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Monitor do Sensor dos Gases de Escape de veículos equipados com motores do ciclo Diesel
Este monitor tem por função verificar as operações dos sensores de NOx/O2 e de material particulado, utilizados no sistema de pós-tratamento diesel. Os sensores de NOx/O2 são utilizados com catalisadores SCR
Por Humberto Manavella Qui, 22 de Novembro de 2018 - 10:00
Como exemplo a ser utilizado na análise da funcionalidade do monitor, a figura 1a apresenta uma configuração genérica de pós-tratamento diesel com catalisador SCR e filtro de material particulado. Nesta primeira parte será apresentada a funcionalidade do sensor de NOx/O2.
Monitor do Sensor de NOx/O2
A título de exemplo para a análise a seguir, a figura 1b apresenta o esquemático simplificado do sensor que é controlado por um módulo eletrônico que troca as informações com a UC do motor através de uma rede CAN dedicada. Basicamente, as informações trocadas são: 1) concentrações de NOx e O2 dos gases de escape e 2) falhas OBDII.
Basicamente o que é relevante para a análise a seguir é que o módulo ajusta as correntes Ip1 e Ip2 de forma tal que: O valor instantâneo de Ip2 está correlacionado com a concentração de NOx (câmara 2) e o de Ip1 com a concentração de O2 (câmara 1).
O módulo de controle se comunica com a UC do motor através de uma rede CAN dedicada (não compartilhada com outros dispositivos) e consiste de:
-Microcontrolador. Que gerencia a operação do sensor e a comunicação com a UC do motor.
-Memória RAM. Para armazenamento de dados temporários obtidos do sensor durante a operação.
-Memória EEPROM/ROM. Para armazenamento de dados de calibração obtidos durante o processo de fabricação.
-Circuito de controle das correntes Ip1 e Ip2.
-Circuito de controle do aquecedor.
-Circuito de controle da massa virtual VM. Sinal de tensão variável utilizado para manter o equilíbrio de O2 na câmara 1.
-Sensor de temperatura. Para compensação da dependência de componentes com relação à temperatura.
Os sensores de NOx [1] e [2] têm por objetivo o ajuste correto da dosagem de ureia na proporção estequiométrica. Ou seja, injetar a quantidade de ureia para: 1) obter máxima eficiência de conversão de NOx e 2) obter níveis mínimos de amoníaco na saída do catalisador SCR.
Em particular, é o sensor de NOx [2] que permite controlar a injeção de ureia em malha fechada. O sensor de NOx pode estar integrado com o sensor de O2 de banda larga num único dispositivo que fornece simultaneamente, a concentração de oxigênio e dos óxidos de nitrogênio.
Controle da Injeção de Ureia
Em função de ser o amoníaco um composto altamente tóxico, o controle da injeção de ureia, na relação estequiométrica, é de fundamental importância. Este controle pode ser feito:
-Em malha aberta. Neste caso não há monitoramento da presença de amoníaco na saída do catalisador SCR. Em função disto, a UC, com base na informação de sensores (massa e temperatura do ar admitido e concentração de óxidos de nitrogênio) estima o fluxo de gases de escape e injeta ureia com uma margem de segurança. Isto faz com que a eficiência de conversão de NOx caia para 65%.
-Em malha fechada. Neste caso há monitoramento da presença de amoníaco na saída do catalisador SCR. Isto permite ajustar a dosagem da solução de ureia (AdBlue, DEF, Arla32) na relação estequiométrica com o NOx presente nos gases de escape, de forma que, na saída do catalisador, não se verifique nem excesso de NOx nem de amoníaco (NH3) acima dos limites fixados pela legislação. Ou seja, em teoria, todo o amoníaco é utilizado para reduzir todo o NOx, restando na saída do catalisador, só N2, água e CO2. Para o controle em malha fechada pode ser utilizado o sensor de NOx ou o de amônia, se presente.
Controle de NH3 com sensor de NOx pós-catalisador SCR
O controle é indireto, ou seja, é feito sem medir a concentração real de amoníaco dos gases na saída do SCR. Por outro lado, a interferência produzida pelo amoníaco sobre a capacidade de detecção do sensor de NOx faz com que não seja possível obter a máxima eficiência de conversão oferecida pelo SCR.
A estratégia consiste em alterar ciclicamente a dosagem de ureia, aumentando e diminuindo o volume injetado. Os efeitos destas variações são detectados pelo sensor de NOx, a partir do que a UC consegue calcular a concentração aproximada de amoníaco.
Funções de Monitoramento
1. Monitoramento de Plausibilidade do Sensor Pré-catalisador
O monitor roda uma vez a cada ciclo de condução, após um corte intrusivo da válvula EGR durante a marcha lenta. A figura 2a mostra a evolução da concentração de NOx.
-Em função do efeito da recirculação de gases, antes do teste, a concentração de NOx é baixa e começa a aumentar após o corte de EGR.
-Após um retardo de 4 seg. começa o monitoramento que dura 7 seg.; este é o tempo máximo para que a concentração medida supere o limite mínimo. Caso não supere o limite, o código DTC é gravado como "pendente" no primeiro ciclo de condução. No segundo ciclo consecutivo é gravado como "confirmado" e a LIM/MIL é acesa.
-O limite mínimo é calculado com base na quantidade injetada e a temperatura e pressão ambiente.
Outro monitoramento realizado é o de faixa de sinal. Continuamente, o monitor verifica os valores máximo e mínimo do sinal de concentração de NOx. O código DTC correspondente é gravado se o valor de concentração informado está fora da faixa determinada pelos valores máximo e mínimo de calibração, durante um tempo máximo permitido.
2. Monitoramento dos Fatores de Adaptação
Os fatores de adaptação para ambos os sensores são calculados durante as desacelerações quando a concentração de NOx deve atingir um mínimo. O fator de adaptação é a diferença entre a concentração informada pelo sensor e 0%. O código de falha é gravado se o fator de adaptação está fora da faixa de calibração.
3. Monitoramento da Comunicação entre Sensor e UC
Este monitoramento tem por função detectar falhas de comunicação entre os sensores e a UC do motor. Continuamente, a UC verifica a freqüência das mensagens recebidas dos sensores. O DTC correspondente é gravado se o tempo entre mensagens sem erro ultrapassa o limite de calibração. Neste caso, o código gravado é do tipo Uxxxx.
4. Monitoramento do Tempo de Resposta do Sensor Pós-catalisador
A função do monitor é avaliar como evolui a concentração de O2 com relação à diferença com 21% de O2, na transição da condição de carga estabilizada à condição de desaceleração com corte de combustível (freio motor) (fig.2b). O monitor opera na situação em que não está em andamento a regeneração do filtro de particulado. A diferença considerada é: 21% de O2 - Concentração de O2 sob carga. A concentração sob carga é a do ponto A (início da desaceleração).
O monitor calcula a concentração de O2 com base na injeção de combustível, a taxa de sobrealimentação e a taxa de EGR. A concentração de O2 medida é avaliada com base na carga do motor e massa de ar admitida. O código DTC é gravado se a concentração medida está fora da faixa determinada pelo valor calculado mais o fator de adaptação, e o valor calculado menos o fator de adaptação.
Os fatores levados em consideração pelo monitor são:
1) t30: É o tempo necessário para que a concentração de O2 medida atinja 30% da diferença.
2) t60: É o tempo necessário para que a concentração de O2 medida atinja 60% da diferença.
O código DTC correspondente é gravado se:
-O tempo t30 resulta superior a 6 seg.
-O tempo t60 resulta superior a 11 seg.
-O tempo para passar da concentração de 30% da diferença à de 60% da diferença for superior a 5 seg.
5. Monitoramento de Plausibilidade do Sensor Pós-catalisador
Continuamente, o monitor verifica os valores máximo e mínimo do sinal de concentração de NOx. O código DTC correspondente é gravado se o valor de concentração informado está fora da faixa determinada pelos valores máximo e mínimo de calibração, durante um tempo máximo permitido.
Por outro lado, é realizado o monitoramento passivo do nível de atividade do sensor durante a injeção de ureia. Se um pico de aumento de NOx é detectado pelo sensor pré-catalisador, deve ocorrer um aumento no valor de NOx pós-catalisador. O código DTC correspondente é gravado se o valor não atinge o limite mínimo de aumento esperado, indicando sensor travado ou com baixa atividade.
6. Monitoramento do Aquecedor
O aquecedor é controlado com um sinal PWM para manter a temperatura do sensor na faixa de 780OC a 820OC. A temperatura do sensor é estimada em função da corrente IVM que circula pelo circuito da massa virtual VM. (fig.1b)
A UC do motor envia a mensagem para a ativação do aquecedor quando a temperatura dos gases de escape supera a temperatura de orvalho.
Por outro lado, o módulo de controle verifica o circuito do aquecedor quanto a falhas elétricas e de desempenho e encaminha o resultado para a UC do motor através da rede CAN dedicada. Para isto, o módulo de controle consegue avaliar a resistência do aquecedor através da corrente que o circula e assim detectar falhas elétricas. Por outro lado um código de falha é gravado se a UC do motor não recebe a mensagem, com a indicação de que foi atingida a temperatura de operação, num tempo máximo de calibração após ter sido ligado o aquecedor (por exemplo, 9 seg.).
7. Monitoramento de Falhas do Módulo de Controle
Este monitoramento permite detectar falhas no módulo de controle, as quais são comunicadas à UC do motor através da rede CAN. São falhas de desempenho, de mensagem inválida recebida da UC do motor ou do valor de calibração do sensor com erro de checagem.
8. Monitoramento do Circuito do Sensor
Este monitoramento tem por objetivo verificar o circuito elétrico do sensor. As falhas detectadas pelo módulo de controle são informadas à UC do motor, através da rede CAN. São falhas no circuito de conexão entre o controlador e o sensor, falha de faixa/desempenho no sensor de NOx, falha no circuito de alimentação e falha de faixa/desempenho no sensor de O2.