TECNOLOGIAS PARA CONTROLE DAS EMISSÕES DE NO EM …

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE TECNOLOGIA

CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

TECNOLOGIAS PARA CONTROLE DAS EMISSÕES

DE NOX EM MOTORES DIESEL – PROCONVE P7

TEVENILSON GUSTAVO DE MEDEIROS GALDINO

NATAL- RN, 2021







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







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

NATAL, 17 de setembro de 2021.

i

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.

ii

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.

iii

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.

Palavras-chave: Motor Diesel, NOx, Catalisador SCR, Válvula EGR, ARLA 32.

iv

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.

Keywords: Diesel Engine, NOx, Catalytic SCR, EGR Valve DEF.

v

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 19 – Fatores de influência para a injeção do ARLA 32. ________________ 31

vi

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

vii

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

Tabela 14 – Histórico das trocas de sensor NOx da frota. ......................................... 49

viii

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

ix

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

WI – Injeção de Água - Water Injection

x

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

2.5.2 Sistema Redução Catalítica Seletiva (SCR) ................................. 21

xi

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

6 Referências ............................................................................................... 54

1

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).

2

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.

3

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.

4

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

5

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.

6

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

7

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

8

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).

9

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).

10

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

11

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 S-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

12

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.%

Oxigênio (O2) 18 vol.% 2... 11 vol.%

13

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)

que são denominados óxidos de enxofre (SOx) (VERGNHANINI FILHO, 2020).

14

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

15

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).

16

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).

17

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).

18

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).

19

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-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).

Figura 10 – Esquema do sistema de recirculação dos gases de escape EGR.

20

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

21

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 observado de acordo com as equações 1 e 2.

4𝑁𝑂 + 4𝑁𝐻3 + 𝑂2 → 4𝑁2 + 6𝐻2𝑂 (1)

22

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

23

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).

Figura 12 – Layout esquemático do sistema SCR integrado com filtro de partículas Diesel.

24

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).

C

25

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.

26

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.

Figura 15 – Aplicação da tecnologia SCR em veículos diesel de grande porte.

27

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

28

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).

29

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).

30

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,

2011).

31

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).

32

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

Válvulas por cilindro: 3

33

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

34

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)

Fonte: Adaptado de AEA, 2016

35

Ao receber os veículos para manutenção e após entender a situação

informada pelo condutor, verificamos que muitos veículos estavam apresentando

falhas relacionadas ao sistema de pós tratamento dos gases. A figura 20-B ilustra a

verificação de uma falha em um computador de bordo de um veículo.

Como ilustra a figura 20-B, todas as falhas nos módulos de comando do

veículo são apresentadas no painel e com isto fomos em busca de identificar todas

as falhas informadas pelos computadores de bordo, com maior atenção para as

falhas do módulo de comando do motor (MR) que também é o responsável pelo

gerenciamento do sistema SCR.

Para auxílio na elaboração do compilado das falhas encontradas, foi

utilizado o scanner automotivo da marca Tecnomotor®, modelo TM 540 RASTHER

3, ilustrado na figura 21 onde o equipamento foi inserido no conector de diagnóstico

OBD II de diversos veículos para obtenção dos códigos de falhas e posteriormente

realizar a análise dos problemas apresentados por cada veículo.

Figura 21 – Leitura dos códigos de falha do SCR com scanner automotivo.

Fonte: Próprio autor

Na tabela 6 listamos todos os códigos de falha encontrados durante as

análises.

Tabela 6 – Códigos de falha encontrados nos módulos de controle do motor

36

Código Descrição da falha

00204 O cabo CAN-High para o SCR-módulo do quadro (Euro 4 ou Euro 5) está com

defeito

02971 Altas emissões de óxidos (patamar 1 transgredido)

04235 Alta emissão de óxidos devido a uma baixa qualidade do ARLA 32

04236 Alta emissão de óxidos devido a uma baixa dosagem do ARLA 32

04247 O componente catalisador está com defeito

04248 ARLA 32 de baixa qualidade ou ARLA 32 com dose mínima

04249 Baixa qualidade de ARLA 32, dosagem mínima de ARLA 32 ou SCR-

catalisador com defeito

06721 A pressão do ARLA 32 está muito baixa

06770 A queda de pressão do ARLA 32 no ciclo de funcionamento de correção está

muito baixa

06820 SCR-ar comprimido está muito elevado

06883 A alimentação de ar do SCR-sistema de ar comprimido está com falhas


Fonte: SCANNER RASTHER 3 - TECNOMOTOR

Um checklist foi desenvolvido para realizar uma análise geral do veículo e

verificar, por exemplo, danos na carroceria, funcionamento da iluminação externa,

freios, suspensão, verificar vazamentos de óleo, vazamentos de fluido de

arrefecimento e registrar as falhas analisadas no computador de bordo. Um exemplo

do checklist realizado pode ser observado na tabela 7.

Tabela 7 – Modelo de checklist de veículo

Data: 05/04/2021 Veículo: 23

Hora: 11:45 Quilometragem: 754555

CHECKLIST DE ROTINA

Nº ITEM PARA VERIFICAÇÃO SIM NÃO OBSERVAÇÃO

1 O veículo possui avarias

externas em geral? X

2 A iluminação externa está

funcionando? X

3 Foi identificado algum

vazamento de óleo? X

Vazamento na

junta do

37

compressor de

ar do motor

4

Veículo apresenta vazamento

no fluido de arrefecimento do

motor?

X

5 Pneus descalibrados ou com

desgaste irregular? X

6 Problemas nos freios e

suspensão? X

7 Veículo apresenta falhas no

computador de bordo? Se sim,

quais?

X MR: 12972;

04247; 02971.


As falhas apresentadas servem como um guia para o diagnóstico dos

defeitos. Após a realização do checklist, os veículos que apresentaram as falhas

passavam por verificações mais rígidas a fim de localizar as causas dos problemas e

era realizado um registro para controle da frota assim como mapear as causas dos

problemas facilitando a eliminação dos mesmos no futuro.

3.3 Metodologia de diagnóstico das falhas

Esta seção pretende focar no diagnóstico das falhas que podem ocorrer

durante a operação do sistema SCR. Diversas falhas nos diversos sistemas que

compõem o SCR podem apresentar problemas, sendo necessário detectar a causa

e a realização de uma ação para correção. O sistema pode ser separado em

grandes categorias sendo elas: catalisador; tanque de ureia; unidade de

bombeamento do redutor; unidade de dosagem do redutor e unidade de controle

SCR (VIGNESH; ASHOK, 2020). Cada um destes sistemas tem suas características

de falhas e analisaremos algumas delas a seguir.

38

3.3.1 Falhas encontradas no sistema de pós tratamento dos gases de

escape - SCR

3.3.1.1 Falha na unidade de dosagem devido entupimento

O diagnóstico orientado pelo código de falha ajuda no caminho para a

identificação da causa raiz do problema. Com isto, foi realizado a leitura dos códigos

de falhas utilizando o SCANNER RASTHER 3 e feito o registro no checklist para

controle, o veículo em análise apresentou os códigos conforme tabela 8.

Tabela 8 – Códigos de falha encontrados nos módulos de controle do motor



06770 A queda de pressão do ARLA 32 no ciclo de funcionamento de correção está

muito baixa


04249 Baixa qualidade de ARLA 32, dosagem mínima de ARLA 32 ou SCR-

catalisador com defeito

06820 SCR-ar comprimido está muito elevado


A função do ar comprimido no sistema SCR é se misturar ao ARLA 32 para

pulveriza-lo no sistema de escapamento e com isto ser realizada a redução catalítica

seletiva no catalisador. Com os registros de falha encontrados, podemos iniciar as

verificações de acordo com a falha 06820 que informa pressão de ar comprimido

muito elevado no sistema.

A unidade dosadora, é o componente responsável por dosar a mistura

ar/reagente no escapamento do veículo e, para realizar tal função recebe ARLA 32 a

uma determinada pressão e temperatura realizando a dosagem através da injeção

de pressão de ar comprimido. A figura 22 mostra a unidade dosadora posicionada

no motor e a disposição dos sensores, da esquerda para direita, sensor de pressão

de ARLA 32 (1), sensor de temperatura do ARLA 32 (2) e o sensor de pressão de ar

comprimido (3).

39

Figura 22 – Unidade dosadora de ARLA 32.

(1) Sensor de pressão de ARLA

32

(2) Sensor de temperatura do

ARLA 32

(3) Sensor de pressão de ar

comprimido.


Ao ligar a ignição do veículo o modulo de comando do motor inicia uma

checagem do sistema, o ar comprimido deve passar pela unidade dosadora a uma

pressão de aproximadamente 1,5 bar e, ao desligar o veículo para evitar problemas

de entupimento no sistema essa pressão deve diminuir gradativamente para realizar

o resfriamento do sistema evitando a cristalização da ureia no interior das

tubulações. O módulo de comando reduz a pressão do sistema gradativamente até

que a temperatura do ARLA 32 dentro das tubulações esteja reduzida o suficiente

para que não venha danificar os componentes do sistema (BENZ, 2011).

Para realizar a medição da pressão de ar comprimido no sensor de pressão

de ar (3) localizado na unidade dosadora, foi instalado o scanner automotivo da

fabricante Delta modelo SCA01, a pressão foi de 6,15 bar. Com isto, a unidade de

controle do sistema registra que existe algum tipo de obstrução no sistema que

ocasionou a elevação da pressão.

3.3.1.2 Falha no sistema de controle eletrônico do SCR

Alguns veículos durante a operação apresentaram redução de potência e a

luz indicadora de mau funcionamento ficava acesa de forma intermitente, indicando

ocorrência de falha no sistema SCR.

40

Para orientar no diagnóstico, foi instalado o scanner automotivo no conector

de diagnóstico OBD II para verificar as falhas presentes nos módulos de comando. A

leitura dos códigos de falhas do scanner é apresentada na tabela 9.

Tabela 9 – Códigos de falha encontrados em diversos veículos com auxilo do scanner




04247 O componente catalisador está com defeito


Durante a realização do checklist e análise com o scanner para verificação

das falhas referentes ao sistema de SCR verificamos que os componentes do

sistema (bomba, unidade dosadora e sistema pneumático) estavam funcionando em

perfeitas condições pois apresentaram no scanner leitura dos valores de

funcionamento coerentes com o que especifica o fabricante, como pode ser visto na

tabela 10.

Tabela 10 – Valores de pressão e temperatura na unidade dosadora medidos com scanner.

Dados Valor Medido Valor Referencial

Pressão do ARLA 32: 5,53 bar 5,6 ~ 6,0 bar

Temperatura ARLA 32: 72º C 70º C

Pressão de ar comprimido: 1,396 bar 1,500 bar


Inicialmente foi verificado a concentração de NOx medida pelo sensor. Para

isto realizamos a remoção do sensor do interior do catalisador e deixamos ele em

contato com ar atmosférico. Com o scanner conectado ao conector de diagnóstico

OBD do veículo realizado a leitura da concentração de NOx.

Os valores de referência para leitura do sensor de NOx em um veículo é de 0

a 6 partículas por milhão, de 19% a 21% de oxigênio para o caso da sonda esteja

exposta ao ar atmosférico e, de 200 a 400 ppm de NOx e 15 a 18% de oxigênio com

o motor aquecido acima de 75º, em marcha lenta e a sonda instalada no catalisador.

Os valores lidos podem ser verificados na tabela 11.

41

Tabela 11 – Leitura do ppm e concentração de O2 verificada com scanner.

Leitura Valor Valor referencial

NOx 443 ppm 0 – 6 ppm

O2 20,6 % 19 - 21%


3.3.1.3 Falha no sistema de bombeamento e dosagem

Falhas no sistema de bombeamento e dosagem também podem acontecer e

sua identificação pode ser atrelada à falta de consumo do reagente pelo veículo.

Para verificar o funcionamento do “hardware” do sistema é necessário realizar as

leituras dos valores de pressão e temperatura na unidade dosadora, para isso,

utilizaremos o scanner automotivo para elaboração da tabela 12.

Tabela 12 – Dados de pressão e temperatura na unidade dosadora.

Dados Valor

Pressão do ARLA 32: 5,78 bar

Temperatura do reagente: 75º C

Pressão de ar comprimido: 1,438 bar


Caso o veículo venha a apresentar valores de pressão do ARLA 32 abaixo

de 6 bar, deve ser verificado mais a fundo o funcionamento da bomba de ureia para

correto diagnóstico e recomendação de reparo.

Caso o sistema venha a apresentar uma baixa pressão de ar comprimido,

muito abaixo de 1,5bar, não será possível realizar a pulverização correta na câmara

de mistura e assim, será necessário verificar o funcionamento da unidade dosadora

e também realizar verificações no sistema de ar comprimido do veículo.

3.3.2 Falha devido baixa qualidade ou contaminação do reagente

Durante checklist de um veículo da frota, foi observado a ocorrência do

código de falha 04235 que significa a alta emissão de óxidos devido uma baixa

qualidade do ARLA 32, juntamente com essa falha observamos as falhas atreladas à

emissão dos óxidos referente aos patamares 1 e 2 transgredidos que para serem

42

sanadas precisam que o sistema de SCR esteja funcionando, não são atreladas a

falhas mecânicas e eletrônicas, e os níveis de partículas NOx emitidas esteja abaixo

do limite estabelecido pelas normas regulamentadoras. Foi visto que o veículo

estava com a luz da injeção piscando e apresentando somente a falha 04235 no

módulo MR, verificamos que o tanque de ARLA 32 estava com 76% de sua

capacidade e o veículo estava com uma quilometragem de 876540.

Com o problema em questão, seria necessário a realização de um teste de

porcentagem de ureia na solução do reagente catalítico para constatar se o

problema apresentado teria relação com uma baixa qualidade do ARLA 32 utilizado.

Com o auxílio de um refratômetro, que é um instrumento óptico utilizado para medir

o índice de refração de uma substância translucida, a concentração de ureia pode

ser facilmente identificada (DOUTOR-IE, 2018). A figura 23 mostra o refratômetro

para medições de ureia, com faixa de medição de 0 a 40%, da fabricante

INSTRUTHERM.

Figura 23 – Refratômetro para medições de ureia até 40% de ARLA 32 da INSTRUTHERM.


Para realizar o teste, inicialmente é necessário realizar a calibração do

refratômetro. Para a calibração é necessário limpar a lâmina do equipamento com

um pano limpo e colocar com uma pipeta algumas gotas de água sobre a lâmina,

após isso verificar o nível de concentração indicado e realizar a regulagem em um

parafuso localizado acima do equipamento até que o nível mostrado indique zero

(DOUTOR-IE, 2018). A figura 24 ilustra o resultado da calibração do equipamento.

43

Figura 24 – Teste de calibração do refratômetro.


O passo seguinte, foi a verificação do compressor de ar do motor,

componente que pode ser definido como unidade mecânica destinada a elevar a

energia utilizável dos gases aumentando sua pressão. O compressor de ar dos

veículos são do tipo alternativo, este tipo de compressor possui apenas uma câmara

de compressão e realiza um movimento alternativo de sobe e desce do pistão que,

ao descer a válvula de admissão se abre e é aspirado ar para o cilindro, ao subir

realiza a compressão do ar e a válvula de descarga é aberta (CORADI, 2011).

Os veículos de grande porte possuem um sistema de ar comprimido para

funcionamento do circuito de acessórios (BENZ, 2011). Esse sistema é abastecido

por um compressor do tipo alternativo que precisam serem lubrificados a todo

momento durante a operação, essa lubrificação utiliza óleo do próprio motor que,

para o veículo em análise, é o óleo mineral 15w40 CI-4. Esses compressores

também necessitam de serem resfriados e também utilizam do sistema de

arrefecimento do motor. O compressor danificado permite a passagem de óleo para

o sistema pneumático realizando assim sua contaminação, pode-se verificar na

imagem 25 a contaminação de óleo no compressor.

44

Figura 25 – Verificação de vazamento de óleo no compressor do sistema pneumático.


Como o sistema SCR utiliza ar comprimido em todo seu funcionamento,

ocorreu a contaminação do ARLA 32 do veículo devido a passagem de óleo mineral

ocorrida no compressor, para comprovar o diagnóstico, foi realizado um teste com a

fita de teste na amostra de ARLA 32 coletada no tanque do veículo.

Figura 26 –Teste de contaminação por óleo com fita para ARLA 32 em solução padrão.


A figura 26 mostra o teste realizado em uma amostra de ARLA 32 sem

contaminação por óleo mineral. O teste simplesmente consiste em mergulhar a fita

de teste na amostra de ARLA 32 e deixá-la mergulhada por alguns segundos, ao

retirar a fita da amostra a mesma indicara uma umidificação caso a amostra esteja

45

contaminada e se manterá impermeável caso a amostra esteja livre de

contaminação.

Figura 27 – Aspecto da fita de teste indicando contaminação por óleo do ARLA 32.


Conforme ilustra a figura 27, a solução do reagente estava contaminada por

óleo mineral devido contaminação do sistema pneumático, sendo necessário realizar

as devidas correções no sistema pneumático, a troca do reagente, troca do filtro do

ARLA 32 e limpeza no sistema SCR para retorno do veículo para operação.

Após liberar o mesmo realizou três viagens com cerca de 1.000 quilômetros

cada (ida e volta) e consumiu um total de 19 litros de ARLA 32 durante o período de

avaliação, não apresentando nenhum problema relacionado ao funcionamento do

sistema SCR constatando assim que a falha estava acontecendo apenas devido à

baixa qualidade do ARLA 32 devido contaminação por óleo do motor.

46

4 Resultados e Discussões

A realização do compilado das falhas auxiliou nos processos de manutenção

dos veículos, pois possibilitou a criação de um histórico das falhas apresentadas e a

padronização da manutenção dos equipamentos. Com isto, percebeu-se que o

tempo de diagnóstico e manutenção reduziu cerca de 35%, pois a equipe de

manutenção conseguia se orientar mais facilmente agindo diretamente na causa raiz

do problema. A figura 28 mostra o fluxograma do processo de trabalho desenvolvido

para a manutenção dos veículos.

Figura 28 – Fluxograma do processo de manutenção.


Para facilitar ainda mais o processo de trabalho de manutenção durante o

diagnóstico dos veículos, as falhas foram subdivididas em três categorias, falhas do

próprio sistema SCR, falha devido ao reagente, e falha devido ao mau

funcionamento de sistemas externos, a figura 29 ilustra a divisão das falhas nas

devidas categorias.

47

Figura 29 – Categoria de falhas de controle das emissões de NOx.


4.1.1.1 Falha na unidade de dosagem devido entupimento

A fim de identificar a obstrução foi removido a unidade dosadora para

análise, constatamos que o entupimento estava ocorrendo na tubulação de

passagem da mistura, que liga a unidade dosadora para o bico injetor do

escapamento. A figura 30 ilustra a obstrução da tubulação.

Figura 30– Obstrução da tubulação de passagem da mistura ARLA 32 / ar comprimido para

o escapamento.


Ao verificamos que a passagem da mistura redutora estava obstruída como

mostra a figura 31, foi necessário realizar uma a limpeza da tubulação e após

reinstalação da mesma verificado que o problema referente a falha 06820 não

48

constava mais na memória do computador de bordo do veículo indicando que o

sistema estava funcionando normalmente.

A falha 06770 foi instantaneamente sanada após a correção do entupimento

da tubulação, pois como ela informa que a queda de pressão do ARLA 32 no ciclo

de funcionamento de correção está muito baixa, indica que quando o veículo estava

sendo desligado e interrompendo a operação do mesmo não estava acontecendo

uma queda de pressão suficiente no sistema para redução da temperatura devido o

sistema se manter pressurizado por causa do entupimento.

As falhas 02971 e 12972 aparecem de acordo com o nível de óxidos

liberados sem tratamento no catalisador, essas falhas estavam acontecendo devido

o problema de entupimento no sistema de dosagem do ARLA 32 no escapamento

assim como a falha 04249 que estava acontecendo devido não estar sendo feita a

dosagem mínima de ARLA 32 no sistema, ambas as falhas desapareceram do

sistema do veículo após algumas horas de operação com o sistema funcionando

perfeitamente.

4.1.1.2 Falha no sistema de controle eletrônico do SCR

Ao realizar teste de funcionamento do sensor NOx foi constatado que o

mesmo estava com distúrbios de comunicação e com isso não estava realizando a

leitura correta de concentração partículas de NOx emitidas, os valores da leitura de

NOx estavam bem acima da faixa especificada para o teste que era de 0 a 6 ppm

demostrando uma contaminação na célula de medição de NOx. Essa contaminação

faz com que a unidade de controle identifique uma leitura de NOx acima da faixa

fazendo com que a luz do SCR acenda e apague de forma intermitente podendo vir

a realizar a redução de potência do veículo por transgredir os limites de emissão

permitidos.

Tabela 13 – Valores limites de emissões conforme norma PROCONVE P7.

PROCONVE P7 – NOx (g/kWh)

Valor correto de operação 2,0

Valor limite 1 3,5

Valor limite 2 7,0


49

Quando a luz indicadora acendia no painel, a estava sendo excedido o valor

de 3,5g/kWh de NOx porém o veículo permanecia operando normalmente apenas

com a luz de indicação de falha acesa, ao ultrapassar o valor de 7,0g/kWh o veículo

reduzia 25% da potência do motor a fim de corrigir a transgressão do limite máximo

de emissão. Com isto, pudemos concluir o diagnóstico e realizar manutenção

corretiva de troca do sensor NOx.

O sensor de NOx e sua unidade de comando são os componentes

responsáveis por detectar a concentração de NOx nos gases de escape e realizar o

monitoramento dos limites prescritos pela legislação. O sensor NOx fica localizado

no interior do catalisador e tem contato direto com os gases de combustão que já

realizaram a redução catalítica seletiva (BENZ, 2011).

Foi verificado uma grande frequência de problemas relacionados ao sensor

de NOx do sistema SCR. Ocorrendo a necessidade de troca corretiva do sensor NOx

em aproximadamente 35% dos veículos analisados. A tabela 14 mostra os

resultados dos registros de falha relacionados aos problemas no sensor NOx dos

veículos da frota.

Tabela 14 – Histórico das trocas de sensor NOx da frota.

Informação Unidade Em % da

frota

Quantidade de veículos analisados: 52 100%

Veículos fabricados em 2012: 40 77%

Veículos fabricados em 2013: 12 23%

Quantidade de veículos que trocaram o sensor NOx: 18 35%

Quantidade de veículos que necessitam da troca do sensor NOx: 7 13%

Veículos fabricados em 2012 que trocaram o sensor NOx: 17 33%

Veículos fabricados em 2013 que trocaram o sensor NOx: 1 2%

Veículos fabricados em 2012 que precisam troca do sensor NOx: 7 13%

Veículos fabricados em 2013 que precisam trocar o sensor NOx: 0 0%


Da tabela 12, verificamos que a incidência de troca de sensores NOx em

veículos fabricados no ano de 2013 foram menores que as trocas realizadas em

veículos produzidos em 2012. Podemos observar também que a frota de veículos

com ano de fabricação 2013 é menor em relação aos veículos 2012.

50

Durante o acompanhamento realizado, foi registrado a necessidade de

manutenção corretiva referente a troca do sensor de NOx de 7 veículos, estes

ficaram fora da operação logística da empresa enquanto aguardavam a chegada dos

componentes para substituição.

A fim de gerar um melhor entendimento da equipe de manutenção acerca do

funcionamento do sensor NOx e também estimulá-los a dar continuidade aos

processos de registro de falhas implementado, foi desenvolvido o fluxograma

ilustrativo que mostra a forma em que o sensor coleta as informações relacionadas

aos gases de escapamento do veículo. A figura 31 pode ser observada abaixo.

Figura 31 – Fluxograma de funcionamento do sensor NOx do sistema SCR.


O sensor NOx fica posicionado no interior do catalisador onde realiza a

passagem dos gases de escapamentos que passaram pelo processo de redução

catalítica seletiva devido a dosagem do ARLA 32 realizada. O sensor fica conectado

a uma unidade de comando que realiza o recebimento dos dados e faz a

digitalização dos sinais analógicos para enviar para as unidades de comando

realizarem as devidas atuações no sistema.

51

4.1.1.3 Contaminação por óleo do sistema de ar comprimido

Após a calibração do refratômetro foi realizado o teste da amostra de ARLA

32 coletada do tanque do veículo. O teste apresentou uma concentração de

aproximadamente 30,5% de ureia sendo abaixo do necessário estabelecido que é

de 32,5% porém, dentro dos parâmetros necessários que pode variar de 30 a 35%

de ureia devido possíveis variações no próprio veículo (AEA, 2016). O teste

realizado com o refratômetro pode ser visualizado de acordo com a figura 32.

Figura 32 – Teste de concentração de ureia no ARLA 32.


Conforme testes, pudemos inferir que o ARLA 32 utilizado no veículo era de

boa qualidade, sendo descartado assim a possibilidade da falha 04235 estar

acontecendo devido à baixa qualidade do ARLA 32, porém apenas com o teste do

refratômetro não é possível concluir a análise da falha.

Durante teste do compressor de ar, foi visto que o mesmo estava com

problemas e realizou a contaminação de todo o sistema de ar comprimido, como

pode ser visto na figura 33, o reservatório de ar foi contaminado.

52

Figura 33 – Verificação de contaminação por óleo no reservatório de ar comprimido.


O total de 6 veículos da frota apresentaram problemas de contaminação por

óleo do ARLA 32, uma quantidade significativa de veículos, mostrando assim

necessidade da realização das manutenções preventivas em sistemas secundários

do veículo, como o sistema pneumático.

Durante o estudo, tiveram 2 veículos que passaram um elevado tempo fora

de operação devido a longos processos de manutenções corretivas, durante testes

de rodagem os veículos apresentavam problemas de entupimento nas tubulações e

falha de medição do nível de ARLA 32 devido cristalização do reagente no sistema.

Para retomada dos veículos, foi retirado o ARLA 32 velho e realizado a lavagem do

tanque, realizado o abastecimento de ARLA 32 novo e veículo liberado para

operação sobre análise, após prevenção realizada os veículos operaram

normalmente.

A fabricante recomenda a troca do filtro do ARLA 32 regularmente a cada 2

anos ou 240mil quilômetros rodados a fim de manter a vida útil do sistema. A

fabricante recomenda também a troca do filtro do sistema pneumático a cada ano

para evitar contaminação do sistema pneumático do veículo. Essas manutenções

eram negligenciadas pela equipe de manutenção que, passaram a monitorar e

realizá-las de após a implementação do checklist das manutenções.

53

5 Conclusões

Durante a elaboração deste trabalho, foi possível entender melhor o

funcionamento do sistema SCR aplicado a veículos de transporte de cargas e

observar as falhas mais frequentes que ocorrem no sistema. O diagnóstico muitas

vezes deve ser realizado de forma holística, uma vez que ocorre a interferência de

fatores externos no funcionamento do SCR.

Para atendimento do PROCONVE P7 relativo ao controle das emissões de

NOx, os motores diesel necessariamente apresentam as seguintes características:

gerenciamento eletrônico da injeção de diesel, além da válvula EGR e o sistema

SCR.

Os problemas de controle das emissões de NOx em motores diesel,

regulamentados pelo PROCONVE P7, estão associados principalmente ao controle

da combustão e a eficiência dos processos de pós tratamento dos gases de

exaustão do motor.

No estudo de caso realizado em frota de veículos de transportes de carga

com motorização OM 924 LA foi verificado uma grande frequência de problemas

relacionados ao sensor de NOx do sistema SCR. Em menor grau, também foi

identificado problemas relacionados a contaminação por óleo do ARLA 32 e ainda a

cristalização deste produto nas tubulações do sistema.

Para operação segura e eficiente de veículos com SCR, se faz necessário

que ocorra o bom funcionamento dos sistemas de controle das emissões de NOx do

motor, promovendo economia de combustível e um menor impacto ambiental.

O PROCONVE P7 prevê que, em havendo falhas no funcionamento do

sistema SCR, o módulo de gerenciamento eletrônico irá promover a redução de

torque e potência do motor na faixa de 25 a 40%, até que o problema seja resolvido

em uma oficina especializada.

54

6 Referências

AEA. CARTILHA DE CONSCIENTIZAÇÃO PÚBLICA DO USO DO ARLA 32. Disponível em: <https://www.gov.br/ibama/pt-br/centrais-de-conteudo/cartilha-arla-32-pdf>. Acesso em: 5 jun. 2021.

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE TECNOLOGIA

COORDENAÇÃO DO CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA

Natal, 17 de setembro de 2021.

Ao(s) décimo sétimo dia(s) do mês de setembro do ano de dois mil e vinte e um,

às dezoito horas, por videoconferência, instalou-se a banca examinadora do

Trabalho de Conclusão de Curso do(a) aluno(a) TEVENILSON GUSTAVO DE

MEDEIROS GALDINO, matrícula 20180155349, do curso de Engenharia Mecânica.

A banca examinadora foi composta pelos seguintes membros: CLEITON RUBENS

FORMIGA BARBOSA, orientador; ÂNGELO RONCALLI OLIVEIRA GUERRA,

examinador interno; CLEITON RUBENS FORMIGA BARBOSA JUNIOR,

examinador externo; THIAGO DA SILVA ANDRÉ, examinador externo. Deu-se

início à abertura dos trabalhos pelo CLEITON RUBENS FORMIGA BARBOSA, que

após apresentar os membros da banca examinadora, solicitou a (o) candidato (a)

que iniciasse a apresentação do trabalho de conclusão de curso, intitulado

“TECNOLOGIAS PARA CONTROLE DE EMISSÕES DE NOX EM MOTORES

DIESEL - PROCONVE 7”, marcando um tempo de trinta minutos para a

apresentação. Concluída a exposição, CLEITON RUBENS FORMIGA BARBOSA,

orientador, passou a palavra aos examinadores para arguirem o(a) candidato(a);

após o que fez suas considerações sobre o trabalho em julgamento; tendo sido

________APROVADO_________, o(a) candidato(a), conforme as normas vigentes

na Universidade Federal do Rio Grande do Norte. A versão final do trabalho deverá

ser entregue à Coordenação do Curso de Engenharia Mecânica, no prazo de _05_

dias; contendo as modificações sugeridas pela banca examinadora e constante na

folha de correção anexa. Conforme o que rege o Projeto Político Pedagógico do

Curso de Engenharia Mecânica da UFRN, o(a) candidato(a) não será aprovado(a)

se não cumprir as exigências acima.

________________________________________ CLEITON RUBENS FORMIGA BARBOSA

Orientador

________________________________________ ÂNGELO RONCALLI OLIVEIRA GUERRA

Examinador interno

________________________________________ CLEITON RUBENS FORMIGA BARBOSA JUNIOR

Examinador externo

________________________________________ THIAGO DA SILVA ANDRÉ

Examinador externo

Galdino, Tevenilson Gustavo de Medeiros. Tecnologias para controle das emissões de NOx em motoresDiesel - PROCONVE P7 / Tevenilson Gustavo de Medeiros Galdino. -2021. 55 f.: il.

Monografia (graduação) - Universidade Federal do Rio Grandedo Norte, Centro de Tecnologia, Curso de Engenharia Mecânica,Natal, RN, 2021. Orientador: Prof. Dr. Cleiton Rubens Formiga Barbosa.

1. Motor diesel - Monografia. 2. NOx - Monografia. 3.Catalisador SCR - Monografia. 4. Válvula EGR - Monografia. 5.ARLA 32 - Monografia. I. Barbosa, Cleiton Rubens Formiga. II.Título.

RN/UF/BCZM CDU 621.436

Universidade Federal do Rio Grande do Norte - UFRNSistema de Bibliotecas - SISBI

Catalogação de Publicação na Fonte. UFRN - Biblioteca Central Zila Mamede

Elaborado por FERNANDA DE MEDEIROS FERREIRA AQUINO - CRB-15/301

TECNOLOGIAS PARA CONTROLE DAS EMISSÕES DE NO EM …

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