ECHIPAMENTE DE DEPOLUARE PENTRU MOTOARELE CU ARDERE INTERNA

masterant: Bibire Ioan-Claudiuprof.indrumator: prof.univ.dr.ing. Eugen Golgotiu

INTRODUCERE

Autovehiculele,in mare alor majoritate, sunt propulsate de motoare termice cu piston. Motoarele termice, ca sisteme termo-mecanice, transforma energia potentiala chimica a combustibililor in energie mecanica prin intermediul unui ciclu termodinamic. Energia potentiala chimica a combustibililor este eliberata in camera de ardere a motoarelor termice intr-un proces de oxidare rapida, energie ce este apoi transformata de mecanismele motorului in energie mecanica. Aceasta reactie foloseste ca oxidant oxigenul din aer, iar ca fluid de lucru azotul din aer si gazele de ardere ce rezulta in urma procesului de combustie. Forma generala a unei astfel de reactii este prezentata in ecuatia (1): CmHn + (m + n/2)O2 - n/2H2O +mCO2 , (1)unde "CmHn" este formula generica pentru hidrocarburi de tipul benzinelor si motoarelor derivate din petrol, la ora actuala cei mai utilizati combustibili pentru motoarele de automobil. Daca produsii de ardere (din dreapta ecuatiei) sunt numai apa si dioxidul de carbon, reactia este ideala,deci foarte greu,daca nu imposibil de intalnit in practica. Reactia de ardere reala a unui combustibil pe baza de carbon si hidrogen este prezentata in ecuatia (2): CmHn + O2(din aer)- H20 + CO2 + CO + HC + NOX + ... (2) De fapt, toti produsii reali de ardere ai unui combustibil nu pot fi cunoscuti cu exactitate din cauza compozitiei diferite a acestuia, a compozitiei diferite a aerului de ardere (aceste variatii sunt in limite foarte stranse, dar exista) si a conditiilor de ardere ce difera de la caz la caz, de data aceasta in limite foarte largi. Ce se poate sti cu destula precizie sunt compusii de ardere asa numiti "clasici", care sunt: apa(H2O), dioxidul de carbon (CO2), oxidul de carbon (CO), hidrocarburile nearse (HC), particule solide (P) si oxizii de azot (NOx). Concentratia acestor substante (exceptand apa) in gazele de ardere emise de motoarele termice, ce echipeaza automobilele, este reglementata prin lege in majoritatea tarilor lumii. Acestea reglementeaza cantitatile de produsi de ardere ce pot fi emise prin oxidarea unui anumit sortiment de combustibil, intr-un anumit tip de motor termic, in conditii specifice. Reglementarile privesc asa numitele substante sau produsi poluanti. In aceasta categorie intra toti produsii de ardere cu exceptia apei, care nu este considerata produs poluant.

REDUCEREA POLUARII PRIN UTILIZAREACONVERTIZORILOR CATALITICI

Convertizorul catalitic (catalizatorul) reprezinta acea componenta a sistemului de evacuare a gazelor, rezultate ca urmare aarderii combustibilului care trateaza gazele de esapament inainte ca acestea safie evacuate. Functionarea in conditii normale a unui convertor catalitic conduce la o transformare a gazelor de arderein gaze cvasiinofensive eliminand in acest fel oparte importanta a poluantilor. Catalizatorul are forma unui amortizor de sunet clasic, eliptic sau rotund, in interiorul caruia se afla unmonolit ceramic sau metalic pe care sunt depuse metale nobile care favorizeaza conversiagazelor poluante in gaze nepoluante. In catalizator (convertorul catalitic) au loc procese de transformarea hidrocarburilor in dioxid de carbon (CO2 ) sivapori de apa, a monoxidului de carbon (CO) in dioxid de carbon (CO2)si a oxidului de azot (NO)in azot (N2) si oxigen (O2). Primul convertizor catalitic a fost creat de VOLVO in 1974.

Poluani produi de motorul unei maini

Pentru a reduce emisiile de poluani, motoarele moderne controleaz cuprecizie cantitatea de carburant pe care o consum. Acestea ncearc s menin raportul aer-carburant foarte aproape de punctul stoichiometric, care reprezint raportul ideal calculat pentru aer i carburant. Teoretic, laacest raport, tot carburantul ar fi arsutiliznd tot oxigenul din aer. Pentru benzin, raportul stoichiometric este de aproximativ 14,7:1, adic pentru fiecare o parte de benzin vor fi arse 14,7 parti de aer.Amestecul carburant variaz n realitate de la raportul ideal destul de mult n timpul funcionrii motorului. n unele cazuri amestecul poate fi srac (un raportaer-carburant mai mare de 14,7) iarn alte cazuri amestecul poate fi bogat (un raport aer-carburant mai mic de 14,7). Principalele emisii ale unui motor de main sunt: Azot (N2) - Aerul este format din 78% azot i cea mai mare parte din acesta trece neschimbat prinmotorul mainii. Dioxid de carbon (CO2) -Acesta este unul dintre produsele combustiei.Carbonul din carburant se leag cu oxigenul din aer. Vapori de ap (H2O) -Acetia sunt un alt produs alcombustiei.Hidrogenul din carburant se leag cu oxigenul din aer. Aceste emisii sunt n general neduntoare (dei se credec emisiile de dioxid de carbon contribuie la nclzirea global). Dar, deoarece procesul de combustie nu este niciodat perfect, n motoarele mainilor sunt produse deasemenea cantiti mai mici deemisii mai duntoare. Monoxid de carbon (CO) -un gaz toxic incolor i inodor. Hidrocarburi sau compui organici volatili (COV) - produi n principal datorit carburantului nears care se evapor. Lumina soarelui desfaceaceti compui formnd oxidani, care reacioneaz cuoxizii azotului i creaz ozon (O3) lanivelul solului, unul dintre componentele principale ale smogului. Oxizi de azot (NO iNO2, denumii mpreun NOx) -contribuie la formarea smogului i a ploii acide, i producde asemenea iritaii ale membranelormucoase umane.

Acestea sunt principalele trei emisii reglementate i de asemenea cele pe care convertizorii catalitici sunt proiectai s le reduc. Catalizatorul (convertizorul catalitic)

Structura catalizatorului: 1 - suportul; 2 - stratul intermediar ; 3 - stratul catalitic activ. Suportul formeaza in ansamblu cu carcasa corpul propriu-zis al convertorului.Suportul ceramic este o constructie de tip fagure cusectiunea rotunda sau ovala,cu canale patrate, dispuse perpendicular pe directia de curgere. Materialul ceramic, denumit cordierit, este refractar. Materialul are conductibilitate termicamica, rezistenta mecanica, rezistentagazodinamica redusa si sectiune transversala mare. Stratul intermediar este compus dinalumina si este depus printr-un procedeu special pesuport, in vederea intensificarii activitatii catalitice a stratului nobil. Acest strat intermediar are o suprafatas pecifica mare si contine promotori care maresc capacitatea de acumulare a oxigenului la catalizatorul trivalent si care ajuta reactiile de reformare avaporilorde apa si avaporilor de hidrocarburi.

Stratul catalitic activ consta din metale nobile cum sunt platina, paladiul si rodiul. In timp ce platina promoveaza reactiile de oxidare, rodiul contribuie la reducerea NOx. Catalizatorii ceramici monoliti audepus oxid de aluminiu peste care se aplica pentru reactori oxidanti platina si paladiu iarpentru cei cu trei componente, platina, pentru hidrocarburi, platina si rodiu pentruNOx. Continutul de metale nobile poate fi redus la 2-3 g peun reactor. Domeniul optim de functionare este 400...950C, peste 800C existand pericol de compromitere termica, pana la aceasta valoare putandu-se folosi si 100 000 km fara probleme. La defectiuni, mai ales in sistemul deaprindere, reactorul poate ajunge la 1400 C, cand secompromite rapid mai alesexfolierea substantei active. Este interzisa folosirea benzinelor cu Pb. Daca seface totusi o astfel de alimentare, este permis eventual un singur rezervor, se vadecupla sonda lambda,se va alimenta apoi cu 2-3 rezervoarecu benzina verde, tot fara sondasi apoi se va reintroduce sonda infunctiune. Pentru aceasta situatie, gradul de murdarire al reactorului este suportabil. Este indicata totusi o verificare la ostatie service autorizata. Sonda lambda functionand in conditiile utilizarii benzinei cuPb, respectiv la reactor partial murdar, da informatii eronate desprecalitatea amestecului, ceea ce face ca motorul safunctioneze cu amestec bogat, cu penalizari atat la consum cat si la noxe. Daca sondalambda este scoasa din functiune, eficacitatea de reducere a noxelor scade la 30%. Sonda lambda instalata insistemul de evacuare masoara continutul de oxigen al gazelor arse. In cazulamestecurilor sarace tensiunea in senzor este de lOOmV, iar laamestecuri bogate tensiunea creste la 800mV . Pentru amestecul stoichiometric tensiunea senzorului scade bruscde la o valoare la cealalta. Se observa ca indomeniul amestecurilor sarace catalizatorul nu mai are efecte benefice inceea ce priveste diminuarea oxizilor de azot si datorita disponibilitatilor excesive deoxigen.

Tipuri de catalizatori

Catalizator cu filtru ceramic

Catalizator cu filtru metalic

Diferite forme de catalizatori

Cum reduc convertizorii catalitici poluarea ?

Majoritatea mainilormoderne sunt echipate cu convertizori catalitici cu trei aciuni. "Trei aciuni" se refer la cele trei emisii reglementate la a cror reducere ajut catalizatorul- moleculele de monoxid decarbon, COV i NOx .Convertizorul utilizeaz dou tipuri diferite de catalizatori, un catalizator de reducere i u ncatalizator de oxidare. Ambele tipuri constau dintr-o structur ceramic acoperit cu un catalizator metalic, n generalplatin, rodiu i/sau paladiu. Ideea este de a crea o structur care expune o suprafa maxim de catalizator la fluxul de eapament, minimiznd n acelai timp cantitatea de catalizator necesar (catalizatorii sunt foarte scumpi). Principalii parametri care influenteaza gradul de conversie sunt: -coeficientul de exces de aer sivariatia acestuia; -temperatura gazelor arse; -viteza spatiala (debitul gazelor arseraportat la volumul catalizatorului). In prezent, in Europa sefoloseste aproape in exclusivitate catalizatorul trivalent sau cu tripla actiune (sau cutrei cai) cu suport ceramic. Exist dou tipuri principale de structuri utilizate n convertizorii catalitici : fagure i bile ceramice. Majoritatea mainilor din prezent utilizeaz structura fagure.

Structura fagure ceramic

Structura fagure metalic

Eficienta unui catalizator este apreciata prin gradul de conversie definit cu formula: E = (ci ~ce)/ciin care : -ci esteconcentratia poluantului inaintea catalizatorului; -ce esteconcentratia poluantului dupacatalizator.

Catalizatorul de reducere

Catalizatorul de reducere esteprima treapt a convertizorului catalitic.Aceasta utilizeaz platin i rodiu pentru a ajuta la reducerea emisiilor de NOx. Cnd o molecul de NO sau NO2 iacontact cu catalizatorul, catalizatorul desface atomul de azot din molecul i l reine, elibernd oxigenul sub form deO2. Atomii de azot se leag cu ali atomi deazot fixai pe catalizator formnd N2. De exemplu: 2NO N2+ O2 or 2NO2 N2+ 2O2

Catalizatorul de oxidare

Catalizatorul de oxidare este a doua treapt aconvertizorului catalitic.Acesta reduce hidrocarburile nearse i monoxidul de carbon prin arderea(oxidarea) acestora asupra unui catalizator din platin i paladiu. Catalizatorul ajut reacia dintre CO i hidrocarburi ioxigenul rmas n gazul de eapament. De exemplu:2CO + O2 2CO2

Sistemul de control A treia treapt este unsistem de control care monitorizeaz fluxul de eapament i utilizeaz aceste informaii pentru controlul sistemului de injecie a carburantului. Exist un senzorde oxigen montat naintea convertizorului catalitic, adic mai aproape demotor dect convertizorul. Acest senzorcomunic computerului motorului ct oxigen exist n gazulde eapament. Computerul motorului poate mri sau micoracantitatea de oxigen din gazul de eapament modificnd raportul aer-carburant. Acest sistem de controlpermite computerului motorului s asigure funcionarea motorului n apropiereapunctului stoichiometric i de asemenea permite s se asigure existena a suficient oxigen n gazul de eapament pentru ca, convertizorul catalitic s poat arde hidrocarburile nearse i CO.

Alte metode de reducere a polurii

Convertizorul catalitic reduce mult poluarea, dar aceast reducere poate fi mbuntit substanial. Unul dintre cele mai marineajunsuri este faptul c acesta funcioneaz doar la temperaturi destul de mari. Cnd pornii maina dela rece, convertizorul catalitic nu acioneaz aproapedeloc pentru reducereapoluanilor din gazul de eapament. O soluie simpl constn deplasarea convertizorului catalitic mai aproape de motor. Astfel, gazele de eapament mai fierbini ating convertizorul i acesta se nclzete mai rapid, dar aceast soluie poate reducede asemenea viaa convertizorului prin expunerea acestuia latemperaturi extrem de mari.Majoritatea productorilor de maini poziioneaz convertizorul subscaunele din fa ale pasagerilor, destul de departe demotor pentru a menine temperatura la un nivel care s nui duneze acestuia. Prenclzirea convertizorului catalitic este o metodbun pentru reducerea emisiilor. Cea mai simpl metod de prenclzire a convertizorului este de a utiliza nclzitoare cu rezisten electric. Din pcate, sistemele electrice la 12 V existente pe majoritatea mainilor nu ofer destul energie sau putere pentru a nclzi destul de rapid convertizorul. Majoritatea oamenilor nu ar atepta cteva minute pentru ca, convertizorul catalitic s se nclzeasc nainte de a porni maina. Mainile hibrid care dispun de pachete mari de bateriide voltaj mare ofer destul putere pentru a nclzi convertizorul catalitic foarte rapid.

Modul de functionare al catalizatorului pe trei cai (TWC)

Convertoarele catalitice, pe scurt catalizatoarele, au fost introduse n industria automobilelor pe la mijlocul anilor 1970. De atunci i pn astzi tehnologia de fabricaie i performanele acestora s-au mbuntit continuu. n cazul motoarelor pe benzin, catalizatorul reprezint sistemul principal de reducere a emisiilor poluante.

Foto: motor pe benzina V12 cu 2 catalizatoareSursa: BMW Rolul catalizatorului este de amodifica coninutul de substane chimice din gazele de evacuare, prin transformarea elementelor poluante (HC, CO i NOx), nocive mediului nconjurtor, n substane sigure, neutre. Transformrile chimice din catalizator se realizeaz cu ajutorul unormetale nobilecum ar fi platina (Pt), paladiu (Pd) sau rodiu (Rh). Reaciile chimice care au loc ntr-un catalizator:Hidrocarburi(HC)+Oxigen(02)=>Dioxid de carbon(CO2)+Vapori deapa(H2O)Monoxid de carbon (CO)+Oxigen (O2) => Dioxid de carbon (CO2)Oxid de azot(NO)+Hidrogen (2)=>Azot(N2)+Vapori de ap (H2O) Procentul de transformare a emisiilor poluante n emisii neutre se numeteeficiena conversiei. Eficiena transformrilor din catalizator este optim la temperaturi nalte. Punctul la care eficiena catalizatorului depete valoarea de 50% se numetepunctul de aprindere al catalizatorului. Pentru majoritatea catalizatoarelor punctul de aprindere se situeaz n jurul temperaturii de 250...300 C. Din acest motiv este important ca temperatura catalizatorului sa ating valoarea optim de funcionare (400...800 C) ct mai repede dup pornirea motorului. Poziionarea catalizatorului ct mai aproape de motor, pe galeria de evacuare, va facilita nclzirea mai rapid a acestuia. Pentru a atinge temperatura optim de funcionare unele catalizatoare sunt prevazute cu rezistene de nclzire amplasate naintea monolitului metalic. Astfel, n momentul pornirii, rezistena electric este alimentat cu curent electric i produce cldur. Gazele arse preiau cldura emanat de rezistena de nclzire i intr n catalizator accelerand procesul de nclzire.

Catalizator cu sistem de incalzire Emicat

1. nveli metalic exterior2. conector electric3. disc de nclzire (rezisten electric)4. pini de fixare5. carcas metalic6. pini de reinere7. nveli metalic interior8. catalizator (monolit metalic)

Catalizatorul pe trei ci (en:TWC) acioneaz asupra tuturor elementelor poluante ale unui motor pe benzin. Acesta combin doureacii de oxidare, pentru conversia HC i CO, plus oreacie de reducere, pentru conversia NOx. Reaciile de oxidare i reducere au loc doar n prezena oxigenului i sunt accelerate de metalele nobile (Pt, Pd, sau Rh). Eficiena maxim a catalizatorului este obinut atunci cnd motorul funcioneaz cuamestec stoichiometric( = 1.0). Din acest motiv toate motoarele pe benzin cu catalizator necesit un sistem de control n bucl nchis cusond lambdapentru amestecul aer-combustibil.

Nivelul emisiilor poluante ale unui motor pe benzin n funcie de tipul amestecului aer-combustibi

1. fara catalizator pe 3 cai2. cu catalizator pe 3 cai

Sistemul de reducere a emisiilor poluante cu catalizatorul este compus dintr-o o sond lambda (1), un monolit din material ceramic (2), un ecran metalic flexibil de protecie (3), i un start termoizolant (4).

Catalizator pe 3 cai Bosch

1. sonda lambda2. monolit ceramic3. ecran metalic flexibil de protectie4. strat termoizolant

Monolitul ceramic conine o multitudine de canale longitudinale prin care curg gazele de evacuare. Acesta este rezistent la temperaturi foarte nalte fiind produs din silicat de magneziu i aluminiu. Monolitul este nfurat ntr-un strat de protecie care se dilat la creterea temperaturii i ajut la fixarea acestuia n carcasa metalic. De asemenea, stratul de protecie are i rol de etanare, mpiedicnd gazele de evacuare s curg pe lng catalizator. Exist i catalizatoare cu monolit metalic, fabricat din mai multe straturi metalice subiri (foi) de aproximativ 0.03...0.05 mm grosime. Acestea sunt nfurate ntr-un mod special i fixate prin sudare. Datorit grosimii reduse a foilor metalice, comparativ cu monolitul ceramic, monolitul metalic poate conine mai multe canale de curgere pentru gazelor de evacuare. Astfel se reduce i rezistena la curgere a gazelor, ceea ce reprezint un avantaj din punct de vedere al performanelor motorului. Acest tip de catalizatoare se utilizeaz cu precdere la motoarele de performan.

Catalizator cu monolit ceramic (jos stnga), filtru de particule (sus), catalizator cu monolit metalic (jos dreapta) Monolitul ceramic este acoperit cu un strat din oxid de aluminiu (Al2O3) cu suprafaa neregulat. Rolul acestui strat este de a mri suprafaa de contact cu gazele de evacuare de aproximativ 7000 de ori. Acest strat conine i metalele nobile, platina i/sau paladiu i rodiu. Platina i paladiul accelereaz procesul de oxidare al hidrocarburilor i a monoxidului de carbon n timp ce rodiul accelereaz procesul de reducere al monoxidului de azot. Masa de metale nobile dintr-un catalizator se situeaz n jurul valorii de 1...5 g i variaz n funcie de cilindreea motorului i a normelor de emisii poluante care trebuiesc ndeplinite.

Catalizator pe 3 cai1. monolit ceramic2. strat din oxid de aluminiu3. metale nobile

Catalizatorul poate fideteriorat sau chiar distrusdac funcioneaz la temperaturi excesive. Temperaturile foarte nalte pe galeria de evacuare sunt cauzate de amestecul aer-combustibil nears care se aprinde n catalizator. Arderea amestecului aer-combustibil n catalizator poate ridica temperatura acestuia pn la valori de 1400 C. Expunerea catalizatorului la temperaturi ridicate are influen i asupra eficienei acestuia. Dac temperatura n catalizator depete valoarea de aproximativ 1000 C acesta se deterioreaz ireversibil i n timp, dup expuneri multiple, nu mai realizeaz conversia emisiilor poluante. Sursa principala a deteriorrii catalizatorului, datorit temperaturilor, nalte o reprezint aa numitelerateuri la aprindere(engine misfire). Rateurile la aprindere se produc din urmatoarele cauze:

bujii deterioarate: scnteia nu mai este produs sau este produs dar cu intensitate scazut amestecul aer-combustibil este pre bogat (lips acuta de oxigen) sau prea srac (lips acut de combustibil) cilindrul pierde compresie Un motor care funcioneaz cu rateuri la aprindere se va simi la turaia de ralanti cuocuri si vibraii puternice, iar la turaii mari cuputere sczut. Datorit efectului distructiv pe care-l au rateurilor la aprindere asupra catalizatorului, standardul OBD impune diagnosticarea acestui fenomen. n cazul n care motorul funcioneaz cu rateuri la aprinderemartorul MIL din bordul automobilului se va aprindei posibil ca motorul s intre n regim de avarie (performane limitate) pentru a limita efectul distructiv asupra catalizatorului. Eficiena catalizatorului este monitorizat cu ajutorul adou sonde lambda, o sond nainte de catalizator i una dup catalizator. n funcie de nivelul de oxigen msurat de cele dou sonde lambda calculatorul de injecie poate determina dac catalizatorul se afl n parametrii nominali sau este defect.

Catalizator cu dou sonde lambda motorul Northstar V8 SC GM

Catalizatorul se mai poate deteriora si datoritcontaminrii cu substane chimice. Cele mai comune substane care pot contamina catalizatorul sunt:

plumbul(Pb): chiar i n cantiti mici poate cauza deteriorri semnificative ale catalizatorului fosforul(P): prezent n combustibil sau n aditivi reduce eficiena catalizatorului sulful(S): prezent n combustibil reduce eficiena catalizatorului zincul(Zn): prezent n aditivii uleiului reduce eficiena catalizatorului siliconul(Si): prezent n combustibil sau n gazele de evacuare (datorit soluiilor de etanare pe baz de silicon) reduce eficiena catalizatorului

Codurile OBD aferente defectelor catalizatorului

MODUL DE FUNCTIONARE AL FILTRULUI DE PARTICULE DIESEL (DPF)

Emisia de particule este o particularitate a motorului diesel, n comparaie cu motorul pe benzin. n funcie de procesul de ardere i punctul de funcionare al motorului, emisiile conin n mare parte particule de carbon precum i aerosoli sau sulfii. Particulele sunt emisii poluante cuimpact nocivasupra mediului (miros urt, vizibilitate sczut, depuneri) i a sntii omului (efect cancerigen). Datorit efectelor negative ale emisiilor de particule, organismele de reglementare a transportului rutier a impus reducerea progresiv a acestora. ncepnd cu normele de poluare Euro 1 pn la Euro 6 emisiile de particule au fost reduse de 28 de ori.

Nivelul de emisii de particule [g/km] reglementat pentru comunitatea european

Productorii, pentru a putea omologa i comercializa automobilele cu motoare diesel, au dezvoltat sisteme de reducere a polurii pre i post-ardere. Emisia de particule se datoreaz arderii incomplete a combustibilului. Acest fenomen se poate diminua prin optimizarea procesului de injecie i ardere (pre-ardere) sau tratarea gazelor de evacuare (post-ardere). n categoria post tratrii gazelor de evacuare intr i filtru de particule al unui motor diesel. Rolul filtrului de particule este de asepara particulele solide de gazele de eapament. Filtrul este montat pe galeria de evacuare a motorului i pentru a funciona corespunztor mai are nevoie de o serie de senzori i de un catalizator de oxidare. Utilizarea unui filtru de particule a devenit oarecum standard odat cu normele Euro 4 care a njumtit masa de particule emise comparativ cu normele Euro 3. Din acest motiv majoritatea automobilelor diesel Euro 4 sunt echipate i cu filtru de particule.

1. injectoare piezoelectrice2. rampa comuna de combustibil (1600 bari)3. radiator de racire a gazelor arse recirculate (EGR)4. catalizator de oxidare primar (DOC)5. injector pentru regenerarea filtrului6. senzor de presiune inainte de filtru7. senzor de temperatura intrare catalizator8. catalizator de oxidare secundar9. senzor de temperatura catalizator10. filtru de particule11. senzor de temperatura iesire filtru12. senzor de presiune dupa filtru

Majoritatea filtrelor de particule sunt din material ceramic poros n form de fagure. Volumul filtrului de particule depinde n principal de debitul de gaze arse. Cu ct cilindreea motorului este mai mare cu att volumul filtrului trebuie crescut.

Filtru de particule-sectiune Cerinele unui filtru de particule sunt extrem de severe:

filtrarea particulelor extrem de mici de pn la 0.01 m reducerea la minim a rezistenelor la curgere a gazelor de evacuare filtrarea particulelor n proporie de 95%, n funcie de mrime rezisten la temperaturi nalte de pn la 1050 C

Structura ceramica a unui filtru de particule

Datorit procesului de reinere a particulelo,r dup un anumit numr de kilometri filtrul trebuie regenerat.Regenerarea filtrului nseamna arderea particulelor stocate n filtru. Dac regenerarea filtrului nu se produce ntr-un anumit interval de kilometri, cantitatea de particule poate depi un prag critic care atrage dup sine imposibilitatea regenerrii. Procesul de regenerare presupune continuarea procesului de ardere n filtru.

Continuarea arderii n galeria de evacuare, n filtru, se poate face prin dou moduri: utilizarea unui injector adiional pe galeria de evacuare (al 5-lea injector) divizarea injeciei de combustibil i ntrzierea post-injeciei Sistemul cu al5-lea injectorutilizeaz un injector adiional care este montat naintea catalizatorului de oxidare. Cnd se dorete regenerarea filtrului se injecteaz motorin n galeria de evacuare care, datorit prezenei oxigenului din gazele arse i datorit catalizatorului de oxidare, ncepe s ard. Temperatura n filtru de particule ajunge n jurul valorii de 800 1000 C particulele fiind arse.

Injector aditional pentru regenerarea filtrului de particule

Decizia de a regenera filtrul de particule este luat de calculatorul de injecie pe baza informaiilor primite de la senzori. Cu ajutorulsenzorilor de presiune, nainte i dup filtru,se estimeaz gradul de ncrcare al filtrului. Cu ct filtrul este mai ncrcat cu att diferena de presiune ntre cei doi senzori va fi mai mare. Exist i sisteme cu un singur senzor montat naintea filtrului de particule care face diferena dintre presiunea gazelor de evacuare i presiunea atmosferic.

Procesul de regenerare a unui filtru de particule utiliznd sistemul cu al 5-lea injector,Renault

1.filtru curat2. acumulare de particule3. regenerarea filtrului

Pentru a permite regenerarea filtrului de particule motorul trebuie s se situeze ntre anumii parametrii. Temperatura gazelor de evacuare trebuie s fie peste o valoare minim, turaia motorului trebuie de asemenea s fie peste o valoare minim, pentru a asigura un anumit debit de gaze arse. Dac pragul de regenerare (cantitatea de particule stocatn filtru) a fost depit i motorul, datorit condiiilor de exploatare, nu intr n parametrii necesari, calculatorul de injecie poate comanda regenerarea filtrului chiar i la turaia de ralanti. n acest caz sarcina motorului va fi crescut, funcionarea se va face cu amestec mai bogat i turaia de ralanti crescut. Frecvena regenerrilor depinde de modul de exploatare al motorului. Cu ct motorul va fi mpins mai des ctre zona desarcin maxim, cu ct exploatarea se va face latemperaturi sczutecu attcrete cantitatea de particule din filtru. Avnd n vedere c regenerarea filtrului presupune utilizarea unei cantiti adiionale de combustibil consumul automobilului va crete proporional cu numrul de regenerri.

Sectiune printr-un filtru de particule si etapele regenerarii,Opel1. gaze arse nefiltrate2. sectiune prin filtru de particule3. modul de retinere al particulelor4. senzor de presiune dupa filtru5. senzor de temperatura6. azele funcionrii filtrului (A - reinerea particulelor, B - arderea particulelor, regenerarea)7. gaze arse filtrate Al doilea mod de regenerare a filtrului de particule, fr utilizarea unui injector adiional, presupunedivizarea injeciei i ntrzierea post-injecieifoarte mult astfel nct arderea combustibilului s se produc n filtru.

Codurile de defect OBD ale filtrului de particule

SONDA LAMBDA BINARA-mod de functionare si diagnoza

Normele de poluare, fie ca sunt europene (Euro), americane (Tier) sau japoneze (Japan) impun productorilor de autovehiculeemisii poluantetot mai reduse. De asemenea, n marile aglomerri urbane, nivelul emisiilor automobilelor are o importan mult mai mare deoarece afecteaz direct sntatea locuitorilor. Sonda lambda(numit isondasausenzorul de oxigen) are o importan deosebit relativ la reducerea emisiilor poluante de pe automobile. Produs al companiei Bosch, sonda lambda a fost utilizat pentru prima oara alturi de uncatalizatorpe un automobil Volvo la sfritul anilor 1970. Dezvoltarea i proiectarea sondei a fost nceputa n timpul anilor 1960 sub supravegherea dr. Gunter Bauman, n cadrul companiei Robert Bosch GmbH.

Sonda lambda Bosch

Aplicaiile principale ale sondei lambda sunt motoarele pe benzin. Sonda se utilizeaz i pe motoarele diesel dar mult mai restrns. Motivul este acela ca motoarele pe benzina funcioneaz n jurul amestecului stoichiometric n timp ce motoarele diesel funcioneaz cu amestecuri srace.

Emisiile poluante ale automobilelor

nainte de a explica modul de lucru al sondei lambda trebuie s avem o imagine clar a emisiilor poluante de pe automobile. Principalele emisii poluante ale automobilelor sunt: monoxidul de carbon CO; oxizii de azot NOx; hidrocarburile HC; particulele PM. Cea mai des utilizat metod de a reduceemisiile poluantede pe un automobile este catalizatorul. n cazul n care catalizatorul reduce proporiile de CO, NOx i HC din gazele de evacuare, acesta se numete catalizator pe trei ci. Orice sistem de post tratare a emisiilor poluante al unui automobil, ce utilizeaz uncatalizator, are n componenta i osond lambda. Eficacitatea catalizatorului depinde n ntregime de buna funcionare a sondei lambda.Amestecul stoichiometric

Pentru a asigura arderea complet a combustibilului din motor (benzin sau motorin) este nevoie de o anumita cantitate de oxigen deci de o anumita cantitate de aer. Astfel, pentru a arde complet 1 kg de benzin avem nevoie de aproximativ 14.7 kg de aer. Dac acest raport se pstreaz (14.7:1) i n cilindru putem spune c amestecul din cilindru estestoichiometric. Notaia utilizat n literatura de specialitate, pentru evalua raportul aer:combustibil din motor, este litera greceasca lambda (). Relativ la tipul amestecului aer-combustibil din motor putem avea urmatoarele situaii:

amestec bogat( < 1): n acest caz combustibilul este n exces, aerul nefiind suficient pentru o ardere complet; amestec stoichiometric( = 1): n acest caz raportul aer-combustibil este ideal arderea fiind complet; amestec srac( > 1): n acest caz aerul este n exces, arderea fiind complet dar cu exces de oxigen;Rolul sondei lambda

Tipul amestecului aer-combustibil, bogat sau srac, influeneaz n mod direct nivelulemisiilor poluante. Astfel n caz unui amestec bogat, combustibilul fiind n exces, arderea este parial, rezult emisii bogate n monoxid de carbon (CO) i hidrocarburi (HC). n cazul amestecurilor srace, oxigenul fiind n exces, conduce la creterea nivelului de oxizi de azot (NOx) din gazele de eapament. Compromisul este fcut n cazul amestecului stoichiometric, caz n care emisiile sunt la un nivel mediu pentru fiecare din cele trei componente (CO, HC i NOx). Eficacitateacatalizatoruluieste maxim atunci cnd amestecul aer-combustibil este stoichiometric. Rolul sondei lambda este de a informacalculatorul de injeciecare este starea amestecului aer-combustibil. Pe baza informaie primite de la sond calculatorul va ajusta injecia de combustibil astfel nct amestecul s se menin n jurul valorii stoichiometrice.

Controlul in bucla inchisa al injectiei de combustibil1. senzorul de masa de aer 6. sonda lambda aval2. catalizatorul primar 7. circuitul de alimentare cu combustibil3. catalizatorul secundar 8. galeria de admisie4. injectoarele de combustibil 9. galeria de evacuare 5. sonda lambda amonteECUcalculatorul de injecie

Utiliznd informaia de la senzorul de mas de aer, calculatorul de injecie ajusteaz timpul de deschidere al injectoarelor reglnd astfel cantitatea de combustibil injectat. Acest mod de control al injecie se numete control nbucla nchis(closed loop control) i se bazeaz pe informaia primit de la senzori A doua sond lambda, de dup catalizator, are rolul de a monitoriza activitatea catalizatorului, pentru a ne asigura c acesta funcioneaz n parametrii normali. Cu alte cuvinte rolul sondei lambda n aval de catalizator este de adiagnostica funcionarea catalizatorului.

Modul de funcionare al unei sonde lambda n echiparea automobilelor de serie exista mai multe tipuri de sonde lambda. Un criteriu de clasificare ine cont de principiul de funcionare i de numrul de conexiuni electrice. Astfel, dac le clasificam dup principiul de funcionare, distingem: sonde lambda binare cu zirconiu; cu titan; sonde lambda liniare

Sonde lambda binare cu zirconiu

Acestea sunt primele tipuri de sonde lambda utilizate n industria automobilelor. Principiul de funcionare se bazeaz pe modul de funcionare al unei celule de combustie (fuel cell), numitacelul Nernst. Acest tip de sond lambda este de tipul senzorului generator, senzor care produce o tensiune electric fr s fie alimentat la o sursa de tensiune exterioar. Tensiunea electric generat de sond este produs de diferena de molecule de oxigen din gazele de eapament i aerul atmosferic.

Sectiune longitudinala printr-o sonda lambda

Sonda lambda se conecteaz pegaleria de evacuare(1) prin intermediulcarcasei cu filet(2). n interiorultubului de protecie(3) se gsetecorpul ceramic din dioxid de zirconiu(4). Acesta este nvelit cudoi electrozi(5), unul n contact cu gazele de evacuare iar cel de-al doilea cu aerul atmosferic. De reinut c electrodul care este n contact cu gazele de evacuare este acoperit de un material ceramic poros care permite ptrunderea gazelor i n acelai timp protejeaz suprafaa electrodului de coroziune.Carcasa de protecie(6) conineorificii(8) care au rolul de a permite aerului atmosferic s intre n contact cu unul dintre electrozi.Arcul(7) asigura contactul ntreconectorul(9) i electrod.

Sonda lambda-componente

n funcie de cantitatea de oxigen din evacuare sonda lambda genereaz o tensiune care semnaleaz calculatorului de injecie dac amestecul este srac sau bogat. Astfel dacamestecul este bogat( < 1) atunci n gazele de eapament se afl o cantitate foarte mic de oxigen. n acest caz sonda lambda va genera o tensiune de aproximativ0.8 ... 0.9 V. n cazul n careamestecul este srac( > 1) oxigenul se va gsi n cantitate mare n gazele de evacuare, diferena de molecule de oxigen fiind mic tensiunea generat va fi de ordinul0.1 ... 0.2 V. Cu cat diferena dintre moleculele de oxigen este mai mare, ntre gazele de eapament i aerul atmosferic, tensiunea generat de sonda lambda este mai mare.

Principiul de functionare al sondei lambda Ionii oxigenul din gazele de evacuare sunt condui prin intermediul dioxidului de zirconiu ctre electrodul n contact cu aerul atmosferic. Se creeaz astfel odiferen de potenial ntre electrod i mas(galeria de evacuare) care este citit i interpretat decalculatorul de injecie. n cazul n care amestecul este bogat (aprox. 0.9 V) calculatorul de injecie va aplica corecii, ceea ce va conduce la o srcire a amestecului (aprox. 0.2 V). Rezult c tensiunea de ieire a sondei lambda va avea un salt de la 0.9 la 0.1 V sau de la amestec bogat la amestec srac.

Nivelul tensiuni generate de senzorul de oxigen n funcie de tipul amestecului aer-combustibil Denumirea desond binarvine de la faptul c sonda identific doar dou stri ale amestecului,bogatsausrac, fr a putea determina care este nivelul exact de mbogire sau srcire. Un dezavantaj al sondei lambda este acela c funcioneaz numai la temperaturi n jur de 350 C. Din acest motiv controlul mbogirii amestecului nu funcioneaza exact din momentul demarrii motorului, ci numai dup ce temperatura sondei a ajuns la valoarea nominal. Acest mod de funcionare este n defavoarea reducerii nivelului deemisii poluante. Astfel, pentru a minimiza timpul de inactivitate al sondei lambda toate versiunile curente sunt prevazute cu orezisten electric de nclzire.

Conexiunea electrica a unei sonde almda cu un singur fir

Conexiunea electrica a unei sonde lambda cu trei sau patru fire

Diagnosticarea sondei lambda

n funcie de tipul amestecului aer-combustibil, bogat sau srac, sonda lambda genereaz o tensiune ce are forma semnalului similara cu osinusoid.

Tensiunea generata de o sonda lambda binara Odat ce senzorul a ajuns la temperatura nominal de funcionare (aprox. 350 C), pentru o turaie amotorului termicn jur de 2000 rot/min, tensiunea generat de sonda lambda ar trebui s sa situeze n intervalul 0.2 ... 0.9 V. Trecerea de la tensiunea de 0.2 V la 0.9 V ar trebui s se produc n aproximativ 0.3 secunde (durata tranziiei). Diferena de tensiune dintre amestecul bogat i srac ar trebui sa se situeze n jurul valorii de 0.45 V. Perioada semnalului trebuie s se ncadreze ntre 0.7 i 1 secunde n cazul n care sonda lambda funcioneaz la parametrii nominali.

Semnalul unei sonde lambda in cazul functionarii defectuoase n cazul n care perioada semnalului este mai mare dect valorile recomandate, sonda ar trebui examinat n detaliu i nlocuit dac este cazul. O reacie mai lent din partea sondei conduce la concluzia c aceasta prezint defecte sau este mbtrnit, ne mai fiind funcional la parametrii nominali. Implementarea celui de-al doilea senzor s-a fcut datorit normelorOBD 2care cer ca fiecare component care este implicat direct n reducerea emisiilor poluante s fie diagnosticat. n cazul n care catalizatorul funcioneaz corect tensiunea sondei lambda de dup catalizator (aval) are amplitudinea mai mic, aceeai frecven i faza cu tensiunea sondei dinainte de catalizator (amonte).

Semnalul sondei lambda dupa catalizator-functionare corecta Diferena de tensiune dintre sonda lambda din amonte i cea din aval ajut ladiagnosticarea catalizatorului. Este mai puin probabil ca sonda de dupcatalizatorsa se defecteze (datorit mbatrnirii) deoarece este supus unor regimuri termice mai sczute. Din acesta cauza calculatorul de injecie utilizeaz tensiunea produs de sonda de dup catalizator pentru a compensa abaterile de la parametrii nominali ale primei sonde. Performana sondei lambda este monitorizat de calculatorul de injecie utiliznd urmtorii parametrii: tensiunea de ieire; scurt circuitele; rezistena intern; viteza de trecere de la amestec bogat la amestec srac; viteza de trecere de la amestec srac la amestec bogat; n cazuldefectrii sondei lambdaamestecul aer-combustibil va fi neechilibrat,consumulde combustibil vacrete,emisiilede fum se vorintensificaiarperformaneleautomobilului vor fidiminuate. Sonda lambdaeste un element cheie n funcionarea optim a motorului, defectarea sau ncercarea de eliminare a acesteia din sistem va conduce la declanarea modului de funcionare nregim de avarie al motorului, cu consecine negative asupra consumului i a performanelor.