ing. FLORIAN DAN

ing. CARMEN-EVA DAN

COMBUSTIBILI, POLUARE, MEDIUEDITURA DACIA Cluj-Napoca

CUPRINSCap. 1. INTRODUCERE.............................................................................. 17 Cap. 2. COMBUSTIBILI............................................................................. 27 2.1. Combustibili conventionali. Hidrocarburi........................................ 27 2.2. Proprietati fizice si chimice ale hidrocarburilor............................... 29 2.2.1. Compozitia fractionata.......................................................... 30 2.2.2. Densitatea............................................................................ 33 2.2.3. Viscozitatea........................................................................... 34 2.2.4. Tensiunea superficiala........................................................... 35 2.2.5. Caldura specifica si conductivitatea termica.......................... 36 2.2.6. Temperatura de aprindere si autoaprinderea....................... 37 2.2.7. Cifra cetanica si indicele diesel.............................................. 38 2.2.8. Cifra octanica........................................................................ 40 2.2.9. Continutul (cifra) de cocs....................................................... 43 2.2.10. Puterea calorica.................................................................. 43 2.2.11. Aditivi pentru combustibili.................................................... 44 2.2.12. Poluarea datorata combustibililor conventionali.................. 46 2.3. Combustibili neconventionali. Generalitati..................................... 49 2.3.1. Gazul petrol lichefiat.............................................................. 50 2.3.2. Pila de combustie.................................................................. 54 2.3.3. Propulsia hibrida................................................................... 57 2.3.4. Energia solara....................................................................... 58 Cap. 3. ARDEREA. GENEZA POLUANTILOR.............................................. 60 3.1. Aprinderea amestecului de combustibil si aer............................... 60 3.2. Arderea......................................................................................... 61 3.2.1. Viteza de ardere a amestecului carburant............................ 61 3.2.2. Procesul arderii in m.a.s........................................................ 66 3.2.3. Procesul arderii in m.a.c........................................................ 70 3.3. Poluarea chimica. Generalitati....................................................... 74 3.3.1. Geneza si efectele CO........................................................... 77 3.3.2. Geneza si efectele NOx.......................................................... 81 3.3.3. Geneza si efectele HC........................................................... 83 3.3.4. Geneza si efectele aldehidelor.............................................. 85 3.3.5. Geneza si efectele produsilor cu sulf..................................... 86 3.3.6. Geneza particulelor. Plumbul si efectele acestuia.................. 87 3.3.7. Geneza si efectele fumului.................................................... 88 3.3.8. Geneza si efectele ozonului.................................................. 90 3.4. Poluarea sonora............................................................................ 94 3.5. Poluarea electromagnetica............................................................ 97

3.6. Poluarea prin deseuri.................................................................... 97 Cap. 4. CONVERTORUL CATALITIC.......................................................... 98 4.1. Generalitati................................................................................... 98 4.2. Unitatea catalitica. Reactii chimice............................................... 100 4.3. Invelisul activat........................................................................... 102 4.4. Catalizatori din metal pretios...................................................... 103 4.5. Suportul catalitic.......................................................................... 104 4.5.1. Suportul ceramic.................................................................. 104 4.5.2. Suportul metalic.................................................................. 105 4.6. Transferul de masa..................................................................... 107 4.7. Functia catalizatoare................................................................... 108 4.8. Gradul de conversie.................................................................... 112 4.9. Durabilitatea catalizatorului........................................................ 113 4.9.1. Temperaturi inalte............................................................... 113 4.9.2. Calitatea combustibililor. Otravuri si inhibitori..................... 114 4.9.3. Pierderi de strat catalitic..................................................... 117 4.9.4. Incercarea catalizatorilor..................................................... 117 4.10. Sonda lambda........................................................................... 117 4.11. Tipuri de catalizatori.................................................................. 122 4.12. Catalizatori zeolitici................................................................... 124 4.13. Metode de reducere catalitica a NOx......................................... 125 4.14. Noi proiecte de catalizatori........................................................ 128 4.15. Noi aditivi catalitici..................................................................... 130 4.16. Controlul functionarii catalizatorului.......................................... 132 Cap. 5. NIVELUL POLUARII ADMIS DE LEGISLATIA ACTUALA............ 135 5.1. Nivelul poluarii chimice................................................................. 135 5.2. Nivelul poluarii sonore................................................................. 143 Cap. 6. TENDINTE IN DEZVOLTAREA MOTOARELOR CU ARDERE INTERNA............................................................................... 146 6.1. Consumul si rezervele energetice mondiale................................ 146 6.2. Tendinte legislative in domeniul auto.......................................... 147 6.3. Tendinte constructive in domeniul auto....................................... 151 Cap. 7. DIMENSIUNI ECONOMICE ALE POLUARII. POLITICI DE MEDIU............................................................................... 159 7.1. Impactul activitatilor de transport asupra mediului..................... 159 7.2. Metode economice de evaluare a poluarii mediului..................... 164 7.3. Costurile datorate poluarii autovehiculelor................................. 165 7.3.1. Costurile datorate poluarii chimice...................................... 170 7.3.2. Costurile datorate poluarii sonore...................................... 173 7.3.3. Alte costuri.......................................................................... 174 7.4. Politici de mediu.......................................................................... 175 Bibliografie.............................................................................................. 185

Lista de abrevieriCDI Common Rail Direct Injection; CO monoxid de carbon; CO2 dioxid de carbon; COV compusi organici volatili; dB(A) decibel pe curba audio de tip A (u.m.); raportul de compresie; EGR sistem de recirculare a gazelor arse; EMS sistem electronic de gestionare a motorului; GPL gaz petrol lichefiat; HC hidrocarburi; HDI High Direct Injection; LEV Low Emission Vehicle; MAC motor cu aprindere prin comprimare; MAS motor cu aprindere prin scanteie; NOx oxizi de azot (noxe); NMHC hidrocarburi fara metan; NSCR metoda de reducere catalitica neselectiva; O3 ozon; OBD On Board Diagnostics; p presiunea; Pa pascal (u.m.); pmi punct mort inferior; pms punct mort superior; Pb plumb; PIB produs intern brut; ppm particule pe milion (u.m.); PVR presiunea de vapori reid; RCC raport critic de comprimare; s secunde (u.m.); SCR metoda de reducere catalitica selectiva; SO2 dioxid de sulf; TLEV Transitional Low Emission Vehicle; TEP tetraetil de plumb; u viteza de propagare a flacarii in m/s; ULEV Ultra Low Emission Vehicle; W viteza masica de ardere in kg/s; W watt (u.m.); WHO World Health Organisation; Z.E.V. Zero Emission Vehicle; coeficientul de exces de aer.

Motto

Pazea! Pazea ca trece-n goana, Alearga, Vajaie ca vantul, Si daca n-ai urechi normale te face una cu pamantul! El vine drept din arsenalul Progresului uman Modern, Si te trimite-n bezna rece a Absolutului etern. Pazea! Ca trece-n zbor copilul civilizatiei eterne () Pazea, ca e iresponsabil El are flacari in artere Si te paleste fara veste cu patruzeci de cai putere! G. Toparceanu

1. INTRODUCERE

Aparitia si dezvoltarea societatii omenesti a impus fara indoiala si nevoia de transport. Omul primitiv trebuia sa se deplaseze in cautarea hranei, mergand pe jos, iar mai tarziu folosindu-se de animale de povara (primele mijloace de transport). In antichitate, transporturile au jucat un rol determinant in dezvoltarea societatii si formarea statelor. Primele orase luau nastere la intretaierea cailor de comunicatie naturale (confluente ale raurilor, porturi, intersectii de drumuri comerciale etc.). In aceasta perioada si ulterior in evul mediu, transporturile au cunoscut o sensibila dezvoltare dar, datorita caracterului limitat al productiei si circulatiei marfurilor, ele se limitau cu preponderenta in sfera comerciala, proprietarul mijloacelor de transport avand posibilitatea de a efectua atat activitatea de transport cat si pe cea de comercializare a marfurilor respective [53]. Transporturile se rezumau, indeosebi, la cele bazate pe tractiunea animala, pentru zona continentala si la mici ambarcatiuni ce traversau marile, fluviile si raurile navigabile. O data cu aparitia si dezvoltarea societatii industrializate, importanta atribuita procesului de transport s-a accentuat, ajungand sa exercite o influenta deosebita pe orizontala asupra intregului sistem productiv. Astfel, transporturile structureaza spatiul marilor orase moderne, influentand implantarea intreprinderilor si stimuland dezvoltarea schimburilor internationale. Epoca moderna, caracterizata prin dezvoltarea fortelor de productie si adancirea diviziunii sociale a muncii, a productiei, consumului si circulatiei marfurilor, a determinat si modernizarea si perfectionarea mijloacelor si cailor de transport, astfel incat s-a ajuns la delimitarea transporturilor fata de alte activitati economice, acestea devenind o ramura de sine statatoare. Evident ca aceasta veriga are o importanta covarsitoare in buna desfasurare a activitatilor umane, orice dereglare sau defectiune a acesteia producand perturbatii majore in celelalte compartimente ale productiei si consumului, ale economiei, in ansamblu. Mai mult, tendintele epocii moderne, de globalizare a activitatilor economice, au sporit rolul transporturilor fata de celelalte sectoare. Asigurarea aprovizionarii fiecarei celule economice, a fiecarei localitati, desfacerea produselor pe piata interna si pe pietele externe, mobilitatea populatiei depind de modul in care transporturile raspund exigentelor impuse. Un transport eficient reprezinta, in mod cert, un aspect al calitatii vietii, maximizarea rezultatelor activitatii acestuia conducand la numeroase si permanente tendinte si evolutii. Transportul nu reprezinta un scop in sine, ci un mijloc de realizare a unei multitudini de scopuri practice. Omul primitiv nu se deplasa si nu ducea cu sine cele necesare fara un tel anume, iar dupa o evolutie majora in timp, spatiu si concepte, societatea moderna de azi ofera nenumarate motivatii pentru deplasarea oamenilor si marfurilor. De aceea, se poate afirma ca transportul influenteaza toate laturile vietii economico-sociale, iar dezvoltarea echilibrata, armonioasa a acestora, in pas cu cerintele reproductiei largite, constituie un obiectiv important al politicii oricarui stat. Transporturile, in evolutia lor, au devenit plurimodale, internationale, mondiale. Dupa productia agricola, in stadiul atins de dezvoltarea sociala, ele constituie o necesitate vitala. De altfel, acest sector de activitate reprezinta un mediu viu, in permanenta evolutie, in care se confrunta, uneori prea accentuat, interese opuse [90]. Evolutia in timp a sistemelor de transport s-a realizat cu certitudine ca raspuns la cerintele societatii. Nevoilor tot mai accentuate privind mobilitatea bunurilor si persoanelor le-au fost oferite mijloace, modalitati de transport din ce in ce mai sofisticate atat din punct de vedere tehnic, logistic cat si infrastructural. La proiectarea acestora au prevalat intotdeauna ratiuni de natura economica, pe un plan ceva mai indepartat fiind luate in calcul si cele de ordin social. Validarea oricarei miscari in spatiu a bunurilor si persoanelor depindea exclusiv de scopul urmarit, de efectele economico-sociale ce urmau a fi obtinute. Cu toate acestea, evolutia de ansamblu a societatii omenesti a demonstrat, mai ales in ultimii ani, ca scoaterea din contextul natural a tuturor activitatilor umane, deci si cea specifica

transporturilor, nu numai ca nu este benefica societatii, analizate in ansamblul ei, dar poate deveni periculoasa, atat pentru calitatea vietii umane cat si pentru factorii de mediu. Aceste aspecte se pot demonstra stiintific apeland la cea de a doua lege a termodinamicii conform careia entropia totala dintr-un sistem inchis trebuie intotdeauna sa creasca in timp [4], [6]. Deoarece entropia poate fi asimilata haosului sau dezordinii unui sistem prin ecuatia Boltzmann [4], aceasta este echivalentul afirmatiei ca dezordinea trebuie sa creasca in sistemele inchise. Legea a doua a termodinamicii poate fi folosita pentru a arata de ce multe activitati umane genereaza consecinte negative ambientale ce nu pot fi evitate. Motivul principal pentru care dezordinea (entropia) se creeaza in mediu este nevoia de energie pentru a produce ordine in interiorul subsistemului. Conform principiilor stabilite ale termodinamicii, producerea de energie este posibila doar prin transformarea materialelor cu entropie scazuta (carbune, titei, gaz natural, uraniu) in reziduuri cu entropie mare (dioxid de carbon, dioxid de sulf, protoxid de azot, materiale radioactive, caldura reziduala etc.). Fiindca producerea de energie are loc in afara subsistemului, cresterea de entropie neta apare in restul mediului inconjurator unde cauzeaza diferite efecte nedorite. De vreme ce entropia este o masura a haosului sau a dezordinii, nu este surprinzator ca unii cercetatori au propus cresterea entropiei in mediul inconjurator, ca o masura alternativa pentru poluare. De pilda, Kmmel [75] a folosit entropia ca indicator al poluarii in modelele macroeconomice, iar Faber [50] a sugerat formularea unei functii a poluarii in care cresterea entropiei, datorita dispersiei si reactiei unor impuritati specifice, este folosita ca o masura a poluarii. Analiza rationala pentru utilizarea entropiei ca indicator inlocuitor pentru perturbarile de mediu a fost recomandata si de Ayres care mentioneaza: Pe masura ce materialele reziduale ating un echilibru local cu mediu, potentialul pentru o producere viitoare de entropie este o masura a potentialului lor de a antrena procese chimice si fizice necontrolabile, in sistemele ambientale. Ecotoxicitatea este, nici mai mult, nici mai putin decat perturbare ambientala. Deci, entropia potentiala poate fi privita ca o masura a probabilitatii a priori a ecotoxicitatii [5]. Un produs chimic este eliminat accidental in mediul inconjurator prin doua mecanisme primare, si anume, dispersia fizica si reactia chimica nedorita. Este interesant de notat cum aceste doua mecanisme de crestere a entropiei au o paralela cu paradigma de risc comun, care spune ca produsele chimice comporta un risc relativ la mediu sau la sanatate, doar daca exista o cale de expunere (adica produsele chimice trebuie sa se raspandeasca pentru a ajunge la un receptor sensibil) si daca produsul chimic este daunator receptorului (adica declanseaza reactii chimice nedorite, care sunt vatamatoare organismului) [70]. Pe baza acestei aprecieri, pare potrivit sa se utilizeze potentialul pentru cresterea entropiei, ca masura de inlocuire a poluarii mediului inconjurator. De fapt, paradigma entropie-poluare poate fi folosita pentru a intelege eforturile de remediere dintr-o noua perspectiva. In general, tehnologiile de remediere incearca sa inverseze sau sa limiteze cresterea entropiei in mediul afectat, fie prin controlul sau inversarea dispersiei de agenti poluanti, fie prin punerea impuritatilor sa reactioneze pentru a ajunge la echilibrul chimic, (starea in care entropia este maximizata) inainte ca acestea sa aiba sansa de a se dispersa in mediu si de a ajunge la receptorii sensibili. Trebuie notat faptul ca, dintr-o perspectiva practica pentru impuritatile cele mai dispersate si persistente, este putin probabil sa fie vreodata inlaturate din mediul inconjurator. Din nou, conform legii a doua a termodinamicii, este nevoie de o cantitate imensa de energie pentru a concentra materialele extrem de dispersate [50]. O data ce impuritatile s-au dispersat in mediul inconjurator, tehnologiile de remediere sunt extrem de ineficiente in solutionarea problemei de fapt, incercarile prea zeloase pot fi contraproductive. Aceasta conduce la al doilea tip de tehnologii, de remediere, care sunt concepute sa limiteze cresterea entropiei in mediul inconjurator, prin neutralizarea compusilor vatamatori inainte ca ei sa se disperseze in mediul inconjurator unde ar putea antrena reactii chimice nocive. Un exemplu simplu este neutralizarea reziduurilor acide cu baze, pentru a crea un amestec cu pH neutru, care este mult mai putin nociv decat deseurile originale. Exista multe tehnologii de remediere care utilizeaza reactii chimice sau biologice pentru a face reziduurile mult mai putin reactive, inainte ca acestea sa fie eliberate in atmosfera. Din perspectiva entropiei, reziduurile ating echilibrul chimic (adica entropia maxima) in camera de reactie, nu in mediul inconjurator. Exemple de tehnologii de tratament chimic si biologic sunt incinerarea, neutralizarea si bioremedierea. Desi tehnologiile de tratament chimic si biologic sunt cu siguranta mult mai eficiente decat acele eforturi de remediere care incearca doar sa limiteze, sau sa inverseze dispersia impuritatilor, este important de stiut ca multe din aceste tehnologii au si efecte secundare nedorite. De exemplu,

incinerarea poate genera gaze de ardere care contin cantitati minuscule de dioxina, ce sunt extrem de toxice. In plus, se produce cenusa, care contine metale toxice si care trebuie de asemenea tratata. Pana si bioremedierea, o tehnologie cu impact scazut, ce se bazeaza pe bacterii native care metabolizeaza agentii poluanti, poate cauza formarea de intermediari, care sunt mult mai toxici decat substanta initiala (de exemplu clorura de vinil, care este cancerigena in timpul bioremedierii solventilor clorurati. De asemenea, adaugarea de anumite substante chimice, care sunt folosite pentru stimularea bioremedierii, poate avea un impact negativ asupra ecologiei solului, sau depunerilor locale. Trebuie avute in vedere necesitatea de energie si de caldura reziduala care este emisa in mediul inconjurator ca rezultat al proceselor de control a poluarii. Este posibila calcularea echivalentului termic al substantelor nocive care este definit ca fiind caldura reziduala produsa prin tehnologiile de control a poluarii si care poate fi folosit ca indice de poluare totala in modelele economice [74]. Privite astfel, emisiile de substante pot fi, in principiu, convertite prin procesele de control al poluarii in emisii de caldura, care sunt considerate in general o forma mai benigna de poluare a mediului. Totusi, emisiile de caldura reziduala cu export de entropie pot deveni critice (periculoase) cand aportul de caldura antropogena in biosfera, care este de obicei 1013 W, atinge bariera de incalzire maxima permisa, de aproximativ 3 x 1014 W. De pilda, instalatia de tratare a apelor reziduale de la complexul chimic uzinal BASF din Germania foloseste tot atata energie cat un oras de 50 000 de locuitori [50]. Nu numai ca sunt emise in mediu cantitati imense de caldura reziduala, ca rezultat al acestui tratament, dar deteriorarea mediului este asociata intotdeauna cu orice forma de producere de energie. Asadar chiar si tehnologiile eficiente, de remediere chimica si biologica, pot avea efecte negative asupra mediului, multe dintre ele nefiind abordate datorita focalizarii limitate a stiintei si tehnologiei curente de mediu. Pentru ca majoritatea tehnologiilor de remediere nu sunt foarte eficiente in tratarea impuritatilor dispersate si de aici pe baza legii a doua a termodinamicii consecintele negative secundare ale operatilor de curatare, sunt in mod inerent inevitabile, s-a propus ca procesele industriale sa fie reconcepute in asa fel, incat sa fie realmente fara emisii, astfel ca poluarea ambientala sa fie prevenita in primul rand. In ultimul deceniu al secolului trecut, cercetarea de mediu a inceput astfel sa se concentreze asupra prevenirii poluarii, s-a nascut chiar si o noua disciplina academica: ecologia industriala, cu misiunea de a concepe procese industriale cu emisii zero [46],[2]. Activitatile economice curente produc o poluare grava in mediul inconjurator din cel putin doua motive; primul: peste 90% din energia care pune in miscare economia mondiala provine din combustibili minerali neregenerabili, ai caror produsi secundari de combustie, printre care CO2, SO2, NOx, HC etc. si particule, produc poluarea masiva a aerului si incalzirea globala; al doilea motiv: ca naturii deosebit de poluante a sistemului industrial actual tine de faptul ca materialele trec in mod linear prin economie (fig.1.1), resursele naturale sunt extrase din mediu si transformate in materii prime care sunt ulterior prelucrate in produse de consum. Dupa consum, reziduurile se reintorc in mediu, unde adeseori provoaca reactii negative asupra ecosistemelor.

Figura 1.1. Dupa cum s-a subliniat mai sus, misiunea ecologiei industriale este de a reconcepe procesele industriale curente astfel incat sa le faca mult mai compatibile cu mediul [46], [2]. Pentru a evita numeroasele efecte negative, asociate cu dispersia reziduurilor in mediu, ecologistii industriali si-au concentrat cel mai mult atentia asupra inchiderii ciclului materialelor [2].

Figura 1.2. Dupa cum este aratat in fig. 1.2, teoretic, este posibil sa se izoleze aproape complet economia de mediul inconjurator, recicland toate reziduurile in materiale ce pot fi prelucrate pentru obtinerea de bunuri de consum. De vreme ce reciclarea in procent de 100% nu este realizabila termodinamic [19], ar putea totusi sa fie posibil reducerea masiva a pierderii de reziduuri si a efectelor poluante ce tin de aceasta. In plus multe procese industriale ar putea fi de asemenea reconcepute, pentru eliminarea produsilor secundari toxici, sau a reziduurilor, astfel ca eliberarea de materii in mediul inconjurator, daca ar aparea, accidental, sa fie relativ nevatamatoare. Astfel, inchizand ciclul materialelor si eliminand scurgerea de substante toxice, ar putea fi posibila conceperea de procese industriale viitoare care sa fie virtual fara emisii poluante si sa aiba un impact neglijabil asupra mediului. Totusi, unul din cele mai importante aspecte este faptul, trecut cu vederea frecvent de catre majoritatea ecologistilor industriali si a specialistilor in prevenirea poluarii, ca este nevoie de o cantitate semnificativa de energie, pentru a conduce procesele industriale cu emisie zero in cadrul fluxului economic si ca producerea oricarei energii este asociata cu efecte negative asupra mediului. Considerand cantitatea limitata de combustibili minerali ramasi [25] si riscurile extreme pe termen lung, legate de producerea de energie nucleara, este clar ca in viitor intreaga energie trebuie sa provina din resurse regenerabile, adica trebuie sa fie direct sau indirect derivata din energia solara. In consecinta, intr-o economie constand din procese industriale cu emisii zero, alimentata cu energie regenerabila, singurele influente asupra mediului care mai raman sunt cele legate de conversia energiei solare. Transporturile influenteaza si, la randul lor, sunt influentate de caracteristicile dezvoltarii economico-sociale. Este bine stiut, de altfel, ca ele contribuie substantial la formarea PIB, la crearea de oportunitati privind angajarea fortei de munca si a beneficiilor indirecte orientate catre dezvoltarea regionala si globalizare. Din aceste considerente, se poate spune ca transporturile reprezinta o putere economica, un liant si un factor de influenta al celorlalte sectoare de activitate. Totodata, este din ce in ce mai evident ca politica din domeniul transporturilor se afla la un moment de rascruce. In timp ce este unanim recunoscuta importanta deosebita a existentei unor sisteme de transport moderne si eficiente, in cadrul noilor tipuri de structuri economice trebuie avute in vedere si alte aspecte, mai putin comensurabile si luate in calcul, precum deteriorarea mediului, a starii de sanatate, daca judecam activitatea la nivel local, sau accentuarea fenomenelor de incalzire a planetei si ploile acide sau diminuarea rapida a unor resurse energetice, in speta a petrolului, largind contextul la nivel planetar. In ultimul deceniu al secolului trecut, agenda poluarii europene si nord-americane a parcurs intregul ciclu, revenind astfel, in atentia forului mondial problema calitatii aerului urban, ce fusese la ordinea de zi pe agenda europeana, spre sfarsitul anului 1950. Motoarele cu aprindere prin comprimare, spre exemplu, nu au mai fost considerate ca fiind nepoluante pentru mediu, in momentul in care epidemiologi, oameni de stiinta cu experienta laboratorului si grupuri de experti [140] au descoperit ca particulele emise ar putea fi raspunzatoare de cresterea vizibila a manifestarii bolilor cardiovasculare si respiratorii chiar si fata de nivelurile comparativ scazute de poluare a aerului din orasele occidentale. Aceste aspecte nu au fost sesizate pana acum, deoarece metodele statistice mai vechi nu erau suficient de puternice sa detecteze rata foarte scazuta a efectului poluarii aerului, raportat la alte cauze ale instabilitatii sanatatii si datorita faptului ca nu erau larg raspandite calculatoarele, care sa poata

stoca mari cantitati de date. Un mare numar de studii epidemiologice au urmarit efectul diferitelor emisii din traficul rutier asupra sanatatii. Ingrijorarea populatiei pentru calitatea aerului este accentuata de efectele acesteia asupra copiilor si a condus la asocierea cu astmul, ale carui incidenta si raspandire au crescut dramatic in perioada celei de a doua jumatati a secolului. Dovezi curente sugereaza faptul ca poluarea aerului provoaca simptome la cei cu astm preexistent, dar nu exista dovada concreta ca astmul este cauzat de poluarea aerului. Sunt de asemenea temeri in ce priveste cancerul, deoarece anumite componente ale hidrocarburilor din gazele de esapament ale autovehiculelor, mai ales hidrocarburile aromate policiclice care provin de la motoarele cu ardere prin compresie, plus benzenul si 1,3-butadiena sunt cancerigene cunoscute [153]. Monoxidul de carbon (CO) este prezent in orasele tarilor in curs de dezvoltare, la niveluri suficient de mari pentru a genera boli cardiovasculare, prin deteriorarea capacitatii de transport de oxigen a sangelui. Introducerea de convertoare catalitice a facut ca astfel de niveluri sa tina de domeniul trecutului, daca, asa cum a fost cazul particulelor fine, tehnici imbunatatite nu permit detectarea efectelor, la niveluri mult mai scazute decat se proceda anterior. Acelasi lucru este adevarat si pentru plumb, despre care se cunoaste ca, la nivelul concentratiilor din anii anteriori provoaca afectiuni neurotoxice si coeficient de inteligenta scazut la copii [156]. Din studii de laborator se stie de mult ca bioxidul de sulf (SO2) produce tuse, la expunerea pe scurta durata, la concentratii mari, indeosebi la astmatici. Oxidul de azot (NO), alaturi de compusii organici volatili, este si el un precursor al ozonului de la nivelul solului (O3) si al altor poluanti fotochimici. Se cunoaste ca O3 inrautateste simptomele astmului si ca este asociat cu o crestere a numarului de internari de urgenta respiratorie, daunand si culturilor agricole. O diferenta majora dintre O3 si emisiile primare de la sursele de transport este aceea ca timpul necesar formarii O3 este suficient de mare incat cele mai mari concentratii sa fie gasite, chiar si la 100 km de sursa, fiind astfel un poluant regional. Exceptand conditiile cele mai grave de smog fotochimic, valorile masurate de O3 la nivelul strazii, din diferite centre urbane, tind sa fie mai scazute decat in alta parte, sau chiar zero, din cauza apropierii surselor de oxid de azot (NO) din traficul rutier, care elimina O 3 pentru a forma bioxidul de azot (NO2). Unii cercetatori au inceput sa descrie O3 ca fiind un poluant global, deoarece valorile de fond cresc de-a lungul intregii zone nord-atlantice, datorita emisiilor combinate din traficul rutier nord-american si vest-european. Ceea ce ramane de vazut este gradul in care poluarea aerului prin emisiile din transport este responsabila pentru aceasta si ce modalitate de transport cauzeaza cea mai mare, sau cea mai mica producere de O3 la nivelul solului. Organizatia Mondiala a Sanatatii (World Health Organisation) a realizat studii ample, cu privire la efectele unui anumit numar de poluanti asupra mortalitatii si morbiditatii [156]. Estimarile efectelor lor au fost folosite de altii, pentru a calcula aspectele evenimentelor negative din sanatate, care se pot atribui poluarii. De exemplu, in Marea Britanie, COMEAP (Departamentul din Regatul Unit al Comitetului de Sanatate al Efectelor Medicale ale Poluarii Aerului) a calculat ca poluarea cu particule avand diametrul de 10 m, simbolizate cu prescurtarea PM10, a fost asociata cu 8100 de decese si cu 10.500 de internari in spital pe probleme respiratorii (cauzate si aditionale) din zonele urbane din Marea Britanie. Pentru SO2 cifrele respective au fost de 3500 de decese si 3500 de internari de urgenta in spital. Efectele ozonului au fost: 700 de decese si 500 de internari, daca se considera ca nu exista efecte asupra sanatatii la o concentratie mai mica de 50 ppm, si 12.500 decese si 9900 internari, daca nu exista nici un prag [124]. Riscul datorat ozonului este mai crescut pentru locuitorii din zonele rurale, deoarece emisiile de NOx din traficul rutier urban au efect de descompunere a ozonului in orase [32], [41]. Rapoartele pregatite pentru conferinta ministeriala a OMS, asupra Mediului si Sanatatii, de la Londra din iunie 1999, [137], [144], au luat in considerare efectele cronice ale poluarii aerului, expunerea populatiei la PM10 si o evaluare economica a efectelor asupra sanatatii. Acestea au relevat faptul ca Austria, Franta si Elvetia suporta circa 50 milioane de euro, cheltuieli in domeniul sanatatii, legate de poluarea aerului, din care putin sub 30 milioane de euro, tin de traficul rutier. In SUA, au fost calculate beneficiile anuale de sanatate, cu privire la preparativele de atingere a noilor standarde PM2.5, relative la concentratiile ambientale din 1994-1996. Acestea par a se situa la o medie de 32 de milioane dolari anual. O dificultate majora, in cuantificarea impactului poluarii aerului asupra sanatatii este aceea ca un mare numar de oameni sunt expusi unor nivele relativ scazute, pe perioade lungi de timp, avand ca rezultat probleme de sanatate usoare si rare, ce sunt dificil de evaluat sau dificil de atribuit unei surse date de poluare.

Iata ca, impresia larg raspandita ca aerul curat, aparent, este cu adevarat curat pare deci sa fi disparut, in ultimele doua decenii ale secolului trecut si spre deosebire de jumatatea aceluiasi secol, transportului i se acorda cea mai mare atentie ca sursa de poluare a aerului. Faptul ca poluarea aerului generata de transportul modern este in mare masura invizibila pare a avea ca rezultat nu ignorarea acesteia, ci perceptia ei tot mai infricosatoare, iar radiatia ionizanta invizibila a devenit un subiect cauzator de multa teama si suspiciune, in majoritatea societatilor. Astfel, in deceniul sapte al secolului trecut, s-a observat brusc faptul ca, in zonele foarte poluate din Black Triangle (Triunghiul Negru) din Germania de Est, Cehoslovacia si Polonia, copacii pareau sa moara in masa [68] si o multime de pesti morti apareau la suprafata raurilor si lacurilor suedeze, precum si in medii similare din America de Nord. Initial, s-a dat vina, in mare masura, pe folosirea carbunelui in marile arderi ale fabricilor, cu emisii constante de bioxid de sulf transformat in acid sulfuric prin oxidarea atmosferica. Conform conventiilor internationale (Geneva in 1979 si Helsinki in 1985) referitoare la reducerea emisiilor, urmatorul pas pentru reducerea emisiilor poluante putea fi inlocuirea carburantului mineral cu energia nucleara. Orientarea politica ecologica (a verzilor) din Germania, mai ales de pe linia frontului razboiului rece nuclear, s-a opus totusi acestei tendinte, iar atentia s-a indreptat catre automobilele particulare, ca surse de precursori ai oxidului de azot la concentratia atmosferica tot mai crescuta de acid azotic. Convertorii catalitici tridirectionali pentru controlul emisiilor de oxizi de azot, hidrocarburi si monoxid de carbon au fost folositi in Germania din 1984, cu noua ani inainte ca legislatia europeana sa faca obligatoriu controlul acestor emisii [125]. Suedia si Elvetia au introdus si ele standarde ale emisiilor vehiculelor inaintea celorlalte tari ale Europei, in 1976 si, respectiv, in 1982. Astfel, Europa a inceput sa ajunga din urma Statele Unite, in ceea ce priveste controlul emisiilor provenite din transport, dar impactul asupra mediului, care a dus la schimbare, a fost diferit de cele doua parti ale Atlanticului. Transportul rutier se deosebeste de alte surse de poluare a aerului prin aceea ca emisiile au loc in imediata vecinatate a receptorilor umani. Aceasta reduce posibilitatea ca atmosfera sa dilueze emisiile, lucru care le-ar face mai putin daunatoare sanatatii omului. In plus, in majoritatea centrelor urbane, in atmosfera concentratiile de gaze de evacuare provenite de la autovehicule sunt accentuate de faptul ca multe strazi au de-a lungul lor cladiri. Efectul acestor cladiri este de a proteja strada, reducand viteza vantului la sursa emisiilor, comparativ cu viteza vantului pe un drum deschis. Contributia emisiilor din traficul de pe acel drum la concentratiile de poluanti de pe trotuar este intensificata de acelasi factor. O astfel de marire are adesea un impact mic la expunerea totala zilnica a populatiei, la un poluant dat, in mare parte pentru ca oamenii petrec o mai mare parte din timp inauntru [66]. Totusi, mare parte din munca legata de poluarea aerului s-a focalizat asupra mediului exterior constatandu-se ca multi indivizi au un mai slab control asupra aerului pe care-l respira in afara locuintei decat in propriile lor case, iar nivelurile ridicate de poluare a aerului de pe strazile oraselor coincid cu zgomotul, mirosul, praful si congestionarea traficului, percepute in mod neplacut si conducand la sporirea si mai accentuata a preocuparii relative la posibilele efecte asupra sanatatii. Mai mult, impactul major al emisiilor din traficul rutier asupra sanatatii omului poate surveni in interiorul cladirilor aflate de-a lungul strazilor, unde concentratiile de poluanti din traficul rutier sunt determinate in mare masura de concentratiile exterioare, adiacente ferestrelor si usilor [73]. Epoca in care problematica specifica transporturilor era tratata, pana de curand, doar din perspective de ordin economic precum, de exemplu, cazul proiectarii unui segment de drum care se facea conform prognozei privind cererea de transport dinspre sau catre centre de atractie aflate pe traseul acestuia, este pe cale de disparitie. In prezent, isi face loc, din ce in ce mai rapid, o analiza complexa care sa aiba in vedere, simultan, trei cerinte: economice, ecologice, sociale. Un motiv important, pentru care se accepta din ce in ce mai mult acest nou tip de abordare, este acela ca astfel se incearca o eficientizare a activitatii de transport, atat din perspective economice, cat si ecologico-sociale. Totodata, se creeaza premisele stimularii unei concurente reale intre diferitele modalitati de deplasare (rutiera, feroviara, navala sau aeriana).

2. COMBUSTIBILI2.1. Combustibili conventionali. HidrocarburiCombustibilii conventionali utilizati la motoarele cu ardere interna sunt de natura petroliera, proveniti din combinatii chimice ale carbonului cu hidrogenul (hidrocarburi). Combustibilii neconventionali sunt de alta natura decat petroliera, si anume sintetici sau naturali, in stare lichida, gazoasa sau chiar solida. Un atom de carbon poseda patru electroni pe orbita exterioara si se poate combina cu patru atomi de hidrogen, deoarece atomul de hidrogen are un singur electron pe orbita exterioara. Atomii de carbon se pot combina si intre ei, rezultand lanturi deschise de atomi de carbon (hidrocarburi aciclice), astfel:

Figura 2.1 In figura 2.1, in ordine, sunt metanul (CH4), etanul (C2H6) si propanul (C3H8).Hidrocarburile aciclice se numesc normale, daca lantul atomilor de carbon este neramificat, si ramificate, daca lantul are ramificatii:

Figura 2.2. In figura 2.2, in ordine, sunt butanul normal (C4H10) si izobutanul (C4H10). Lantul atomilor de carbon poate fi inchis si in acest caz (fig.2.3), hidrocarburile numindu-se ciclice (ex: ciclobutanul C4H8):

Figura 2.3. Intre atomii de carbon pot sa se realizeze si legaturi chimice mai complicate (duble sau triple), de exemplu:

Figura 2.4. In figura 2.4, sunt, in aceeasi ordine, etenul (C2H4), acetilena (C2H2) si benzenul (C6H6). Tipul legaturilor dintre atomii de carbon constituie un criteriu important de clasificare a hidrocarburilor. Se deosebesc astfel hidrocarburi saturate (cu legaturi simple intre atomii de carbon) si nesaturate (cu legaturi duble sau triple intre atomii de carbon). Hidrocarburile saturate pot fi parafinice (alcani-aciclice) si naftenice (cicloalcani-ciclice). Hidrocarburile parafinice sunt cu catena (lantul atomilor de carbon deschis), iar cele naftenice sunt hidrocarburi ciclice saturate [86]. Datorita structurii lor ciclice, hidrocarburile naftenice sunt mai stabile decat cele parafinice, in ceea ce priveste descompunerea si oxidarea. Hidrocarburile nesaturate se impart de asemenea in olefine (alchenele), acetilenice (alchinele) si aromatice. O sistematizare a clasificarii hidrocarburilor saturate si nesaturate este prezentata in tabelul 2.1 [10]: Tabelul 2.1 Clasificarea hidrocarburilorHIDROCARBURI NESATURATE cu legaturi duble sau triple intre atomii de carbon Aromatice benzen C6H6 Acetilenice acetilena C2H2 SATURATE cu legaturi simple intre atomii de carbon Naftenice ciclopropan C3H6 Parafinice metan CH4

Olefinice etena C2H4

Daca in cursul reactiei chimice molecula unei hidrocarburi cedeaza un atom de hidrogen, se obtine un radical R, cu o valenta libera, foarte activ in procesul chimic. Combinarea hidrocarburilor cu oxigenul conduce la numerosi compusi organici, care se clasifica pe baza grupelor functionale de atomi. Alcoolii sunt substante organice a caror molecula este formata dintr-un radical de hidrocarbura legat la grupul hidroxil OH(R-OH). Aldehidele (R-CHO), cetonele (R-CO-R), acizii organici (R-COOH) si eterii (R-O-R) sunt alte combinatii ale atomilor de carbon, oxigen si hidrogen, cu proprietati specifice, in functie de grupele functionale de atomi. Continutul petrolului brut (titeiului) in hidrocarburi si alte substante difera foarte mult de la un zacamant la altul.

2.2. Proprietati fizice si chimice ale hidrocarburilorCombustibilii lichizi pentru motoare se pot obtine atat din petrolul brut cat si pe cale artificiala, din diferite gudroane si uleiuri prin hidrogenare sau sinteza. Schema 2.1 prezinta produsele care rezulta prin distilarea petrolului brut. Prin distilarea si rafinarea benzinei brute, care contine hidrocarburi din seria parafinelor (pentanul, hexanul, heptanul si octanul), se obtin: eterul de petrol (gazolina), care distila intre 50 si 60C; benzina de extractie, care distila intre 60 si 100C si benzina pentru MAS, cu limita de distilare intre 50 si 200C, avand o densitate relativa de 0.700-0.745 la 20C. Petrolul si motorina utilizate la MAC distila intre 170-300C si respectiv, 220-400C [10]. Pacura, desi reprezinta reziduul distilarii fractionate a petrolului brut, este utilizata ca materie prima pentru obtinerea, prin cracare, a benzinelor de cracare si ca materie prima pentru fabricarea motorinelor grele. Pacura amestecata cu motorina se utilizeaza pentru MAC lente. La unele motoare stationare si mai putin la cele mobile se utilizeaza si combustibili gazosi (gazul metan, gazul de sonda etc.). Utilizarea combustibililor solizi la motoarele cu ardere interna este in faza experimentala.

Schema 2.1 O parte din proprietatile fizico-mecanice ale combustibililor influenteaza procesele care au loc in motor (pulverizarea, vaporizarea, autoaprinderea si arderea combustibilului, precum si uzura motorului), o alta parte influentand alimentarea motorului cu combustibil, transportul, depozitarea si manipularea acestuia. Astfel, pulverizarea, vaporizarea, autoaprinderea si arderea combustibilului sunt influentate deurmatoarele proprietati: compozitia fractionata, densitatea, viscozitatea, tensiunea superficiala, caldura specifica si conductivitatea termica, temperatura de autoaprindere, cifra cetanica, cifra octanica, indicele Diesel, indicele de cocs si puterea calorica. Uzura motorului este influentata nefavorabil de alcalinitatea minerala, de aciditatea organica, de continutul de impuritati mecanice; asupra transportului, depozitarii simanipularii combustibilului influenteaza: punctul de congelare, punctul de inflamabilitate, culoarea etc.

2.2.1. Compozitia fractionataArderea combustibililor lichizi in motoarele cu ardere interna are loc in conditii avantajoase, numai in faza gazoasa (stare de vapori). Cu cat gradul de vaporizare a combustibilului este mai accentuat, se asigura o pornire mai usoara, o functionare mai economica si o uzura mai redusa a pieselor in miscare relativa. Combustibilii lichizi fiind formati din fractiuni care se deosebesc dupa temperaturile de fierbere, compozitia pe fractiuni a combustibilului se numeste compozitie fractionata (curba de distilare fractionata). Compozitia fractionata indica deci continutul volumic, procentul de hidrocarburi (fractii) care fierb (distila) pana la o anumita temperatura. In general prin curbele de distilare se urmareste cunoasterea temperaturii la care distila 10%; 35%; 50%; 90 si 97.5-98% din produsul supus distilarii, precum si determinarea punctului de distilare mediu. In figura 2.5, este prezentata curba de distilare ASTM pentru un combustibil lichid, abscisa reprezentand temperatura de distilare, iar ordonata, volumul de combustibil distilat, in procente [22].

Figura 2.5. Temperatura t10% reprezinta temperatura la care distila primele 10% fractiuni, in volum, de combustibil si constituie o masura a continutului de fractiuni usoare ale combustibilului. Cu cat t10% este maiscazuta si cu cat PVR este mai mare, continutul de fractiuni usoare ale combustibilului este mai mare. Pe langa procesele de pornire ale motorului, de percolare, de givraj si de formare a dopurilor de vapori, continutul de fractiuni usoare influenteaza comportarea la rece a motorului si prin aceasta nivelul emisiilor poluante in timpul pornirii si incalzirii motorului. Daca benzina are un continut ridicat de

fractiuni usoare, atunci se micsoreaza considerabil emisiile de CO si CH, in perioada incalzirii, se asigura o distributie mai uniforma a amestecului carburant in cilindrii motorului, avand drept urmare reducerea emisiilor din gazele de evacuare. In acelasi timp insa, pierderile prin evaporare din rezervorul de combustibil si din carburator cresc, iar reactivitatea hidrocarburilor la formarea smogului fotochimic creste. In figura 2.6 este redata compozitia fractionata a unor combustibili utilizati in motoare termice: 1-benzina de aviatie; 2-benzina auto; 3-withe spirit; 4-petrol lampant; 5-petrol pentru tractoare; 6-motorina [10].

Figura 2.6. La MAS cu carburator, temperatura t10% caracterizeaza volatilitatea benzinei. Aceasta se apreciaza prin temperatura t10% si prin presiunea de vapori Reid (PVR), caracteristica avand importanta in special pentru pornirea usoara a motorului (in practica, se considera ca pornirea este usoara, daca arborele cotit trebuie antrenat mai putin de zece rotatii inainte ca motorul sa inceapa sa functioneze independent). Functionarea MAS cu carburator este influentata si de continutul de fractiuni grele din combustibil, care se apreciaza prin temperatura t90%. Cu cat temperatura la care distila 90% din combustibil este mai mica, cu atat combustibilul contine mai putine fractiuni grele. Combustibilul cu un continut mai mare de fractiuni grele se vaporizeaza mai greu, influentand nefavorabil consumul de combustibil si uzura motorului. La MAC, unde procesul aprinderii si arderii combustibilului are loc tot in faza gazoasa, viteza de formare a amestecului combustibil-aer depinde atat de pulverizarea cat si de vaporizarea picaturilor de combustibil. Cu cat turatia motorului este mai ridicata, timpul disponibil pentru formarea amestecului este mai redus, deci importanta vitezei de vaporizare este mai mare. Amestecul se formeaza mai usor daca temperatura de vaporizare este mai scazuta. Compozitia fractionata mai influenteaza viteza de crestere a presiunii in timpul arderii, temperatura gazelor de evacuare si procentul de fum al acestor gaze. In exploatare s-a constatat influenta pe care o are compozitia fractionata asupra economicitatii. Prin trecerea de la un combustibil cu t90% la 300C la un altul cu t90% la 355C, consumul specific de combustibil a crescut pana la 17%. Prezenta fractiunilor grele in combustibilii utilizati in motoare termice cu piston influenteaza de asemenea formarea depunerilor carbunoase, care marescuzura pieselor principale ale motorului, inrautatind si procesele de injectie si ardere.

2.2.2. DensitateaDensitatea combustibililor lichizi variaza in limite restranse, dupa natura hidrocarburilor, fiind proportionala cu numarul de atomi de carbon din molecula conform tabelului 2.2. Raportul dintre densitatea combustibilului la +20C si densitatea apei la +4C si 760 torr se numeste densitate relativa a combustibilului 420. Daca temperatura combustibilului nu este + 20C, densitatea relativa se recalculeaza conform relatiei 2.1 [10], care tine seama de variatia de volum a combustibilului cu temperatura, t fiind

temperatura la care se face determinarea, iar a coeficientul de corectie a densitatii relative pentru 1C (tabelul 2.3). Tabelul 2.2 Valorile densitatii relative a unor combustibiliCombustibilul Benzina Petrol Motorina Densitatea relativa 0,682 0,767 0,755 0,874 0,820 0,910

2.1. Tabelul 2.3 Valorile coeficientului de corectie a densitatii relative pentru 1C, la produse petroliereDensitatea relativa 0,740-0,750 0,750-0,760 0,760-0,770 0,770-0,780 0,780-0,790 0,790-0,800 0,800-0,810 a 0,000844 0,000831 0,000818 0,000805 0,000792 0,000778 0,000765 Densitatea relativa 0,810-0,820 0,820-0,830 0,830-0,840 0,840-0,850 0,850-0,860 0,860-0,870 0,870-0,880 A 0,000752 0,000738 0,000728 0,000713 0,000699 0,000686 0,000673

Densitatea relativa a produselor petroliere lichide se determina cu areometrul sau cu balanta Mohr-Westphal, conform STAS 35-81.

2.2.3. ViscozitateaRezistenta opusa la curgerea unui fluid din cauza frecarii sale interioare se numeste viscozitate. Viscozitatea dinamica se masoara in poise (1P = 0,1Ns/m2), iar viscozitatea absoluta cinematica, in stokes (1St = 10-4m2/s) sau centistokes (cSt). In determinarile practice se utilizeaza mai des viscozitatea conventionala Engler (E), (1 St = E 0.076(1-1/E3)). Viscozitatea este o proprietate principala a combustibililor, de care depinde in foarte mare masura calitatea pulverizarii si formarea amestecului, mai ales in MAC. Pentru buna functionare a motoarelor termice este necesar ca in intervalul temperaturii de exploatare, variatia viscozitatii sa fie, pe cat posibil, mai mica. Pentru motorinele folosite la MAC, STAS 240-80 prevede ca viscozitatea sa fie cuprinsa in intervalul 1,172 E. Limita inferioara a viscozitatii este impusa de conditia asigurarii unei ungeri satisfacatoare a pieselor mobile din instalatia de injectie, iar limita superioara, de caracteristicile injectiei. Pentru benzine nu se indica limite in ceea ce priveste viscozitatea. Variatia viscozitatii motorinei utilizate la motoarele D 110 cu temperatura si presiunea este redata in figura 2.7, respectiv, figura 2.8. [10]. Daca se compara influentele temperaturii si ale presiunii asupra viscozitatii, se constata ca in procesul de injectie la presiunea de 140 daN/cm2 viscozitatea a crescut cu circa 47% (fig. 2.8), iar sub influenta cresterii temperaturii de la 15 la 50C a scazut cu 35% (fig. 2.7).

Figura 2.7.

Figura 2.8. Se observa deci ca, in procesul de injectie, influenta temperaturii si a presiunii asupra viscozitatii combustibilului se compenseaza, in afara de cazul pornirii la temperaturi joase, cand influenta presiunii este preponderenta. In perioada de pornire, cand temperatura elementilor pompei de injectie este sub 15C, viscozitatea combustibilului depaseste cu mult valoarea de 1.7, care este limita superioara impusa de calitatea pulverizarii si uzura sistemului de injectie.

2.2.4. Tensiunea superficialaTendinta combustibililor de a-si micsora suprafata libera pana la o anumita limita reprezinta fenomenul de tensiune superficiala. Tensiunea superficiala este o caracteristica principala a combustibililor, ea influenteaza direct pulverizarea combustibilului. Cu cat tensiunea superficiala este mai mare, cu atat diametrul mediu al picaturilor de combustibil pulverizat este mai mare, deci finetea si omogenitatea pulverizariise inrautatesc. Tensiunea superficiala a combustibililor depinde de natura combustibilului, de temperatura si de presiune. Cu cat continutul de fractiuni grele este mai ridicat, cu atat tensiunea superficiala se mareste. Dintre metodele existente pentru determinarea tensiunii superficiale, cea mai indicata este metoda ascensiunii in capilar. Din ecuatia de echilibru a greutatii coloanei de lichid cu forta tensiunii superficiale aplicata pe circumferinta capilara rezulta [10]: 2.2 de unde [dyn/cm] 2.3

unde, este tensiunea superficiala a combustibilului; r raza interioara a tubului capilar, in cm; h inaltimea de urcare a combustibilului in tubul capilar, in cm; g acceleratia gravitatiei, in cm/s2; densitatea combustibilului, in g/ cm3. Variatia tensiunii superficiala in functie de temperatura, pentru un combustibil utilizat, la motoarele diesel, conduce la scaderea acesteia cu cresterea temperaturii.

2.2.5. Caldura specifica si conductivitatea termicaMarimea caldurii specifice si a conductivitatii termice influenteaza schimbul de caldura dintre combustibil si aerul din camera de ardere, intarzierea la autoaprindere etc. Figura 2.9 reda variatia caldurii specifice a doi combustibili in functie de temperatura, iar figura 2.10, variatia conductivitatii termice a unei motorine in functie de temperatura. Curba 1 din figura 2.9 reprezinta variatia caldurii specifice a benzinei in functie de temperatura, respectiv curba 2, a motorinei. Caldura specifica si conductivitatea termica a combustibililor este influentata intr-o oarecare masura si de presiune. Influenta presiunii asupra caldurii specifice a combustibilului la temperaturi mai mici decat cele critice este insa neglijabila.

Figura 2.9.

Conductivitatea termica este de asemenea foarte putin influentata de presiune, o influenta mai pronuntata observandu-se la combustibili sub forma de vapori.

Figura 2.10

Curba 1 din figura 2.10 reprezinta variatia conductivitatii termice a unei motorine in stare lichida, iar curba 2, variatia conductivitatii termice pentru motorina in stare gazoasa.

2.2.6. Temperatura de aprindere si autoaprindereTemperatura de aprindere este aceea la care amestecul format din vapori de combustibil si aer, o data aprins, arde continuu cel putin 5 s, iar temperatura de aprindere este temperatura minima la care un combustibil in amestec cu aerul sau oxigenul se autoaprinde fara interventia unei surse exterioare.

Figura 2.11. In figura 2.11, este redata variatia temperaturii de autoaprindere a combustibilului in functie de presiunea aerului, pentru urmatorii combustibili: 1 benzen, 2 benzina; 3 motorina.

2.2.7. Cifra cetanica si indicele dieselCifra cetanica (C.C.) serveste drept criteriu pentru aprecierea calitatilor la autoaprindere a combustibililor pentru MAC. Ea se determina prin compararea combustibilului dat cu un combustibil etalon, care trebuie sa aiba, in aceleasi conditii de incercare, calitati identice la autoaprindere. Combustibilul etalon este format din doua hidrocarburi: cetanul (C16H34 o hidrocarbura alcalina, care se descompune usor la temperaturi relativ joase, iar in prezenta oxigenului formeaza compusi intermediari de oxidare) si -metilnaftalenul (C11H10 hidrocarbura aromatica cu rezistenta mare la autoaprindere). Conventional, se considera ca cetanul are o cifra cetanica egala cu 100 unitati, iar -metilnaftalenul o cifra cetanica egala cu zero. Cifra cetanica reprezinta procentul in volume de cetan dintr-un amestec de cetan si -metilnaftalen, care are aceleasi calitati la autoaprindere ca si combustibilul incercat. Astfel, daca un combustibil de incercat are aceleasi calitati la autoaprindere ca si un amestec de 50% cetan si 50% -metilnaftalen, combustibilul in cauza are cifra cetanica 50. Determinarea cifrei cetanice pe motor se poate face prin mai multe metode, dintre care cele mai raspandite sunt: metoda raportului critic de compresiune, metoda intarzierii la autoaprindere si metoda coincidentei autoaprinderilor. Ultima metoda necesita dispozitive mai simple de inregistrare, precizia determinarii fiind de 1,5 unitati fata de 5 la prima metoda si 2,5 unitati la metoda a doua. Cifra cetanica a combustibililor se determina pe un motor monocilindric cu raport de compresiune variabil. Pornirea motorului se face cu un electromotor care in timpul functionarii se transforma in frana electrica, mentinand constanta turatia motorului. In exploatare, cifra cetanica a combustibililor influenteaza functionarea motorului printr-o serie de factori. Micsorarea cifrei cetanice a combustibilului ingreuneaza pornirea motorului (se mareste timpul necesar pornirii); de asemenea se mareste in general si consumul specific de combustibil. Pe de alta parte, cresterea exagerata a cifrei cetanice duce la sporirea consumului specific de combustibil. Avand un punct de congelare ridicat, combustibilii cu cifra cetanica inalta infunda conductele de alimentare ale instalatiei de injectie in cazul exploatarii la temperaturi joase. Prin cercetari experimentale s-a stabilit ca domeniul favorabil al C.C. este cuprins intre 40 si 50 de unitati.

Deoarece cifra cetanica depinde foarte mult de compozitia chimica a combustibililor, aceasta poate fi considerata un criteriu principal in determinarea cifrei cetanice. Cifra cetanica cea mai mare o au alcanii, iar cifra cetanica cea mai mica, hidrocarburile aromatice. Motorinele din tara noastra, formate din fractiuni cu intervalul de distilare intre aproximativ 200 si 400C, provenind mai ales din distilarea primara a titeiului, au cifra cetanica cuprinsa intre 34 si 68 deunitati, in functie de provenienta titeiurilor. Indicele diesel (produsul dintre densitatea D, in grade API si punctul de anilina A, in F, impartit cu 100) este o cifra caracteristica ce indica de asemenea comportarea motorinelor la autoaprindere (STAS 50-76):

2.4 Punctul de anilina se determina prin metoda volumelor egale de anilina si produs petrolier, reprezentand temperatura minima la care amestecul devine o faza omogena (STAS 178-82). Densitatea motorinei se determina conform STAS 35-81; in cazul cand se folosesc nomograme pentru determinarea indicelui diesel, se raporteaza la 15,56C (60F).Indicele diesel al motorinelor din tara noastra, provenite din diferite titeiuri, are valorile intre 28 si 76. Depedenta dintre indicele diesel si cifra cetanica este redata in tabelul 2.4: Tabelul 2.4 Corelatia intre indicele Diesel si cifra cetanicaIndicele Diesel 24 34 42 Cifra cetanica 30 35 40 Indicele Diesel 41 56 64 Cifra cetanica 45 50 55

2.2.8. Cifra octanicaAmeliorarea indicilor economici ai MAS se poate realiza, in primul rand, prin cresterea raportului de compresie, care este insa limitat de aparitia detonatiei. Raportul de compresie care corespunde aparitiei detonatiei se numeste raport critic de comprimare (RCC). In figura 2.12 este redata dependenta raportului critic de compresie de numarul de atomi de carbon din lanturile laterale ale moleculei unei hidrocarburi aromatice [101]. Hidrocarburile aromatice sunt interesante deoarece se gasesc aproape toate in intervalul de fierbere a benzinei si au CO>100. Acestea au moleculele alcatuite din unul sau mai multe nuclee, benzenice, cu sau fara catene laterale. Prin aditionarea unui lant lateral la nivelul benzenic si prin cresterea lungimii lantului, RCC scade; ramificarea lantului mareste RCC. Corelatia dintre structura moleculara a hidrocarburii si rezistenta la detonatie capata o anumita explicatie in lumina teoriei care considera detonatia un proces polistadial de autoaprindere. Valoarea antidetonanta a hidrocarburilor, determinata de sporirea compactitatii moleculelor, creste, probabil, ca urmare a maririi rezistentei la atacul moleculei de catre oxigen si deci duce la formarea de peroxizi si flacari reci. Deoarece combustibilii pentru motoare sunt amestecuri de hidrocarburi, cei care contin hidrocarburi cu structura chimica mai compacta (izoparafine, aromatice) prezinta o mai mare rezistenta la detonatie. O sporire a valorii antidetonante a combustibililor se poate obtine prin prelucrare chimica. Din figura 2.13 se poate observa influenta procedeului de fabricatie a benzinei asupra raportului critic de compresie.

Figura 2.12.

Figura 2.13. Cifra octanica variaza in functie de compozitia fractionata numai pentru benzinele de distilare primara si cele de cracare (fig.2.14). In aceste cazuri, o data cu scaderea punctului final de fierbere scade continutul de alcani cu numar mare de atomi in molecula si creste continutul de hidrocarburi usor volatile [101]. Benzinele de cracare catalitica nu isi modifica cifra octanica datorita aromatelor. Benzinele de distilare primara sau cracare termica determina variatii importante ale CO pentru diverse motoare. Cifra octanica (procentul in volume de izooctan C8H18 in amestec cu normal-heptan C7H16, care are aceeasi sensibilitate la detonatie ca si combustibilul de incercat), corespunzatoare raportului critic de compresie, permite aprecierea calitatilor antidetonante ale benzinelor. Cifra octanica se determina prin doua metode: metoda motor si metoda cercetare. Diferenta dintre cifrele octanice ale aceluiasi combustibil, obtinute prin cele doua metode, constituie sensibilitatea combustibilului.

Figura 2.14. Cifra octanica, prin metoda motor, se determina pe un motor in patru timpi, cu raport de compresie variabil intre 4 si 10, turatia 900 rot/min, racirea facandu-se cu apa la 100 2C; aerul introdus in cilindru seincalzeste pana la 40-50C, iar amestecul de aer-combustibil, pana la 199 1C. Cifra octanica, prin metoda cercetare, se determina la o turatie de 600 rot/min, aerul in amestecul aer-combustibil nefiind incalzit. Sensibilitatea combustibilului (diferenta dintre cifrele octanice determinate prin cele doua metode) pune in evidenta influenta conditiilor de functionare a motorului asupra detonatiei. Cifra octanica determinata prin metoda cercetare este importanta in cazul motoarelor de automobil, la care momentul maxim se realizeaza la o turatie mai joasa decat cea nominala, tendinta de detonatie fiind mai mare. In tara noastra, cifra octanica se determina conform STAS 26-68, care precizeaza conditiile de functionare a motorului, reglarea dispozitivelor de inregistrare si conditiile de efectuare a determinarii. Proprietatile principale ale benzinelor de fabricatie romaneasca, pentru automobile, sunt indicate prin STAS 176-80. Cifra octanica determinata in conditiile de laborator, pe un motor monocilindric, nu tine seama de particularitatile constructive si functionale ale motoarelor montate pe autovehicule. Se stie ca detonatia depinde, in afara de proprietatile combustibilului, si de particularitatile motorului (forma camerei de ardere, constructia dispozitivului de producere a scanteii electrice etc.), precum si de conditiile de functionare (sarcina, turatie). Aprecierea calitatilor antidetonante ale benzinei pentru fiecare motor in conditii de exploatare este de foarte mare importanta. In acest sens s-au elaborat metode de determinare a asa-numitei cifre octanice de drum, care reprezinta cifra octanica necesara in conditii de drum, a unui combustibil, pentru un anumit motor de automobil.

2.2.9. Continutul (cifra) de cocsProcesul formarii depunerilor carbunoase in MAC depinde in foarte mare masura de natura combustibililor si a uleiurilor utilizate. Tendinta combustibililor de formare a depunerilor carbunoase, in camera de ardere, poate fi apreciata prin metode de laborator. Metoda Conrdason, prin care se determina cifra de cocs cantitatea de cocs formata, raportata la proba supusa analizei (STAS 28-69), este o metoda indirecta de apreciere a tendintei formarii depunerilorcarbunoase. Cu cat cifra de cocs este mai mica (cazul combustibililor cu fractiuni usoare), cu atat tendinta de formare a depunerilor carbunoase in motor este mai redusa. Pentru motorinele fabricate in tara noastra, STAS 240-80 limiteaza continutul (indicele) de cocs la maximum 0.45%. Metoda Ramsbotton [10], mult mai simpla fata de metoda Conradson, permite aflarea cifre de cocs, rezultatele fiind intr-o oarecare masura mai apropriate de cele obtinute pe motor. O particularitate esentiala este aceea ca formarea depunerilor carbunoase in camerele de ardere ale MAC are loc in prezenta unui exces de aer (de care nu se tine seama prin metodele Conradson si Ramsbottom).

2.2.10. Puterea caloricaPuterea calorica a combustibililor reprezinta cantitatea de caldura care se degaja prin arderea completa a unui kilogram de combustibil, fiind exprimata in kcal/kg sau kJ/kg. Puterea calorica a combustibililor lichizi se determina prin metoda calorimetrica (STAS 5269-82). Tabelul 2.5 indica puterile calorice inferioare ale unor combustibili lichizi. Tabelul 2.5 Valorile puterii calorice inferioare a unor combustibiliCombustibilul Benzina Petrol lampant Motorina Benzen Alcool etilic Hidrogen Metan lichid Valoarea puterii calorice kJ/kg 43.890 43.054 41.800 40.086 27.065 121.126 49.759

2.2.11. Aditivi pentru combustibiliAditivii sunt substante care, adaugate in combustibili, in proportii mici, imbunatatesc unele caracteristici ale acestora, sau le confera altele noi. Pentru benzine se intrebuinteaza frecvent aditivi care determina o crestere a rezistentei la detonatie, toate celelalte proprietati ramanand neschimbate. Tetraetilul de plumb (TEP) Pb(C2H5)4 este unul dintre cei mai vechi aditivi cu actiune antidetonanta. Este un lichid incolor, transparent, insolubil in apa, dar usor solubil in benzina, eter, acetona; fierbe la 200C si este foarte toxic. Pentru utilizarea ca aditiv in benzina, tetraetilul de plumb se amesteca cu substante antrenante, in scopul combaterii tendintei de formare a depozitelor in motor; amestecul lor se numeste etil fluid. Benzinele, in functie de compozitia lor chimica, prezinta o susceptibilitate diferita fata de adaosurile de TEP; cresterea rezistentei lor la detonatie, exprimata prin cifra octanica, variaza in limite largi.

Figura 2.15. In figura 2.15 [10], se poate observa variatia cifrei octanice in functie de continutul de etil fluid pentru: benzina grea asfaltica 1; benzina cracata 2; benzina auto cu 40% benzina de cracare 3; benzina medie alcalina 4; benzina usoara alcalica 5; benzina de avion cu CO 72, 6. Un alt aditiv antidetonant este pentacarbonil-fierul (CO)5Fe, care are avantajul ca nu este toxic. Ferocenul are o eficienta intermediara intre pentacarbonil-fier si TEP. In prezent sunt in curs de experimentare si alti aditivi cu actiune antidetonanta. Pentru combaterea (eliminarea partiala sau in intregime) aprinderilor secundare din motoare se folosesc aditivi pe baza de fosfor sau bor. In combustibilii pentru MAC, se adauga uneori aditivi cu functia de accelerare a reactiilor de oxidare care preced autoaprinderea combustibilului, numiti acceleratori. Acest efect se manifesta prin cresterea cifrei cetanice a combustibililor. Aditivii anticorozivi sunt inhibitori; adaugati in combustibili, atenueaza sau inlatura coroziunea rezervoarelor de combustibil, a conductelor etc. Aditivii anticorozivi care au dat rezultate bune in exploatare sunt unii compusi organici ai fosforului sau ai sulfului. Aditivii polifunctionali reduc uzura, formarea depunerilor carbunoase si coroziunea instalatiei de injectie, imbunatatind si procesul arderii combustibilului.

2.2.12. Poluarea datorata combustibililor conventionaliCombustibilii lichizi pentru MAS sunt un amestec de hidrocarburi, compusi cu oxigenul, compusi ai sulfului, ai azotului, rasini si asfaltene, substante minerale. In privinta hidrocarburilor se poate sublinia faptul ca in benzina se pot regasi patru tipuri: hidrocarburi alcanice (parafinice), hidrocarburi cicloalcanice (naftenice), hidrocarburi aromatice si hidrocarburi olefinice. Aparitia si intensitatea smogului fotochimic depinde de tipul de hidrocarburi preponderente in benzina; cele olefinice au reactivitate specifica de 50 de ori mai mare, iar cele cicloalcanice, de doua ori mai mare la formarea smogului fotochimic, comparativ cu hidrocarburile alcanice. Compusii de sulf din benzine contribuie la cresterea nivelului de poluare prin diversi compusi gazosi care apar in gazele de evacuare, in special dioxidul de sulf. O componenta importanta a emisiilor poluante din gazele de evacuare o constituie compusii cu plumb, deversati sub forma unor aerosoli sau chiar particule. Prezenta lor este determinata de utilizarea aditivilor pe baza de plumb si a substantelor antrenante de tipul dicloretilenei Cl2C2H4 si dibrometilenei Br2C2H4.

In vederea diminuarii emisiei de plumb, unele state precum California, au interzis utilizarea benzinelor aditivate cu plumb, in timp ce alte state reduc treptat continutul maxim admisibil de plumb din benzine [113]. Combustibilii pentru MAC, in afara emisiilor existente la motoarele pe benzina, mai genereaza fum alb, albastru sau negru, precum si miros. Principalele proprietati ale motorinelor care influenteaza nivelul emisiilor poluante sunt volatilitatea si cifra cetanica (tab.2.6) [22]. Tabelul 2.6 Dependenta emisiilor poluante de proprietatile motorineiProprietatile Combustibilulu i Volatilitate Cifra cetanica Emisii poluante CO NOx CH Fum alb si albastru Fum negru Miros La sarcini mari nesemnificativ

nesemnificativ

nesemnificativ

Influenta volatilitatii si a cifrei cetanice asupra emisiei de CO este puternic controlata de regimul functional si de particularitatile constructive ale motorului. In ceea ce priveste influenta acestor proprietati asupra emisiilor de CH si NOx, aceasta este nesemnificativa, insa fumul de orice culoare si mirosul sunt dependente de acestea. In urma arderii unui kilogram de combustibil in bombe calorimetrice, au fost obtinute concentratii ale substantelor poluante rezultate in urma arderii, care se regasesc in tabelul 2.7: Tabelul 2.7 Concentratia de substante nocive in gazeSubstante poluante la 1 kg combustibil [grame] CO NOx CH SO2 Aldehide MAS benzina [grame] 465 23 16 0,86 1,0 MAC motorina [grame] 21 27 13 7 0,7

Un factor cu un aport major la nivelul de poluare il constituie carburantii care se comercializeaza pe teritoriul tarii noastre. Majoritatea benzinelor comercializate in Romania contin plumb si sunt de calitate inferioara. Pana in anul 1998, Romania a avut cea mai ridicata limita pentru cantitatea de plumb din benzine din Europa (0,5g/l), aceasta scazand in cursul aceluiasi an la valoarea de 0,32g/l, reprezentand inca mai mult decat dublul nivelului admis in Uniunea Europeana (0,15g/l), dupa cum se poate observa din tabelul 2.8. [152] Motorinele romanesti contin de zece ori mai mult sulf (ca volum) decat cele din Uniunea Europeana (0,5% in comparatie cu 0,045% in UE). Desi guvernul si-a declarat intentiile in aceasta problema, in continuare combustibilii si lubrifiantii romanesti nu respecta nici macar standardele nationale. Daca tarile avansate economic si social au eliminat aproape in totalitate benzinele cu plumb, pentru Romania acest lucru este un obiectiv de perspectiva si este necesar sa se constituie intr-o directie obligatorie care va trebui sa fie in atentia factorilor responsabili din tara noastra, si anume reducerea treptata a consumului de benzina cu plumb in favoarea benzinelor fara plumb.

Tabelul 2.8 Concentratia de plumb din benzine in terte state europene

Statul Bulgaria Ungaria Lituania Romania Slovacia Uniunea Europeana

Concentratia maxima admisa 0,15 0,15 0,37 0,32 0 0,15

Procentaj benzina fara plumb vanduta 23% 48% 23% 5% 100% -

In prezent structura carburantilor comercializati in Romania este indicata in figura 2.16. Avand in vedere structura vanzarilor de carburanti, a fost posibila realizarea unei comparatii cu terte state, in ceea ce priveste emisiile de plumb datorate autovehiculelor din Romania, exprimate in grame / autovehicul / an (fig.2.17) [152]. In vederea reducerii poluarii atat chimice, cat si sonore este necesar sa se actioneze asupra tuturor celor trei elemente care determina sistemul traficului rutier [39].

Figura 2.16. Daca asupra omului se poate actiona prin procese de educatie, iar asupra drumurilor printr-o sistematizare corespunzatoare a traficului rutier, asupra autovehiculelor se poate actiona pe mult mai multe cai. Astfel, pentru autovehiculele care sunt in circulatie exista anumite metode de reducere a emisiilor poluante, iar pentru autovehiculele care urmeaza a se construi, exista unele masuri care se situeaza intr-un plan tehnic si unele orientari ale legislatiei care pot sa impuna anumite restrictii constructorilor de autovehicule.

Figura 2.17. Comparatia din figura 2.17 a fost realizata cu datele existente in: 1 Irlanda; 2 Franta; 3 Danemarca; 4 Luxemburg; 5 Olanda; 6 Media in UE; 7 Romania.

2.3. Combustibili neconventionali. Generalitati.Alternative ale benzinei si motorinei pot fi combustibilii neconventionali. Dintre acesti combustibili, se apreciaza ca hidrogenul are viitorul cel mai deschis pentru alimentarea motoarelor termice, pentru aceasta pledand si faptul ca motoarele actuale, atat MAS cat si MAC, pot fi adaptate relativ usor pentru functionarea cu hidrogen. Hidrogenul ofera o putere calorica masica de 121.126 kJ/kg, deci de 2,8 ori mai mare decat a benzinei. Energia de ardere este de 15 ori mai redusa, iar viteza maxima de propagare a flacarii este de 8 ori mai mare, iar vaporii de hidrogen nu sunt toxici [86]. Extinderea utilizarii hidrogenului la motoare termice este franata de costul ridicat al unitatii masice (volumice) de H2 lichid. Densitatea si puterea calorifica volumica (12250 kJ/m3N) sunt inferioare fata de cele ale benzinei si motorinei, iar viteza mare de ardere, propagarea rapida a flacarii, exploziile inverse in conducta de admisie sunt alte avantaje care trebuie exploatate. Exista insa perspective de producere si stocare a H2 in conditii optime. Cercetarile stiintifice in aceasta directie vor rezolva toate problemele dificile, pentru a avea un inlocuitor sigur al combustibililor clasici (benzina si motorina). Rezultate bune s-au obtinut si prin utilizarea combustibilor gazosi cum sunt gazul petrol lichefiat (GPL), care a condus la rezultate similare cu benzina [10], [92]. Diferite amestecuri ale etanolului si metanolului cu combustibilii clasici (benzina, motorina) au condus la rezultate plauzibile. Etanolul pur si cu apa (pana la 5%) poate functiona optim in MAS. Solutia pretinde incalzirea electrica a amestecului pentru a se realiza distributia uniforma in cilindri, precum si eventuala pornire si functionare cu benzina pana la incalzirea motorului Metanolul, de asemenea, a fost experimentat atat pe MAS in amestec cu benzina, cat si pe MAC in amestec cu motorina. La MAS metanolul pur impune unele modificari constructive, si anume, marireadiametrului jiglorului carburatorului si dublarea volumului rezervorului de combustibil, pentru a avea o energie echivalenta cu benzina. La MAC, metanolul poate fi injectat direct in camera de ardere, spre sfarsitul comprimarii, ceea ce prezinta avantaje importante (nu se manifesta tendintele de oprire a aprinderii combustibilului si de bataie, chiar la procente de 90% metanol, in amestec cu motorina). Injectia de metanol in conducta de admisie permite inlocuirea motorinei pana la 30% [10].

2.3.1. Gazul petrol lichefiatIntroducerea gazului natural in transporturi constituie un pas inainte in vederea rezolvarii problemei acute a poluarii datorate traficului rutier. Acest combustibil este pastrat in stare lichida si este cunoscut sub numele de gaz petrolier lichefiat (GPL), capatand cea mai larga utilizare, dintre toate solutiile alternative pentru petrol, numarul autovehiculelor care il folosesc drept carburant ajungand sa fie de ordinul milioanelor [117]. Astfel, in Italia, numarul lor trece de un milion, in Olanda, consumul de GPL reprezinta 5% din consumul total de combustibili, iar in Franta, se incearca de cativa ani promovarea unor accize mai reduse decat cele pentru benzine sau motorine. Toti marii fabricanti au in vedere solutii constructive pentru adaptarea autovehiculelor la acest carburant [81]. In Romania, limitarea drastica a consumului de benzina in deceniul opt al secolului a condus la solutii alternative, mergand de la furtul din avutul statului si utilizarea gazolinei, pana la adaptarea autoturismelor la alimentarea cu GPL. Evident ca montarea instalatiilor era realizata clandestin, fara masuri de securitate. In prezent este foarte important ca GPL sa capete un statul legal clar, iar instalatiile sa fie omologate si inspectate periodic. Denumit gazul fatal de catre petrolisti, deoarece reprezinta un subprodus inevitabil al distilarii petrolului, acesta este compus dintr-un amestec de circa 60% butan si 40% propan. In cazul utilizarii lui drept combustibil auto, procentajul are valori diferite pentru iarna si vara. De asemenea nivelul emisiilor poluante are valori diferite in functie de compozitia de vara sau de iarna a acestuia (fig.2.18). In tabelul 2.9 sunt redate caracteristicile gazului petrolier lichefiat, comparativ cu benzina [117]. Prezinta marele avantaj de a putea fi lichefiat la o presiune de numai 5 bari, putand fi stocat si transportat cu usurinta in aceasta stare. GPL se adapteaza cu usurinta la autovehiculele existente, care isi conserva posibilitatea de a functiona cu benzina, fiind suficienta o simpla apasare de buton pentru a trece de la un combustibil la altul. Tabelul 2.9 Caracteristicile combustibililor autoGPL tip A 0,55 0,60 35-50 50 max. 50 0 43890 9 10.900 GPL tip B 0,55 0,60 83-87 13 max. 50 0 44308 9 10.900

Caracteristici Densitate Propan Butan Continut de sulf Continut tetraetil Pb Putere calorifica Consum Pret

U. M. kg/litru %volum ppm g/litru kJ/kg litri/km lei/litru

Benzina 0,74 0,77 0 4 1500 max. 0,32 42636 7,5 24.500

Figura 2.18. O instalatie de alimentare cu gaz se compune dintr-o butelie, plasata in portbagaj, un vaporizator integrat cu un reductor de presiune si un dispozitiv de amestec cu aerul, plasat pe tubulatura de admisie, inaintea carburatorului, sau inaintea corpului clapetei la motoarele cu injectie (fig.2.19) [117].

Figura 2.19. Nu este necesara nici o modificare a aprinderii sau a unitatii electronice de comanda a injectiei si nici a catalizatorului, atunci cand acesta exista. Singurele adaptari vizibile sunt un indicator de nivel, specific, un comutator benzina/gaz si o gura de umplere, plasata discret pe caroserie. Avantajele ecologice ale folosirii unei astfel de instalatii, dar si inconvenientele sunt urmatoarele: Gazele de evacuare sunt mai putin poluante fata de cele produse in cazul alimentarii cu benzina lipsa plumbului, valori ale emisiilor mult diminuate; Durata de utilizare mai lunga a uleiului pentru motor (nu mai apare diluarea acestuia in benzina); Durata de viata a motorului mai indelungata, datorita lipsei depozitelor de carburi; Lipsa detonatiilor conduce la scaderea vibratiilor; Scade puterea motorului cu pana la 10% fata de alimentarea clasica; Este necesar un rezervor mai mare datorita consumului la acelasi parcurs a unei cantitati cu circa 10% mai mult GPL. O instalatie care poate fi procurata relativ usor si care este omologata in tara noastra, prin Registrul Auto Roman, este instalatia LPG 132 E (fig.2.20): Pentru a raspunde noii orientari legata de cresterea pretului benzinei, o firma italiana a pus la punct aceasta instalatie, care poate fi adaptata pe orice autovehicul alimentat cu benzina, prin carburator si care permite utilizarea alternativa a celor doi combustibili (GPL sau benzina). Pe plan international aceasta instalatie este omologata in conformitate cu Regulamentul 67 ECE-ONU [117].

In ceea ce priveste functionarea, dupa cum se poate observa, atunci cand comutatorul central de comanda U se afla in pozitia de alimentare cu benzina, electrovalva Q pentru alimentarea cu benzina se deschide, benzina trecand astfel catre carburatorul O.

Figura 2.20. In acest timp, electrovalva J, pentru alimentare cu GPL este inchisa. Pentru alimentarea cu gaz, comutatorul central U se afla in pozitia alimentare GPL, electrovalva Q pentru benzina este inchisa, iar electrovalva J pentru gaz se deschide, gazul trece catre reductorul vaporizator F, iar de aici in zona L, de amestec cu aerul, patrunzand in carburatorul M. Comutarea pe alimentarea cu GPL precum si cantitatea de gaz din rezervor sunt indicate la bord.

2.3.2. Pila de combustieConstructorii de automobile sunt confruntati in prezent cu una din cele mai mari provocari din istoria de un secol a industriei de autovehicule: realizarea vehiculului nepoluant cu emisii zero, asa numitul Z.E.V. [76], [104], [113], [129], [136]. Una din variantele care ar putea asigura acest deziderat este autovehiculul electric [107], dar nu cel care inmagazineaza in baterii proprii energia electrica provenita dintr-o centrala hidro- sau termoelectrica, generatoare la randul ei de emisii poluante in procesul de obtinere a acestei energii. O solutie deosebita si total nepoluanta este folosirea pilei de combustibil ca sursa de energie electrica in locul bateriei electrice [117], [119]. Ideea pilei de combustibil dateaza de la inceputul secolului trecut si este legata de numele lui H. Davy. Cel care a demonstrat insa posibilitatea realizarii ei, in anul 1839, a fost William Grove. Dezvoltarea acesteia a fost accelerata de cercetarea spatiala care avea nevoie de o sursa de energie pentru statiile orbitale. Astfel, NASA, a folosit pile cu o putere de 2 kW in cadrul programelor Apollo si Gemini. Utilizarea ca sursa de energie pentru autovehicule a ramas, pana de curand, o utopie, datorita costurilor extrem de mari (2500 USD pe kilowatt, pentru o instalatie de 200kW) si volumului ocupat care depaseste posibilitatile curente de instalare. Cu toate acestea, Chrysler a prezentat inca din 1959 un autoturism marca De Soto echipat cu aceasta tehnologie, iar General Motors, o masina experimentala in 1966. Dupa prima criza petroliera, in anul 1975, Daf si Shell au prezentat impreuna un autovehicul experimental. Recent, Ballard, in Canada, a realizat si experimentat in conditii reale de functionare un autovehicul echipat cu pile de combustibil. De asemenea, firma Renault a demarat alaturi de alti cinci parteneri europeni proiectul FEVER, un studiu de tractiune electrica alimentata de o pila de combustibil [76], [117]. Programul s-a incheiat anul trecut prin realizarea unui model experimental, cu emisii zero si autonomie mare, realizat pe baza unui autoturism Renault Laguna. Prezentat Comisiei Europene, proiectul bogat in invataminte a permis firmei Renault sa achizitioneze cunostinte pretioase pentru dezvoltarea tehnologiei bazata pe pila de combustibil. Aceasta permite producerea energiei electrice la bordul vehiculului, folosind drept combustibil hidrogenul sau metanolul (ca sursa de hidrogen) si oxigenul continut in aer. Singurele

produse ale pilei de combustibil alimentate cu hidrogen sunt apa si energia electrica. In cazul alimentarii cu metanol, rezulta si o cantitate redusa de dioxid de carbon. Pila de combustie este un dispozitiv electrochimic care converteste energia chimica a unui combustibil in energie electrica, avand urmatoarele particularitati: procesul se bazeaza pe o reactie de tip redox; forta motoare a procesului este afinitatea chimica a combustibilului fata de oxigen sau stabilitatea mai mare a produsilor de reactie fata de reactanti; energia de reactie se elibereaza sub forma de energie electrica, nu termica; procesul este continuu; conversia se face direct, fara forme intermediare; absenta etapei termice permite emisii poluante minime; conversia este eficienta (randamentul electric de 40-65%, fata de 20-50% in cazul motoarelor termice). Principiul de functionare este prezentat in figura 2.21. Elementele principale sunt: sistemul de alimentare cu combustibil, sistemul de alimentare cu oxidant, anodul, catodul, electrolitul, spatiul de reactie si consumatorul electric.

Figura 2.21. Electrozii sunt alimentati cu combustibil si oxidant. La anod, in prezenta electrolitului are loc cedarea de electroni, iar la catod, are loc acceptarea de electroni. Circulatia electronilor intre anod si catod, in exteriorul pilei, determina un curent electric utilizat la consumator. Circulatia sarcinilor in interiorul pilei are loc prin ionii care parcurg electrolitul. Reactiile chimice pentru electrolit sunt urmatoarele [86]; la anod: la catod: in pila: 2.5 2.6 2.7

In pila de combustie reactia generala este descompusa in doua reactii individuale, astfel incat trecerea electronilor poate avea loc doar printr-un circuit extern. Tensiunea de echilibru a pilei U0 este data de relatia [22]:

2.8 unde G0 este entalpia libera de reactie, n este numarul de electroni, iar F este constanta lui Faraday (96487 C/mol). Pentru reactia de formare a apei in conditii standard U0 =1,23V. In conditiile reale tensiunea la bornele pilei este 0,6 0,9 V, datorita unui set de pierderi, numite polarizari. Este de remarcat saltul calitativ pe care l-a suferit constructia pilei de combustie datorita constientizarii de catre utilizatori a importantei reducerii poluarii si includerii in cercul de valori a acestui aspect. Ca urmare a importantei conservarii mediului, legislatia unui numar tot mai mare de state impune limite din ce in ce mai reduse pentru emisiile de substante poluante.

Un avantaj important al pilei de combustibil este randamentul ridicat al conversiei care se cifreaza la 50-60%, (fig.2.22), in timp ce randamentul unui motor termic variaza intre 25% si 40%. In plus, acest randament ridicat se produce la sarcini partiale, la care motoarele termice realizeaza randamente mai scazute.

Figura 2.22. Pentru ca pila de combustibil sa devina o sursa viabila de energie la autovehicule, este necesar sa se realizeze un sistem cu masa si volum compatibil cu spatiul disponibil intr-o masina, reducerea pretului de cost, obtinerea unor electrozi si membrane cu o durata de viata mai mare si inmagazinarea hidrogenului intr-un rezervor cu volum acceptabil. In ciuda progreselor remarcabile facute in ultimii ani, mai sunt multe de facut inainte ca solutia sa poata fi aplicata la autovehicule de serie. Inmagazinarea hidrogenului la bordul automobilului se poate face sub forma de gaz comprimat, in butelii la presiuni cuprinse intre 350 si 500 de bari, sau in butelii care contin o hidrura metalica speciala. Dupa anul 1990, principalii constructori de autovehicule si-au intensificat cercetarile pentru realizarea unor vehicule echipate cu pile de combustie. Astfel, firma Mercedes, a dezvoltat un monovolum capabil sa transporte 6 persoane, cu o autonomie de 250 km [117]. Firma Ford in urma cercetarilor a ajuns la concluzia ca utilitara este singurul vehicul care poate folosi sistemul pilei de combustibil, cu accesoriile de rigoare, fara a pierde din spatiul pentru bagaje si scaune [69]. In anul 2001, firma Hyundai a pus la punct un prototip denumit Santa Fe, rod al colaborarii cu compania americana International Fuel Cell, pentru a carui fabricare au fost cheltuiti intr-un singur an 15 milioane de dolari. Acest prototip dezvolta o viteza maxima de 124 km/h, cu o acceleratie de la zero la 100 km/h in 18 secunde. Puterea acestui motor este de 75 kw. Rezervorul are o capacitate de 72 de litri de hidrogen, asigurand o independenta de 160 km. Firma Hyundai are prevazuta fabricarea a inca sapte autovehicule de acest tip, in urmatorii trei ani, alocand pentru acest proiect suma de 29 milioane de dolari americani [116]. Progresele in domeniul performantelor si al costurilor au fost atat de mari in ultimii 3-4 ani, incat, daca se mentine acelasi ritm si in continuare, vehiculul electric cu pila de combustibil va putea fi comercializat inainte de anul 2005 [107], [116].

2.3.3. Propulsia hibridaSistemele hibride reprezinta o combinatie a doua sisteme de conversie si de stocare a energiei. De obicei motorul electric si motorul termic sunt sisteme de conversie a energiei, iar bateria si rezervorul de combustibil sunt sisteme de stocare a energiei. Sistemele hibride combina avantajele motoarelor cu ardere interna (performante ridicate) cu avantajele motoarelor electrice (poluare chimica si sonora reduse). Exista doua sisteme de propulsare a autovehiculelor hibride, in paralel, ceea ce inseamna ca atat motorul termic, cat si motorul electric pot pune in miscare autovehiculul, independent sau impreuna. Motorul termic reincarca bateria printr-un convertizor de cuplu in conditiile de functionare la sarcini partiale. Motorul electric actioneaza autovehiculul la sarcini reduse, specifice traficului urban, iar motorul termic asigura performante de accelerare rapida si putere in conditiile circulatiei din afara oraselor. Propulsia hibrida a autovehiculelor combina tehnologiile de conversie a energiei cu cele de stocare (baterii cu ioni de litiu si nichel). Propulsia hibrida ofera cateva avantaje fata de propulsia traditionala cu motoare cu ardere interna:

franarea regenerativa contribuie la reducerea energiei pierdute; motorul este dimensionat la sarcina medie, reducandu-se gabaritul acestuia; randamentul termodinamic creste, iar emisiile scad. La nivelul anului 2000, Concernul Toyota a lansat modelul Prius, care poate fi considerat un pas important catre automobilul ecologic [99], [129]. Tehnologia THS (Toyota Hybrid System) se bazeaza pe utilizarea complementara a unui motor electric cu cel termic (fig. 2.23). Motorul termic 1 furnizeaza o putere maxima de 53kW la 4500 rot/min, cu un cuplu maxim de 115 Nm la 4200 rot/min. Motorul electric 2 produce 33 kW intre 1040 si 5600 rot/min si este conectat in permanenta la rotile motoare prin intermediul cutiei de viteze 4. Cuplul maxim de 350 Nm este produs la numai 400 rot/min si este ideal pornirii si repornirii in traficul urban. Generatorul 3 preia energia mecanica de la motor si o transforma in energie electrica necesara reincarcarii bateriilor 5, sau actionarii motorului electric. Generatorul are rol si de demaror. Autovehiculul este dotat cu un convertor care asigura tensiunea standard de 12V.

Figura 2.23. Functia principala a motorului termic este aceea de a antrena autovehiculul. Orice exces de putere este canalizat catre generator. In utilizare normala, Prius este antrenat de ambele motoare. Daca este necesar, bateriile pot asigura un surplus de energie la manevre gen urcarea unei rampe sau depasirea unui alt autovehicul. In situatii particulare, cand motorul cu ardere interna este ineficient, acesta este oprit, autovehiculul functionand doar cu motorul electric cu emisii poluante zero. La decelerare sau franare, energia cinetica este convertita de generator in energie electrica, stocabila in baterii.

2.3.4. Energia solaraAutovehiculele solare reprezinta o varianta de perspectiva a autovehiculelor electrice [27], [97], [109]. Acestea sunt usoare, isi reincarca bateriile prin intermediul energiei electrice produse de o suprafata de celule fotovoltaice. Performantele autovehiculelor solare de curse sunt apreciabile, ajungand la 86 km/h in a