Como o Filtro de Partículas Diesel Contribui para o Cumprimento das Normas de Emissão e Eficácia do Combustível

Para otimizar a combustão do combustível e garantir que o ar seja misturado de forma eficiente em todas as partes da câmara de combustão, o fornecimento de ar e a forma do pistão são projetados para impartir um movimento rotacional (giro) ao ar à medida que ele entra na câmara. Processos de injeção inovadores, que por sua vez requerem sistemas complexos de injeção, assim como a qualidade do combustível diesel utilizado, desempenham um papel importante na redução das emissões de partículas.

O material e a geometria do filtro devem ser selecionados de forma a maximizar a taxa de separação das partículas, mantendo, ao mesmo tempo, a resistência adicional ao fluxo dentro de limites razoáveis. Como ocorre com praticamente todos os filtros, a área de superfície efetiva do filtro de partículas deve ser o maior possível. Quando sistemas de filtragem são implementados, é essencial evitar que o filtro fique entupido. Para determinar o nível de saturação do filtro de partículas diesel, tipicamente é medida a pressão antes e depois do filtro. Uma diferença de pressão elevada sugere que o filtro está fortemente carregado (entupido). Quando o filtro atinge um determinado nível de saturação, as partículas retidas são "regeneradas", ou seja, são queimadas e liberadas como CO2.

A regeneração do filtro no veículo ainda deixa alguns resíduos. Com o tempo, uma substância conhecida como cinza se acumula no filtro. Consequentemente, após uma certa quilometragem, o filtro de partículas diesel deve ser retirado do veículo e limpo ou substituído.

A redução de hidrocarbonetos e monóxido de carbono também é uma preocupação fundamental no tratamento de emissões dos motores diesel. O conversor catalítico de oxidação (DOC) reduz o conteúdo de monóxido de carbono e hidrocarbonetos nos gases de escape diesel. O monóxido de carbono (CO) é convertido em dióxido de carbono (CO2), enquanto os hidrocarbonetos indesejáveis (HC) são oxidados para formar água e dióxido de carbono. O catalisador de oxidação diesel também oxida o óxido nítrico (NO) a dióxido de nitrogênio (NO2). No entanto, o conteúdo total de nitrogênio (NOx) não é reduzido neste conversor catalítico de oxidação.

Em veículos comerciais Euro VI, a combinação de um motor otimizado com recirculação de gases de escape e um sistema de pós-tratamento complexo, incluindo o sistema SCR e o DPF, torna possível alcançar os limites exigidos com custos razoáveis em termos de sistema e consumo de combustível. O sistema de injeção comum (common rail) é utilizado para variar a quantidade, o tempo e a duração da injeção conforme o ponto de operação. A recirculação de gases de escape com resfriador (EGR) reduz as emissões de NOx. Um dispositivo de dosagem de hidrocarbonetos é instalado no sistema de escape atrás da saída do motor. Quando hidrocarbonetos são adicionados aos gases de escape, eles reagem no conversor catalítico de oxidação, liberando mais calor. Esse calor é utilizado, quando necessário, para queimar o material retido no filtro de partículas diesel. Sensores de pressão medem a pressão antes e depois do DPF para determinar quando ele deve ser regenerado. A diferença de pressão serve como medida de quanto material particulado está retido no filtro.

Após o DPF, o DEF (AdBlue) é injetado no tubo de escape para garantir que o amônia necessário esteja disponível para o conversor catalítico SCR. Como a amônia é prejudicial à saúde e tem um cheiro desagradável mesmo em pequenas quantidades, um dispositivo chamado catalisador de escape de amônia (ASC) é instalado após o conversor catalítico SCR para garantir que nenhuma amônia não utilizada escape para o ambiente junto com os gases de escape.

Qual ciclo termodinâmico descreve com mais precisão o processo real de combustão em motores?

O ciclo de volume constante, conhecido também como ciclo Otto idealizado, é frequentemente utilizado como modelo teórico para o funcionamento dos motores a gasolina. A adição de calor nesse ciclo ocorre de maneira isocórica — ou seja, a volume constante — resultando numa elevação súbita da pressão interna. Essa explosão instantânea representa, na prática, a ignição da mistura ar-combustível dentro do cilindro.

Essa expressão mostra que a eficiência não depende diretamente das temperaturas absolutas, mas sim das características geométricas do motor e da natureza termodinâmica do gás. Quanto maior a razão de compressão e mais elevado o valor de κ, maior a eficiência do ciclo Otto. Essa característica teórica, no entanto, encontra limitações práticas: em motores a gasolina, compressões muito altas causam autoignição (detonação), prejudicando a operação segura.

O ciclo de pressão constante, ou ciclo Diesel, difere do ciclo Otto na forma como o calor é introduzido: aqui, a adição de calor ocorre isobaricamente (a pressão constante), expandindo o volume durante esse processo. A eficiência térmica é então calculada considerando os calores trocados nas transformações isobáricas e isocóricas, resultando na fórmula:
ηₜₕ = 1 − (1/κ) · [(φ^κ − 1) / (φ − 1) · ε^(κ−1)]
onde φ é a razão de volumes na expansão isobárica (φ = V₃ / V₂), e ε é, novamente, a razão de compressão.

No entanto, nem o ciclo Otto nem o ciclo Diesel representam com precisão o processo real de combustão. A combustão em motores reais não ocorre nem instantaneamente (como no ciclo Otto), nem de forma perfeitamente isobárica (como no ciclo Diesel). Para lidar com essa limitação, o ciclo de Seiliger foi proposto como um modelo mais representativo da realidade.

O ciclo de Seiliger combina as características dos ciclos Otto e Diesel, propondo a adição de calor em duas etapas sucessivas: primeiro uma adição isocórica, seguida de uma adição isobárica. Isso aproxima o modelo das condições reais de ignição e combustão nos cilindros dos motores. Consequentemente, o ciclo é composto por cinco etapas: compressão isentrópica, adição isocórica de calor, adição isobárica de calor, expansão isentrópica e rejeição isocórica de calor.

O novo parâmetro introduzido nesse ciclo é a razão de pressões ψ = p₃ / p₂, associada à etapa de adição isocórica de calor. A eficiência térmica do ciclo de Seiliger depende simultaneamente da razão de compressão ε, da razão de expansão φ, da razão de pressões ψ e do valor de κ, revelando a complexidade adicional desse modelo em comparação aos anteriores. A expressão final da temperatura T₅ após a expansão adiabática considera todos esses fatores combinados:

T₅ = T₁ · φ^κ · ψ

A eficiência térmica do ciclo Seiliger, portanto, incorpora um grau de liberdade adicional em relação aos ciclos Otto e Diesel, permitindo uma descrição mais fiel da combustão progressiva nos motores reais.

É essencial compreender que a escolha do modelo termodinâmico adequado não tem apenas relevância teórica. A eficiência real de um motor está diretamente ligada à forma como o combustível é queimado, às limitações físicas da compressão e às propriedades dos gases envolvidos. Enquanto o ciclo Otto privilegia uma abordagem teórica simples, o ciclo Diesel adapta-se melhor às exigências práticas dos motores de alto desempenho. O ciclo de Seiliger, por sua vez, oferece uma aproximação mais realista e sofisticada, útil para análises avançadas e otimização de motores.