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SCR Catalisador Seletivo Redutor realiza a neutralização das emissões de Óxido de Nitrogênio

O controle de emissões de fontes móveis tem abrangência global e todos os países assumem o compromisso de atingir as metas de reduções e isso vem da tecnologia aplicada nos veículos e nos combustíveis

Por Humberto Manavella

As tecnologias atualmente utilizadas para o controle das emissões de NOX são:

- Recirculação dos gases de escape – EGR (Otto e Diesel);

- Catalisador redutor seletivo – SCR (Diesel);

- Catalisador adsorvente de NOx - LNT (Otto e Diesel);

- Catalisador de NOx – LNC (Otto e Diesel);

- Catalisador redutor seletivo – SCR-HC (Diesel).

O catalisador redutor seletivo - SCR é um catalisador de NOx para pós-tratamento em aplicações diesel. O processo consiste na injeção de forma controlada eletronicamente, de um reagente químico líquido (agente redutor) no fluxo dos gases de escape. A composição é 32,5% de ureia numa solução aquosa. O líquido não é tóxico, não tem odor e não é inflamável.

A pequena quantidade de solução de ureia injetada no fluxo dos gases de escape (com temperatura superior a 170-200OC), em contato com o vapor de água a alta temperatura, se transforma em amoníaco (NH3) e dióxido de carbono (CO2). A ureia se decompõe em amoníaco através de dois processos:

1.   Hidrólise: O vapor de água é o agente para a decomposição.

2.   Termólise: A alta temperatura dos gases é o agente para a decomposição.

Dentro do SCR, com temperaturas entre 200OC e 450OC, o amoníaco ou amônia, por sua vez, reage (processo de redução) com os óxidos de nitrogênio (NOx) liberando nitrogênio (N2) e água (H2O).

Figura 1

A figura 1 mostra uma configuração típica de sistema SCR, e a forma como se processam as reações químicas assim que os gases de escape percorrem os elementos do sistema. 

-  O catalisador oxidante [1] trata as emissões de CO, HC residual e parte do material particulado. Por outro lado, o sistema SCR tem uma janela de temperatura dentro da qual a conversão do NOx é máxima. Assim, o catalisador oxidante [1], associado a uma dosagem maior de combustível (enriquecimento), permite atingir a temperatura adequada de máxima conversão. A maior dosagem de combustível pode ser obtida através da injeção atrasada no cilindro (pós-injeção) ou bem através de um injetor dedicado no escapamento, antes do catalisador oxidante.

Finalmente, o catalisador oxidante contribui para converter o NO (monóxido de nitrogênio) em NO2 (dióxido de nitrogênio) o qual resulta mais favorável à conversão em nitrogênio livre no sistema SCR.

   Lembrar que o NOx é formado basicamente, de NO (90%) e NO2 (10%).

-  O vapor de água resultante, tanto da combustão como da ação do catalisador oxidante [1], é utilizado, na câmara de hidrólise, para decompor a ureia injetada, em amoníaco e dióxido de carbono. Para que a hidrólise se processe corretamente, a temperatura dos gases deve ser superior a 170oC ou 200oC. A câmara de hidrólise funciona também como misturador dos gases de escape com o amoníaco.

-  No interior do catalisador redutor seletivo SCR o amoníaco reage com o NO2 para formar nitrogênio livre (N2) e água.

   Em função de ser o amoníaco (NH3), um composto altamente tóxico, o catalisador oxidante [2] (catalisador oxidante pós-catalisador SCR) tem por objetivo eliminar todo resíduo de amônia que não foi utilizado pelo SCR, transformando-o em H2O (água) e N2 (nitrogênio livre).

Figura 2A

A figura 2a apresenta a configuração genérica do sistema SCR. Não representa nenhuma aplicação em particular e seu único objetivo é mostrar, de forma ampla, a funcionalidade dos elementos do sistema que podem ser encontrados nas aplicações de mercado o que, por sua vez, servirá para ilustrar a funcionalidade do monitor.

-  O sensor de temperatura [1] é utilizado para controlar a janela de máxima eficiência de conversão do catalisador seletivo, que está na faixa de 200OC a 450OC.

-           O sensor de temperatura [2], quando presente, tem como função monitorar a temperatura dos gases de saída do catalisador SCR com o objetivo de avaliar o seu funcionamento.

-  Os sensores de NOx [1] e [2] têm por objetivo o ajuste correto da dosagem de ureia na proporção estequiométrica. Ou seja, injetar a quantidade de ureia para: 1) obter máxima eficiência de conversão de NOx e 2) obter níveis mínimos de amoníaco na saída do catalisador SCR. Em particular, é o sensor de NOx [2] que permite controlar a injeção de ureia em malha fechada (ver item a seguir).

O sensor de NOx pode estar integrado com o sensor de O2 de banda larga (WEGO) num único dispositivo que fornece simultaneamente, a concentração de oxigênio e dos óxidos de nitrogênio. Estes sensores são utilizados pelo monitor de NOx para o cálculo da eficiência de conversão.

-           O sensor de amoníaco, quando presente, permite avaliar a eficiência de conversão do catalisador SCR e evitar a emissão indesejada de amoníaco. O controle em malha fechada permite injetar ureia na proporção estequiométrica para obter: 1) máxima eficiência de conversão de NOx e 2) obter níveis de amoníaco na saída do catalisador SCR inferiores a 10 ppm.

Figura 2B

-  O sistema de injeção de ureia é composto por (figura 2b):

a) Tanque de ureia com os seguintes dispositivos integrados:

- Sensor de ureia. Tem por objetivo verificar a qualidade do líquido redutor utilizado. No caso de reservatório vazio ou com o líquido inadequado, o motor passa a trabalhar com potência reduzida.

- Sensor de temperatura.

- Aquecedor de ureia.

- Sensor de nível. Pode ser de faixa contínua ou de níveis discretos, como na figura.

b) Unidade de dosagem com sensor de pressão e válvula de controle da injeção de ureia.

c) Bomba de injeção associada a uma válvula inversora de 4 vias. Esta permite reverter o sentido do fluxo de ureia. Com o motor em funcionamento, a ureia é direcionada para o catalisador. Ao desligar o motor, o fluxo é invertido e a ureia é retornada ao reservatório para evitar o seu congelamento com baixas temperaturas.

d) Compressor de ar. O ar comprimido serve para propiciar uma injeção adequada da ureia no escapamento. No entanto, já há no mercado sistemas SCR que dispensam o uso de ar comprimido.

e) Aquecedor da linha de alimentação de ureia.

fMódulo de controle. A comunicação com a UC do motor é através da rede CAN.

A solução utilizada contém 32% de ureia e recebe várias denominações: AdBlue na Europa, DEF nos Estados Unidos, Arla32 (Agente Redutor Líquido de NOx Automotivo) no Brasil. A solução é dosada no escape em aproximadamente, 2% a 5% do consumo de combustível. O sistema SCR precisa obrigatoriamente de óleo diesel S50 (50 ppm de enxofre) ou preferivelmente, S10 (10 ppm de enxofre).

Controle da Injeção de Ureia

Em função de ser o amoníaco um composto altamente tóxico, o controle da injeção de ureia, na relação estequiométrica, é de fundamental importância. Este controle pode ser feito:

Em malha aberta. Neste caso não há monitoramento da presença de amoníaco na saída do catalisador SCR. Em função disto, a UC, com base na informação de sensores estima o fluxo de gases e injeta ureia com uma margem de segurança. Isto faz com que a eficiência de conversão de NOx caia para 65%.

Em malha fechada. Neste caso há monitoramento da presença de amoníaco na saída do catalisador SCR. Isto permite ajustar a dosagem da solução de ureia na relação estequiométrica com o NOx presente nos gases de escape, de forma que, na saída do catalisador, não se verifique nem excesso de NOx nem de amoníaco acima dos limites fixados pela legislação. Ou seja, em teoria, todo o amoníaco é utilizado para reduzir todo o NOx. O controle em malha fechada é necessário para atender a norma EURO 5 (Proconve 7). O controle em malha fechada pode ser feito:

. Controle com sensor de NOx pós-catalisador SCR. O controle é indireto (estimado), ou seja, é feito sem medir a concentração real de amoníaco dos gases na saída do SCR.

. Controle com sensor de amônia. Neste caso, o controle é direto, medindo a concentração de amoníaco residual através do sensor de NH3, o que permite o controle preciso da dosagem de ureia em praticamente todas as condições de funcionamento do motor.

Funcionalidade do Monitor SCR

O monitor deve detectar falhas antes que as emissões de NOx excedam o limite especificado pela regulamentação vigente para o modelo analisado. Para isto, o monitor deve:

  1. Verificar a eficiência de conversão.

O monitoramento da eficiência de conversão é realizado uma vez a cada ciclo de condução e tem como base a comparação da eficiência calculada em função dos valores de concentração de NOx medidos pelos sensores pré e pós-catalisador SCR.

O cálculo da eficiência é realizado por um período determinado de 30 segundos a 1 minuto, por exemplo, após serem verificadas as condições de habilitação. O código DTC correspondente é gravado se o valor calculado resulta inferior a um limite mínimo de calibração (55% ou 60%, por exemplo).

Nota:  Para manter o nível de emissão de NOx dentro do especificado e o sistema de pós-tratamento SCR operando convenientemente, o monitor ativa sinais luminosos no painel nos casos de nível de ureia baixo (necessidade de reabastecimento) ou de qualidade inapropriada. Quando o nível NOx supera o limite de calibração especificado o motor passa a funcionar no modo “degradado”. Basicamente, são 3 os eventos que podem provocar o funcionamento no modo “degradado”: 1) baixo nível de ureia no tanque, 2) qualidade inapropriada e 3) falha no catalisador SCR. No estado “degradado”, o motorista notará limitação de velocidade do veículo e/ou perda de potência (torque) do motor. Em casos extremos, é impedida a partida.

2.  Verificar a injeção apropriada de agente redutor (DEF, Arla).

No caso do sistema possuir sensor de ureia, a verificação é contínua e a detecção de agente não apropriado é imediata.

Por outro lado, no caso do sistema não possuir sensor de ureia no reservatório, o monitoramento é feito avaliando a eficiência de conversão. A verificação pode ser feita de forma contínua ou após um reabastecimento de ureia. Neste último caso, após detectar o reabastecimento de ureia, o monitor verifica a eficiência do catalisador durante um intervalo de tempo determinado, o qual depende do consumo de redutor. Findo este intervalo, se a eficiência for inferior ao limite de calibração, é gravado o código correspondente a “agente redutor de qualidade inapropriada”.

3.  Monitorar o sistema de injeção do agente redutor.

Para auxiliar na análise a seguir, a figura 2b apresenta, somente, os componentes do sistema de injeção do agente redutor.

- Monitoramento do nível do reservatório.

Esta função tem por objetivo assegurar que a quantidade de redutor no tanque seja suficiente para manter o desempenho do sistema no nível apropriado.

Para isto, o monitor, em função das condições de funcionamento e do nível de redutor, calcula a distância que pode ser percorrida com a ureia que resta no tanque. Quando esta distância calculada atinge o limite de calibração (300 km, por exemplo), o código correspondente é gravado, a potência é reduzida e um aviso luminoso alerta o motorista.

- Monitoramento da pressão de injeção.

Basicamente, esta funcionalidade se resume ao monitoramento: a) do aumento inicial de pressão, b) do controle da pressão de injeção de ureia dentro da faixa de operação e c) da redução de pressão ao desligar o motor.

a) Após o catalisador atingir a temperatura de operação, o monitor fecha a válvula de dosagem e ativa a bomba por um tempo de calibração determinado. Se após este tempo a pressão mínima não é atingida, o monitor abre a válvula inversora para que diminua a pressão. Este processo é repetido um número de vezes que depende do sistema analisado. Se o número de repetições ultrapassa um limite de calibração (3 vezes, por exemplo) a falha correspondente é gravada. Esta falha pode ser provocada pela válvula inversora ou de purga estar travada no estado de “aberta”. Este monitoramento é realizado uma vez a cada ciclo de condução antes da ativação da injeção de ureia. Se o aumento de pressão for o esperado, o monitor passa a monitorar o controle da pressão de injeção em malha fechada.

b) Para o correto funcionamento da dosagem, a pressão deve ser mantida dentro de uma faixa com limites da calibração máximo e mínimo. A condição para a realização deste monitoramento contínuo é que a unidade de dosagem esteja ativa. Ou seja: a) a temperatura do redutor deve ser superior ao limite mínimo de calibração, o que garante que a ureia esteja em estado líquido e b) o aumento inicial de pressão tenha sido bem sucedido. O código de falha correspondente é gravado se o valor de pressão excede os limites de calibração.

c) Nesta fase é verificada a funcionalidade da válvula inversora ou de purga. Ao desligar o motor, a válvula inversora deve abrir e a bomba deve funcionar por um determinado período para permitir o retorno do agente redutor ao tanque. Se a redução de pressão é menor que um valor de calibração, é gravada a falha indicando o travamento da válvula inversora na condição de “fechada”.

- Monitoramento do controle em malha fechada da injeção de ureia.

Esta função consiste em monitorar o controle em malha fechada detectando:

- Falha que impede o sistema de funcionar em malha fechada.

- Falha que faz o sistema passar a funcionar em malha aberta.

- A autoridade do monitor para o funcionamento em malha fechada atingiu o limite. Ou seja, foi atingido o limite de dosagem de ureia e o nível de NOx na saída ainda está elevado. 

Para ativar a injeção (dosagem) de agente redutor, a temperatura na entrada do catalisador deve atingir um valor mínimo de calibração como, por exemplo, 200OC. Para isto, o monitor utiliza um valor calculado de temperatura de entrada. Quando esta temperatura calculada (modelo) atinge a temperatura de calibração, o monitor ativa um temporizador por um período de tempo determinado. Findo este período, o monitor verifica a temperatura de entrada informada pelo sensor pré-catalisador:

. Se atingiu o nível de calibração, esta função de monitoramento é concluída.

. Se não atingiu o nível é gravado o código de falha correspondente indicando falha de desempenho do sistema de dosagem do redutor. A seguir, o monitor ativa a dosagem do redutor em malha fechada utilizando como referência a temperatura calculada (modelo).

O monitor continua verificando a evolução da temperatura por um período determinado findo o qual, se não atingiu o nível de calibração, é gravado o código indicando falha de desempenho do sensor pré-catalisador.

Durante o funcionamento em malha fechada, o sistema é monitorado para assegurar a dosagem correta do agente redutor. Para isto, o monitor utiliza um fator de correção no cálculo da dosagem, que leva em consideração prováveis desvios na calibração de componentes. O fator de correção é monitorado de forma contínua e um código é gravado assim que este fator atinge o limite de calibração máximo ou mínimo.

Também, assim que o sistema passa a funcionar em malha fechada, um temporizador é ativado para avaliar o tempo em que o sistema permanece nesse estado. Se o tempo resulta menor que o limite mínimo de calibração (300 segundos, por exemplo) o código de falha correspondente é gravado.

4.  Monitorar a temperatura do catalisador SCR e dos gases de escape.

Quando satisfeitos os critérios de habilitação, o monitor, de forma contínua, compara a diferença entre a temperatura do ponto de ajuste (temperatura necessária) e a temperatura medida, com o desvio máximo permitido. Caso a diferença for superior ao limite por um tempo determinado, o código correspondente é gravado. Por exemplo, a falha é gravada se a temperatura do ponto de ajuste for superior à temperatura medida, em 80OC, por um período de 300 segundos.

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