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Catalisador redutor seletivo - SCR é um catalisador de NOx no tratamento de gases diesel

O processo consiste na injeção controlada eletronicamente de um reagente químico no fluxo dos gases de escape. A composição é 32,5% de ureia numa solução aquosa, não é tóxico, não tem odor e não é inflamável

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Por Humberto Manavella


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A pequena quantidade de solução de ureia injetada no fluxo dos gases de escape (com temperatura superior a 170-200°C), 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).
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 produzido pela vaporização da solução aquosa é utilizado, na câmara de hidrólise, para decompor a ureia injetada em amoníaco e dióxido de carbono. A vaporização é provocada pela alta temperatura dos gases de escape resultante, tanto da combustão como da ação do catalisador oxidante [1]. Para que a hidrólise se processe corretamente, a temperatura dos gases deve ser superior a 170°C ou 200°C. 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). 
A figura 2 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 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.
 
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, resultado isto do controle em malha fechada (da injeção de ureia) implementado com a informação deste sensor. Ou seja, 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.  
O sistema de injeção de ureia é composto por: 

a) Tanque de ureia com os seguintes dispositivos integrados:
- Sensor de ureia. Tem por objetivo verificar a qualidade do líquido redutor utilizado. Neste sentido, é importante salientar que 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. Nos sistemas que dispensam a assistência de ar comprimido, a válvula de dosagem é substituída pelo próprio injetor de ureia, controlado eletronicamente pelo módulo de controle. 

c) Bomba de injeção associada a uma válvula inversora (purga) 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. Quando presente, o ar comprimido serve para propiciar uma injeção adequada da ureia no escapamento.

e) Aquecedor da linha de alimentação de ureia.

f) Módulo 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; tipicamente, 1 litro de solução a cada 1.000 km, aproximadamente. Um dado a ser salientado é que 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. Sem monitoramento da presença de amoníaco na saída do catalisador SCR. Em função disto, a UC, com base na informação de sensores (massa e temperatura do ar admitido e concentração de óxidos de nitrogênio) estima o fluxo de gases de escape 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, restando na saída do catalisador, só N², água e CO². 
Controle com sensor de NOx pós-catalisador SCR. O controle é indireto, 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 e com isto, operar com máxima eficiência de conversão de NOx. Superior a 90% em condição de carga estabilizada.

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.

2 - Verificar a injeção apropriada de agente redutor (DEF, Arla).
No caso de o sistema possuir sensor de ureia, a verificação é contínua e a detecção de agente não apropriado é imediata. Por outro lado, no caso de o sistema não possuir sensor de ureia no reservatório, o monitoramento é feito avaliando a eficiência de conversão do catalisador durante um intervalo de tempo determinado, o qual depende do consumo de redutor.

3 - Monitorar o sistema de injeção do agente redutor. Consiste em: - 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.
- 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.

- Monitoramento do controle em malha fechada da injeção de ureia.
Esta função consiste em monitorar o controle em malha fechada da injeção do agente redutor detectando:

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

- Falha que faz o sistema passar a funcionar em malha aberta. Ou seja, o sistema estava funcionando em malha fechada, mas um defeito o fez passar a operar 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.
    
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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