J. Pereira, P. carvalho, H. Santos1 Análise de gases O caso dos automóveis Análise de gases O caso dos automóveis CO HC NO CO 2 ) O2O2 H2OH2O NO HC NO

J. Pereira, P. carvalho, H. Santos 1

Análise de gasesO caso dos automóveis

CO

NOxCO HC CO2 O2


Análise de gasesSumário

•Gases resultantes da combustão

•Processos de análise de gases

•Instrumentos de medição

•Análise de gases nos veículos automóveis

•Exemplo de um ensaio num veículo automóvel

Sumário


Análise de gases

CO (%vol)

HC (ppm)

NOx (%vol)

CO2 (%vol)

O2 (%vol)

Partículas

Gases resultantes da combustão

H2O


Análise de gases

CO (%vol)


•Monóxido de Carbono

•Resulta de uma combustão incompleta

•Instável e muito tóxico

•O CO deveria ser um CO2, porém, na falta de O2 (mistura rica) o Carbono(C) combina-se na queima apenas com um oxigénio (O), quando o ideal seria combinar-se com dois

•Menor percentagem de CO => melhor a Combustão


Análise de gases

HC (ppm)


•Hidrocarbonetos (resíduos carbonosos)

•Resíduos carbonosos derivados da não combustão ou queima incompleta do combustível.

•É um gás muito tóxico.

•É resultante das partes fraccionadas das cadeias longas do combustível que não se oxidaram.

•Menor concentração de HC => melhor combustão


Análise de gases

NOx (%vol)


•Óxidos de azoto

•Formados pela mistura de oxigénio e azoto

•Combinação do oxigénio com o azoto durante a combustão.

•A formação destes óxidos é favorecida pela temperatura

•É um gás muito tóxico e contribui para a diminuição da camada de ozono


Análise de gases

CO2 (%vol)


•Dióxido de Carbono

•Resultante da combustão

•Pouco tóxico em baixas concentrações

•Maior concentração de CO2 => melhor a combustão


Análise de gases

O2 (%vol)


•Oxigénio

•Numa combustão ideal, todo O2 que entra no motor deveria ser usado na combustão

•Menor concentração de O2 => melhor a combustão

H2O•Vapor de agua

•Resultante da combustão


Análise de gases

- NDIR - Non-Dispersive Infra-red Detector

- CLD - Chemiluminiscence Detector

- FID - Flame Ionisation Detector

- PMD - Paramagnetic Detector

Processos de análise de gases


•CO e CO2

•NOx

•HC

•O2


Análise de gases

NDIR - Non-Dispersive Infra -red Detector - CO e CO2

O módulo de análise NDIR possui duas fontes de infra-vermelho dirigidas para uma câmara de detecção (4) através de duas células, uma de referência (9) e outra de análise (8) por onde passa a amostra.

Na célula de análise (8) , parte das emissões de IV são absorvidas pelas partículas dos gases. A radiação absorvida é proporcional à concentração do gás.

A câmara de detecção (4) converte a diferença de radiação em alteração na capacitância que por sua vez é traduzida na concentração do gás.

2 – Amplificador, 3 - Estabilizador, 4 – Câmara de detecção, 5 – Diafragma metálico, 6 – Trimmer, 7 – amostra, 8 – Célula de medição, 9 – Célula de referência, 10 – Filtros, 11 – Extractor, 12 – Fonte de luz



O módulo de análise NDIR possui duas fontes de infra-vermelho dirigidas para uma câmara de detecção (4) através de duas células, uma de referência (9) e outra de análise (8) por onde passa a amostra.

Na célula de análise (8) , parte das emissões de IV são absorvidas pelas partículas dos gases. A radiação absorvida é proporcional à concentração do gás.

A câmara de detecção (4) converte a diferença de radiação em alteração na capacitância que por sua vez é traduzida na concentração do gás.

Análise de gases

NDIR - Non-Dispersive Infra -red Detector - CO e CO2

2 – Amplificador, 3 - Estabilizador, 4 – Câmara de detecção, 5 – Diafragma metálico, 6 – Trimmer,7 – amostra, 8 – Célula de medição, 9 – Célula de referência, 10 – Filtros, 11 – Extractor, 12 – Fonte de luz



Análise de gases

1 – Bomba de vácuo, 2 – Filtro, 3 – Referência, 4 – Regulador, 5 – Filtro, 6 – Ar, 7 – Oxigénio, 8 – Gerador de O3, 9 – Tubo capilar, 10 – Câmara de reacção, 11 - Filtro óptico, 12 – Fotodiodo, 13 – amplificador, 14 - Indicador, 15 - Gases de escape, 16 - Conversor

O módulo CLD é constituído por uma câmara de mistura de gases (10) com um filtro (11) e um fotodiodo (12) .

O método de análise baseia-se no principio da quimiluminiscência, que consiste na libertação de fotões (590 a 3000 nm – luz vermelha) na reacção de NO com O3.

Uma vez que na amostra podem existir vários tipos de oxidos de Azoto (NO2, N2O, N2O4), existe um conversor (16) que converte todos em NO.

CLD - Chemiluminiscence Detector - NOx



Análise de gases

Na câmara de reacção (10) o NO é misturado com o O3, originando duas reacções:

NO + O3 NO2* + 02 (1)NO2* = NO2 + luz vermelha (2)

Na reacção (1) o Oxido Nítrico reage com o Ozono e forma moléculas de Dioxido de Azoto excitadas electronicamente. Na reacção (2), o Dioxido de Azoto excitado converte-se para o estado neutro e liberta fotões na forma de luz vermelha.

A intensidade da luz emitida é directamente proporcional à concentração de NO existente na amostra.





Na câmara de reacção (10) o NO é misturado com o O3, originando duas reacções:

NO + O3 NO2* + 02 (1)NO2* = NO2 + luz vermelha (2)

Na reacção (1) o Oxido Nítrico reage com o Ozono e forma moléculas de Dioxido de Azoto excitadas electronicamente. Na reacção (2), o Dioxido de Azoto excitado converte-se para o estado neutro e liberta fotões na forma de luz vermelha.

A intensidade da luz emitida é directamente proporcional à concentração de NO existente na amostra.

Análise de gases





Análise de gases

1 – Display, 2 – Queimador, 3 – Saída da amostra, 4 – Hidrogénio, 5 – Ar sem HC, 6 – Ar de calibre, 7 – Amostra

FID - Flame Ionisation Detector - HC

O módulo FDI é constituído por um queimador, com uma chama alimentada por um fluxo controlado de combustível (mistura Hidrogénio/Hélio) e por dois eléctrodos.

O principio de medição é baseado na geração de iões a partir da queima, em chama de hidrogénio dos hidrocarbonetos existentes na amostra.

O fluxo de iões entre os dois eléctrodos é proporcional à entrada de HC na câmara de combustão (2) e consequentemente à quantidade de hidrocarbonetos existente na amostra



O módulo FDI é constituído por um queimador, com uma chama alimentada por um fluxo controlado de combustível (mistura Hidrogénio/Hélio) e por dois eléctrodos.

O principio de medição é baseado na geração de iões a partir da queima, em chama de hidrogénio dos hidrocarbonetos existentes na amostra.

O fluxo de iões entre os dois eléctrodos é proporcional à entrada de HC na câmara de combustão (2) e consequentemente à quantidade de hidrocarbonetos existente na amostra

Análise de gases

1 – Display, 2 – Queimador, 3 – Saída da amostra, 4 – Hidrogénio, 5 – Ar sem HC, 6 – Ar de calibre, 7 – Amostra

FID - Flame Ionisation Detector - HC



Análise de gases

O detector é constituído por um “dumb bell” que está suspenso por um fio muito fino num campo magnético controlado e por um sistema óptico que monitoriza a posição do “dumb bell”.

O método de análise baseia-se no facto de o oxigénio ser fortemente paramagnético, possuindo uma atracção magnética positiva.

A presença de oxigénio altera a direcção do fluxo magnético, o que provoca um deslocamento no “dumb bell”.

O campo magnético é variado de forma a manter o “dumb bell” direccionado.

A corrente de controlo do campo magnético é proporcional à concentração de O2 na amostra.

PMD - Paramagnetic Detector - O2



Análise de gases

Diferentes tipos de Instrumentos de medição

Instrumentos de medição

Portátil

Móvel

Fixo Fixo


Análise de gases

Monitor de um Analisador de gases

Instrumentos de medição


Análise de gasesInstrumentos de medição

Verificação das condições de medição

CO corrigido

Indica possíveis problemas no sistema, como fugas/entradas de ar no sistema de escape

O equipamento calcula este valor através da fórmula:

CO corr = (15 x %CO) / (%CO + %CO2)

O valor de CO corrigido deve ser no máximo o dobro do valor de CO


Análise de gasesAnálise de gases nos veículos automóveis

•Investigação

•Controlo de fim-de-linha

•Homologação

•Afinação/diagnóstico

•Inspecções periódicas

Análise de gases aos automóveis



Ciclos de teste para homologação de veículos

As emissões produzidas por um motor de combustão interna dependem da carga a que está sujeito.

Assim, num veiculo automóvel para se avaliar com rigor o nível de emissões libertadas para a atmosfera, à que simular as situações de carga com que vai funcionar durante a sua vida útil.

Para isso recorre-se a dinamómetros de carroçaria, onde é simulada a carga, com sistemas de tratamento e análise dos gases de escape para simular a sua diluição na atmosfera.

1 – Freio, 2 – Rolo de inércia, 3 – Gases de escape, 4 – Filtro de ar, 5 – Diluição de ar, 6 – Refrigerador, 7 – Recolha de amostra, 8 - Termómetro, 9 - Manómetro, 10 - Venturi, 11 - Extractor, 12 - Saco de amostra, 13 - Depressor, 14 - descarga a- USA b - Europa



Ciclo de teste EC. ECE/EC para análise de emissões para homologação de veículos na Europa

O ciclo de teste EC. ECE/EC pretende aproximar as condições de teste à realidade de utilização do veiculo ao longo da sua vida num centro urbano na Europa.

1 - período de 40 s sem medição para aquecimento do motor

Distância total - 11 kmVelocidade média - 32,5 km/hVelocidade máxima - 120 km/h


Análise de gasesExemplo de um ensaio em veículos automóveis

Ensaio de comparação das emissões entre gasolina e GPL

Veículo - Porsche 944 Turbo Cilindrada - 2479 cm3

Potência - 162 kW (220 cv) às 5800 rpmBinário - 330 Nm às 3500 rpm

Condições dos testesTeste 1 Teste 2

Combustível Gasolina semchumbo 98 octanas

Gás de PetróleoLiquefeito (GPL)

P atmosférica 942 mbar 942 mbarT admissão 307 K 305 KFactor decorrecção 1,10076 1,09717


Análise de gases

T gases

Binário

Velocidade

4X4P at

mos

féric

a

Ventilador

Analizador degases

P colector adm issão

T oleo m otor

T ar adm issão

rpm

COCO 2

HCO 2

NO x

Particulas

Inform ação daunidade de gestão

electrónica donotor ( ECU)

Layout do ensaio

Exemplo de um ensaio em veículos automóveis


Análise de gasesExemplo de um ensaio em veículos automóveis

Comparação das emissões entre gasolina e GPL

Gráfico de CO Gráfico de HC

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J. Pereira, P. carvalho, H. Santos1 Análise de gases O caso dos automóveis Análise de gases O caso dos automóveis CO HC NO CO 2 ) O2O2 H2OH2O NO HC NO