UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
TECNOLOGIAS PARA CONTROLE DAS EMISSÕES
DE NO
XEM MOTORES DIESEL – PROCONVE P7
TEVENILSON GUSTAVO DE MEDEIROS GALDINO
NATAL- RN, 2021
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
TECNOLOGIAS PARA CONTROLE DAS EMISSÕES
DE NO
XEM MOTORES DIESEL – PROCONVE P7
TEVENILSON GUSTAVO DE MEDEIROS GALDINO
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico, orientado pelo Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa.
NATAL - RN
2021
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
TECNOLOGIAS PARA CONTROLE DAS EMISSÕES
DE NO
XEM MOTORES DIESEL – PROCONVE P7
TEVENILSON GUSTAVO DE MEDEIROS GALDINO
Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso
Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa ___________________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Orientador
Prof. Dr. Ângelo Roncalli Oliveira Guerra ___________________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno
MSc. Cleiton Rubens Formiga Barbosa Junior ___________________________
Universidade Federal da Paraíba - Avaliador Externo
Prof. MSc. Thiago da Silva André ___________________________
Instituto Federal do Rio Grande do Norte – Avaliador Externo
Dedicatória
Dedico este trabalho aos meu pais Tevenilson Galdino da Silva e Eunice Costa de Medeiros, ao meu irmão Tevenilson Laerte e a minha esposa Sabrina Tavares.
Agradecimentos
Este trabalho não poderia ser concluído sem a ajuda de diversas pessoas as quais presto meus agradecimentos:
Aos meus amigos Jânio Pablo e Kaciê Trindade que sem o apoio deles não seria possível a realização desse trabalho.
Aos colegas Thiago Barbosa, Cesar Junior, Luiz Antônio, Sthefany Kowalvsk, Fabricio Silva, Patrezio José, Thales Rafael, Jonas Barbosa, Aldair Gomes, Danyel Victor, pela orientação no desenvolvimento de toda parte técnica deste trabalho.
Ao meu cunhado Thiago Cidral e minha cunhada Aline Tavares por todo o aprendizado e exemplo passado.
Todos os meus amigos que me acompanharam, em especial para Ewerton Felipe, Edgar Araújo, Yuri Gomes, Yago Galdino, André Teixeira, João Neto, Abner Carlos, Ramon Rudá, Adolfo Daniel, Tarcísio Fernandes, Gabriel Canello e todos os outros que de alguma forma colaboraram para a conclusão desta jornada.
Os amigos Joanderson, Adriano, Gonçalves e Neto pela paciência e parceria durante a análise dos veículos.
Ao professor Cleiton Rubens por toda dedicação e orientação para a realização desta pesquisa.
Galdino, TGM. Tecnologias para controle das emissões de NOx em motores Diesel –
PROCONVE P7. 2021. 55 p. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em
Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2021.
Resumo
O desenvolvimento de novos motores diesel para uso do transporte de cargas deve atender as diretrizes de eficiência, economia e sustentabilidade. Neste contexto, o controle das emissões de NOx tem se tornado cada vez mais rígido. Em 2012 o Brasil
adotou o PROCONVE P7, baseado na norma EURO V, reduzindo ainda mais as emissões dos gases de exaustão (CO, HC, CO2, NOx etc.). O foco deste trabalho consiste
no estudo das tecnologias de controle das emissões de NOx aplicado a motores diesel de
veículos pesados. As principais tecnologias de controle das emissões de NOx são
relativas ao processo de combustão da mistura de diesel e ar admitidos no cilindro do motor e os tratamentos físico-químico dos gases de exaustão. Também faz parte da pesquisa o estudo de caso que aborda a manutenção e análise de falhas dos sistemas de pós tratamento dos gases de escape de uma frota de 52 veículos com motorização diesel OM 924 LA que operam realizando o transporte de cargas na região norte e nordeste do Brasil. O estudo constatou uma alta frequência de problemas relacionados ao sensor de NOx do sistema SCR. Em menor grau, também foi identificado problemas relacionados à contaminação por óleo do ARLA 32 e ainda a cristalização deste produto nas tubulações do sistema.
Galdino, TGM. Current Technologies for NOx emission control in Diesel engines.
2021. 55 p. Conclusion work project (Graduate in Mechanical Engineering) - Federal University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2021.
Abstract
The development of new diesel engines for use in cargo transportation must meet the guidelines for efficiency, economy, and sustainability. In this context, the control of NOx
emissions has become increasingly strict. In 2012, Brazil adopted the PROCONVE P7, based on the EURO V standard, further reducing exhaust gas emissions (CO, HC, CO2, NOx, etc.). The focus of this work is the study of NOx emission control technologies applied
to heavy vehicle diesel engines. The main technologies for controlling NOx emissions related to the combustion process of the mixture of diesel and air admitted to the engine cylinder and the physical-chemical treatments of the exhaust gases. Also part of the research is the case study that addresses the maintenance and failure analysis of the post-combustion’s system a fleet of 52 vehicles that runs equipped with diesel engine OM 924 LA operating in cargo transport throughout the north and northeast of Brazil. In the study, a high frequency of problems was observed related to the SCR system's NOx sensor. To a
lesser extent, it was also detected some problems related to oil contamination of the ARLA 32 and the crystallization of this product in the system piping were identify.
Lista de Ilustrações
Figura 1 – Tempos de funcionamento de um motor de combustão interna. _______ 4 Figura 2 – Ciclo Diesel teórico representado no diagrama P-V. _________________ 5 Figura 3 – Estrutura de um motor a combustão interna ciclo diesel. _____________ 6 Figura 4 – Sistema de sobrealimentação de ar do motor com resfriamento. _______ 7 Figura 5 – Sistema de Injeção diesel mecânica – bomba injetora. _______________ 8 Figura 6 – Sistema de Injeção Diesel - Unit Pump System (UPS). ______________ 9 Figura 7 – Sistema de injeção Common-Rail. _____________________________ 10 Figura 8 – Evolução do PROCONVE no Brasil para veículos pesados. _________ 17 Figura 9 – Tecnologias de mitigação da emissão de NOx. ____________________ 19
Figura 10 – Esquema do sistema de recirculação dos gases de escape EGR. ____ 19 Figura 11 – Sistema EGR com resfriamento. ______________________________ 20 Figura 12 – Layout esquemático do sistema SCR integrado com filtro de partículas Diesel. ___________________________________________________________ 23 Figura 13 – Estratégia de controle para unidade SCR. ______________________ 25 Figura 14 – Sistema de pós tratamento dos gases de exaustão para veículos a diesel EURO-V. ____________________________________________________ 25 Figura 15 – Aplicação da tecnologia SCR em veículos diesel de grande porte. ___ 26 Figura 16 – Bomba de pressão de ARLA 32. ______________________________ 28 Figura 17 – Esquema de sonda lambda de banda estreita. ___________________ 29 Figura 18 – (A)Esquema de sonda lambda de banda estreita. (B) Esquema de funcionamento do sensor de NOx _______________________________________ 30
Figura 20 – Lâmpadas indicadora de falha no controle de emissão de NOx. (A)
Simbologia da MIL (B) Painel de instrumentos do veículo. ___________________ 34 Figura 21 – Leitura dos códigos de falha do SCR com scanner automotivo. ______ 35 Figura 22 – Unidade dosadora de ARLA 32. ______________________________ 39 Figura 23 – Refratômetro para medições de ureia até 40% de ARLA 32 da INSTRUTHERM. ___________________________________________________ 42 Figura 24 – Teste de calibração do refratômetro. ___________________________ 43 Figura 25 – Verificação de vazamento de óleo no compressor do sistema pneumático. _______________________________________________________ 44 Figura 26 –Teste de contaminação por óleo com fita para ARLA 32 em solução padrão. ___________________________________________________________ 44 Figura 27 – Aspecto da fita de teste indicando contaminação por óleo do ARLA 32. _________________________________________________________________ 45 Figura 28 – Fluxograma do processo de manutenção. ______________________ 46 Figura 29 – Categoria de falhas de controle das emissões de NOx. ____________ 47
Figura 30– Obstrução da tubulação de passagem da mistura ARLA 32 / ar comprimido para o escapamento. ______________________________________ 47 Figura 31 – Fluxograma de funcionamento do sensor NOx do sistema SCR. _____ 50
Figura 32 – Teste de concentração de ureia no ARLA 32. ____________________ 51 Figura 33 – Verificação de contaminação por óleo no reservatório de ar comprimido. _________________________________________________________________ 52
Lista de Tabelas
Tabela 1 – Composição dos gases de escapamento em motores diesel. ... 12
Tabela 2 – Evolução dos motores e do diesel para antdimento da norma de controle de emissões. ... 16
Tabela 3 – Limites máximos de emissão de poluentes para veículos pesados de uso rodoviário, da Fase PROCONVE P8. ... 18
Tabela 4 – Principais componentes de um sistema SCR. ... 27
Tabela 5 – Caracteristicas dos veículos analisados ... 32
Tabela 6 – Códigos de falha encontrados nos módulos de controle do motor ... 35
Tabela 7 – Modelo de checklist de veículo ... 36
Tabela 8 – Códigos de falha encontrados nos módulos de controle do motor ... 38
Tabela 9 – Códigos de falha encontrados em diversos veículos com auxilo do scanner ... 40
Tabela 10 – Valores de pressão e temperatura na unidade dosadora medidos com scanner. ... 40
Tabela 11 – Leitura do ppm e concentração de O2 verificada com scanner. ... 41
Tabela 12 – Dados de pressão e temperatura na unidade dosadora. ... 41
Tabela 13 – Valores limites de emissões conforme norma PROCONVE P7. ... 48
Lista de abreviaturas e siglas
ANFAVEA – Associação Nacional de Fabricantes de Veículos Automotores ANP – Agência Nacional do Petróleo
ARLA 32 – Agente Redutor Líquido Automotivo
ASC - Catalisador de Escapamento de Amônia – Ammonia Slip Catalyst CO – Monóxido de Carbono
CO2 – Dióxido de Carbono
DOC - Catalisador de Oxidação Diesel – Diesel Oxidation Catalytic CONAMA – Conselho Nacional do Meio Ambiente
FPD - Filtro de Partícula Diesel
ECU – Unidade de Controle Eletrônico – Eletronic Control Unit
EGR - Recirculação dos Gases de Escape - Exhaust Gas Recirculation ET – Tecnologia de Emulsificação - Emulsion Technology
HC – Hidrocarbonetos
IC – Ignição por Compressão
ITR - Retardo do tempo de injeção - Injection Timing Retardation MP – Material Particulado
NAC – Catalisador de Adsorção de NOx - NOx Adsorber Catalyst NOx - Óxidos de nitrogênio
PBT – Peso Bruto Total PMI - Ponto morto inferior PMS - Ponto morto superior
PROCONVE – Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores
PPM - Partes por milhão
SCR - Redução Catalítica Seletiva – Selective Catalytic Reduction
SNCR – Redução Não-Catalítica Seletiva - Selective Non-Catalytic
Reduction
Sumário Dedicatória ... i Agradecimentos ... ii Resumo ... iii Abstract ... iv Lista de Ilustrações ... v
Lista de Tabelas ... vii
Lista de abreviaturas e siglas ...viii
1 Introdução ... 1
2 Revisão Bibliográfica ... 3
2.1 Motor de combustão interna... 3
2.1.1 Ciclo Diesel ... 3
2.1.2 Sistemas de Injeção de Combustível ... 7
2.2 Combustíveis ... 11
2.2.1 Diesel... 11
2.2.2 Biodiesel ... 11
2.3 Gases de Escapamento ... 12
2.3.1 Monóxido de Carbono (CO) ... 13
2.3.2 Dióxido de Carbono (CO2) ... 13
2.3.3 Óxidos de Enxofre (SOx) ... 13
2.3.4 Óxidos de Nitrogênio (NOx) ... 14
2.3.5 Hidrocarbonetos (HC) ... 15
2.3.6 Material Particulado (MP) ... 15
2.4 Legislação e Controle das Emissões em Motores Ciclo Diesel... 16
2.5 Tecnologias de controle e tratamento dos gases de exaustão ... 19
2.5.1 Recirculação dos gases de escape (EGR) ... 19
2.5.3 Aplicação do sistema de Redução Catalítica Seletiva (SCR) ... 26
3 Metodologia ... 32
3.1 Análise de operação e característica dos veículos ... 32
3.2 Análise e discriminação das falhas ... 34
3.3 Metodologia de diagnóstico das falhas ... 37
3.3.1 Falhas encontradas no sistema de pós tratamento dos gases de escape - SCR ... 38
3.3.2 Falha devido baixa qualidade ou contaminação do reagente ... 41
4 Resultados e Discussões ... 46
5 Conclusões ... 53
1 Introdução
Não é de hoje que a emissão de gases poluentes advindos dos motores de combustão interna ao meio ambiente causa grandes problemas na sociedade, comprometendo a saúde e qualidade de vida das populações. Baseado nisso, diversas normas foram criadas visando fortalecer a redução da emissão de poluentes de veículos automotores de grande porte que utilizam como combustível o óleo diesel. (CETESB, 2021).
Desde 1970 na Europa vem se estabelecendo os métodos de medição de poluentes provenientes dos escapamentos dos veículos automotores. Em 1988 o Conselho Econômico Europeu – CEE criou as normas regulamentadoras denominadas EURO (I, II, III, IV e V) que estipularam os limites de emissão de poluentes para veículos pesados na Europa (MARTINS, 2006).
A legislação Brasileira é similar a Europeia e vem sendo atualizada gradativamente. Devido aos limites de emissão mais rigorosos estabelecidos pela resolução do Conselho Nacional do Meio Ambiente (CONAMA) Nº 403/2008, também conhecida como Programa de Controle da Poluição do Ar por Veículos Automotores (PROCONVE P7), os veículos pesados produzidos a partir de 2012 possuem obrigatoriamente um sistema de Redução Catalítica Seletiva (Selective
Catalytic Reduction) que faz o uso de um agente redutor (solução de ureia) para
controlar a emissão de Óxido de Nitrogênio (NOx) no meio ambiente (IBAMA, 2020).
De acordo com a resolução do CONAMA Nº 490/2018 denominada PRONCOVE P8, que entrará em vigor em janeiro de 2022, as montadoras devem reduzir a descarga de Óxido de Nitrogênio (NOx) em até 80%, reduzir em até 71% os
Hidrocarbonetos Totais e em até 50% a emissão de material particulado em relação à fase anterior, a P7 que é equivalente a EURO 5 (CNT, 2020).
Para atender a legislação de emissão de NOx, as montadoras tiveram que
realizar a aplicação de sistemas para o tratamento dos gases de exaustão destes veículos. Dos sistemas existentes, temos a recirculação do gás de escapamento, conhecida como EGR (Exhaust Gas Recirculation) que consiste basicamente em injetar os gases de escapamento no ar de sobrealimentação do motor (MURARO, 2016).
Para motores que utilizam como combustível o óleo diesel com baixo teor de enxofre, a redução catalítica seletiva (SCR) é o principal método de tratamento. Esse método consiste em pulverizar um reagente químico a base de ureia chamado Agente Redutor Liquido Automotivo (ARLA) que é misturado aos gases de escape e chegando no catalisador realiza a redução de NOx e consequentemente sua
emissão para a atmosfera (JOHNSON, 2014).
Devido ao alto grau de complexidade de funcionamento e o alto custo de manutenção dos sistemas de redução catalítica seletiva, essa pesquisa visa desenvolver um compilado das possíveis falhas do sistema SCR e abordar as algumas soluções para os problemas através de um estudo de caso realizado com veículos de grande porte, para isso buscamos entender os equipamentos que compõem o sistema SCR, realizar a leitura de códigos de falha dos módulos de comando eletrônico e verificar as condições de operação em que o veículo apresentou os registros de falha.
Para fundamentar o trabalho, explicamos o funcionamento de motores ciclo Diesel, as exigências estabelecidas nas normas regulamentadoras, a composição dos gases de escape e realizaremos uma abordagem dos sistemas que realizam a redução de emissão de poluentes com foco no sistema SCR.
2 Revisão Bibliográfica
Abordaremos os principais assuntos sobre o sistema de Redução Catalítica Seletiva (SCR) comumente utilizado nos veículos de transportes rodoviários. Para isto iniciaremos comentando sobre os motores de combustão interna que utilizam o ciclo Diesel, realizaremos uma breve abordagem sobre os combustíveis Diesel e o Biodiesel, analisaremos os gases de escapamento e o material particulado advindo da combustão, as legislações que regem os limites de emissões e por fim estudaremos as tecnologias para o tratamento dos gases de escape que foram desenvolvidas a fim de atender as exigências das legislações.
2.1 Motor de combustão interna
O motor é um equipamento capaz de converter qualquer forma de energia (elétrica, hidráulica, térmica) em energia mecânica. Os motores de combustão interna realizam a conversão da energia térmica fornecida pela queima do combustível em energia mecânica (WERONKA, 2015).
Quando um combustível reage com um comburente acontece o processo conhecido como combustão. A combustão é uma reação química exotérmica ou seja, reação que libera energia na forma de calor (FOGAÇA, 2015). Existem dois tipos principais de motores a combustão interna: os motores a combustão por faísca (ciclo Otto) e os motores a combustão por ignição espontânea (ciclo Diesel) (BRUNETTI, 2012). Neste trabalho abordaremos apenas os motores de ciclo Diesel.
2.1.1 Ciclo Diesel
Ciclo é a sequência de processos que se repetem periodicamente para a obtenção de um trabalho útil. Os motores alternativos possuem tempos de funcionamento e podem ser divididos em duas categorias: motores alternativos de 2 tempos (2T) e motores alternativos de 4 tempos (4T). Nos motores 4T o pistão realiza quatro movimentos e isso corresponde a duas voltas na arvore de manivelas do motor assim, completando um ciclo (BRUNETTI, 2012). A figura 1 apresenta os tempos de um motor de combustão interna.
Figura 1 – Tempos de funcionamento de um motor de combustão interna.
Fonte: (BRUNETTI, 2012)
Como o ciclo é uma sequência de movimentos bem definidos que se repetem periodicamente, em um motor de ignição espontânea (MIE) os quatro tempos de funcionamento são: admissão, compressão, expansão e escape (MARTINS, 2006).
No tempo de admissão, o pistão se desloca do ponto morto superior (PMS) para o ponto morto inferior (PMI) realizando uma sucção de ar proveniente da abertura da válvula de admissão que está localizada no cabeçote do motor (BRUNETTI, 2012).
Com o cilindro completamente cheio de ar o pistão parte do PMI em direção ao PMS realizando a compressão do volume de ar disponível no interior do cilindro e com isso pressurizando o ar a uma pressão suficiente para que seja ultrapassada a temperatura de autoignição do combustível (BRUNETTI, 2012).
Assim que o pistão se aproxima do PMS é realizada a injeção do combustível no ar quente e assim dando início a combustão que libera uma enorme quantidade de energia aumentando a pressão e permitindo que o pistão seja empurrado para o PMI concluindo o tempo de expansão (BRUNETTI, 2012).
Quando o pistão está no PMI é realizada a abertura da válvula de escapamento e o pistão é deslocado para o PMS realizando a liberação dos gases
queimados durante a combustão e com isso permitir que seja reiniciado o ciclo no tempo de admissão (BRUNETTI, 2012).
O combustível no decorrer do processo de combustão, passa por uma série de transformações químicas e físicas que constituem o ciclo do motor. Devido à complexidade da análise das variáveis destes fenômenos, utilizam-se ciclos teóricos para constituir uma referência útil que auxiliam na compreensão do funcionamento dos motores (MENEZES, 2009). A figura 2 representa o ciclo termodinâmico do funcionamento de um motor Diesel teórico.
Figura 2 – Ciclo Diesel teórico representado no diagrama P-V.
Fonte: (MENEZES, 2009)
No ciclo Diesel a energia é introduzida no sistema à pressão constante como pode ser observado na transformação 2-3 da figura 2. Nos motores Diesel a taxa de compressão, que é a relação volumetria entre o volume total e o volume morto da câmara de combustão e indica quantas vezes a mistura ar/combustível foi comprimida, chega a variar de 14 até 25 (MENEZES, 2009).
Um motor de combustão interna possui um corpo bastante rígido capaz de suportar as altas pressões e velocidades para seu funcionamento, essas estruturas são constituídas por três partes: cabeçote, bloco e cárter (MARTINS, 2006). A figura 3 ilustra a estruturação de um motor a combustão interna.
Figura 3 – Estrutura de um motor a combustão interna ciclo Diesel.
Fonte: (LOPES, 2012)
O cabeçote do motor é a parte superior do motor e tem como função alocar as válvulas de admissão e exaustão, a câmara de combustão e os coletores de admissão e exaustão. Geralmente é fabricado em ligas de alumínio que são mais leves, fáceis de trabalhar e possuem boa condutividade térmica (MARTINS, 2006).
No bloco do motor são instalados os pistões, o bloco do motor possui cavidades cilíndricas onde são instaladas as camisas dos cilindros pois, os pistões não trabalham diretamente no interior do bloco devido ao desgaste natural ocasionado pelo movimento relativo entre as partes. A vantagem de utilização das camisas dos cilindros é devido ao baixo custo de fabricação em relação ao próprio bloco e serem fabricadas em materiais que são mais resistentes ao desgaste pois oferecem um menor atrito durante o movimento relativo entre as partes (MARTINS, 2006).
O cárter é basicamente a tampa inferior do motor e é responsável por armazenar e resfriar o óleo lubrificante. Possui alguns compartimentos para diminuir as oscilações do óleo durante o movimento do veículo e possui um orifício na parte inferior para possibilitar a drenagem do óleo por gravidade (MARTINS, 2006).
A energia gerada pela combustão resulta em uma parcela significativa de atrito e calor e, para aumentar a vida útil dos componentes do motor é necessário realizar o seu arrefecimento. As formas mais comuns de arrefecimento são ar e agua. O arrefecimento do motor com a utilização de água é mais eficiente do que
utilizando ar, porém necessita de um sistema mais complexo e aumenta o número de componentes periféricos no motor (BRUNETTI, 2012).
Durante a admissão, o fluxo de ar para o interior dos cilindros acontece devido a geração de um gradiente de pressão entre o coletor de admissão e o cilindro. Para aumentar esse gradiente, e consequentemente aumentar a massa de ar admitida, é necessário realizar a sobrealimentação de ar do motor. Um dispositivo capaz de realizar tal função é o Turbocompressor, que gera trabalho em uma turbina a partir dos gases de escapamento e fornece a um compressor que aumenta a pressão de ar no coletor de admissão (BRUNETTI, 2012). A figura 4 ilustra o sistema de sobrealimentação de ar do motor juntamente com o sistema de resfriamento.
Figura 4 – Sistema de sobrealimentação de ar do motor com resfriamento.
Fonte: (BRUNETTI, 2012)
Ao comprimir o ar acontece o aumento da temperatura deste e, esse aumento de temperatura reduz a massa especifica do ar. Para evitar esse efeito a utilização de um resfriador de ar se torna importante, além disso auxilia no mantimento da temperatura do cilindro, pistão e demais peças que sofrem com o aumento da temperatura (BRUNETTI, 2012).
2.1.2 Sistemas de Injeção de Combustível
Os motores Diesel necessitam que o combustível seja injetado diretamente na câmara de combustão de forma precisa a uma alta pressão, cerca de 2.000 bar, no momento e quantidade certas conforme rotação, para isso existem basicamente
três tipos de sistemas de injeção Diesel: a bomba injetora em linha, sistema de unidade injetora individual e o Common-rail (MARTINS, 2006).
A injeção do combustível inicia antes do PMS no tempo de compressão. O combustível líquido é injetado a uma alta velocidade em um ou mais jatos através de pequenos ofícios do bico injetor a fim de realizar uma boa distribuição do spray. O combustível entra em combustão pois a temperatura e pressão estão elevadas acima do ponto de autoignição do combustível. O tempo entre o início da injeção e o início da combustão é chamado de atraso de ignição (BRUNETTI, 2012).
2.1.2.1 Bomba injetora
Antes dos sistemas de controle eletrônico do motor, a injeção de combustível era realizada de forma mecânica com a utilização de uma bomba injetora de alta pressão em linha, constituída por conjuntos de cilindros-pistões e arvore de manivela. A bomba possuía a mesma quantidade de pistões do motor e era ligada por tubulações de alta pressão aos bicos injetores posicionados no cabeçote do motor. O funcionamento da bomba injetora era controlada diretamente pela arvore de manivelas do motor (MARTINS, 2006).
Figura 5 – Sistema de Injeção Diesel mecânica – bomba injetora.
Fonte: (VILANOVA, 2015)
A figura 5 mostra uma bomba injetora em linha para um motor de 6 cilindros. A bomba é atuada diretamente pelo eixo de manivelas do motor que realiza esse trabalho em conjunto com o regulador de rotação, com isso a injeção é controlada para todas as faixas de rotação em função da carga aplicada ao motor, dosando a quantidade de óleo diesel injetado e o início de injeção correto para realizar a melhor combustão (VILANOVA, 2015).
2.1.2.1 Sistemas de injeção controlados eletronicamente
Com o avanço das tecnologias, foram desenvolvidos os sistemas de controle eletrônicos para os processos de combustão, aumentando a precisão da quantidade e do tempo de pulverização do combustível e com isso reduzindo a emissão de poluentes atrelado ao aumento do rendimento do motor (VARELLA; SANTOS, 2010).
O sistema de injeção Unit Pump System (UPS) consiste em uma unidade injetora controlada eletronicamente, um condutor de alta pressão e o bico injetor, todos eles conectados em uma estrutura modular e instalados individualmente para cada cilindro do motor (BOSCH, 2021a). Uma representação de montagem do sistema UPS em um motor pode ser visualizada na figura 6.
Figura 6 – Sistema de Injeção Diesel - Unit Pump System (UPS).
A. Pulverização de combustível no interior do cilindro;
B. Válvula eletromagnética 2/2 vias; C. Unidade de controle eletrônico;
Fonte: Adaptado de BOSCH, 2021a
Pode-se observar também na figura 6 o funcionamento do sistema UPS. O combustível a baixa pressão (L) é admitido por uma válvula solenoide de 2/2 vias (B) que é comandada pela Unidade de Controle Eletrônico (ECU) do motor que por sua vez bombeia o combustível a alta pressão (H) para o bico injetor que realiza a pulverização do combustível no interior da câmara de combustão (BOSCH, 2021a). Esse sistema permite variar o período da injeção e consegue alcançar as pressões de injeção de até 2.200 bar e é auxiliado por diversos sensores distribuídos em diversos locais do motor (VARELLA; SANTOS, 2010).
Diferente do sistema UPS que possui uma unidade injetora de alta pressão para cada cilindro, o sistema Common-rail possui uma única bomba de alta pressão (E) que realiza a pressurização do combustível para o tubo de distribuição comum, também conhecido por flauta. A pressão fornecida pode ser controlada independente da rotação do motor (VARELLA; SANTOS, 2010).
A flauta fornece combustível a alta pressão para todos os bicos injetores (D) que irão inserir o combustível na câmara de combustão precisamente de acordo com os cálculos realizados a partir de informações realizadas por diversos sensores instalados no motor (STABELINI, 2017). A figura 7 mostra o esquema de funcionamento do sistema Common-Rail.
Figura 7 – Sistema de injeção Common-Rail.
B. Válvula de alívio do Common-Rail;
C. Unidade de controle eletrônico; D. Bico injetor eletrônico;
E. Bomba de alta pressão de combustível;
F. Sensor de pressão do Common-Rail;
Fonte: Adaptado de BOSCH, 2021b
Esse sistema tem como principais características as pressões de início e fim da injeção controladas independente da rotação do motor, possibilidade de realizar pré e pós injeção e pode ser aplicado a veículos leves, médios e de grande porte (STABELINI, 2017).
Como pode ser visto na figura 7, a unidade de controle eletrônica (C) realiza o controle do funcionamento do sistema através de protocolos de comunicação CAN recebendo informações do sensor de pressão localizado no tubo comum (F) e outros sensores do motor como os sensores de temperatura e pressão do ar, sensor de fluxo de massa de ar, sensor de fase e sensor de rotação do motor, e realiza a
atuação dos componentes atuadores, bomba de baixa pressão, bomba de alta pressão, válvula reguladora de pressão no tubo comum etc. (VARELLA; SANTOS, 2010).
2.2 Combustíveis 2.2.1 Diesel
Combustível derivado do petróleo, inflamável, medianamente tóxico, volátil, límpido, isento de material em suspensão e com forte e característico odor, o óleo diesel possui um composto formado em sua maior parte por átomos de carbono e hidrogênio e em menor quantidade por enxofre, nitrogênio e oxigênio. (PETROBRAS, 2014).
O óleo diesel é resultado de uma fração destilada dentre o processo de craqueamento, possui ponto de ebulição entre o querosene e óleos lubrificantes, entre 180ºC e 360ºC, é regulamentado pelo seu teor de enxofre e possui quatro tipos comerciais, sendo eles o S1800, o S500, o S50 e S10. Apenas os 500 e o S-10 estão disponíveis para venda e distribuição no setor de transporte rodoviário. A sigla representa a quantidade de enxofre em miligramas por quilograma (ppm de combustível) ou, partes por milhão de enxofre. (COSTA, 2017).
O óleo diesel S10, combustível com baixo teor de enxofre, já é produzido e comercializado no Brasil desde 2009. Com a utilização do óleo diesel S10, a emissão de óxido de nitrogênio pode ser reduzida em até 98% e a de óxido de enxofre em até 80%. O Cetano aumenta a eficiência da queima do combustível, melhora a partida a frio e reduz a formação de fumaça branca. O S10 possui um teor de Cetano que pode chegar a 48, bem mais que o S500 que pode chegar até 42. Os veículos produzidos a partir de 2012 só podem ser abastecidos com o S10 e os veículos mais antigos também podem utilizar esse combustível (CARBOROIL, 2018).
2.2.2 Biodiesel
O biodiesel é obtido por meio de um processo chamado transesterificação. Os triglicerídeos que estão presentes nos materiais: graxas e gorduras de origem
vegetal ou animal reagem com um álcool primário, etanol ou metanol a fim de gerar dois produtos: o éster e a glicerina. Apenas após passar por processos de purificação para se adequar à especificação da qualidade o éster pode ser destinado para a aplicação em motores de ciclo Diesel (ANP, 2020).
Com uso restrito apenas para motores Diesel, o biodiesel se torna um substituto do combustível fóssil diesel. Possui uma aplicação importante quando misturado com óleo diesel de baixo teor de enxofre pois fornece a este melhores características de lubricidade. Existe uma nomenclatura própria adotada mundialmente para a identificação da concentração do Biodiesel na mistura. Biodiesel BXX, na qual o XX representa a porcentagem de volume do Biodiesel na mistura (BIODIESELBR, 2006).
Desde setembro de 2019 o Brasil passou a utilizar pelo menos 11% de biodiesel misturado no óleo diesel vendido nacionalmente e com possibilidade de usar ainda mais (BIODIESELBR, 2006).
2.3 Gases de Escapamento
Durante o funcionamento de um motor de combustão interna, seja ele a álcool, diesel, gás natural veicular (GNV) ou gasolina, acontece a oxidação do combustível e como produto da reação é produzido os chamados gases de escapamento que podem ser caracterizados como poluentes (COSTA, 2017). A composição dos gases de escapamento de motores diesel em marcha lenta e na potência máxima é apresentado na tabela 1:
Tabela 1 – Composição dos gases de escapamento em motores diesel.
Componentes do gás de
escapamento Em marcha lenta Na máxima potência
Monóxido de carbono (CO) 100... 450pp, 350...2000 ppm Dióxido de carbono (CO2) ...3,5 vol. % 12... 16 vol.%
Óxidos de nitrogênio (NOx) 50... 200 ppm 600... 2500ppm
Hidrocarbonetos (HC) 50... 500 ppm < 50 ppm Vapor de água (H2O) 2... 4 vol.% ...11 vol.%
Quantidade de fumaça ≤0,5 2... 3 Temperatura do gás 100... 200ºC 550...800ºC
Fonte: (BOSCH, 2005)
2.3.1 Monóxido de Carbono (CO)
O monóxido de carbono (CO), em condições ambientes de temperatura e pressão, é um gás incolor, inflamável, inodoro e menos denso que o ar que é produzido durante a queima incompleta de um combustível rico em carbono (FERREIA, 2009).
No Brasil, a maior parte do CO é gerado a partir da frota de veículos automotores. O CO é formado quando a mistura de ar e combustível é menor que o ideal, ou seja, está acontecendo uma mistura pobre que geralmente acontece durante a partida dos veículos (COSTA, 2017).
2.3.2 Dióxido de Carbono (CO2)
Um gás não tóxico aos seres humanos, o dióxido de carbono (CO2) também
chamado de anidrido carbônico ou gás carbônico, pode não ser nocivo aos humanos mas está diretamente relacionado com o aumento das reações causadas pelo efeito estufa na atmosfera terrestre e com isso contribuindo diretamente para o aquecimento global (NEVES, 2019).
As emissões de CO2 na atmosfera acontecem também por meio de fontes
naturais, como nos incêndios florestais de origem natural, atividades vulcânicas, respiração animal e vegetal. Outras fontes de emissão são advindas das industrializações dos países, uso de biomassa e principalmente do setor de transporte (COSTA, 2017).
2.3.3 Óxidos de Enxofre (SOx)
Quando acontece a queima dos combustíveis fósseis, o enxofre presente em sua composição é oxidado a dióxido de enxofre (SO2) e trióxido de enxofre (SO3)
Devido a queima de óleo em processos convencionais de combustão, são lançadas todos os anos na atmosfera cerca de 100 milhões de toneladas de óxido de enxofre. Os motores diesel foram os principais responsáveis por grande parte das emissões de óxidos de enxofre na atmosfera logo, a comunidade Europeia veio estabelecer diretrizes para regulamentar os valores máximos e em 2010 estabeleceu o menor limite de 10ppm que é o limite utilizado até os dias de hoje (COSTA, 2017).
Acredita-se que a conversão do enxofre presente nos combustíveis em SO2
seja superior a 95% e cerca de 5% venha ser oxidado a SO3. Os óxidos de enxofre
são considerados poluentes primário e secundário. Os secundários são extremamente nocivos ao meio ambiente pois quando o SOx reage com o H2O
presente no ar acontece a formação do ácido sulfúrico (H2SO4) que é o principal
responsável pela chuva ácida (VERGNHANINI FILHO, 2020).
Para que seja possível controlar as emissões de SOx na atmosfera uma
técnica aplicada ao combustível é a redução do teor de enxofre presente que, nem sempre são possíveis e nem sempre economicamente viáveis (VERGNHANINI FILHO, 2020).
2.3.4 Óxidos de Nitrogênio (NOx)
O termo NOx refere-se a todos os óxidos de nitrogênio emitidos pelo motor
(MENEZES, 2009). Os óxidos de nitrogênio são formados quando o ar é aquecido a altas temperaturas, processo esse que acontece continuamente durante a combustão dos motores diesel e, é emitido durante o processo de exaustão dos gases de escape (JOHNSON, 2014).
Um óxido que comumente é formado nas temperaturas de combustão dos motores é o monóxido de nitrogênio (NO) e este pode vir a ser oxidado durante a fase de exaustão para a atmosfera formando o dióxido de nitrogênio (NO2). A
formação de NO aumenta exponencialmente com a temperatura de combustão dependendo da concentração do oxigênio atômico e molecular (MENEZES, 2009).
Na câmara de combustão, a concentração de NOx pode variar de 800 a
5000 ppm. Os NOx são considerados grandes contaminantes ambientais pois o NO
pode diminuir as concentrações de ozônio na estratosfera contribuindo diretamente com a destruição da camada de ozônio. Já o NO2 é um gás bastante tóxico e o
contato com humanos causa ardência nos olhos, no nariz e mucosas em geral (MENEZES, 2009).
2.3.5 Hidrocarbonetos (HC)
Os hidrocarbonetos se originam de uma combustão incompleta, tanto por falta quanto por excesso de oxigênio na mistura (COSTA, 2017). As partículas de fuligem são formadas e destruídas a todo tempo, normalmente destruídas por processos oxidativos, essas partículas são compostos de carbono e são provenientes da combustão incompleta dos hidrocarbonetos (MURARO, 2016).
2.3.6 Material Particulado (MP)
O material particulado tem maior presença nos motores de ciclo Diesel e o termo se refere às micropartículas suspensas no ar. É considerado um dos poluentes que apresentam maiores riscos ao meio ambiente e são facilmente visualizados em forma de fumaça de cor escura, conhecida também por fuligem (COSTA, 2017).
O material particulado é formado a altas temperaturas pela combustão incompleta do Diesel nas regiões do cilindro, ou seja, em regiões do cilindro onde a mistura está rica. A formação do material é a evolução dos hidrocarbonetos da fase líquida ou vapor para partículas solidas e acontece em seis etapas; pirolise, nucleação, crescimento da superfície, coalescência, aglomeração e oxidação (MENEZES, 2009).
O material particulado devido ao seu pequeno tamanho permanece suspenso na atmosfera e pode penetrar no organismo atingindo os alvéolos pulmonares e ocasionar problemas a saúde humana. A emissão do material particulado deve ser tratado devido a fuligem (fumaça preta) causar incômodos devido a coloração e mau cheiro, além de poder ocasionar acidentes de trânsito devido a redução da visibilidade (CETESB, 2021).
2.4 Legislação e Controle das Emissões em Motores Ciclo Diesel
Visando limitar a poluição causada pelos veículos que utilizam combustíveis fósseis foram criadas as normas brasileiras (PROCONVE), que são baseadas nas normas Europeias (EURO). Essas normas estimularam o desenvolvimento tecnológico dos motores forçando melhoria tanto na qualidade dos combustíveis utilizados como no funcionamento dos motores através da imposição dos limites de emissão (WERONKA, 2015). Na tabela 2 é apresentado a evolução nos motores e no combustível em função da atualização da norma regulamentadora Europeia.
Tabela 2 – Evolução dos motores e do diesel para antdimento da norma de controle de emissões.
Norma Tecnologia Adicionada Equipamento
Teor Máximo de Enxofre no Diesel (ppm) Número de Cetano Mínimo
Euro 0 Apenas ajustes no motor - 12.000 - Euro I Turbo alimentação Turbocompressor 2.000 49 Euro II Arrefecimento do ar de
sobrealimentação Intercooler 500 49 Euro III Controle eletrônico Sistema de injeção
eletrônica 350 51 Euro V Pós tratamento dos gases
de escape SCR ou EGR 10 51
Euro VI
Aprimoramento dos sistemas de pós tratamento dos gases de
escape
SCR + EGR 10 52
Fonte: (WERONKA, 2015)
A evolução do PROCONVE ocorre por meio de fases que, de forma continua e gradativa vem reduzindo a quantidade de emissão de poluentes permitidas por veículos automotores de grande porte, desde 1989 onde foi dado início às fases, atualmente a P7 é a fase vigente, e está previsto que até 2023 entrará em vigor mais uma fase denominada P8. (CNT, 2020).
Em 1º de Janeiro de 2012, entrou em vigor a fase P7 do PROCONVE onde ficou estabelecido para todos os veículos pesados a obrigatoriedade de incorporação de sistemas de auto diagnose (OBD), funções de gerenciamento do motor que exerçam influencias na emissão de poluentes do ar que indiquem falhas ao motorista e funções que realizem a redução da potência do motor em caso de falhas que persistam por mais de dois dias consecutivos (BRASIL, 2008).
Na fase P7, o Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis – IBAMA regulamentou a aplicação de tecnologias para o controle da emissão de NOx introduzindo sistemas que possuam sensores de óxidos de
nitrogênio, controlam a dosagem correta do redutor líquido, verifica a disponibilidade do reagente no tanque, realiza alterações no desempenho do motor quando ocorrer falha do reagente e transgressão da emissão de poluentes (BRASIL, 2008).
Com a necessidade de estabelecer novos padrões de emissão para os motores veiculares e veículos automotores pesados de uso rodoviário, será instaurado que, a partir do dia 1° de janeiro de 2022, entrará em vigor novas homologações para os novos modelos de veículos, que nunca obtiveram Licença para Uso da Configuração de Veículo ou Motor (LCVM) e em 2023 para todos os novos modelos comercializados no Brasil (BRASIL, 2018). A Figura 8 ilustra a evolução das fases do PROCONVE.
Figura 8 – Evolução do PROCONVE no Brasil para veículos pesados.
Fonte: (CNT, 2020)
Esta nova homologação define que a emissão de gases de cárter deverá ser nula com exceção para os motores com turbo compressores que poderão realizar o lançamento de gases de cárter na atmosfera, desde que essa emissão, somada à emissão de gases de escapamento, atenda aos limites estabelecidos (BRASIL, 2018).
A comprovação ao atendimento aos limites máximos da emissão dos poluentes é de responsabilidade do fabricante. Os intervalos de tempo e rodagem definidos para veículos de transportes de cargas de uso rodoviário são de: seis anos ou 300.000 quilômetros para os veículos com Peso Bruto Total (PBT) maior que 3,856 toneladas e até 16 toneladas e, de sete anos ou 700.000 quilômetros para os veículos com PBT acima de 16 toneladas (BRASIL, 2018).
As tabelas dos códigos de falhas dos sistemas OBD referente à emissão dos poluentes devem ser fornecidas pelos fabricantes no ato da homologação. As informações referente as datas de início, de reparos e a duração das falhas devem permanecer armazenadas no modulo eletrônico do veículo por pelo menos 720 dias mesmo se acontecer falhas ou desconexão elétrica do veículo (BRASIL, 2018). A tabela 3 explicita os limites máximos de poluentes para os veículos pesados de uso rodoviário estabelecidas para a fase PROCONVE P8 que devem ser atendidas pelas montadoras.
Tabela 3 – Limites máximos de emissão de poluentes para veículos pesados de uso rodoviário, da Fase PROCONVE P8.
NOx (g/kWh) HC (g/kWh) CO (g/kWh) MP (g/kWh)
Número de partículas (número/kWh)
Fase P7 2,0 0,46 1,5 0,02 Não há limite Fase P8 0,4 0,13 1,5 0,01 8,0 x 1011 Redução Mínima (%) P8/P7 80,0% 71,7% 0,0% 50,0% Não aplicável Fonte: (CNT, 2020)
Para atender essas regulamentações tiveram que ser empregadas tecnologias sofisticadas nos motores, como por exemplo a adição do turbo compressor e Intercooler para sobrealimentar o motor aumentando o oxigênio disponível na combustão, o controle eletrônico da injeção que fornece a quantidade correta de combustível para queima no cilindro e os sistemas de pós tratamentos dos gases de escapamento (WERONKA, 2015).
2.5 Tecnologias de controle e tratamento dos gases de exaustão
Com o objetivo de atender os limites de emissões estabelecidos pelas regulamentações do PROCONVE P8 foram desenvolvidas diversas tecnologias, bastante utilizadas nos veículos automotores que utilizam ciclo diesel, a fim mitigar a emissão de NOx. Essas tecnologias podem ser classificadas em dois tipos,
pré-combustão e pós-pré-combustão (PALASH et al., 2013). A figura 9 ilustra a divisão das tecnologias. Neste trabalho abordaremos apenas a tecnologia de pré-combustão denominada Recirculação dos Gases de Escapamento, do inglês Exhaust Gas
Recirculation (EGR) e para o sistema de pós tratamento dos gases de escape
analisaremos a Redução Catalítica Seletiva, também do inglês Selective Catalytic
Reduction (SCR).
Figura 9 – Tecnologias de mitigação da emissão de NOx.
Fonte: (PALASH et al., 2013)
2.5.1 Recirculação dos gases de escape (EGR)
O sistema de recirculação dos gases de escape (EGR), consiste em realizar a reintrodução dos gases na câmara de combustão a fim de realizar a redução das emissões de NOx devido ao resfriamento desses gases (MENEZES, 2009).
Fonte: (PALASH et al., 2013)
Na figura 10 pode-se visualizar a representação de um sistema EGR. Esse sistema realiza a recirculação dos gases de escape entre o ponto de exaustão e o ponto de admissão de um motor de combustão interna. O uso da recirculação dos gases reduz a concentração de oxigênio e a temperatura máxima do ciclo e com isso acontecendo a redução da emissão de NOx, porem em contrapartida essa
recirculação aumenta a emissão de fuligem e material particulado influenciando diretamente no desgaste dos componentes do motor (MURARO, 2016).
Figura 11 – Sistema EGR com resfriamento.
Fonte: Adaptado de (AGARWAL; MUSTAFI, 2021)
O EGR, figura 11, é um sistema frequentemente utilizado para motores de combustão por compressão que utilizam diesel e biodiesel. Quando as relações ar-combustível são consideradas, os motores diesel são ditos sistemas de queima pobre mas, em um sentido microscópico a combustão diesel controlada por difusão pode ser considerada uma queima estequiométrica. Considerando esse fenômeno
seria mais eficaz aumentar a capacidade térmica do fluido de trabalho para produzir uma temperatura de chama baixa (PALASH et al., 2013).
Para realizar a redução da temperatura da chama, a introdução do CO2
como forma de reciclar uma parte dos gases é bastante eficaz no sentido de aumentar a capacidade térmica do fluido de trabalho (PALASH et al., 2013). Por ser uma técnica que diminui a temperatura e a quantidade de oxigênio disponível no momento da queima, o EGR reduz a formação e emissão de partículas NOx, contudo
a formação do material particulado aumenta significativamente e deve ser corrigida, para isso é necessário a utilização de um filtro de partículas diesel (FPD) (WERONKA, 2015).
A passagem do fluxo de gás de escape é regulada por uma válvula de estrangulamento, como pode ser visto na figura 11. As diferenças de pressão entre o escapamento e os coletores de admissão geralmente são suficientes para conduzir o EGR em quantidade desejada. Existem dois tipos de EGR, os quentes e os refrigerados, se o gás de escapamento é reintroduzido diretamente na combustão é chamado EGR quente; caso o gás seja resfriado até uma determinada temperatura antes de ser reinjetado no coletor de admissão ele é chamado EGR resfriado (PALASH et al., 2013).
2.5.2 Sistema Redução Catalítica Seletiva (SCR)
O processo de redução catalítica seletiva (SCR) é um método de tratamento das partículas de NOx que permite a redução catalítica através da injeção de um
redutor, amônia (NH3), que se combina com as partículas NOx para formar N2 e O2
(MENEZES, 2009).
Para prover a amônia necessária no processo é utilizado uma solução aquosa de ureia a 32,5% que é forçada a passar por uma superfície de cerâmica superaquecida e realizando assim a redução do NOx (WERONKA, 2015). Esse
processo pode ser observadode acordo com as equações 1 e 2.
𝑁𝑂 + 𝑁𝑂2+ 2𝑁𝐻3 → 2𝑁2+ 3𝐻2𝑂 (2)
Como o NO2 sempre está presente nos gases de exaustão, a equação (2) é
pertinente e pode ser considerada a equação de redução principal, porém a equação (1) é a reação SCR padrão (JOHNSON, 2014).
Para que os motores possam fornecer um alto rendimento e com isso melhorar o seu desempenho com um baixo consumo de combustível, eles são configurados para mínima geração de material particulado, maximizando a geração de NOx que precisam ser tratados posteriormente (WERONKA, 2015). Caso os
motores fossem adaptados para uma baixa geração de NOx, o resultado da
combustão seria uma maior emissão de material particulado, basicamente combustível sem queima (MURARO, 2016).
As soluções utilizadas no sistema SCR possuem diferentes denominações de acordo com a localização na qual são utilizadas. Na Europa, por exemplo, a solução é chamada de AdBlue. Já no Brasil, o Agente Redutor Líquido Automotivo é comumente conhecida por ARLA 32 pois, sua composição consiste em 32% de ureia numa solução aquosa (WERONKA, 2015). O sistema de injeção de ARLA 32 possui como desvantagem o consumo de ureia, que é estimado em cerca de 1 litro de ARLA 32 para cada 20 litros de combustível diesel (MENEZES, 2009).
O Sistema de Redução Catalítica é amplamente conhecido como a melhor forma de realizar o pós tratamento dos gases de escape de um motor a diesel sem comprometer o seu desempenho. Por isso, muitos esforços são necessários para melhorar o sistema e torna-lo ainda mais sustentável para os veículos não visando apenas os componentes do SCR em si, mas realizando uma abordagem holística ao funcionamento das tecnologias de redução da emissão de poluentes (VIGNESH; ASHOK, 2020).
A figura 12 ilustra o layout de funcionamento de um sistema de pós tratamento dos gases de escapamento. O gás de exaustão queimado que flui pelo coletor de admissão consiste em HC, CO, NOx, MP e etc. Essa mistura de gases
chega ao catalisador de oxidação diesel (DOC) e em seguida passa pelo filtro de partículas diesel (FPD) onde acontece a filtragem das partículas solidas. Na câmara
de mistura a injeção do agente redutor acontece através da bomba dosadora que é controlada pela unidade de comando SCR (VIGNESH; ASHOK, 2020).
A quantidade injetada do redutor é definida de acordo com os valores lidos nos sensores de NOx e de temperatura, a mistura dos gases com o redutor acontece
na câmara de mistura e segue para o catalisador para ser realizado a redução catalítica seletiva convertendo os óxidos de nitrogênio em N2 e como subproduto
desta reação a formação de água e uma pequena quantidade de CO2 (VIGNESH;
ASHOK, 2020).
Para o funcionamento do sistema, deve ser armazenado em um tanque o redutor a ser utilizado no pós tratamento. No interior do tanque existe um sistema que ajuda a manter a faixa de temperatura do redutor ideal para o tratamento pois a temperatura muito elevada ou muito baixa afetará o funcionamento do sistema. No tanque também contém um sensor de nível que é conectado a unidade de controle eletrônica do SCR que verifica a todo momento a disponibilidade do redutor para tratamento, caso o sensor indique um nível muito baixo de redutor o controlador SCR não permite a partida do veículo (VIGNESH; ASHOK, 2020).
Fonte: (VIGNESH; ASHOK, 2020)
Em geral, a taxa de consumo depende diretamente da operação do veículo, a carga em que o mesmo transporta e alguns outros fatores externos. Normalmente o consumo do agente redutor varia de 2 a 4% em relação ao consumo do combustível (VIGNESH; ASHOK, 2020).
O coração do sistema SCR é o catalisador, onde é realizado a redução das partículas NOx. É no catalisador que fica localizado o sensor NOx e sua unidade de
comando (PEREIRA, 2015). O controle de NOx pode ser realizado por diversos
redutores mas, o desempenho do catalisador depende diretamente da combinação do par redutor-catalisador. A vida útil de um catalisador é determinada por vários fatores, um deles é a erosão causada pelo gás de combustão, a deposição de redutor depositada na superfície, envenenamento por enxofre e a deterioração térmica causada pelo envenenamento por HC (VIGNESH; ASHOK, 2020).
Para realizar o controle adequado do sistema SCR, ao iniciar o processo de funcionamento do veículo, a unidade de controle SCR recebe as informações de rotação e velocidade do motor via rede Controller Area Network (CAN), juntamente com as informações de temperatura e emissões de NOx antes e depois do
catalisador. Como pode ser visto na figura 13 o funcionamento de controle do SCR exige a combinação das estratégias de controle realizando a integração das informações de feed-forward e feed-back (VIGNESH; ASHOK, 2020).
Figura 13 – Estratégia de controle para unidade SCR.
Fonte: (VIGNESH; ASHOK, 2020)
Com as informações dos sensores do SCR e do motor, o sistema realiza a atuação do sistema SCR dosando o redutor a fim de realizar o controle de emissão de NOx e de forma iterativa vai fazendo o controle necessário para operação, assim
como o armazenamento e fornecimento de informações de diagnóstico do sistema (VIGNESH; ASHOK, 2020).
Os veículos utilizam uma série de dispositivos para controlar as emissões, dentre eles os mais utilizados são os catalisadores de oxidação diesel, o filtro de partículas diesel, o catalisador SCR e por fim um catalisador de deslizamento (AGARWAL; MUSTAFI, 2021). A figura 14 ilustra a disposição da sequência dos filtros para um veículo diesel EURO VI, equivalente ao PROCONVE P8.
Figura 14 – Sistema de pós tratamento dos gases de exaustão para veículos a diesel EURO-V.
Fonte: (AGARWAL; MUSTAFI, 2021)
A figura 14 ilustra as devidas reduções dos poluentes em cada sistema de tratamento. Os Catalisadores de Oxidação Diesel (DOCs) realizam o controle dos hidrocarbonetos e monóxido de carbono; no Filtro de Partículas Diesel (FPD) é realizado o controle do material particulado da combustão e após o FPD é realizado a injeção da ureia na câmara de mistura que segue para o catalisador para realizar a redução seletiva dos óxidos de nitrogênio, por fim o catalisador oxidante de ureia remove o excesso de amônia do sistema (AGARWAL; MUSTAFI, 2021).
2.5.3 Aplicação do sistema de Redução Catalítica Seletiva (SCR)
A figura 15 ilustra uma das várias aplicações da técnica de redução catalítica seletiva para o pós tratamento dos gases de escape em veículos de grande porte com motor a combustão que utilizam o diesel como combustível no Brasil.
Fonte: (BENZ, 2011)
Os principais componentes utilizados em um sistema de injeção de ARLA 32: tanque, bomba, unidade dosadora, bico injetor, modulo da bomba, catalisador e sistema de ar comprimido dos veículos automotores são ilustrados na figura 15 e a relação de componentes na tabela 4.
Tabela 4 – Principais componentes de um sistema SCR.
Item Descrição
01 Reservatório do ARLA 32 08 Válvula eletromagnética 02 Módulo da Bomba 09 Injetor
03 Dispositivo de dosagem 10 Linhas agrupadas 04 Silencioso com Catalisador SCR 11 Radiador do motor 05 Válvulas de retenção 12 Motor 06 Válvula limitadora de pressão
13 Sensor NOx com unidade de comando
07 Válvulas 3/2 vias de ventilação
Fonte: (BENZ, 2011)
O módulo da bomba retira o ARLA 32 do reservatório, realiza a filtragem e bombeia a solução a uma pressão absoluta aproximada de 4,6 a 5,0 bar via linhas de suprimento. Na unidade dosadora ocorre a dosagem correta pela válvula acionada eletricamente pela unidade de comando do motor. Um fluxo continuo de ar comprimido (máximo de 25 l/min) flui pelo dispositivo dosador e ao ser injetado o
ARLA 32 acontece a mistura em forma de aerossol sendo injetado nos gases de escape. Para o funcionamento ideal do sistema, o catalisador deve ser aquecido a uma temperatura de operação acima de 200ºC antes do início da injeção do ARLA 32 (BENZ, 2011).
O funcionamento da bomba SCR, figura 16, inicia ao receber um sinal de ativação e então a bomba realiza a aspiração do ARLA 32 diretamente do tanque. Ao chegar na bomba o ARLA 32 é filtrado e bombeado a uma pressão de aproximadamente 6 bar. A pressão na unidade de dosagem é quem irá determinar o momento de acionar ou desativar a bomba. Sempre que a pressão na unidade dosadora atingir 4,6 bar a bomba será acionada e sempre que a pressão chegar a 6,0 bar a bomba desliga. A bomba também é desligada quando o nível do tanque ficar abaixo de um determinado valor (BENZ, 2011).
Figura 16 – Bomba de pressão de ARLA 32.
Fonte: (BENZ, 2011)
Na bomba existem dois filtros de ARLA32 para evitar a passagem de sujeira para a unidade dosadora. Existe também um acumulador de pressão responsável por compensar oscilações de pressão da bomba e reduzir a frequência de funcionamento (BENZ, 2011).
Na figura 17, pode ser visualizada a unidade dosadora. Esta, recebe o ARLA 32 da bomba via linha de alimentação (8), as leituras de pressão e temperatura do ARLA 32 são realizadas pelos sensores B129 e B130 respectivamente e o ARLA 32 fica disponível na válvula de dosagem Y109 aguardando o momento certo para ser injetado (BENZ, 2011).
Figura 17 – Esquema de sonda lambda de banda estreita.
Fonte: (BENZ, 2011)
Uma corrente de ar continua passa pela entrada de ar (3) e é medida pelo sensor B128. Quando a válvula de dosagem Y109 abre, de acordo com intervalos calculados no modulo de controle, o aerossol formado pela mistura ARLA 32 e ar comprimido segue para os gases de escape para realizar a redução catalítica seletiva (BENZ, 2011).
O sensor de oxigênio de banda estreita, como mostra a figura 18-A, é popularmente conhecido como sonda lambda é utilizado para medir de forma indireta a relação da mistura ar/combustível admitida no motor. O sensor é formado por um elemento de óxido de zircônio que quando é submetido a altas temperaturas, cerca de 400ºC a 700ºC, conduz eletricidade gerando uma tensão que pode ser medida nos terminais de contato revestidos com platina (PEREIRA, 2015).
Figura 18 – (A)Esquema de sonda lambda de banda estreita. (B) Esquema de funcionamento do sensor de NOx
(A) (B)
Fonte: (PEREIRA, 2015) / (BENZ, 2011)
O sensor NOx, figura 18-B, possui uma estrutura similar ao de uma sonda
lambda de banda larga pois possui uma célula de Nernst e uma segunda célula chamada célula de bombeamento (PEREIRA, 2015). A sonda de medição do sensor NOx é constituída de cerâmica de óxido de zircônio e possui duas câmaras, sendo
uma aberta para o lado do escapamento, que estão localizados três pares de eletrodos chamados células de bombeamento como mostra a figura 17b. A temperatura operacional do sensor é de 800ºC e para chegar a essa temperatura existe uma resistência (6) para realizar o aquecimento do sensor (BENZ, 2011).
O lado do sensor localizado no interior do catalisador recebe o gás de escape na primeira câmara. O oxigênio do gás de escape é bombeado através da camada de zircônio novamente para o escapamento e o consumo de energia (Ip0) indica a quantidade de O2 nos gases de escape. O NOx e uma quantidade residual
de oxigênio residual passam para a segunda câmara onde a quantidade de oxigênio residual é bombeada para os gases de escape e o consumo de energia (Ip1) indica a quantidade de oxigênio residual (BENZ, 2011).
Ao finalizar o bombeamento do oxigênio residual, o NOx é reduzido aos seus
componentes nitrogênio e oxigênio e este é bombeado para os gases de escapamento na bomba de medição (Ip2). O consumo de energia medido na bomba de medição (Ip2) é proporcional à concentração de NOx no escapamento (BENZ,
A quantidade injetada e o ponto de injeção do reagente são diferentes e dependem de uma série de fatores nas quais são representados no diagrama ilustrado na figura 19. Inicialmente o sistema verifica a temperatura no catalisador (acima de 200ºC), o nível de ARLA 32 no tanque, a temperatura do ARLA 32, a pressão de ar comprimido e pressão de ARLA 32. De acordo com as medições verificadas, a dosagem será liberada ou não. Com a dosagem liberada pelo módulo eletrônico do motor, o veículo irá determinar a emissão de NOx verificando a
temperatura externa e a rotação e torque do motor (BENZ, 2011).
Figura 19 – Fatores de influência para a injeção do ARLA 32.
Fonte: (BENZ, 2011)
Após a verificação do nível de NOx o módulo só realizará a dosagem do
ARLA 32 caso a emissão de NOx esteja alta mas, antes da dosagem o sistema ainda
verifica influencias necessárias para realização da correção da injeção que é a verificação da umidade do ar, temperatura do ar e temperatura do ARLA 32 (BENZ, 2011).
3 Metodologia
O desenvolvimento deste trabalho se deu ao perceber a incidência de veículos que operam realizando o transporte de cargas rodoviárias apresentarem falhas no sistema de pós tratamento dos gases de escape. Para isto, esse capítulo irá analisar e entender a operação dos veículos para elaborar um compilado das falhas encontradas. Desenvolver um checklist para registro das falhas apresentadas nos computadores de bordo e elaborar uma tabela descriminando essas falhas. A partir da tabela feita, analisar as causas e as soluções encontradas para correção dos problemas.
3.1 Análise de operação e característica dos veículos
Os veículos analisados são de uma empresa local que opera realizando o transporte do seu produto final para as maiores cidades da região norte e nordeste do Brasil. A empresa possui uma frota de aproximadamente 126 veículos, dos quais apenas 52 utilizam o sistema de SCR para o pós tratamento dos gases de escapamento, sendo estes caminhões de grande porte, todos da mesma marca, modelo e ano de fabricação.
Os modelos de veículos selecionados atendem a regulamentação do PROCONVE P7, pois utilizam o sistema de SCR para o pós tratamento dos gases de escape. A descrição dos veículos definidos para análise deste trabalho está especificado na tabela 5:
Tabela 5 – Caracteristicas dos veículos analisados
Dados do veículo
Motor: MB OM 924 LA
Potência máxima: 185cv (136 kW) @ 2.200 rpm Torque máximo: 700Nm (71mkgf) @ 1.200 - 1.600 rpm Tomada de força: Acoplada no volante do motor Regulamentação: BLUETEC 5 - PROCONVE P7
Cilindrada: 4,8 LITROS - 4 CILINDROS EM LINHA
Taxa de compressão: 17,5:1
Curso do pistão (mm): 136
Diâmetro do pistão (mm): 106
Tipo de injeção: Injeção direta com Unit Pump e controle eletrônico Tensão de trabalho do
sistema elétrico: 24V / 100A
Alternador: 28V / 80A
Tanque de combustível 420 Litros
Tanque do redutor SCR: 25 Litros
Sistema de aspiração: Turbocompressor
Controle de emissões NOx: ERG
Controle de emissões NOx: SCR / ARLA 32
Peso Bruto Total (PBT): 14,3 toneladas
Fonte: (BENZ, 2019)
Os veículos da frota utilizam a mesma motorização, o motor 924 La composto por 4 cilindros em linha de 4,8L que operam com a utilização do combustível diesel S10, possuem sistema de Turbocompressor com resfriador para o ar de sobrealimentação, possuem sistema de injeção de combustível direta com utilização do sistema de unidade injetora que é controlada eletronicamente pela unidade de comando do motor, demais informações são encontradas na tabela 5.
O primeiro contato com as falhas a serem analisadas se deu em conversa com os motoristas da empresa, eles informaram que durante algumas horas de operação com o veículo carregado em viajem, o mesmo começava a acender de forma intermitente avisos no painel, dos quais os mais apresentados eram o alerta de falha no sistema SCR e no módulo de comando do motor. Com os alertas ativos no computador de bordo, o veículo apresentava redução de potência do motor, dificultando a locomoção durante a viagem.
Sempre ao finalizar a jornada diária de trabalho, os veículos ficam estacionados em pátios de postos para que o condutor possa descansar e no dia seguinte seguir viagem em direção ao destino da entrega, ao reiniciar a jornada de trabalho o veículo já não apresentava mais a falha do dia anterior mas, com algumas horas de viagem o veículo voltava a falhar diariamente de forma intermitente, repetindo assim todos os passos informados até chegar ao destino final.
Após realizar a entrega de acordo com a rota definida, é necessário retornar ao local de origem mas, desta vez com o veículo descarregado. Durante o retorno
das viagens os condutores informaram que o veículo operava normalmente sem apresentar falha como no caminho de ida da viagem.
3.2 Análise e discriminação das falhas
A legislação exige que os códigos de falha relacionados aos sistemas de controle e tratamento das emissões dos motores Diesel sejam disponibilizados (BRASIL, 2018). Os códigos de falha que fazem parte do sistema OBD, acionam uma lâmpada no painel do veículo que indica o mau funcionamento a fim de orientar ao motorista a necessidade dos reparos e, dependendo da quantidade de emissão de poluentes o próprio veículo aciona um limitador de torque para forçar a solução do problema o mais breve possível (AEA, 2016). Algumas lâmpadas existentes no mercado brasileiro são ilustradas na figura 20-A.
Caso o alerta de falha esteja aceso no veículo por mais de 48 horas de funcionamento do motor e nenhum reparo for realizado, independente do veículo estar transgredindo os patamares de emissão ou não, o limitador de torque será ativado reduzindo em até 60% da potência do motor (AEA, 2016).
Figura 20 – Lâmpadas indicadora de falha no controle de emissão de NOx. (A) Simbologia da
MIL (B) Painel de instrumentos do veículo.
(A) (B)
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