“A utilização do transdutor de pressão no orifício da vela de ignição irá aprimorar sua análise de obstrução dos gases de escape ocasionado pelo catalisador. Neste estudo iremos abordar uma análise de obstrução dos gases de escape ocasionado pelo catalisador”.
Uma obstrução dos gases de escape pode ocasionar algumas anomalias no motor de combustão OTTO, diminuindo a eficiência do motor, o catalisador é fabricado para ter a mesma durabilidade do veículo, mas algumas circunstancias fazem com que essa durabilidade seja muito menor. Mas antes de entrarmos na análise gráfica com o transdutor de pressão, iremos rever alguns conceitos sobre catalisador, ar atmosférico, combustíveis e dinâmica dos gases, para ter uma base melhor no que será proposto nos estudos com os transdutores.
Catalisador
O catalisador é um elemento que promove uma reação química, mas que permanece inalterada pela reação. Os conversores catalíticos são basicamente reatores de gás, que reduzem a quantidade de poluentes nocivos nos gases de exaustão à medida que passam pelo sistema de exaustão. Os catalisadores reagem com hidrocarbonetos, monóxido de carbono e óxidos nitrosos nos gases de exaustão e os convertem em emissões menos nocivo. Um conversor catalítico consiste em um invólucro de aço inoxidável, que envolve um núcleo em favo de mel de cerâmica. O núcleo possui um revestimento de alumina impregnada com metais nobres (platina, paládio ou ródio). Um núcleo em favo de mel é usado porque permite um fluxo de gás livre através do conversor e também fornece uma grande área de superfície de contato entre o catalisador e o gás de exaustão. Uma grande área de superfície é necessária porque a reação ocorre na superfície do catalisador. Os conversores catalíticos são chamados de conversores de duas ou três vias. Conversores bidirecionais, ou oxidantes, usam platina e paládio como catalisador e convertem HC e CO em HZO e CO2, H2O é água e CO2 (dióxido de carbono) em um gás que menos prejudicial à saúde. Os catalisadores bidirecionais não reagem com NOx e, portanto, o motor ainda requer um sistema EGR para controlar as emissões de NOx. Os catalisadores de três vias têm um núcleo de cerâmica adicional com um revestimento de ródio, que reage e reduz o NOx nos gases de exaustão. Com alguns sistemas de EGR, o ar é injetado no sistema de exaustão antes do conversor para fornecer o que é conhecido como ar secundário. Este ar fornece oxigênio adicional que é necessário para promover a reação com NO x no conversor. (Fig.1)
Ar atmosférico
A composição do ar atmosférico compreende principalmente a mistura homogênea de 4 gases, os quais apresentam os seguintes volumes: nitrogênio (78,09%), oxigênio (20,95%), argônio (0,93%) e gás carbônico (0,03%).
Produto da combustão
O produto da combustão é composto por gases tóxicos como HC hidrocarbonetos, CO monóxido de carbono, e NOx óxido de nitrogênio, essas moléculas reagem com o catalisador sendo transformada em H2O, CO2 gás carbônico, e N2 nitrogênio.
Nitrogênio N2
O nitrogênio aparece como um gás incolor e inodoro. Não combustível e não tóxico. Compõe a maior parte da atmosfera, mas não sustenta a vida por si só. Usado no processamento de alimentos, na purga de sistemas de ar condicionado e refrigeração e na pressurização de pneus de aeronaves. Pode causar asfixia por deslocamento de ar. Sob exposição prolongada ao fogo ou recipientes de calor podem se romper violentamente e disparar.
Oxigênio
O oxigênio é um gás incolor, inodoro e insípido. Não é combustível, mas apoiará ativamente a queima de materiais combustíveis. Alguns materiais que não queimam no ar queimam no oxigênio. Os materiais que queimam no ar queimam mais vigorosamente no oxigênio. O oxigênio puro não é inflamável, mas sob exposição prolongada ao fogo ou calor intenso, os recipientes podem se romper violentamente e explodir.
Dinâmica do ar
No motor a combustão interna o ar percorre um trajeto desde a entrada pela tubulação de admissão até a saída do escapamento. O diferencial de pressão causado devido os movimentos descendentes dos pistões fazem com que a pressão do coletor de admissão seja menor do que a pressão atmosférica (Delta de Pressão). Esse diferencial de pressão cria um vácuo no coletor e assim o ar atmosférico é arrastado para dentro do coletor. Quando o pistão está em processo de admissão o ar armazenado no coletor é arrastado para dentro do cilindro, onde em sequência será comprimido e consequentemente entrara em processo de combustão e exaustão. Após a combustão os gases são liberados pela válvula de escape, em sequência passara pelo catalisador onde as moléculas do produto da combustão gases tóxicos como HC hidrocarbonetos, CO monóxido de carbono, e NOx óxido de nitrogênio onde serão quebradas em moléculas menos tóxicas como H2O, CO2 gás carbônico, e N2 nitrogênio.
Gasolina C8H18
A composição química exata da gasolina varia de acordo com seu grau ou índice de octanagem mas de modo geral, é uma mistura de hidrocarbonetos combustíveis. Esta classificação de octanagem descreve a qualidade do combustível, e o valor é baseado nas proporções de dois compostos na gasolina, especificamente iso-octano, um composto com a mesma fórmula química do octano, mas com uma estrutura e propriedades ligeiramente diferentes, e normal heptano. Quanto maior a quantidade de octanas no combustível, maior será o número de octanas e maior será a qualidade do combustível. Esta qualidade superior do combustível garante que a ignição do combustível aconteça na hora exata, e não venha ocorrer uma pré-ignição. A gasolina é um composto orgânico que contem átomos de carbono e hidrogênio em sua composição, formado por oito átomos de carbono e 18 átomos de hidrogênio, sua fórmula molecular é C8H18, que se apresenta no estado líquido. Sua coloração depende do tipo de materiais que são misturados a ela para ser revendida no posto.
Etanol C2H5OH
Em termos químicos, o etanol é um álcool, também conhecido como álcool etílico ou álcool potável. O etanol pode ser usado como combustível, pois pode produzir energia térmica como resultado da combustão do álcool C2H5OH.O etanol é derivado da biomassa (bi etanol) que é um aditivo da gasolina.
Combustão
A combustão é um processo químico no qual uma substância reage rapidamente com o oxigênio e emite calor. A substância original é chamada de combustível e a fonte de oxigênio é chamada de oxidante. O combustível pode ser sólido, líquido ou gasoso, embora para automóveis o combustível seja geralmente líquido como a gasolina e etanol. Durante a combustão, novas substâncias químicas são criadas a partir do combustível e do oxidante. Essas substâncias são chamadas de gases de exaustão. A maior parte da exaustão vem de combinações químicas de combustível e oxigênio. Quando um combustível à base de hidrogênio-carbono (como a gasolina) queima, o escapamento inclui água (hidrogênio + oxigênio) e dióxido de carbono (carbono + oxigênio). Mas a exaustão também pode incluir combinações químicas do oxidante sozinho. Se a gasolina for queimada no ar, que contém 21% de oxigênio e 78% de nitrogênio, a exaustão também pode incluir óxidos nitrosos (NOX, nitrogênio + oxigênio). A temperatura do escapamento está alta por causa do calor que é transferido para o escapamento durante a combustão. Devido às altas temperaturas, a exaustão geralmente ocorre como um gás, mas também pode haver produtos de exaustão líquidos ou sólidos. A fuligem, por exemplo, é uma forma de exaustão sólida que ocorre em alguns processos de combustão. Motor desgastado ou desregulado, bem como o mau funcionamento da injeção eletrônica, também pode danificar o componente catalítico, pois há possibilidade de derretimento ou entupimento por fuligem.
O que ocorre quando o catalisador está parcialmente entupido?
Quando o catalisador está parcialmente entupido, os gases do produto da combustão não saem 100%, e retornam pela válvula de escape para dentro do cilindro. Como os gases da exaustão não contem nitrogênio (78,09%), oxigênio (20,95%), o mesmo irá retornar para dentro do cilindro e não irá queimar. Quando o pistão estiver em processo de admissão dos gases do ar atmosférico, o pistão irá realizar um arraste dos gases e admitirá ar atmosférico e os gases da exaustão juntos, diminuindo assim a quantidade de ar atmosférico dentro do cilindro para uma combustão ideal. Devido uma menor sucção de ar a pressão do coletor ficara maior aumentando o tempo de injeção e ocasionando um colapso na combustão do veículo. A combustão do cilindro será em menor escala devido a presença dos gases da exaustão afetando assim a potência do motor.
Como o transdutor pode me ajudar a diagnosticar esse defeito?
Utilizando o transdutor de pressão no cilindro, podemos analisar as 4 fases do motor. E na fase de exaustão podemos verificar anomalias relacionado a qualquer desvio de pressão. Os gases da exaustão em um motor funcionando corretamente sua pressão fica próximo a pressão da atmosfera, e quando temos uma obstrução dos gases de escape a pressão de exaustão será significam ente superior a pressão da atmosfera. Com a utilização do transdutor de pressão no cilindro podemos analisar esse desvio de pressão em forma de gráfico.
Com o transdutor aplicado no cilindro do motor, uma forma de onda será gerada, e com essa forma de onda iremos realizar uma análise com foco na fase de exaustão. (Fig.2)
No gráfico 3 temos a forma de onda de um motor em perfeito funcionamento, esse formato de onda é conhecido como forma de onda padrão, pois ela segue um padrão de sinal para os motores em bom funcionamento, e quando temos qualquer anomalia na mecânica no motor, este formato de onda irá apresentar características divergentes do padrão, por isso é de suma importância aprender analisar um veículo em excelente estado de funcionamento antes de analisar um veículo com defeito. (Fig.3)
No gráfico 4 estamos destacando a fase de exaustão da forma de onda do transdutor de pressão. Uma obstrução dos gases de escape irá afetar diretamente a região do gráfico demarcada. (Fig.4)
No gráfico 5 na linha tracejada em vermelho estamos destacando a pressão do ar atmosférico. Lembrando que a pressão da atmosfera é variável de acordo com a altitude da terra, e para referência de estudo iremos utilizar a pressão de 950 mBar. (Fig.5)
No gráfico 6 estamos destacando apenas a região de exaustão e pode se observar que o gráfico em azul que representa a pressão de escape é levemente superior a linha tracejada em vermelho, este é um comportamento de um veículo em bom estado de funcionamento. Sua pressão varia entre 100 a 200 mBar sobre a linha da pressão atmosférica. (Fig.6)
No gráfico 7 estamos mostrando um motor com catalisador obstruído, e pode se observar que a pressão dos gases de exaustão supera em muito a linha tracejada da pressão atmosférica, com uma pressão de 600 mBar acima. (Fig.7)
No gráfico 8 estamos destacando a fase de exaustão, e pode se verificar com mais precisão o aumento da pressão dos gases de escape em relação a linha da pressão ATM, isto ocorre devido ao fato dos gases de escape não estar saindo corretamente. Outras variáveis podem fazer com que os gases não saiam, mas este estudo ficara para os próximos capítulos, nos vemos em breve. (Fig.8)
