio Superfície reactora de metal nobre

Durante o funcionamento do motor são ainda produzidos outros gases. No cárter gera-se uma mistura composta pelos gases resultantes da combustão que passam pelos segmentos, dos êmbolos e por uma neblina de óleo, resultante dos processos de lubrificação e arrefecimento. Esta mistura gasosa é adicionada ao ar de admissão do motor, através do sistema de ventilação do cárter e queimada. Estas medidas significam que todas as emissões gasosas do motor só passam para a atmosfera através do sistema de escape.Nos sistemas de escape actuais encontra-se um catalisador de três vias controlado, que purifica os gases de escape. Neste processo, os óxidos de nitrogénio (azoto), altamente tóxicos (NOX), o monóxido de carbono (CO) e os hidrocarbonetos (HC) são, por redução ou por oxidação, convertidos em nitrogénio inofensivo (N2), oxigénio (O2), água (H2O) e dióxido de carbono (CO2). O dióxido de carbono, embora em principio inofensivo, é indesejável, pois é responsável pelo fenómeno atmosférico denominado efeito de estufa.


Como o catalisador de três vias só se torna eficiente a uma temperatura de funcionamento bem acima dos 300 ºC, existem motores com um catalisador de aquecimento rápido adicional montado directamente no colector de escape, que atinge muito rapidamente a sua temperatura de funcionamento. A composição e a quantidade dos gases de escape determina a sua influência sobre o meio ambiente. No caso do motor de combustão interna, a melhor composição de gases de escape no que respeita às emissões gasosas em bruto só é possível quando a combustão alcança um nível optimo. No entanto, tal depende 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 de combustão interna dos veículos variam muito. A rotação do motor desde o ralenti a carga máxima e em especial a fase de aquecimento têm grande influência sobre as emissões de gases de escape. 1

1.1. MEDIDAS PARA REDUZIR AS SUBSTÂNCIAS TÓXICAS

1.2. ELEMENTOS QUIMICOS, COMPONENTES E REACÇÔES

Os valores limite para as emissões de gases de escape têm 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).

Todos os elementos químicos são referidos como substâncias constituídas por átomos homogéneos.

A redução do nível de substâncias tóxicas nos gases de escape dos motores modernos é presentemente conseguida através das seguintes medidas:

Segundo um padrão internacional que regula a designação dos elementos, as iniciais dos seus nomes latinos ou gregos foram escolhidas como símbolos geralmente válidos. Alguns dos mais importantes elementos indicam-se abaixo, como exemplo:

- 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 de combustível; - ventilação do cárter; - corte de combustível em sobreregime. Estas medidas respeitam os valores limite determinados pela UE sobre a emissão de gases de escape, norma 94/12/CEE (2ª fase). Os sistemas de controlo de emissões acima indicados podem ser combinados de várias maneiras, dependendo da cilindrada do motor ou do módulo de controlo do motor.

S ím b o l o

N o m e o ri g in a l

N o m e e m p o rtu gu ê s

O

O x ig e n iu m

O x ig é n io

N

N a triu m

A z o to

C

C a rb o n e u m

C a rb o n o

H

H y d r o g e n iu m

H id r o g é n io

Estes elementos raramente se apresentam na sua forma pura. Na maior parte dos casos, encontram-se sob a forma de compostos. Em baixo, um dos mais importantes compostos, constitui um bom exemplo: H 2 O = 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 outros compostos já existentes; - os compostos se desdobram nos seus elementos individuais. Há reacções que requerem energia adicional e outras que 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, referimonos a um processo de oxidação. Se este processo se verifica rápidamente, libertam-se consideráveis quantidades de energia, num curto intervalo de tempo. Este processo é geralmento denominado por “combustão”, independentemente de se tratar, por exemplo, de madeira a arder numa fornalha ou de gasolina a ser queimada num motor alternativo. Uma combustão súbita e extremamente rápida denomina-se explosão térmica. Basicamente, isto envolve sempre a mesma reacção química, durante a qual a energia se liberta.

Fig. 3 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 2

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 de combustível Ventilação do cárter Módulo de controlo do motor

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


1.3. GASES DE ESCAPE, EMISSÕES E POLUENTES

gases de combustão da câmara de combustão para o cárter e à evaporação dos lubrificantes. Alguma quantidade de combustível evapora-se do depósito de combustível, dependendo da temperatura ambiente exterior. Emissões e poluentes Os poluentes incluem basicamente as seguintes substâncias: ·

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

·

Dióxido de Carbono (CO2 ): não é por si tóxico, no entanto é considerado perigoso por ser um dos principais responsáveis pelo denominado efeito de estufa.

·

Hidrocarbonetos (HC): Há cerca de 100 (cem) espécies diferentes de hidrocarbonetos, alguns dos quais são tóxicos ou cancerígenos (exemplo: o benzeno).

·

Óxidos de Azoto (NO, NO2 , símbolo colectivo NO X ): são toxinas perigosas quando inspiradas. Contribuem para as chuvas ácidas e juntamente com os hidrocarbonetos dão origem a produtos agressivos como por exemplo, o Ozono (O3). Esta substância produz uma camada protectora contra os perigosos raios solares na atmosfera superior, mas no nosso meio ambiente imediato, actua como uma toxina das células.

·

Dióxido de enxofre (SO2 ): é uma toxina perigosa quando inspirada. A sua proporção depende do petróleo em bruto utilizado na refinação para produzir o combustível.

·

Tetraetileno de Chumbo: composto de chumbo, é uma poderosa toxina para o sistema nervoso.

·

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

·

Fuligem: é constituida por partículas sólidas de carvão inofensivo. Contém também depósitos de hidrocarbonetos policlíticos aromáticos (PAH), que dão origem a cheiros desagradáveis e são, numa certa medida, carcinogénios (exemplo: o benzipireno). A fuligem encontra-se na emissão pelo sistema de escape dos motores Diesel.

Fig. 4

Os gases de escape são aqui definidos como substâncias sólidas, líquidas ou gasosas que se combinam com o meio ambiente, alterando a composição natural do ar. Principalmente, as emissões contêm ou são constituídas apenas por poluentes. Os poluentes são substâncias libertadas pelo Homem e que prejudicam o meio ambiente, de uma ou de outra forma. Podem classificar-se de acordo com vários critérios, por exemplo: · Altamente tóxicos: Substâncias que causam danos directos ao Homem, animais ou plantas. ·

Tóxicos: Substâncias que causam danos, quando em certas concentrações.

·

Perigosos: Substâncias que são perigosas, mas apenas em certas condições e concentrações.

·

Cancerígenos: Substâncias que causam cancro devido a contactos permanentes.

Gases de escape, emissões e poluentes nos veículos a motor

Fig. 5 1. Emissões provenientes do sistema de escape 2. Emissões provenientes do sistema de ventilação positiva do cárter 3. Emissões provenientes do sistema de ventilação do depósito de combustível

A maior proporção de emissões gasosas ocorre durante a combustão do combustível e escapam-se para a atmosfera pelo sistema de escape. No entanto, podem ocorrer emissões gasosas provenientes do cárter, devido à passagem de parte dos


1.4. EMISSÕES DO SISTEMA DE ESCAPE As emissões que ocorrem como resultado imediato da combustão (mistura ar/combustível, vestígios de óleos lubrificantes, condensação, depósitos nas paredes dos cilindros) podem ser reduzidas optimizando o processo de combustão. O conteúdo de poluentes das restantes emissões dos gases de escape pode ser reduzido pelos 3

sistemas catalíticos. A. Motor Diesel sem controle de emissão B. Motor gasolina sem controle de emissão

1.5. SISTEMA POSITIVO DE VENTILAÇÃO DO CÁRTER Teóricamente, os segmentos devem vedar o cilindro de uma forma absolutamente estanque. No entanto, na prática, durante o curso da compressão e de combustão, isto nem sempre é possível. Durante os tempos de compressão e combustão, alguns gases passam, através da folga dos segmentos, para o cárter. A quantidade de gases aumenta com o desgaste dos segmentos, dos pistões e das superfícies das paredes dos cilindros. Devido ao aquecimento e arrefecimento do motor forma-se vapor de água e por sua vez, condensações. O óleo de lubrificação é pulverizado e atomizado pelas altas temperaturas e pelas peças móveis do motor. Forma-se um nevoeiro de óleo que se mistura com o vapor de água e com os gases que chegam ao cárter. A função do sistema de ventilação positiva do cárter deve ser: ·

Afastar os gases agressivos.

·

Evitar pressão excessiva no cárter que poderá dar origem a fugas.

As emissões menos intensas que ocorrem (em parte como consequência da combustão, evaporação e vaporização) são encaminhadas para a câmara de combustão através do sistema de ventilação positiva do cárter. Passam então a ser uma componente das emissões do escape.

1.6. VENTILAÇÃO DO DEPÓSITO DE COMBUSTÍVEL As emissões que ocorrem devido à evaporação (vapores de combustível), são também encaminhadas para a câmara de combustão, pelos sistemas de controlo da emissão por evaporação. Passam também a constituir parte das emissões do escape.

Consumo de combustível Emissão de CO Emissão de HC Emissão de NO X

Fig. 6- Comparação do consumo de combustível e das emissões gasosas poluentes dos motores Diesel e gasolina com cilindradas idênticas

A emissão de partículas sólidas, no caso dos motores Diesel, bem como as emissões de CO2 nos motores a Diesel e a gasolina, não são tomadas em consideração. Atendendo às diferenças acima especificadas entre estes dois tipos de motores, as medidas a implementar para a redução dos poluentes diferem consideravelmente.

1.8. CONTROLO DAS EMISSÕES NOS MOTORES A GASOLINA Combustível A gasolina utilizada nos motores é constituida quase exclusivamente por hidrocarbonetos. Devido aos diferentes graus do petróleo em bruto utilizado e dos aditivos sintéticos, contém também enxofre, chumbo ou outros compostos em pequenas percentagens. É muito volátil e evapora-se a temperaturas ambientes normais. Desde a introdução do conversor catalítico nos veículos, comercializam-se os seguintes tipos de gasolina (de acordo com os regulamentos da União Europeia), na maioria dos países europeus: Tipo

1.7. MOTORES A GASOLINA E DIESEL, COMPARAÇÃO DE POLUENTES Os dois princípios de funcionamento apresentam as seguintes diferenças fundamentais que têm uma influência decisiva nas características da emissão: Características Combustível

Motor Diesel

Gasolina

Gasóleo

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%

Local da mistura

4

Motor a gasolina

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

O índice de octano (I.O.) é uma comparação entre a capacidade 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-detonante do 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 elevada melhora-se o rendimento térmico do motor, isto é,


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

λ <1 indica mistura rica (o oxigénio disponível não chega

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

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

Até há bem pouco tempo, o chumbo tinha sido utilizado para aumentar a capacidade anti-detonante do combustível. Nas gasolinas sem chumbo, este foi substituído, em larga escala, por outros aditivos. O benzeno serviria os mesmos objectivos, mas é extremamente caro e, além disso, altamente cancerígeno.

para uma oxidação completa).

Combustão com diferentes valores de Lambda Zona A Maior potência, elevadas emissões de CO e HC, elevado consumo de combustível Zona B Reduzidas emissões de CO e HC, elevada emissão de NO X , consumo favorável Zona C Emissão reduzida de poluentes, consumo favorável, problemas térmicos C e Consumo específico de combustível (g/kW)

1.8.3. Gases de escape do processo de combustão

1.8.1. FORMAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DA MISTURA A mistura ar/combustível forma-se no exterior da câmara de combustão. Se o motor requer uma quantidade considerável de energia, terá que se aumentar o fornecimento da mistura. Não basta aumentar a proporção de combustível ou de ar. A quantidade é alterada, mas, a qualidade (composição) da mistura apenas se modifica dentro de limites muito restritos. O controlo do fornecimento da mistura é, portanto, um controlo quantitativo.

1.8.2. COMBUSTÃO A relação ideal da mistura ar/combustível para o processo de combustão é de 14,7:1, o que significa 14,7 quilogramas de ar para 1 quilograma de gasolina. Esta relação ou proporção da mistura de 14,7:1 é também referida como λ (lambda) = 1. λ >1

indica mistura pobre (há oxigénio mais do que necessário para uma oxidação completa). Exemplo: λ =1,2 corresponde a 14,7x1,2=17,64kg de ar para 1kg de gasolina.

Fig. 8 - Emissões com diversos valores Lambda Óxidos de azoto (NO X ) - a sua produção deve-se a um excesso de oxigénio e a elevadas temperaturas e pressões. Monóxido de carbono (CO) e Hidrocarbonetos (HC) - quando encontrados em excesso nos gases de escape indicam falta de oxigénio e baixas temperaturas durante a combustão

1.8.4. SISTEMAS DE CONTROLO DE EMISSÃO Para se optimizar a combustão e/ou reduzir as emissões de CO, HC e NOX, vários componentes do motor foram aperfeiçoados em quatro importantes áreas sendo criados sistemas de controlo adicionais:

1.8.5. CORTE DESACELERAÇÃO

DE

COMBUSTÍVEL

NA

Como não é pedida qualquer potência ao motor quando o veículo vai a deslocar-se numa descida sem acelerar ou em caso de desaceleração, pode economizar-se combustível durante estas fases da utilização, reduzindose assim também a emissão. A função de corte de combustível na desaceleração só é activada quando são satisfeitas três condições simultâneamente: Fig. 7


·

O motor está à temperatura normal de funcionamento.

·

O motor está a funcionar sem carga (borboleta do 5

acelerador fechada). ·

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

Estas três condições são avaliadas por meios electrónicos, os quais activam o processo de corte de combustível na desaceleração. Este é desactivado assim que uma das duas primeiras condições deixe de existir. No entanto, a rotação do motor pode cair abaixo do valor especificado na terceira condição antes do sistema de corte ser desactivado.

temperatura para controlar o seu funcionamento. Se a temperatura no canal de recirculação dos gases for demasiado elevada, tal significa que a EGR está constantemente aberta. Se a temperatura for demasiado baixa significa que a EGR não abre correctamente.

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 de platinados e são controlados electronicamente. Consequentemente, produz-se uma faísca mais limpa e que não pode ser afectada pelo desgaste mecânico ou pelas altas rotações do motor. Os sistemas mecânicos de ignição podem admitir tolerâncias até 80º do ângulo da cambota, enquanto os bons sistemas electrónicos apresentam tolerâncias inferiores a 10º do ângulo da cambota. Uma série de sinais eléctricos, como sejam a rotação do motor, a sua carga e temperatura, são utilizados pela unidade de controlo. Para alcançar o ponto de ignição òptimo, o programa toma em consideração as características da ignição, a carga a que está sujeito o motor (posição da borboleta) e a rotação do motor. O sistema recircula uma certa quantidade de gases de escape novamente para o ciclo de combustão com o objectivo 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 de oxigénio, reduzindo também a temperatura durante o processo de combustão, sem aumentar de forma significativa as emissões de CO e HC. A proporção de NOX pode reduzir-se até cerca de 30% com a utilização deste sistema. O sistema EGR não é activado quando o motor está frio ou sob carga máxima de forma a evitar a ocorrência de deficientes condições de funcionamento e consequentemente, perda de potência.

1.8.7. VÁLVULA EGR A válvula EGR encontra-se localizada entre os colectores de escape e o de admissão ligada por um tubo. Quando é aplicado vácuo na ligação 4 pela válvula reguladora de vácuo (7 da figura da página anterior), a depressão exercida sobre o diafragma (2) vence a força da mola (3) e faz abrir a sede da válvula, permitindo a entrada dos gases de escape. A sede da válvula é fechada novamente pela pressão da mola quando o vácuo deixa de ser aplicado.

Fig. 9 A. Gás de escape vindo do colector de escape B. Gás de escape para o colector de admissão 1. Cone da válvula 2. Diafragma de borracha 3. Mola de compressão 4. Ligação de vácuo com origem no coletor de admissão

1.8.8. GASES DE ESCAPE DA COMBUSTÃO Sistema de injecção de ar Verifica-se, temporariamente, um vácuo relativo no colector de escape devido à frente de pressão pulsatória dos gases de escape. Como consequência desta diferença de pressão, o ar primário é aspirado, através de um filtro de ar e de uma válvula de impulso de ar, directamente atrás das válvulas de saída, para os colectores de escape. A injecção de ar secundário é activada por um curto intervalo de tempo durante a fase de aquecimento do motor (cerca de 80 a 90 segundos). Com o sistema de injecção de ar, dá-se a injecção directa de ar para as aberturas de escape na cabeça do motor, de forma a que os hidrocarbonetos e o monóxido de carbono não queimados na câmara de combustão possam ser oxidados, ou seja, posteriormente queimados pela elevada temperatura dos gases de escape. Durante este processo, a temperatura dos gases de escape sobe ainda mais e o catalizador atinge mais rapidamente a sua temperatura de funcionamento na fase de aquecimento do motor. Simultaneamente são reduzidas as substâncias tóxicas dos gases de escape.

Por vezes a válvula EGR tem incorporado um sensor de 6


A figura mostra um catalisador de três vias, que actua segundo 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

Fig. 10 - Esquema do sistema de injecção de ar num motor de injecção 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. A. B.

Filtro/silencioso do impulso de ar Válvula de controlo de ar Válvula de impulso de ar (unidireccional) Solenóide de vácuo do ar secundário Válvula de escape Colector de escape Colector de admissão Borboleta do acelerador Vácuo do colector de admissão Ar primário

1.8.9. CONVERSOR CATALÍTICO Um catalisador é uma substância que aumenta ou diminui a velocidade de uma reacção química, sem modificar a temperatura da reacção ou o equilíbrio químico. O catalisador interfere na reacção mas mantém-se sem alterações quando a reacção fica concluída. A este efeito do catalisador nas reacções químicas denomina-se catálise. Uma catálise positiva acelera a reacção química; uma catálise negativa desacelera essa mesma reacção. Nos automóveis a catálise realiza-se no interior de uma panela de escape com elementos catalisadores no seu interior. A catálise positiva é orientada para os três maiores poluentes, produzidos nos motores a gasolina, HC, CO e NOX Isto significa a conversão dos poluentes em compostos inofensivos, antes de sairem pelo tubo de escape. Os catalisadores utilizados para esta função são a Platina, o Ródio e o Paládio.

Fig. 12

O corpo base do conversor catalítico é feito de cerâmica ou material metálico, designado por monolito. O monolito de cerâmica é conhecido por “tijolo”. Este monolito é constituído por milhares de pequenos canais, através dos quais circulam os gases de escape. Sobre estes canais encontram-se os elementos catalisadores (Platina, Ródio e Paládio). As superfícies rugosas são constituídas por óxido de Alumínio (AlO2). A área total da superfície é o resultado do factor de rugosidade em comprimento vezes a largura dos canais, multiplicado pelo número destes. O resultado disto é uma área teórica que corresponde à área de vários campos de futebol. Como a superfície de reacção fica destruída pela precipitação do Tetraetileno de Chumbo, apenas se pode utilizar gasolina sem chumbo. O “tijolo” está acomodado com uma camada de fibra intermédia flexível (fibra mineral ou rede metálica) num alojamento de aço especial.

1.8.11. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO

1.8.10. CONVERSOR CATALÍTICO DE TRÊS VIAS

Fig. 13

O conversor catalítico só pode desempenhar a sua função quando:

Fig. 11


·

A sua temperatura de funcionamento for superior a 300ºC.

·

A deficiência e o excesso de oxigénio alternam-se numa rápida sequência.

·

A mistura ar/combustível é mantida numa tolerância 7

rigorosa, próxima de Lambda = 1. O conversor catalítico exige oxigénio livre para poder oxidar os HC (hidrocarbonetos) e o CO (monóxido de carbono) para H2O (água) e CO2 (dióxido de carbono), sob a forma de gás.

dos gases de escape no catalisador. Estas temperaturas extremamente elevadas, podem ocorrer devido a uma anomalia no sistema de ignição ou de combustível, quando este sem se queimar incendeiase no interior do catalisador.

Por outro lado, é necessária uma deficiência de oxigénio para reduzir o NOx (óxido de azoto) a N2 (azoto) e O2 1.8.13. CONTROLO LAMBDA (oxigénio), porque a molécula de oxigénio deve ser Um sensor de oxigénio está instalado antes do conversor desdobrada neste caso. catalítico, no fluxo dos gases de escape. Damos a seguir Estas duas reacções não se podem realizar ao mesmo uma descrição mais pormenorizada. tempo, mas sim sucessivamente, uma após a outra. Para reduzir o NOX, a mistura deve ser primeiro enriquecida, o O sensor de oxigénio também é conhecido como sonda que provoca a produção de CO. Imediatamente a seguir, Lambda ou sensor de oxigénio aquecido nos gases de a mistura deve tornar-se pobre de forma a libertar oxigénio escape. para a oxidação dos HC e do CO. O sensor de oxigénio é um gerador de tensão que fornece Estes pré-requisitos são satisfeitos quando a mistura varia numa curta tolerância da relação Lambda = 1. Para isto torna-se necessário um sistema de controlo (controlo Lambda), em circuito fechado.

uma tensão directa com valores até 1 Volt.,na maior parte das viaturas europeias. A definição científica deste componente é: Célula galvânica da concentração do oxigénio com electrodos sólidos.

1.8.12. INUTILIZAÇÃO DO CATALISADOR A superfície catalisadora activa composta por metais preciosos pode ser desactivada devido à acumulação de depósitos. Se existir uma concentração de chumbo no combustível superior a 5 mg/litro, tal pode causar a inutilização do catalisador. Por este motivo, os veículos equipados com catalisador só podem utilizar gasolina sem chumbo. Alguns óleos do motor contêm Zinco (Zn) e Fósforo (P). Tal pode conduzir à inutilização do catalisador. O enxofre também pode destruir o catalisador mas só se nota o seu efeito quando é expelido pelo catalisador sob a forma de ácido sulfídrico (H2S), o qual tem um cheiro nauseabundo, semelhante a ovos podres.

Fig. 14 - Sonda Lambda 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Resistência de aquecimento Suporte de cerâmica Alojamento do sensor Anilha vedante Elemento activo Tubo protector

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

O enxofre forma uma película na superfície rugosa do catalisador. É necessário ter uma mistura rica para que o enxofre se misture com o hidrogénio por forma a formar o ácido sulfídrico.Este problema vai desaparecendo à Quando a mistura se torna mais rica, por exemplo Lambda medida que o catalisador envelhece. A substituição deste = 0,9, a tensão neste sensor aumenta para 800 mV como resultado da diminuição de oxigénio. só viria promover este fenómeno. Por forma a reduzir a expulsão de ácido sulfídrico para o Quando a mistura se torna mais pobre (por exemplo mínimo possível, o teor de CO ao ralenti tem de encontrar- Lambda=1,05) a tensão desce para 200 mV. se dentro dos valores limites definidos, de preferência os A tensão altera-se bruscamente quando o controlo se mínimos. O sistema de controlo do motor tem de estar a aproxima do valor Lambda=1±0,05. Se o sensor de funcionar correctamente. oxigénio assinala uma mistura rica à unidade de controlo O catalisador envelhece térmicamente quando em uso. (U~0,9V), a mistura ar/combustível é imediatamente Em especial durante os primeiros 6500 km, em média. regulada para pobre. Quando o sensor indica uma mistura O processo de envelhecimento regular verifica-se à pobre (U~1,1V) à unidade de controlo, a mistura é temperatura de funcionamento normal de 850ºC. A enriquecida. Este ciclo é repetido milhares de vezes temperaturas superiores a 1000ºC, o processo de durante o funcionamento do motor. envelhecimento torna-se mais rápido. A uma temperatura superior ou igual a 1400ºC o favo de cerâmica derretese. Isto torna-se evidente através da perda de potência causada pela elevada resistência á passagem do fluxo 8


Tal significa que o catalisador de três vias funciona com uma relação de conversão de 95%, pois tem de haver falta de oxigénio para reduzir o NOX, enquanto a oxidação de CO e HC requer oxigénio livre. Sem uma alimentação de combustível em circuito fechado, o catalisador de três vias teria uma eficiência de apenas 70%. A alimentação de combustível em circuito fechado permite a formação de uma mistura ideal para a combustão, com uma tolerância muito limitada de Lambda=1, (janela lambda). Assim se consegue um baixo nível de emissões gasosas.

Fig. 15 A. Mistura rica B. Mistura pobre C. Tolerância (mistura ideal) D. Sinal do sensor em mV

Para garantir que o sensor de oxigénio alcança rapidamente a sua temperatura de funcionamento, este está equipado com uma resistência que aquece o sensor logo que se liga a ignição. Fig. 17

1.8.14. SUBIDA E DESCIDA DAS EMISSÕES NO CONVERSOR CATALÍTICO

A. Sinal do sensor de oxigénio aquecido B. Emissões em bruto antes do catalisador C. Gases de escape tratados depois do catalisador de três vias 1. 2. 3. 4.

Módulo de controlo do motor Sensor de oxigénio aquecido pré-catalisador * Injector de combustível Catalisador de três vias

* Sensor de oxigénio aquecido pré-catalisador: montado antes do catalisador Sensor de oxigénio aquecido pós-catalisador: montado a seguir ao catalisador

Fig. 16 ( 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 a medida mais importante para a redução do nível de substâncias tóxicas nos gases de escape. Este sistema é composto por um catalisador de três vias, um sensor (ou sensores) de oxigénio aquecido e um módulo de controlo do motor. A alimentação de combustível em circuito fechado controla a composição alternada da mistura, ora pobre ora rica, ou seja, o nível de oxigénio nos gases de escape varia constantemente entre baixo e elevado.


Alguns veículos que têm montados dois catalisadores, estão ainda equipados com um ou dois sensores de oxigénio aquecido pós-catalisador, para além do sensor ou sensores de oxigénio aquecido pré-catalisador. A função deste(s) sensor(es) de oxigénio pós-catalisador é detectar o teor de oxigénio à saída do catalisador. O sensor envia apenas um sinal de tensão aproximadamente uniforme pois, em condições normais, o teor de oxigénio residual nos gases de escape pós-catalisador é geralmente baixo. O módulo de controlo do motor recebe informações exactas sobre o processo de combustão e sobre o funcionamento correcto dos sensores de oxigénio através da comparação da tensão dos dois sensores. Tal conduz a uma melhoria das características da gestão do motor e a uma redução das emissões dos gases de escape só possivel através de um controlo do motor bastante apertado.

9

óleo sejam transportados no fluxo dos gases para a câmara de combustão. Contém uma série de placas onde os vapores de óleo se condensam voltando em seguida ao cárter, por efeito de gravidade. A válvula (4) controla o fluxo dos gases ao ralenti, a carga parcial e carga total. A sua abertura é provocada pelo vácuo no colector de admissão, sendo sugados os gases do bloco do motor para as câmaras de admissão. O separador de óleo não se encontra instalado, sempre que a válvula (4) possa ser montada directamente na tampa das válvulas. Fig. 18 1. Módulo de controlo do motor 2. Sensor de oxigénio pré-catalisador (sinal de tensão oscilante para a alimentação de combustível em circuito fechado) 3. Catalisador de três vias 4. Sensor de oxigénio pós-catalisador (sinal de tensão uniforme) 5. Injector de combustível

1.9. GASES DE ESCAPE POR EVAPORAÇÃO E VAPORIZAÇÃO

1.9.2. VENTILAÇÃO DO DEPÓSITO DE COMBUSTÍVEL Em condições de grande flutuação de temperatura, o combustível expande-se e evapora-se parcialmente ou contrai-se. A quantidade de combustível no depósito altera-se constantemente, devido ao reabastecimento e ao consumo causado pela condução. Atendendo a estes factos o sistema de ventilação deve assegurar uma equalização da pressão no depósito. Componentes:

1.9.1. VENTILAÇÃO POSITIVA DO CÁRTER

Tampão de combustível

Apenas um sistema fechado que não tenha qualquer espécie de ligação com o ar exterior pode satisfazer os requisitos relacionados com uma eficiente redução da emissão.

Uma válvula de segurança de pressão está incluida no tampão da gasolina. Esta válvula abre a uma pressão de ± 0,3 bar. Alguns tipos de tampões são ainda dotadas de válvulas de segurança de vácuo.

Fig. 20 Fig. 19 - Representação dum motor com carburador 1. Filtro de ar 2. Ligação ao filtro de ar 3. Separador de óleo 4. Válvula 5. Ligação ao colector de admissão

Função O ar primário é encaminhado desde o lado do ar limpo do filtro de ar para a tampa das válvulas. Havendo um excesso de pressão nesta área, os gases não serão libertados para a atmosfera, mas sim aspirados pelo motor, através do filtro de ar.

1. Válvula de segurança 2. Válvula de vácuo 3. Fechadura 4. Bocal de enchimento 5. Anilha de vedação A. Excesso de pressão B. Ar aspirado

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

Os gases do cárter são encaminhados através do separador de óleo (3) e da válvula (4) para o colector de admissão (5). O separador de óleo evita que as pequenas gotículas de 10


1.9.4. SISTEMA PNEUMÁTICO DE CONTROLO DAS EMISSÕES POR EVAPORAÇÃO

Fig. 21 1. 2. 3. 4.

Tubo de ventilação Limitação do fluxo Válvula de esfera aberta Válvula de esfera fechada

1.9.3. SISTEMA ELECTRÓNICO DE CONTROLO DA EMISSÃO POR EVAPORAÇÃO Este sistema está instalado nos veículos equipados com motor de injecção electrónica de combustível e com um conversor catalítico de três vias. As emissões de hidrocarbonetos do depósito de combustível são encaminhadas através de uma tubagem para um filtro de carvão. O carvão vegetal activado tem a propriedade de aglutinar substâncias tóxicas sob a forma de moléculas de hidrocarbonetos. Um outro tubo de ligação encaminha os vapores de gasolina desde o filtro de carvão até ao processo de combustão. Quando o motor está desligado, os vapores são armazenados no filtro de carvão. Quando o motor está a trabalhar, os vapores são enviados imediatamente para o processo de combustão. Os vapores são aspirados do filtro de carvão. O depósito de carvão está ligado por um tubo à válvula de segurança em caso de capotamento, existente no depósito de combustível.

Fig. 23 1. Depósito de combustível 2. Válvula de segurança contra acidentes 3. Tubo de evaporação de combustível 4. Filtro de carvão 5. Orifício calibrado 6. 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 sido dada a devida atenção a esta problemática, pois anteriormente todos os esforços estavam centradas na investigação sobre motores a gasolina. A extensão do uso de motores Diesel aos automóveis ligeiros, a par da crescente preocupação com o ambiente, produziu até à presente data, já legislação aprovada ou por aprovar a qual definirá para todas as situações de funcionamento, o nível de contaminação permitido para os motores Diesel. Por outro lado, tem sido efectuado um notável esforço por parte dos fabricantes de motores, tentando em dez anos colocar os padrões de desenvolvimento ao nível dos já alcançados para os motores a gasolina. Persistem no entanto algumas dúvidas, sobre se estamos a percorrer o caminho certo, pois existe a tentação de não serem resolvidos os problemas de fundo, como o da combustão dos motores e dos combustíveis mas apenas o tratamento posterior dos gases de escape, fruto da pressão dos grupos industriais, nomeadamente sobre os legisladores, que parece continuar a desenvolver-se.

Fig. 22 1 2 3 4 5 6

Carvão granulado activado Filtro de espuma Ligação da válvula de segurança em caso de capotamento Ligação da válvula de purga do depósito de carvão Protecção de plástico Protecção de metal


Até ao fim do Século vamos assistir a um grande desenvolvimento dos motores Diesel, em duas direções preferencias, a poupança de combustível e a diminuição das emissões gasosas, com a devida ressalva para os avanços que tal irá provocar sobre a generalidade do motores e dos combustíveis. Para o desenvolvimento deste tema abordaremos inicialmente os parametros que o caraterizam, em seguida descreveremos os sistemas de controlo de emissões, os equipamentos para medição e finalmente 11

a legislação existente e a que se encontra em preparação.

1.10.2.3. COMBUSTÃO

1.10.2. CARACTERIZAÇÃO DAS EMISSÕES GASOSAS EM MOTORES DIESEL

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

1.10.2.1. COMBUSTÍVEIS Vamos analizar os combustíveis na óptica das emissões gasosas. Existe actualmente a tendencia para a diversificação de combustíves em motores Diesel. Esta diversificação tem como grande objectivo a dimuição da dependencia do petróleo. Recorre-se assim a par do uso de combustíveis constituídos por hidrocarbonetos, ao gás natural, aos biocombustíveis, aos óleos reciclados e até em certas aplicações a combustíveis multi-uso, á base de querozene. A escolha do combustível passa assim por um conjunto de factores de ordem económica, ambiental e estratégica, os quais vão condicionar os consumos, e as emissões gasosas. Quando nos referimos a combustíveis líquidos à base de hidrocarbonetos, podemos apontar como problema fundamental a resolver a quantidade de enxofre contido e a melhoria da capacidade de auto-inflamação, com o aumento do indice de cetano (mínimo aceitável de 45) .Os problemas de evaporação a baixa temperatura não se colocam neste tipo de combsutíveis. Quando empregamos combustíveis como o gás natural, com vantagens no que respeita á diminuição das emissões gasosas, temos de salientar a desvantagem da necessidade de transformação do motor, o qual passa a funcionar segundo o ciclo Otto.

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

Uma solução interessante parece no entanto ser a do uso de Biocombustíveis, com os quais se tem obtido um decréscimo considerável do nível de emissões, sem haver necessidade de alterações nos motores.

O ar não é usado de uma forma optimizada o que explica que os motores Diesel, necessitem de mais ar do que os motores a gasolina. Este facto limita o valor da pressão média efectiva, mas por outro lado diminui a emissão de poluentes, podendo ser comparado o seu valor ao de um motor a gasolina catalizado (fig.24).

1.10.2.2. PREPARAÇÃO DA MISTURA AR COMBUSTÍVEL

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

A preparação da mistura ar-combustível, influencia bastante o consumo de combustível, a composição dos gases 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 introduzido na admissão, e do combustível que posteriormente é injectado na fase final do curso da compressão. O controlo da mistura contráriamente ao motor Otto, é realizada de uma forma qualitativa, através do doseamento de combustível injectado efectuado pelo sistema de injecção.

A fuligem é produzida devido à combustão incompleta, pois o combustível apesar de finamente atomizado não se consegue misturar completamente com o ar, havendo sempre zonas da camâra onde a mistura é rica. Assim a fuligem ocorre em zonas onde a o coeficiente do excesso de ar (l) oscila entre 0,3 e 0,6 e as temperaturas entre 1127ºC e 1247ºC.

A relação ar-combustível varia assim contínuamente entre a situação de “ralenti” e a carga máxima, atingindo um valor mínimo de 16/1, nunca sendo igual ao valor estaquiómetrico devido ao limite de fumos. 12


Fig.27 - Constituição da fuligem das emissões dos motores de combustão interna. Fig. 25 - Evolução da combustão para deferentes emissões de fuligem e de No x

O controlo da emissão de partículas é particularmente delicado, pois as medidas que são tomadas para a sua diminuição, têm geralmente consequencias negativas no consumo de combustível , na emissão de Nox e mesmo no ruído de funcionamento do motor (fig.25).

1.10.2.4. CONSTITUIÇÃO DOS GASES DE ESCAPE DOS MOTORES DIESEL Os gases produzidos pelo motor Diesel, são constituídos por cerca de 1000 substancias diferentes. Na tabela 1 encontramos as principais, sendo indicados valore a para a situação de ralenti e de potencia máxima.

Mais de 95% das emissões são relativamente inofensivas: Dióxido de carbono, vapor de água,azoto, oxigénio residual não queimado. Nos restantes 5% encontramos: Benzeno, aldeídos, hidrocarbonetos aromáticos policíclicos, azoto e sulfatos. Os óxidos de azoto, produzem-se em níveis apreciáveis em certas gamas da relação ar-combustível, sendo no entanto nessas gamas que a utilização do motor é mais eficiente (fig. 26) Quanto aos sulfatos a sua presença deriva directamente do facto de existir enxofre no combustível. A fuligem é constituída por partículas sólidas. Assim ao referirmo-nos ás suas emissões, usamos o termoemissão de partículas. Na sua forma químicamente pura a fuligem é carvão inofensivo (fig.27). No entanto uma elevada percentagem de poluentes já mencionados aderem ás partículas de fuligem na emissão dos escape do motor.

Fig.26 - Variação do com No x o excesso de ar

TAB.1 - Composição dos gases de escape Óxidos de azoto Hidrocarbonetos Monóxido de carbono Dióxido de carbono Vapor de àgua Oxigénio Nitrógenio Fuligem Temperatura dos gases ESTUDO DAS EMISSÕES GASOSAS

%

Valor ao ralenti

volume volume volume volume volume volume volume mg%m3 ºC

0,005 a 0,025 0,05 a 0,06 0,01 a 0,045 a 3,5 a 3,0 a 16,0 resto 20 100 a 200 ≈

Valor a pot. máxima 0,06 a 0,15 0,02 a 0,06 0,035 a 0,2 a 12,0 a 11,0 a 10,0 resto 200 550 a 750 ≈

13

1.10.4. FORMAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DA MISTURA 1.10.4.1. PONTO DE INJECÇÃO

Fig. 28

Na fig. 28 temos oportunidade de entender em que medida as partículas podem ser prejudiciais para os seres humanos. A dimensão das partículas que constitui a fuligem, oscila entre os 0,05 e os 150 mi-lionésimos de milímetro. Na sua pequena dimensão reside a causa do seu malefício. Com dimensões aproximadas de 0,7 a 8 mm, podem penetrar nos pulmões e aí se fixarem. As partículas com dimensões inferiores, voltam a sair quando expiramos. As de dimensões superiores ficam retidas na área de filtragem das nossas vias respiratórias.

A expressão “início da injecção”, refere o momento inicial de compressão do combustível no interior da bomba injectora. Como este momento é mais fácil de determinar do que o início efectivo da injecção quando o motor está parado, a sincronização entre o motor e a bomba, faz-se sempre através do momento do início da acção da bomba. Quando o início da injecção acontece com bastante avanço, a pressão de combustão resultante da queima actua como uma força frenante sobre a subida do embolo, alterando o rendimento mecanico. A combustão deve igualmente terminar antes da abertura da válvula de escape, e a condição de consumo mínimo de combustível acontece quando o início da queima se situa próximo do PMS. O avanço do início da queima provoca um aumento da temperatura no interior da camara de combustão e consequentemente o aumento da emissão de óxidos de azoto. O início da combustão tardio, pode por outro lado dar origem a um processo de queima incompleto e como tal à emissão de hidrocarbonetos não queimados HC e de CO (fig.29).

1.10.3. SISTEMAS DE CONTROLO DE EMISSÕES EM MOTORES DIESEL 1.10.3.1. ÁREAS DE ACTUAÇÃO NO MOTOR São quatro as áreas fundamentais de actuação nos motores, e em cada uma delas actuamos sobre diferentes emissões. Nos pequenos quadros seguintes descriminamos as áreas bem como as emissões abrangidas. 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

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

O início da injecção influencia igualmente o aparecimento da fuligem, que é o resultado de uma má combustão. A contradição existente entre um valor óptimo para o consumo específico e a emissão de fumo negro e óxidos de azoto, exige uma afinação muito correcta do ponto de injecção. No interior do motor os atrasos á auto inflamação do combustível são função das diferentes temperaturas a que se inicia o início da injecção.


O comprimento das condutas de injecção e a velocidade de propagação das ondas de pressão influenciam igualmente o atraso á auto inflamação do combustível (atrasando o início da queima), o qual se agrava com o aumento da rotação do motor. Torna-se assim indispensável que o avanço à injecção varie com a rotação do motor e a sua carga.A cartografia do início da injecção mostra claramente a relação entre a carga, o regime e a temperatura de funcionamento do motor (fig.30).

1.10.4.2. DURAÇÃO E LEI DA INJECÇÃO A expressão “ lei da injecção”, caracteriza a evolução da quantidade de combustível injectada na câmara de combustão em função da posição do veio de manivelas ou do veio de ressaltos. Fig.30 - Cartografia do início da injecção em função, da temperatura de arranque a frio e da carga. 1. Arranque a frio 2.Plena carga 3.Carga parcial.

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

Fig.31 - Consumo de combustível e emissões de poluentes em função da duração e do início da injecção (motor sobrealimentado com pré-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.


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da câmara. Para que o envio de combustível se faça em condições o motor de injecção directa necessita de 25 a 30º de veio de manivelas e o motor de injecção indirecta de 35 a 40º.Como o tempo que caracteriza um grau de rotação diminui com o aumento de rotação torna-se assim imprescindível, para minizarmos o consumo e as emissões, que a duração da injecção seja adaptada ao início 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 estamos perante injecção directa ou indirecta.

combustível residual que pode permanecer nos furos dos injectores e alcançar a camâra durante a fase de expansão, não sendo totalmente queimado, indo então aumentar a quantidade de HC.

1.10.5. SOBREALIMENTAÇÃO A principal função da sobrealimentação é a de aumentar a potencia do motor, mantendo a cilindrada constante (fig. 33). Devido ás características do processo uma quantidade de ar adicional é fornecida ao motor, sendo a mistura é desviada para a zona mais pobre.

Para os motores de injecção directa, é correcto afirmarmos que quanto mais elevada for a pressão de injecção, melhor será a mistura do ar e do combustível e como tal o próprio processo de queima. A emissão de fuligem para pressões até os 1000 bar é portanto fortemente reduzida. Infelizmente o consumo de combustível sobe com presões superiores a este valor devido á potencia necessáriaao accionamento da bombas injectoras (fig.32).

Fig. 33 - Sistema de sobrealimentação com trubo compressor e válvula 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 térmico real do motor e consequentemente um menor consumo de combustível. As emissões de Nox , podem em determinadas circunstancias aumentar, mas este efeito pode ser minorado de uma forma efectiva pela recirculação controlada de gases de escape.

1.10.6. COMBUSTÃO 1.10.6.1. DESENHO DA CÂMARA DE COMBUSTÃO Fig. 32 - Consumo de combustível e produção de fumo negro em função das emissões de óxido de azoto e da pressão de injecção. (motor de injecção directa, regime de 1200RPM,pressão média efectiva 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, é fundamental para o desempenho correcto do processo de queima. Em motores de injecção directa utilizamos injectores de vários furos e em injecção indirecta os de furo único, com ou sem furo piloto. No que respeita ás emissões, temos o problema do 16

Durante o processo de injecção e o desenrolar da queima, formam-se no interior da câmara, zonas de diferentes relações ar combustível. Junto e na zona do jacto temos uma mistura rica e em zonas mais distantes uma mistura pobre. Este facto obriga a que tanto o desenho da camara como a movimentação do ar e a distribuição do combustível sejam orientados de forma a conseguir-se a homogeneidade possível.

1.10.6.2. RELAÇÃO COMPRESSÃO

VOLUMÉTRICA

DE

Uma elevada compressão vai aumentar o rendimento


térmico real do motor. O motor Diesel não está sujeito ás mesmas limitações do motor Otto no que respeita á detonação. Podemos portanto aumentar a relação volumétrica de compressão tendo em atenção o aumento das cargas mecânicas, mas igualmente o aumento da potencia do motor, a diminuição do consumo específico de combustível e da produção de CO e HC.

1.10.6.3. AFINAÇÃO DAS VÁLVULAS DE ADMISSÃO E DE ESCAPE Há semelhança dos motores Otto, o ponto das válvulas é definido para cada motor em particular. O seu valor depende de entre outros parametros da velocidade dos gases e da rotação do motor. Inflencia assim a curva de binário e consequentemente as emissões gasosas. Os critérios são idênticos aos usados para os motores Otto.

No motores com reciclagem de gases de escape, temos misturas de ar com estes gases a cargas parciais a fim de diminuirmos os óxidos de azoto. Com a mistura dos gases reduzimos a concentração de oxigénio na carga. Por outro lado a temperatura específica dos gases é superior á do ar. Estes dois factos contribuem para uma diminuição da temperatura da queima. O aumento da taxa de reciclagem vai diminuir a entrada de ar fresco no motor e portanto o excesso de ar. No entanto para taxas de reciclagem demasiadamente elevadas temos um acréscimo importante dos valores de HC e CO (fig. 34). A intenção de reduzirmos substancialmente as emissões de óxidos de azoto por recicalgem de gases de escape impõe uma adaptação precisa da quantidade de combustível face ao volume de ar disponível a cargas parciais.

1.10.6.4. RECIRCULAÇÃO DE GASES DE ESCAPE

Na fig. 35 apresentamos um esquema do sistema de recirculação de gases de escape usado em automóveis ligeiros, identico ao usado nos sistemas de injecção Diesel com comando electrónico.

Os motores Diesel funcionam normalmente sem estrangulamento de ar na sua admissão. Com um excesso de ar importante o combustível arde sem problemas e a produção de CO e fuligem é muito baixa.

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

O excesso de ar diminui quando a quantidade de combustível injectado aumenta. Para cargas elevadas o motor deve trabalhar com um excesso de ar mínimo pois temos de rentabilizar o mais possível a cilindrada.

Quando a carga é máxima os gases não são reciclados por motivos de mantermos uma elevada perfomance. O módulo EGR controla todo o processo.

A quantidade de combustível injectado deve ser sempre de acordo com a massa de ar existente no motor. Nos motores sobrealimentados a quantidade de ar é limitada pelo valor da pressão máxima de admissão.

O funcionamento do motor mantém-se bastante suave com este sistema diminuindo a violencia característica do seu funcionamento.

Fig. 34 - Influencia da taxa de reciclagem dos gases de escape sobre as características dos motores


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A fig. 36, mostra um sistema deste tipo. As células são obstruídas altenadamente por tampões cerâmicos.Os gases de escape penetram no canal aberto podendo atravessar a parede cerâmica com a espessura de 0,5mm, passando aos canais vizinhos abertos até atingirem a saída.

Fig. 35 - Sistema EGR com controlo electrónico. 1.Bomba injectora 2. Controle de carga parcial 3. Sensor da posição da bomba injectora 4. Controlo de arranque a frio 5. Alternador 6. Sensor da temperatura do líquido do sistema de arrefecimento 7. Módulo EGR 8. Distribuidor de vácuo 9. Filtro 10. Pré-filtro 11. Bomba de vácuo 12. Válvula EGR

A fim evitarmos o risco de contra-pressão tornase necessária a instalação de auxiliarres de regeneração do filtro.A adição de substancias especiais que permitem abaixar as temperaturas de inflamação para valores de 200 a 250ºC. O autovazamento é assim suficiente mesmo se a instalação de filtragem está situada abaixo do chassis da viatura. A regeneração do filtro pode ser feita de uma forma forçada através da colocação de um queimador de combustível que actue quando a contra-pressão atinga um determinado valor.

1.10.7. TRATAMENTO SECUNDÁRIO DOS GASES DE ESCAPE A emissão das partículas devidas à circulação representa à volta de 10% da poluição atmosférica total. As emissões de fumo negro, branco ou azul dos motores Diesel são directamente visíveis, tal como os odores dos gases de escape. O tratamento secundário de gases de escape, permite resolver este problemas diminuindo em cerca de 75% a emissão de partículas.

Fig. 36 - Equipamento cerâmico do tipo “favo de abelha”. a) Filtro de fuligem para motor Diesel b) Catalizador para motor Otto 1. carcassa , 2. estrutura cerâmica , 3. tampões cerâmicos

Nas figs. 37 e 38 apresentamos o sistema de filtragem introduzido pela Deutz em 1989.É constituído por um A dimensão das partículas a eliminar é decisiva para a nucleo monolítico em ceramica e tem um sistema de escolha do sistema que podemos utilizar. Como foi regeneração forçada, que entra em funcionamento 10 a anteriormente referido as dimensões das partículas 13 horas após o começo da operação do motor e dura oscilam entre 0,01 e 10mm de diametro, com um valor cerca de 5 minutos. médio inferior a 1mm.Só os separadores com filtro ou eléctricos são usados para estas dimensões.

1.10.8. FILTRO PARA A FULIGEM Com a presença de um excesso de ar permanente na queima dos motores,existe uma quantidade de oxigénio residual nos gases de escape, o qual é suficiente para queimar num filtro especial a fuligem nele acumulada, sendo assim efectuada a sua regeneração de uma forma contínua através do seu auto-vazamento. As temperaturas resultantes podem atingir os 1200ºC, o que pressupõe materiais como a ceramica, com uma estrutura semelhante à usada para os catalizadores dos motores Otto. 18

Fig. 37 - Filtro DPFS da Deutz Service


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

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

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

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

Finalmente na fig. 40, temos o filtro produzido por Ernst Aparatebau. O fabricante especifica um valor de eficiencia da ordem dos 95% e reclama igualmente uma diminuição do odor ds gases de escape bem como do ruído.As emissões sonoras medidas indicaram valores inferiores aos dos silenciosos convencionais. A construção é modular podendo ser adaptado a diversos tipos de veículos como carros, camiões, empilhadores e outro equipamento móvel.

O outro sistema apresentado foi desenvolvido pela Leistritz em conjunto com a MAN em 1990 (fig. 39), sendo constituído por dois filtros paralelos, com um sistema sequencial de regeneração, que é controlada electrónicamente e pode surgir a a qualquer instante durante o funcionamento do motor.

Fig. 39 - Sistema de filtragem Leitritz


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

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1.10.9. SEPARADOR ELÉCTRICO A intensidade do campo eléctrico aparecendo ao nível dos pontos ou arestas do electrôdo de difusão do separador eléctrico vai provocar a libertação de electrões.

O catalizador reduz a emissão de CO e HC, oxidandoos para H2O e CO2. Numa menor percentagem a emissão de partículas é também reduzida pelo desdobramento e conversão dos

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 des poluídos.

Desta descarga resulta que os portadores das cargas livres vão-se acumular nas partículas dos gases de escape.No campo electrostático as partículas carregadas electricamente são atraídas pelo electrôdo de polaridade inversa e ficam separadas. O separarador de partículas não é usado nos veículos automóveis.O seu esquema de funcioanmento está expresso na fig. 41. O aglomerador é seguido por um separador de ciclone. O turbilhão formado pelo aceleração devida à força centrífuga envia as partículas (cuja dimensão aumentou devido à aglomeração) sobre as paredes exteriores donde caiem para o fundo sendo depois retiradas. Contrariamente ao filtro de fuligem, a perda de pressão nos 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 motores a gasolina. A principal diferença reside no facto de apenas fazer oxidações e não reduções, os óxidos de azoto são de difícil controlo, uma vez que o motor trabalha com excesso de ar. Assim o metal nobre com que são bombardeadas as paredes do favo é apenas platina. Na figura 42 podemos ver uma representação do catalizador. Como esquema de funcionamento, temos:

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

poluentes que aderiram às partículas de fuligem. Os processos de redução no conversor catalítico não são possíveis face ao elevado excesso de ar. Tal torna desnecessário o sistema de controlo com sonda Lambda, sendo assim este um sistema não controlado. Através de outros métodos podemos conseguir uma redução dos óxidos de azoto, como pelo atraso do ponto de injecção e uma melhor afinação do sistema de injecção.


1.10.11.2. VENTILAÇÃO DO DEPÓSITO DE COMBUSTÍVEL O sistema de ventilação é apenas necessário para a equalização da pressão no depósito de combustível. O sistema de controlo de emissão por evaporação não é necessário visto que o gasóleo não se evapora com qualquer valor significativo nas condições normais de utilização.

1.10.12. AVALIAÇÃO DA EFICIENCIA DOS SISTEMAS DE CONTROLO DE EMISSÕES Fig. 43 - Diagrama de funcionamento do catalizador para diferentes valores da p.m.e. e da rotação do motor.

1.10.11. GASES DE ESCAPE DE EVAPORAÇÃO E VAPORIZAÇÃO 1.10.11.1. VENTILAÇÃO POSITIVA DO CARTER Este sistema é identico aos usados em motores a gasolina. A proporção dos gases que passam da câmara de combustão é significativamente mais elevada nos motores Diesel, devido à sua elevada compressão.

Ao compararmos os consumos e a emissão de poluentes de motores a gasolina e motores Diesel, com a mesma cilindrada e com/sem os sistemas anteriormente mencionados (fig. 44), constatamos fácilmente que os motores com tratamento de emissões gasosas apresentam um aumento de consumo da ordem dos 5%. Este aumento de consumo é largamente compensado pela redução drástica de poluentes tanto no caso do motor Diesel, como no do motor a gasolina.Em ambas as situações o motor Diesel é menos poluente do que o motor a gasolina.A unica aproximação do nível de poluentes apenas é verificada para os valores dos óxidos de azoto, no caso de ambos os motores estarem sujeitos a tratamento dos gases de escape.

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


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1.10.13. TÉCNICAS DE ANÁLISE DE GASES DE ESCAPE

Três métodos de ensaio são definidos pela legislação em função da categoria do veículo e da finalidade do ensaio:

1.10.13.1. LEGISLAÇÃO ANTI-POLUIÇÃO Numerosos países limitam as emissões poluentes dos veículos equipados com motores Diesel através de adequada legislação. Esta legislação prevê os métodos de ensaio, as técnicas de medida e os valores limites aplicados de forma única em certos países, ou de forma comum como no caso da Comunidade Europeia. Os valores fixam os limites máximos para os seguintes gases: - hidrocarbonetos (HC)

- homologação para obter autorização de comercialização. - controlo durante o fabrico para a futura homologação. - controlo periódico para análise dos gases de escape dos veículos ligeiros durante a sua utilização pelo respectivo proprietário. De todas as anteriores situações a mais complexa diz respeito ao ensaio para homologação, sendo os métodos mais simples usados para o controlo periódico. Todos os países impõem uma classificação uniforme para as viaturas automóveis: - Viaturas particulares: o controlo é realizado num freio de rolos.

- monóxido de carbono (CO) - óxidos de azoto (Nox) - substâncias sólidas e fumos. As emissões de poluentes englobam: - as emissões provenientes da combustão no interior do motor (gases de escape, compostos de enxofre, substancias sólidas, cheiros) - as emissões provenientes da respiração do carter (gases, compostos de enxofre,cheiros)

- Viaturas utilitárias ligeiras: o peso máximo destas viaturas situa-se entre os 3,5 e os 3,8t dependendo da legislação de cada país: o controlo é realizado num freio de rolos. - Viaturas utilitárias pesadas: peso superior a 3,5 … 3,8t, o ensaio é realizado num freio de potência, não existindo ensaio de veículos.

Nas tabelas 2 e 3, temos os valores das emissões de acordo com a legislação actual. Para todos os outros Os poluentes mencionados, não são abrangidos na motores Diesel não existe actualmente qualquer globalidade pelo controlo anti poluição. Os gases do carter legislação restritiva respeitante ás emissões gasosas. não são controlados, nem os compostos de enxofre que derivam exclusivamente do facto do combustível conter Está em estudo legislação para todos os motores enxofre. Os odores também não são controlados, industriais, a qual deverá fundamentar-se na norma ISO constituindo um problema ainda não totalmente resolvido. 8178. Esta norma já foi adoptada por diversos fabricantes e está a ser negociada entre as várias partes interessadas. A legislação existente para as viaturas ligeiras e pesadas, A associação de construtores de motores industriais limita todos os restantes poluentes. EUROMOT, tem vindo a propor a aplicação da legislação em duas fases distintas, a Euromot I para 1996 e a Euromot II para 1999. 1.10.13.2. MÉTODOS DE ENSAIO Um dos grandes desafios apresentados aos legisladores, Depois dos Estados Unidos, a Comunidade Europeia e o consiste na introdução de métodos de ensaio Japão definiram os métodos de ensaio para o controle universalmente aceites, que tenham em conta e dos gases de escape das viaturas automóveis, ligeiras e especificidade da aplicação dos motores. Nesta pesadas. prespectiva os motores Diesel são agrupados por diferentes classes:

TABELA 2 - LEGISLAÇÃO PARA EMISSÕES DE CARROS DE PASSAGEIROS (Directivas 91/441/EEC e 94/12/EEC,Regulamentação ECE15) PAÍS COMUNIDADE EUROPEIA DATA FASE I -1992 1994 FASE II - 1996 FASE III 1999 APLICAÇÃO IDI DI DI IDI DI IDI & DI HC + g/km Nox CO g/km Pm g/km 22

0.97

1.36

0.97

0.7

0.9

0.5

2.72 0.14

2.72 0.2

2.72 0.14

1 0.08

1 0.1

0.5 0.04

-


TABELA 3 - LEGISLAÇÃO PARA EMISSÕES DE MOTORES DE VIATURAS PESADAS (Directivas 91/542/EEC e Regulamentação ECE R49 e R24 ) PAÍS COMUNIDADE EUROPEIA DATA 1992 FASE I - JUL. FASE II - FASE III 1992 OUT.95 1999 TODOS TODOS TODOS TODOS APLICAÇÃO HC 2.4 1.1 1.1 0.7 CO 11.2 4.5 4 2.5 Nox g/kWh 14.4 8 7 5 Pm < 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

As condições de ensaio são simuladas num freio de rolos ou no freio de potência. As emissões obtidas num período de funcionamento em freio são idênticas às obtidas em estrada. Na figura 45 apresentamos os ciclos de condução, usados em três diferentes locais: os Estados Unidos, a Europa e o Japão. Todos os ciclos são usados para o teste em viaturas ligeiras.

Tipo G - Pequenos motores para diversas aplicações < 20 Kw

Na figura 46 é apresentado o esquema de aquisição dos gases e o respectivo equipamento de medição. Este método é apelidado de volume constante.

1.10.13.3. ENSAIOS DE HOMOLOGAÇÃO

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

Ensaio de homologação Europeu No caso dos países da CE, o contrôlo de gases de escape faz parte das análise efectuada ao veículo. No caso dos motores Diesel que equipam viaturas pesadas, é efectuado o controlo sobre as seguintes emissões poluentes:

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

Hidrocarbonetos, monóxido de carbono, óxidos de azoto e opacidade dos fumos Ensaios em série O construtor pode realizar os ensaios em série como fazendo parte do seu “standart” de produção. Os serviços de homologação podem no entanto efectuar mais ensaios se o entenderem.

1.10.13.4. CICLOS DE CONDUÇÃO E MÉTODOS DE TESTE Os testes de gases de escape devem permitir a quantificação das emissões gasosas nas condições de circulação viária, sem necessidade de ensaios no terreno.


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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 2.dinamómetro 3. ar 4. filtro 24

5. 6. 7. 8.

bomba tunel de mistura debitómetro contador de gás

9. permutador 10. forno 11.saco de ar 12. gás de medida

13.gás neutro 14. saco de gases de escape 15. tubagem quente 16. soprador Roots

17.aspiração 18. integrador 19.calculador 20. registador


tempo min 0..10 10..50 50..60 60..70 70..80 80..120 120..130

factor ponderação 0,25/3 0,08 0,25 0,25/3 0,1 0,02 0,25/3

regime ralenti regime interméd. até RPM max. ralenti regime nominal ralenti

Fig. 47 - Ciclo de condução de 13 modos

Fig. 48 - Recolha de amostras e sistema de medição para o teste dos 13 modos 1. gases de escape 2. ar 3.gás neutro 4.gás de calibração

5. carburante 6. retorno 7.escape 8. tubeira aquecida

9. filtro 10.bomba 11. refrigerador 12.separador de água

13.debitómetro

1.10.13.5. TESTE DE EMISSÕES DE FUMOS

funcionamento do óleo e da água.

Uma legislação separada tem vindo a ser adoptada bastante tempo antes do contrôlo dos das substâncias poluentes. Esta legislação continua hoje a ser aplicada sem práticamente qualquer modificação.

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

Os países que impõem o teste de fumos não utilizamo todos os mesmos métodos de teste. Todos os métodos estão estritamente ligados aos aparelhos conhecidos.

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

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


Este método permite obter uma determinação clara e fácilmente reproduzir as emissões de fumos a plena carga 25

uma vez estabelecido o equilíbrio térmico. Os valores obtidos são falseados se os fumos forem provenientes não apenas das partículas de fuligem mas da queima de óleo ou do vapor de água. A medição de fumos em aceleração livre é também efectuada de acordo com a regulamentação R24. Neste teste o motor quente é submetido a uma aceleração desde o ralenti até ao regime máximo por uma acção rápida no pedal do acelerador.

1.10.14. APARELHOS DE MEDIDA Os métodos de controlo das emissões necessitam de equipamento de medida e de métodos de medição perfeitamente definidos. Fig. 49 - Ciclo de condução com teste de fumos CE R24

Os principais aparelhos usados à escala mundial são: Análise de hidrocarbonetos A análise do valor global dos hidrocarbonetosnos gases de escape de motores Diesel faz-se através de um detector de ionização de chama (FID). Como princípio de funcionamento podemos referir a formação de iões de hidrocarbonetos numa chama de hidrógenio (fig. 52). Os gases de escape contém numerosas combinações diferentes de hidrocarbonetos não queimados, dissociados e parcialmente oxidados,cuja proporção depende da natureza e do estado de funcionamento do motor.

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

A medida do valor golbal dos HC é igualmente problemática pois depende do modo de condicionamento das amostras. Devido aos processos alternados de condensação e vaporização com um elevado limite de ebulição nas tubagens, torna-se necessário contráriamente ao motor a gasolina, aquecre completamente a tubagem do sistema de captação das amostras , junto á entrada do FID, no interior do FID e junto á camara de combustão.A temperatura de aquecimento do sistema deve ser de 190ºC.

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

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

Fig. 51 - detector de ionização de chama (FID) para análise de HC. 1. medidor 2. queimador 3. saída 4. hidrogénio 5. ar livre de HC 6. gás de calibração 7. gás de escape 26

1. fonte de tensão contínua 2. amplificador 3. estabilizador do sector 4. camara de recepção 5. membrana metálica 6. diafragma 7. 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 da absorção com o recurso a um registador de raios infravermelhemos URAS, fig. 52. O sistema utiliza o seguinte efeito: todos os gases poliatómicos absorvem os raios infravermelhos numa banda específica para cada gás. O gás a medir atravessa o vaso de medida situada no trajecto dos raios. O vaso de referência atravesado pelo segundo feixe contém azoto, o qual não absorve os raios.

Medição das substancias sólidas

Uma diferença de energia absorvida dá origem a uma diferença de energia e de pressões entre as duas camaras receptoras, a qual é transformada numa tensão eléctria porporcional á concentração do composto a medir.

Determinação das emissões de fuligem

Análise dos óxidos de azoto

Uma correlação existe entre este dois métodos se a medição efectuada pelo método da absorção é realizado em gases sem vapor de àgua nem óleo queimado.

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

O método de medição de partículas mais preciso utiliza a gravimetria. Nesta técnica os gases de escape atravessam um filtro e a massa de particulas é determinada pela pesagem diferencial do filtro. Tendo em O feixe emitido pelos dois emissores de infravermelhos conta as propriedades higroscópicas do filtro a pesagem de igual potencia chega á camara receptora após deve ser efectuada em condições de humidade e atravessar os vasos de referencia e de medição. As duas temperatura constantes. O material do filtro influencia camaras são cheias do gás analizar e separadas por bastante os resultados da medição. Os filtros em fibra uma membrana metálica. O feixe apenas é absorvido nas de vidro não tratados absorvem mais água e bandas de absorção específicas do gás receptor, duma hidrocarbonetos do que os filtros em fibra de vidro endurecidos com teflon. forma selectiva.

Para a medição dos óxidos de azoto recorre-se á quiminulescência (fenómeno luminosos de origem química) produzida pela reacção do óxido de azoto NO com o ozono O3 (fig. 53) O vaso de gás a medir contém o óxido de azoto produzido pela combustão no motor, o qual reage com o óxigenio residual contido nos gases de escape, formando outros óxidos de azoto NO2 e N2O. Destes gases apenas em relação ao NO2 podemos considerar um valor não neglecenciável, sendo necessário proceder a uma redução térmica para se obter NO. A quiminulescência provocada pelo O3 , corresponde assim á totalidade do teor em óxidos de azoto.

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

Os resultados dos dois métodos variam numa proporção logarítmica com o aumento da concentração da fuligem. A utilização de aparelhos ópticos permite uma precisão de medição da ordem dos 10%. No caso do método de filtragem é usado um disco filtro cujo escurecimento se utiliza como escala. O aparelho de medida de absorção ou da opacidade utiliza um fluxo luminoso para medir a concentração de fuligem. Com a ajuda de um receptor luminoso o aparelho mede à saída de um tubo de fumos o feixe luminoso produzido por uma lampada colocada na entrada do tubo. A absorção 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. conversor de NO2 /NO


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Manual Sobre Emissoes Gasosas

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