Análise de gases O caso dos automóveis

1. CO H2O HC CO H2O NO CO2 ) H2O NO O2 (%vol) CO NO H2O NO NO NO H2O HC H2O O2 CO2 ) H2O Análise de gases O caso dos automóveis O2 (%vol) O2 (%vol) NO CO2 ) H2O HC CO2 CO NOx O2 J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

2. Análise de gases • Sumário • Sumário • 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 J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

3. Análise de gases • Gases resultantes da combustão CO (%vol) CO2 (%vol) HC (ppm) O2 (%vol) NOx (%vol) Partículas H2O J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

4. Análise de gases • Gases resultantes da combustão 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 J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

5. Análise de gases • Gases resultantes da combustão 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 J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

6. Análise de gases • Gases resultantes da combustão 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 J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

7. Análise de gases • Gases resultantes da combustão CO2(%vol) • Dióxido de Carbono • Resultante da combustão • Pouco tóxico em baixas concentrações • Maior concentração de CO2 => melhor a combustão J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

8. Análise de gases • Gases resultantes da combustão 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 J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

9. Análise de gases • Processos de análise de gases • Processos de análise de gases • CO eCO2 • NOx • HC • O2 • - NDIR - Non-Dispersive Infra-red Detector • - CLD - Chemiluminiscence Detector • - FID - Flame Ionisation Detector • - PMD - Paramagnetic Detector J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

10. Análise de gases • Processos de 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 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. J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

11. Análise de gases • Processos de 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 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. J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

12. Análise de gases • Processos de análise de gases • CLD - Chemiluminiscence Detector - NOx 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. J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

13. Análise de gases • Processos de análise de gases • CLD - Chemiluminiscence Detector - NOx 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 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. J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

14. Análise de gases • Processos de análise de gases • CLD - Chemiluminiscence Detector - NOx 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 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. J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

15. Análise de gases • Processos de análise de gases • FID - Flame Ionisation Detector - HC 1 – Display, 2 – Queimador, 3 – Saída da amostra, 4 – Hidrogénio, 5 – Ar sem HC, 6 – Ar de calibre, 7 – 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 J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

16. Análise de gases • Processos de análise de gases • FID - Flame Ionisation Detector - HC 1 – Display, 2 – Queimador, 3 – Saída da amostra, 4 – Hidrogénio, 5 – Ar sem HC, 6 – Ar de calibre, 7 – 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 J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

17. Análise de gases • Processos de análise de gases • PMD - Paramagnetic Detector - O2 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. J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

18. Análise de gases • Instrumentos de medição • Diferentes tipos de Instrumentos de medição Portátil Fixo Fixo Móvel J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

19. Análise de gases • Instrumentos de medição • Monitor de um Analisador de gases J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

20. Análise de gases • Instrumentos 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 J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

21. Análise de gases • Análise de gases nos veículos automóveis • Análise de gases aos automóveis • Investigação • Controlo de fim-de-linha • Homologação • Afinação/diagnóstico • Inspecções periódicas J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

22. Análise de gases • Análise de gases nos veículos automóveis • Ciclos de teste para homologação de veículos 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 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. J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

23. Análise de gases • Análise de gases nos veículos automóveis • 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 km Velocidade média - 32,5 km/h Velocidade máxima - 120 km/h J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

24. Análise de gases Exemplo 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 rpm Binário - 330 Nm às 3500 rpm J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

25. Análise de gases Exemplo de um ensaio em veículos automóveis • Layout do ensaio J. Pereira, P. carvalho, H. Santos

26. Análise de gases Exemplo de um ensaio em veículos automóveis • Comparação das emissões entre gasolina e GPL Gráfico de CO Gráfico de HC J. Pereira, P. carvalho, H. Santos