Sistemas para reduzir as emissões de gases de escape de motores a diesel

A recirculação dos gases de escape (EGR) é uma parte integrante do sistema de controlo dos motores a diesel, dado que a sua elevada eficiência continua a ter um efeito bastante positivo na redução da concentração de óxidos de azoto (NOx). Este processo consiste na introdução de gases de escape no sistema de admissão do motor para reduzir a quantidade de oxigénio e a temperatura de combustão. Sendo gases inertes, os gases de escape contêm uma grande quantidade de vapor de água, o que ajuda a diminuir a temperatura do motor aquecido. Por seu turno, quando o motor está frio, a recirculação de gases de escape aumenta a respetiva temperatura de forma eficaz nos primeiros minutos de funcionamento.

 

Existem dois tipos básicos de sistemas de recirculação:

• O sistema de recirculação de alta pressão extrai os gases de escape do coletor de escape e introduz estes gases no coletor de admissão;
• O sistema de recirculação de baixa pressão extrai os gases de escape que estão atrás do filtro de partículas e introduz estes gases à frente do turbocompressor.
  

2.1. Sistema de recirculação de alta pressão

 

A recirculação de alta pressão é um sistema clássico que tem evoluído imenso no setor automóvel. Os sistemas de recirculação atuais são elaborados: além da própria válvula EGR, contêm normalmente um refrigerador de gases de escape e um sistema de comutação que permite desligar o refrigerador. Uma válvula reguladora do ar também é um componente importante que ajuda o controlador do motor a forçar uma maior intervenção dos gases de escape no processo de recirculação. Praticamente todos os automóveis modernos com um motor a diesel possuem uma válvula de recirculação de gases de escape, uma vez que esta é bastante eficiente na redução dos óxidos de azoto durante a fase de funcionamento do motor.

Os gases de escape quentes provenientes do coletor de escape são encaminhados através da válvula 7 para o radiador 5 ou para a válvula adicional 6. Se a válvula 6 estiver fechada, os gases de escape são encaminhados através do refrigerador. Quando a válvula 6 está aberta, os gases de escape são desviados do refrigerador. No intervalo de temperaturas do motor até cerca de 30 °C, é vantajoso desviar os gases de escape do refrigerador para que a câmara de combustão aqueça mais rápido. O algoritmo de gestão pode variar consoante o sistema, dado que muitas vezes o refrigerador dos gases de escape é utilizado para aquecer o líquido refrigerante direcionado para o aquecedor do compartimento dos passageiros. Quando existirem temperaturas de funcionamento e cargas do motor elevadas, é necessário utilizar o refrigerador porque este baixa a temperatura dos gases de escape circulados, reduzindo o seu volume. Este processo é bastante vantajoso para emissões de óxidos de azoto baixas e, ao mesmo tempo, tem um impacto positivo no processo de combustão, uma vez que o motor funciona de forma muito mais silenciosa e suave. Os gases de escape introduzidos no coletor de admissão contribuem para reduzir o volume de ar sugado através do sistema de admissão do motor. O controlador do motor regista a alteração do volume na massa de ar através do caudalímetro de ar (item 10) e ajusta o funcionamento da válvula EGR. Se o volume de gases de escape não for suficiente, o controlador do motor fecha a válvula reguladora do ar para forçar um fluxo adicional de gases de escape. Quando o motor está sob carga, a recirculação dos gases de escape tem de ser desativada porque esta iria interferir com o turbocompressor e, nestas situações, o motor precisa da máxima quantidade possível de ar. Quando o motor está sob carga, as emissões de óxido de azoto aumentam acentuadamente.

 

2.2. Sistema de recirculação de baixa pressão

 

Nos veículos em conformidade com a norma Euro 6, além da recirculação de alta pressão, também é utilizada uma recirculação de baixa pressão, isto é, os gases de escape recirculados são extraídos do sistema de escape e introduzidos no sistema de admissão do motor à frente do turbocompressor (Fig. 2).

Os gases de escape são introduzidos à frente da roda de compressão do turbocompressor, o que requer que esteja muito limpo. Como tal, é necessário um filtro adicional para este tipo de EGR. Esta função é desempenhada pelo filtro de partículas utilizado anteriormente (componente 6). O sistema também utiliza um refrigerador de gases de escape (9). No entanto, como não é possível desligá-lo (introduzindo um desvio), este é montado permanentemente. A válvula EGR assume a forma de um regulador de gases de escape (8). Devido à ligeira diferença de pressão entre o tubo de escape e a entrada do compressor, é utilizada aquilo a que se chama uma válvula de acumulação de gases de escape para forçar esses gases a circular corretamente. Quando o motor está a funcionar sob carga (funcionamento do turbocompressor), a válvula de gases de escape é desativada. O controlo do fluxo de gases de escape é feito pelo caudalímetro da massa de ar. Nos sistemas de modo misto (EGR de baixa pressão + EGR de alta pressão), existe um “sensor de pressão diferencial para a recirculação de baixa pressão” montado entre a saída do filtro de partículas e a entrada do compressor.

Consoante o código de diagnóstico de anomalia, o problema pode ser uma avaria na circulação, um bloqueio mecânico, um sinal incorreto do sensor de posição, uma tensão de saída demasiado baixa ou alta, entre muitos outros. Segue-se uma lista de exemplo com os códigos de diagnóstico de anomalia associados ao sistema de recirculação dos gases de escape.

3.1. Interpretação dos códigos de diagnóstico de anomalia P0400 a P0402

 

Os códigos de diagnóstico de anomalia P0400 a P0402 referem-se a uma circulação irregular. O diagnóstico destes erros baseia-se sobretudo no funcionamento do caudalímetro da massa de ar. O controlador do motor compara a massa de ar medida com uma massa de referência/modelo obtida a partir do mapa de controlo da válvula EGR (Figura 4). O mapa da válvula EGR tem duas entradas e uma saída. As entradas são a velocidade do motor e a dosagem de combustível apresentada em mg/ciclo, enquanto a saída é a massa de ar necessária (apresentada igualmente em mg/ciclo). O controlador do motor abre a válvula EGR para igualar essas massas e, se houver uma anomalia que esteja a contribuir para a interrupção da circulação (acumulação de carbono, radiador obstruído, válvula reguladora EGR com defeito), a unidade de controlo eletrónico regista o código de diagnóstico de anomalia correspondente.

3.2. Interpretação dos códigos de diagnóstico de anomalia P0403 a P0404

 

Os códigos de diagnóstico de anomalia P0403 a P0404 estão relacionados com a mecânica do atuador da válvula EGR. Após conduzir um sinal elétrico PWM de polaridade variável (motor elétrico de corrente contínua que move o mecanismo da válvula), o módulo condutor de corrente contínua no interior da unidade de controlo eletrónico analisa o consumo atual do motor e determina a sua posição através de um sensor de posição potenciométrico integrado. Se o consumo de corrente do motor elétrico que move o mecanismo da válvula EGR for demasiado baixo ou elevado, a unidade de controlo eletrónico deteta o erro P0403. Este erro pode ser provocado não só pelo defeito na própria válvula EGR, mas também por uma avaria no sistema elétrico. O erro P0404 ocorre quando os valores de tensão necessários do sensor de posição da válvula não são atingidos durante o teste de fim de curso. O teste às posições finais do atuador é realizado com bastante frequência (por exemplo, após desligar o motor e a chave de ignição).

3.3. Problemas de diagnóstico adicionais do sistema EGR

 

Se o diagnóstico realizado tiver mostrado um defeito na válvula de recirculação de gases de escape que justifique a sua substituição, é importante lembrar que o controlador do motor diagnostica a eficiência do sistema EGR no seu todo e que o mesmo é composto por componentes adicionais que também devem ser verificados. No processo de diagnóstico do sistema EGR, é fundamental prestar atenção a componentes como tubos flexíveis, exaustores de gases de escape, refrigeradores de gases de escape, válvulas reguladoras do ar e caudalímetros da massa de ar. Nos automóveis com recirculação mista, esta lista abrange componentes adicionais como a válvula de gases de escape, o permutador intermédio de calor, o filtro de partículas com o sensor de pressão dos gases de escape, o sensor de pressão diferencial para a recirculação de baixa pressão e a própria válvula EGR de baixa pressão. Todos estes componentes podem gerar vários códigos de erro e, como tal, é preciso garantir que estão a funcionar corretamente.

 

Após substituir a válvula EGR, é necessário realizar uma adaptação com um teste de diagnóstico para que o controlador volte a “aprender” os intervalos operacionais do componente instalado. A não adaptação do sistema pode voltar a provocar rapidamente danos à válvula EGR. 

 

Como posso verificar se o sistema de recirculação dos gases de escape está a funcionar corretamente?

 

Assim que ficar a conhecer a estrutura e os princípios de funcionamento do sistema de recirculação, pode concentrar-se na análise do respetivo funcionamento. Para tal, é necessário utilizar um teste de diagnóstico que consiga ler vários ou (de preferência) todos os valores medidos possíveis denominados como parâmetros em tempo real (valores reais). A análise pode ser realizada com o veículo parado e em andamento. No dispositivo de diagnóstico, deve procurar parâmetros tais como:

• Valor necessário de massa de ar 
• Valor medido da massa de ar (a partir do caudalímetro)
• Pressão do coletor de admissão (pressão de admissão)
• Valor necessário de pressão de admissão
• Posição de abertura da válvula EGR (alta pressão)
• Posição de abertura da válvula EGR (baixa pressão)
• Posição da válvula de gases de escape (para a EGR de baixa pressão)
• Dose da injeção de combustível– Relação estequiométrica (sensor de oxigénio de banda larga)
• Concentração de NOx (caso exista um sensor de NOx)
• Fluxo de gases de escape necessário para a recirculação de alta pressão (ocorre em tipos específicos)
• Fluxo de gases de escape necessário para a recirculação de baixa pressão (ocorre em tipos específicos)
• Fluxo de gases de escape real para a recirculação de alta pressão (ocorre em tipos específicos)
• Fluxo de gases de escape real para a recirculação de baixa pressão (ocorre em tipos específicos)
• Carga cilíndrica (relevante para a recirculação de baixa pressão)

 

Além destes elementos, existem muitos outros que são afetados indiretamente pela recirculação de gases de escape. 

 

Iremos discutir como analisar a exatidão dos parâmetros detalhados, divididos em sistemas EGR de alta pressão, de baixa pressão e mistos, em artigos posteriores numa série sobre sistemas de pós-tratamento de gases de escape.

 

Referências:

[1] Konrad Reif. : Diesel Engine Management Systems and Components, Bosch Professional Automotive Information, Springer Fachmedien Wiesbaden 2014.