A eletrônica no combate à poluição (MA040)

O número crescente de veículos que circulam nas grandes cidades, agravado pelas condições meteorológicas que se modificam de maneira imprevisível, é causa de um dos problemas mais graves que afetam as grandes cidades: a poluição. Medidas como o rodízio, utilização obrigatória de filtros catalisadores, controle dos veículos a diesel tem sido implantada com algum sucesso em grandes centros, mas há ainda muito o que fazer. O ar que respiramos ainda não é o ideal e isso é bem sentido pelos habitantes de cidades como São Paulo. O que a eletrônica pode fazer para controlar ou minimizar essa poluição é algo que nossos leitores precisam saber. Neste artigo vamos focalizar em especial os modos de controle e limitação de poluentes usados nos carros e que utilizam de recursos eletrônicos.

Os produtos da combustão interna dos motores dos automóveis e outros veículos não são totalmente inofensivos.

Tudo seria simples se os combustíveis que usamos fossem hidrocarbonetos puros (HCx), ou seja, substâncias que contém apenas carbono (C) e hidrogênio (H) e pudessem ser queimados totalmente no interior dos motores.

O resultado seria a água e o gás carbônico (H20 e CO2) que são totalmente inofensivos, pois estão presentes na nossa própria respiração.

No entanto, os hidrocarbonetos que usamos como combustíveis contém outras substâncias além do hidrogênio e carbono. O próprio carbono pode não ser queimado totalmente, resultando no CO (monóxido de carbono) que é bastante prejudicial ao ser humano.

Dentre os produtos resultantes da queima dos hidrocarbonetos podemos destacar os óxidos de nitrogênio, óxidos de enxofre e alguns outros menos frequentes.

Com o aumento da quantidade de veículos e, portanto da emissão de gases nocivos, a partir de 1966, nos Estados Unidos, foram impostos limites através de uma legislação apropriada.

Infelizmente, os procedimentos para controlar a emissão de gases nocivos entram em conflito com algo que todos os possuidores de automóveis e fabricantes desejam: menor custo e maior rendimento do motor.

Este rendimento normalmente é expresso em "kpl" (quilometro por litro) ou nos países de língua inglesa em "mpg" (miles per galon). Um procedimento, denominado CAFE (Corporate Average Fuel Economy) simula o funcionamento de um veículo em determinadas condições padronizadas para se medir o rendimento do motor e é usado pelas industrias.

No entanto, por exigência governamental, nos Estados Unidos os procedimentos visam conciliar os dois requisitos.

Neste procedimento, o veículo é colocado num sistema dinamométrico onde são simuladas as condições normais de tráfego (paradas, arrancadas, mudanças de marcha, etc.) medindo-se a força do motor e a emissão de gases, conforme mostra a figura 1.

 

Sistema dinamométrico usado na verificação do comportamento de um veículo.
Sistema dinamométrico usado na verificação do comportamento de um veículo.

 

Atualmente, a quantidade dos gases que são mais poluentes está perfeitamente determinada para qualquer tipo de veículo e condições de operação.

Assim, nos Estados Unidos, a emissão de HCx deve ser inferior a 0,31 gramas por milha; a emissão de CO deve ser inferior a 4,20 gramas por milha e a emissão de óxidos de nitrogênio (NOx) deve ser inferior a 0,60 g por milha para todos os motores, menos diesel e até 1,25 gramas por milha para o diesel.

Na verdade, a legislação americana "deu um tempo" para as empresas fabricantes de veículos se adaptarem as exigências, aumentando gradualmente os limites de emissão.

Assim, os limites foram implantados em fases sucessivas da seguinte forma:

 

1994 - 40%

1995 - 80%

1996 - 100%

 

O grande problema para a implantação definitiva do sistema em países como o nosso, onde não existe uma legislação específica, é que para se obter menor grau de poluição sacrifica-se o rendimento do motor (maior consumo) e, além disso, (o que dói mais para os fabricantes) devem ser usados acessórios que nem sempre são baratos, acabando por influir no preço final do veículo.

O importante é que a preocupação com a emissão dos gases indicados existe e que existem também meios para se controlar isso.

 

PARÂMETROS QUE INFLUEM NA EMISSÃO DE POLUENTES

Para entendermos de que modo a eletrônica pode ser usada para minimizar a emissão de poluentes e ao mesmo tempo ajudar a obter máximo de rendimento do motor, é interessante verificarmos os efeitos de algumas variáveis que atuam no funcionamento de um motor.

Se diminuirmos o combustível o motor perde potência; se aumentarmos a taxa de comburente para obter maior queima, sobra oxigênio e o rendimento cai; se reduzirmos o oxigênio a combustão torna-se incompleta. É uma série de variáveis interdependentes que mostram que não é tão simples obter os efeitos desejados no funcionamento de um motor.

Uma primeira relação de dependência que deve ser considerada pelos engenheiros é a da relação ar/combustível no rendimento do motor.

Na curva mostrada na figura 2 temos informações bastante interessantes sobre o que ocorre neste caso.

 

Influência da mistura no rendimento e emissão de poluentes.
Influência da mistura no rendimento e emissão de poluentes.

 

No eixo vertical temos as variáveis de rendimento e no eixo horizontal temos o tipo de mistura que varia de "pobre" com menos oxigênio e rica com mais oxigênio por unidade de combustível.

Neste gráfico a curva T representa o torque do motor, a curva BSFC representa o consumo de combustível na frenagem, e as demais curvas as emissões relativas de gases poluentes conforme a mistura.

Um dos problemas para os engenheiros que desejam máximo rendimento do motor sem poluir e que esta curva nos mostra é que a emissão de óxidos de nitrogênio (NOx) alcançam o ponto de máximo perto do ponto em que o motor atinge o maior torque! Como reduzir um, sem reduzir o outro?

Uma segunda relação de dependência que deve ser analisada é do ponto de ignição com o rendimento.

O instante em que a faísca da vela é produzida no interior do cilindro influi muito no desempenho do motor. Normalmente este instante é medido pelo ângulo em que o eixo da árvore de manivelas se encontra em relação à referência (ponto morto superior) no instante em que a faísca é produzida.

Assim, se a faísca for produzida depois, dizemos que o motor está com a ignição retardada e se for produzida antes, dizemos que está "adiantado" ou "avançado".

No gráfico da figura 3 temos a relação entre o ponto de ignição (temporização) e o rendimento do motor juntamente com as emissões de poluentes.

 

Influência do ponto de ignição no rendimento e emissão de poluentes.
Influência do ponto de ignição no rendimento e emissão de poluentes.

 

Novamente a curva T é para o torque, a curva BSFC para a frenagem e as demais curvas para a emissão de poluentes.

Neste gráfico temos também problemas para os projetistas de veículos: a emissão de poluentes aumenta quando avançamos a ignição e obtemos maior torque.

As variáveis que vimos são as tradicionais, que não envolvem sistemas sofisticados de controle dos motores, estando ligadas ao desempenho de forma natural.

No entanto, existem outras variáveis que, se consideradas podem ajudar na redução das emissões de poluentes.

Uma delas é dada pelo efeito da recirculação do gás do escapamento no rendimento e na poluição.

O gás de escape contém ainda comburente (oxigênio) e, portanto, se uma certa quantidade for recirculada, podemos obter efeitos de combustão interessantes além de outros.

O que se faz então é reaplicar à admissão do motor uma certa quantidade de gás derivada do sistema de escape, conforme mostra a figura 4.

 

Como é feita a readmissão dos gases de escape para melhorar a combustão.
Como é feita a readmissão dos gases de escape para melhorar a combustão.

 

O que ocorre pode ser observado pelo gráfico da figura 5.

 

Emissão de Nox em função da recirculação para diferentes relações ar combustível.
Emissão de Nox em função da recirculação para diferentes relações ar combustível.

 

Neste gráfico temos no eixo vertical a quantidade de emissão de óxidos de nitrogênio (NOx) e no horizontal a relação ar/combustível. As diversas curvas são obtidas para diferentes porcentagens de gás de escape recirculado.

No entanto, conforme mostram as curvas da figura 6, o aumento da recirculação também provoca um aumento do consumo de combustível.

 

Rendimento, consumo e emissão de poluentes com a recirculação dos gases de escape.
Rendimento, consumo e emissão de poluentes com a recirculação dos gases de escape.

 

O que ocorre com a recirculação que permite diminuir o nível de emissão de NOx é que, esta emissão diminui com a temperatura de pico da combustão o que se consegue com maior readmissão dos gases de escape.

 

O CONTROLE DO MOTOR PELA ELETRÔNICA

Uma primeira possibilidade de se reduzir a emissão de gases nocivos pelos motores vem do próprio controle do motor de modo que ele tenha rendimento compatível com o esperado e não emita gases nocivos que sejam resultado de uma combustão incompleta do combustível usado.

A eletrônica possui diversos recursos para controlar um motor com especial atenção ao rendimento e à não poluição.

Sensores especiais podem detectar o funcionamento indevido com a emissão de elementos poluentes enquanto que circuitos apropriados podem atuar sobre o funcionamento do próprio motor corrigindo estas emissões.

Na figura 7 temos um diagrama de blocos que nos mostra de uma maneira simplificada um controle eletrônico de um motor.

 

Princípio de operação do controle eletrônico do motor.
Princípio de operação do controle eletrônico do motor.

 

Este sistema trabalha com variáveis de entrada e de saída que podem ser definidas da seguinte maneira:

 

VARIAVEIS DE ENTRADA

a) posição da borboleta do carburador

b) pressão de admissão de combustível + ar

c) temperatura do motor

d) velocidade do motor (rpm)

e) posição da válvula recirculadora do gás de escape

f) taxa de oxigênio do gás de escape

VARIÁVEIS DE SAÍDA

a) controle de injeção de combustível

b) controle do ponto de ignição

c) controle de recirculação do gás de escape

 

Além destes dispositivos temos alguns outros de natureza estratégica que não estão ligados diretamente ao funcionamento do motor como, por exemplo, os Conversores Catalíticos.

 

OS CONVERSORES CATALÍTICOS

A finalidade de um conversor catalítico é reduzir as emissões de poluentes, trabalhando diretamente com os gases do escapamento.

Esses conversores podem atuar de 3 formas sobre os gases de escape reduzindo as emissões de poluentes:

* Produzindo a oxidação de hidrocarbonetos (HCx) que não estejam totalmente queimados transformando-os em água e CO2.

* Queimando o monóxido de carbono (CO) de modo a se obter a emissão de CO2 em seu lugar, que é inofensiva.

* Reduzir NOx a N2 (nitrogênio) e oxigênio puro (O2).

 

Se um conversor tem uma eficiência de 80% na emissão de gases poluentes, o motor pode ser ajustado para que na sua saída tenhamos uma emissão 5 vezes maior do que as limitadas pelas autoridades, o que o leva a um rendimento maior e portanto melhor. A redução adicional que levaria as emissões aos níveis fixados pelas autoridades ficaria por conta do conversor.

Existem diversos tipos de conversores disponíveis:

 

a) Conversor Catalítico Oxidante

Na figura 8 temos uma vista em corte de um catalisador deste tipo, que é um dos mais utilizados.

 

Vista de um conversor catalítico oxidante em corte.
Vista de um conversor catalítico oxidante em corte.

 

A finalidade deste dispositivo é aumentar a velocidade da reação de combustão da mistura ar/combustível no cilindro de modo que na saída do motor de modo que tenhamos a oxidação total de HCx e CO em H2O e CO2.

O que se faz é acrescentar ar adicional à mistura que sai do motor por meio de uma bomba especial comandada pelo motor. Esse ar secundário é introduzido no dispositivo que então faz a queima das substâncias que ainda não foram levadas à combustão total.

Um fator importante na eficiência deste conversor é a temperatura, conforme mostra a figura 9.

 

Eficiência de um filtro catalisador oxidante.
Eficiência de um filtro catalisador oxidante.

 

Valores típicos chegam a 98% para o CO e 95% para o HCx quando a temperatura é de 300 graus centígrados.

 

b) Conversor Catalítico de Três Vias

Embora não seja eletrônico, sua eficiência depende muito do controle do motor por meios eletrônicos, conforme veremos a seguir.

O conversor catalítico de 3 vias ou TWC utiliza uma mistura catalisadora especial contendo platina, paládio e ródio que atua diretamente sobre os gases de nitrogênio (NOx) além de oxidar os hidrocarbonetos (HCx) e o monóxido de carbono (CO).

Sua ação sobre os três principais poluentes, reduzindo sua emissão em aproximadamente 90% é que lhe dá o nome de "três vias".

No entanto, a ação ideal deste catalisador é obtida em um ponto bastante crítico do ajuste da relação ar/combustível do motor, conforme mostra a figura 10.

 

Eficiência de um filtro catalisador de 3 vias.
Eficiência de um filtro catalisador de 3 vias.

 

Isso significa que, para que este filtro funcione, o motor deve ter um controle eletrônico extremamente preciso de seu ponto de funcionamento. Os carburadores comuns não tem precisão suficiente para poderem ser ajustados para funcionar com este catalisador. Somente os sistemas de injeção eletrônica permitem um ajuste correto dos motores para que a emissão seja reduzida aos níveis desejados com este catalisador.

Para se conseguir um controle eletrônico do combustível aplicado ao motor dentro dos parâmetros citados temos um circuito com a estrutura em blocos mostrada na figura 11.

 

Controle eletrônico de combustível.
Controle eletrônico de combustível.

 

As informações de diversos sensores são aplicadas a unidade eletrônica de controle (CPU) que processa os dados de modo a fornecer em sua saída os comandos para os dispositivos de ignição, avanço, injeção e reciclagem dos gases de escape.

No próprio circuito de processamento existem gravadas as combinações possíveis de condições de modo a se obter sempre o desempenho máximo, com a mínima emissão de poluentes, ou pelo menos dentro dos limites permitidos pela legislação.

O princípio de funcionamento deste circuito é o mesmo da maioria dos dispositivos de controle: realimentação.

As informações captadas pelos sensores são processadas e comparadas em circuitos especiais, gerando-se sinais de erro. Veja que os sinais de erro, neste caso são variáveis que dependem dos outros sinais processados segundo informações dadas pela CPU.

São gerados então sinais de erro que levam os dispositivos monitorados aos pontos desejados de funcionamento.

Um sensor que se destaca neste sistema, e que vamos analisar em particular, é o sensor EGO (sensor de oxigênio do gás de escapamento) ou Sonda lambda.

 

A SONDA LÂMBDA

A quantidade de oxigênio presente nos gases do escapamento fornece a informação do grau de combustão interna num motor.

Define-se então a relação (?) ou relação de equivalência como:

 

(?) = (ar/combustível)/(ar/combustível estequiométrica)

 

 

Observamos que a relação estequiométrica é aquela que se obtém quando o ar (oxigênio) entra em quantidade exatamente igual à necessária para se obter a combustão completa do combustível, segundo a sua composição química.

Por exemplo, para se obter a combustão completa de 12 gramas de carbono (cujo peso atômico é 12) é preciso de 32 gramas de oxigênio - dois átomos), já que o peso atômico do oxigênio é 16, de modo a se obter 44 gramas de CO2. Relações diferentes entre estes pesos não corresponde à relação estequiométrica.

 

O sensor normalmente usado em aplicações automotivas para detectar a taxa de oxigênio nos gases de escape é o de óxido de zircônio que tem a aparência mostrada na figura 12.

 

Uma sonda lambda de óxido dezircônio.
Uma sonda lambda de óxido dezircônio.

 

Este sensor é formado por um pedaço de óxido de zircônio com eletrodos porosos de platina, conforme mostra a figura 13.

 

Estrutura da sonda.
Estrutura da sonda.

 

O eletrodo poroso interno é exposto aos gases de escape, enquanto que o eletrodo externo é exposto ao ar ambiente.

O oxigênio dos gases de escape se apresenta normalmente na forma iônica, com uma carga negativa. O oxido de zircônio tende a atrair estes íons que então vão carregar o eletrodo interno. O eletrodo esterno, entretanto, manifesta uma carga maior já que a concentração de oxigênio do ar também é maior, servindo de referência. Deste modo a manifesta-se uma tensão entre este eletrodo e o externo que é justamente proporcional à quantidade dos íons "capturados"ou à concentração de oxigênio dos gases de escape.

Como a carga negativa do ar é maior do que a correspondente a dos gases de escape, o sensor manifesta uma tensão positiva em relação ao lado do eletrodo em contacto com os gases de escape. Esta tensão é justamente usada para levar a informação desejada para os circuitos de controle.

Uma característica importante desejada para estes sensores é a queda brusca de tensão de saída no instante em que se atinge a relação estequiométrica, conforme mostra a figura 14.

 

Resposta real e ideal de uma sonda Lâmbda.
Resposta real e ideal de uma sonda Lâmbda.

 

No entanto, na prática, tais sensores possuem uma característica de comutação com certa histerese o que deve ser levada em conta no projeto dos circuitos que vão controlar o motor.

O tempo de comutação é afetado sensivelmente pela temperatura o que é muito importante nos projetos que fazem seu uso. Assim, o tempo que é 0,1 segundo em 350 graus centígrados cai para 0,05 segundos a 800 graus centígrados.

Da mesma forma, a tensão de saída destes sensores também sofre influência da temperatura, com variações que devem ser previstas nos circuitos de controle.

 

OS ACIONADORES

De modo a se obter as condições ideais de funcionamento de um motor, com a redução dos níveis de poluição e maior rendimento, as informações obtidas pelos sensores como os EGO, de temperatura, entrada de ar, combustível, velocidade, rotação, etc. são processadas gerando "sinais de erro" que vão acionar diversos tipos de dispositivos.

 

Analisemos alguns deles:

 

a) Dosagem de combustível

A finalidade deste acionador é entregar a quantidade de combustível que o motor necessita para manter seu regime de operação dentro das condições detectadas pelos sensores e exigidas pelo veículo naquele momento.

Tradicionalmente este tipo de acionador atuaria sobre um carburador comum, mas os carburadores estão se tornando obsoletos sendo substituídos pelo sistema eletrônico de injeção de combustível.

Na figura 15 temos esquematizado o sistema TBFI (sistema de injeção sequencial multiponto).

 

Controle eletrônico de dosagem de combustível (acionador).
Controle eletrônico de dosagem de combustível (acionador).

 

Cada injetor, colocado junto a válvula de admissão é consiste numa válvula controlada eletricamente pelo sinal do processador. Esta válvula está normalmente fechada, sendo acionada pela corrente de controle no momento que deve ser injetado o combustível.

A corrente de controle (determinada pelo circuito de processamento) determina quanto de combustível deve passar e, portanto ser pulverizado de modo a se misturar com o ar que flui para o cilindro.

O controle do combustível injetado é feito por técnica PWM (modulação de largura de impulsos) de modo que é a duração do pulso que determina sua quantidade e não sua amplitude.

Assim, na figura 16 temos duas curvas de funcionamento, dependentes da relação ar/combustível exigida nas condições de funcionamento do motor detectadas pelos sensores e determinadas pelo condutor.

 

Sinal de controle pulsante de um dosador de combustível.
Sinal de controle pulsante de um dosador de combustível.

 

b) Ignição

Conforme já vimos, o instante em que a faísca é produzida é muito importante para o funcionamento do motor.

Assim, o acionador para o sistema de ignição a partir das informações dos sensores devidamente processadas atua basicamente sobre este tempo.

No caso, o fato do sistema de ignição também ser eletrônico, facilita bastante a elaboração deste controle que tem o diagrama de blocos mostrado na figura 17.

 

Diagrama de blocos de um sistema eletrônico de ignição.
Diagrama de blocos de um sistema eletrônico de ignição.

 

c) recirculação dos gases de escape

Conforme vimos, um elemento importante para a redução da poluição causada por um veículo com motor de combustão interna, é o que faz a recirculação dos gases do escapamento denominado EGR.

Este sistema é esquematizado de forma simplificada na figura 18.

 

Princípio de funcionamento do acionador de recirculação (readmissão) dos gases de escape.
Princípio de funcionamento do acionador de recirculação (readmissão) dos gases de escape.

 

O que temos é basicamente uma válvula que conecta em diversos graus a saída de escape com a entrada de admissão, em diversos graus, determinado por uma válvula de controle.

Esta válvula é acionada por um solenóide que recebe a "tensão de erro" do sistema processador, conforme a programação previamente feita e informações dos sensores.

Da mesma forma que no sistema de injeção de combustível, a quantidade de gás reciclado é determinada pelo tempo em cada ciclo que a válvula permanece aberta e não pelo seu grau de abertura.

 

CONCLUSÃO

A quantidade de variáveis que entram na determinação do modo de funcionamento de um motor de maneira que ele tenha o máximo rendimento com o mínimo de poluição mostram que o problema tem uma complexidade razoável.

Assim, o controle da poluição pelos veículos automotores exige não só conhecimento do assunto como também o emprego de instrumentação apropriada.

Alguns problemas relatados com veículos que já saem de fábrica com características alteradas de modo a se obter maior rendimento, desrespeitando-se os níveis de poluição exigidos, mostram como é difícil fazer este tipo de controle.

A tentativa de se fiscalizar as emissões dos veículos de um modo mais severo é válida, no entanto, de nada adianta controlar, multar ou mesmo recolher veículos poluidores se não existirem os meios de se levar esses veículos ao funcionamento desejado de forma segura, barata e simples.

O perigo do ajuste correto de um motor, dentro dos parâmetros legais, se tornar uma lucrativa indústria para poucos existe e deve ser cuidadosamente analisado.

Existem atualmente muitos equipamentos que permitem ajustar com eficiência motores, como os fabricados pela Bosch. Usados corretamente, estes equipamentos acessíveis a qualquer oficina, podem levar um motor ao funcionamento ideal, dentro do que exige a lei, dentro do que o usuário deseja para maior rendimento de seu motor e dentro do que a fábrica especifica como ideal para as características de seu veículo.

Oportunamente falaremos desses equipamentos e seu funcionamento.

 

Bibliografia:

* Understanding Automotive Electronics - 1992 - William B. Ribbens - Editora: Howard W. Sams.

* Science et Vie - abril 1995

 


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