1 Introducere 3

2 Reglementări privind poluarea datorată autovehiculelor 6

2.1 Reglementările Europene privind protecţia mediului - Normele EURO 10

2.2 Ciclurile de încercare 12

2.3 Echipamente pentru determinarea concentraţiei poluanţilor din gazele de evacuare 13

2.3.1 Măsurarea concentraţiei de CO şi CO2 din gazele de evacuare 13

2.3.2 Măsurarea concentraţiei NOx din gazele de evacuare 13

2.3.3 Măsurarea concentraţiei de hidrocarburi din gazele de evacuare 14

2.3.4 Măsurarea concentraţiei de particule din gazele de evacuare 14

2.3.5 Măsurarea emisiilor de fum 15

3 Formarea emisiilor poluante 16

3.1 Formarea oxizilor de azot 16

3.1.1 Formarea oxidului de azot NO 16

3.1.2 Formarea dioxidului de azot NO2 17

3.1.3 Formarea protoxidului de azot N2O 17

3.1.4 Particularităţi ale formării NOx la motorul cu aprindere prin scânteie 18

3.1.4.1 Influenţa dozajului 18

3.1.4.2 Influenţa fracţiunii de gaze arse 19

3.1.4.3 Influenţa avansului la aprindere 19

3.1.5 Particularităţi ale formării NOx la motorul cu aprindere prin comprimare 20

3.1.5.1 Influenţa dozajului 20

3.1.5.2 Influenţa fracţiunii de gaze arse 21

3.2 Formarea oxidului de carbon CO 21

3.2.1 Formarea monoxidului de carbon la motorul cu aprindere prin scânteie 21

3.2.2 Formarea monoxidului de carbon la motorul cu aprindere prin comprimare 21

3.3 Formarea hidrocarburilor nearse 22

3.3.1 Mecanismul chimic 23

3.3.2 Mecanismul stingerii flăcării 24

3.3.3 Particularităţi ale formării emisiilor de hidrocarburi la motorul cu aprindere prin scânteie.... 24

3.3.3.1 Stingerea flăcării la pereţii camere de ardere 25

3.3.3.2 Influenţa interstiţiilor 25

3.3.3.3 Influenţa absorbţiei şi desorbţiei de hidrocarburi de către pelicula de ulei 26

3.3.3.4 Influenţa calităţii arderii26

3.3.3.5 Influenţa depozitelor din camera de ardere 27

3.3.3.6 Influenţa post-arderii hidrocarburilor 27

3.3.4 Particularităţi ale formării emisiilor de hidrocarburi la motorul cu aprindere prin comprimare 29

3.3.5 Influenţa amestecurilor supersărace asupra emisiilor de hidrocarburi 31

3.3.6 Influenţa amestecurilor superbogate asupra emisiilor de hidrocarburi 31

3.3.7 Influenţa răcirii la perete şi lipsa arderii asupra emisiilor de hidrocarburi 32

3.4 Formarea emisiilor de particule 33

1

3.4.1 Formarea emisiilor de particule la motorul cu aprindere prin scânteie 33

3.4.2 Formarea emisiilor de particule la motorul cu aprindere prin comprimare 33

3.4.2.1 Oxidarea funinginii 34

3.4.2.2 Absorbţia şi condensarea 35

3.5 Formarea mirosului la motorul cu aprindere prin comprimare 35

4 Tehnologii active de reducere a emisiilor poluante 36

4.1 Tehnologii active de reducere a emisiilor poluante la MAS 36

4.1.1 Schimbul de gaze 37

4.1.2 Utilizarea amestecurilor omogene 39

4.1.2.1 Injecţia de benzină 39

4.1.2.2 Camera de ardere 40

4.1.2.3 Utilizarea amestecurilor stratificate 40

4.1.2.4 Instalaţia de aprindere 44

4.1.2.4.1 Aprinderea cu jet de flacără - sistemul PSJ 44

4.1.2.4.2 Aprinderea prin injecţia de radicali - sistemul APIR 46

4.1.2.4.3 Aprinderea cu jet de plasmă 48

4.2 Tehnologii active de reducere a emisiilor poluante la MAC 48

4.2.1 Formarea amestecului şi arderea 49

4.2.1.1 Schimbul de gaze 49

4.2.1.2 Camera de ardere 51

4.2.1.3 Injecţia de combustibil 52

4.2.1.4 Supraalimentarea 58

4.2.1.5 Recircularea gazelor arse 59

5 Tehnologii pasive de reducere a emisiilor poluante 60

5.1 Proprietăţile fizico-chimice ale gazelor de evacuare 61

5.2 Dispozitive de tratare a gazelor de evacuare 61

5.2.1 Reactorul termic 61

5.2.2 Convertorul catalitic 63

5.2.2.1 Convertorul catalitic cu două căi65

5.2.2.2 Convertorul catalitic cu trei căi 65

5.2.2.3 Catalizatori pentru tratarea gazelor net oxidante 73

5.2.2.4 Contaminarea catalizatorului 75

5.2.3 Reducerea nivelului noxelor la pornirea la rece a motorului prin utilizarea hidrogenului degajat în motor pentru arderea gazelor de evacuare 77

5.2.4 Filtrul de particule 78

5.2.4.1 Mecanismele filtrării 78

5.2.4.2 Filtrul cu reţinere mecanică 79

5.2.4.3 Filtrul de particule electrostatic 80

5.2.4.4 Regenerarea filtrelor 80

6 Concluzii 84

7 Bibliografie 87

2

1 Introducere

Înainte de a analiza impactul asupra mediului a autovehiculelor trebuie prezentată istoria

autovehiculelor, istoria motorului.

Primul motor a fost realizat în anul 1698 de către inginerul englez Thomas Saverz, şi era

un motor cu abur ce avea ca scop pomparea apei în casele înalte din Londra.

Fig.1 Principiul de funcţionare a motorului cu abur realizat de Thomas Saverz

În anul 1712, inginerul Thomas Newcomen din Cornwall a realizat un motor performant

care avea un braţ lung cu ajutorul căruia pompa apa cu o turaţie de 16 rot/min. Acest motor a fost

optimizat în anul 1776 de constructorul scoţian James Watt.

Fig.2 Motorul lui Newcomen Fig.3 Motorul lui Watt

Primul care a utilizat un motor cu abur pentru propulsia unui vehicul a fost Nicolas

Cugnot în anul 1769. Acest vehicul putea transporta patru persoane, dar el a fost utilizat pentru

transportul armamentului. Viteza maximă pe care o putea atinge era de 5 km/h.

3

Fig.4 Vehiculul realizat de Nicolas Cugnot

Pe baza proiectului lui Lenoir în anul 1861 Nikolaus August Otto construieşte primul

motor. Iar împreună cu industriaşul german Eugen Langen înfiinţează o companie lângă Koln,

unde în anul 1867 construieşte primul motor. Acest motor era unul în doi timpi mult mai eficient

decât motorul lui Lenoir deoarece înainte de ardere se realiza o comprimare a amestecului

carburant.

În anul 1876 cei doi au pus la punct un nou motor, un motor care funcţiona în patru timpi.

Acest motor era silenţios şi eficient astfel că şi-a găsit repede locul în industrie, rămânând model

pentru cele mai moderne motoare cu ardere internă existente astăzi în lume.

Otto şi-a patentat ciclul de funcţionare a motorului în patru timpi în 1877 şi a pus bazele

unei companii care doar în câţiva ani a vândut peste 35000 de motoare. În 1886, totuşi ,

competitorii lui Otto au arătat că de fapt principiul de funcţionare al motorului în patru timpi a

fost prezentat pentru prima dată (într-un obscur pamflet) de către inginerul francez Alphonse-

Eugene de Rochas. Chiar dacă acest lucru anula patentul lui Otto, motoarele lui au rămas

singurele motoare cu ardere internă folosite pe scară largă.

Fig.6 Motorul lui Otto şi Langen

Fig.5 Motorul lui Lenoir

În 1890, Wilhelm Maybach şi Gottlieb Daimler, doi dintre inginerii companiei lui Otto,

şi-au deschis propria companie producătoare de automobile, propulsate de motoarele în patru

timpi ale lui Otto. Ei au perfecţionat vechiul motor şi au reuşit să producă, în 1899, primul

automobil Mercedes.

4

Fig.7 Primul autovehicul Mercedes

Motorul cu aprindere prin comprimare a fost inventat de Rudolf Diesel în 1892, şi a fost

patentat la data de 23 februarie 1893. Acest motor a fost conceput ca o alternativă pentru

întreprinzătorii particulari având în vedere dimensiunile variabile, costul scăzut al motorului şi

carburantului în comparaţie cu celelalte soluţii existente. Lucrul la acest motor a pornit de la

obsesia lui Diesel pentru a doua legea a termodinamicii şi maxima eficienţă a ciclului Carnot.

Intenţia lui Diesel a fost ca motorul său să utilizeze o varietate largă de combustibili

inclusiv praful de cărbune. Diesel şi-a prezentat invenţia funcţionând în 1900 la Expoziţia

Universală (World's Fair) utilizând ulei de alune.

Fig.8 Motorul Diesel

În acele vremuri nu erau probleme legate de poluarea mediului deoarece numărul

autovehiculelor era mic şi impactul asupra mediului era neglijabil.

În cei peste o sută de ani de existenţă automobilele s-au dezvoltat şi perfecţionat fără însă

a se produce modificări fundamentale asupra soluţiilor tehnice utilizate la primele modele.

Restricţiile extrem de severe impuse şi cele ce urmează a fi adoptate în primul deceniu al

noului mileniu, referitoare la protecţia mediului şi resursele naturale, conduc la transformări

5

esenţiale ale autovehiculelor atât în concepţia componentelor acestora cât şi în privinţa

consumului şi manevrării.

În anul 2000 circulau în lume circa 800 milioane de autovehicule, dintre care 500

milioane erau autoturisme, iar restul autocamioane, autobuze, motociclete şi scutere.

Aproximativ 35% se aflau în Europa şi America de Nord, iar restul în Asia, America de Sud,

Africa.

Producţia mondială anuală de este de aproximativ 60 milioane de autovehicule. În Europa

aproximativ 14 milioane de autovehicule îşi încheie ciclul de viaţă, iar în SUA 10-11 milioane.

Creşterea continuă a numărului de autovehicule este strâns legată de creşterea populaţiei

globului şi de creşterea economică. Astfel conform previziunilor ONU populaţia globului va

creşte până în 2050 la aproximativ 9 miliarde de locuitori, iar până în 2020 populaţia Europei va

atinge valoarea de 450 milioane de locuitori. Această creştere nu este uniform distribuită, ea

fiind mai accentuată în ţările din Asia, Africa şi America Latină.

Ca rezultat al acestei tendinţe este de aşteptat ca numărul autovehiculelor să crească

semnificativ în special în ţările cu industrializare rapidă din Asia. La fel vor creşte şi presiunile

privind protecţia mediului înconjurător dacă nu se vor găsi soluţii alternative la motoarele cu

ardere internă.

2 Reglementări privind poluarea datorată autovehiculelor

Standardele de emisie sunt cerinţele care trebuie să stabilească limite specifice pentru

poluanţii care pot fi eliberaţi în mediu. Multe standarde de emisii se axeze pe reglementarea

poluanţilor eliberaţi de autovehicule, dar ele pot reglementa şi emisiile provenite din industrie,

centrale electrice şi mici echipamente cum ar fi cositoarele pentru gazon sau generatoarele

diesel. Politicile frecvente ca alternativă la standardele de emisii sunt standardele tehnologice

(care reglementează emisiile de oxizi de azot, oxizi de sulf, pulberi în suspensie sau funingine,

monoxid de carbon, hidrocarburi volatile).

Un standard de performanţă privind emisiile reprezintă o limită care stabileşte pragurile

peste care un alt tip de tehnologie de control al emisiilor ar putea fi necesare. În timp ce

standardele de performanţă privind emisiile au fost folosite pentru a dicta limitele de poluanţi

convenţionali, cum ar fi oxizii de azot şi oxizi de sulf, această tehnică de reglementare poate fi

folosită pentru ţinerea sub control a gazelor cu efect de seră, în special de dioxid de carbon.

În Statele Unite, standardele de emisii sunt gestionate de către Agenţia de protecţie a

Mediului (EPA). Statul California are dispensă specială de a promulga standarde mai stricte

privind emisiile vehiculelor, iar celelalte state pot alege să urmeze fie standardele naţionale, fie

cele emise de statul California.

6

Standardele de emisii din California sunt stabilite de către Consiliul Rezervelor de Aer

California, cunoscut la nivel local prin acronimul "CARB". Având în vedere că piaţa auto din

California este una dintre cele mai mari din lume, CARB are o influenţă mare asupra cerinţelor

privind normele de emisii pe care trebuie să le îndeplinească majoritatea autovehiculelor dacă

doresc fie vândute pe această piaţă. În plus, alte câteva state din SUA aleg să urmeze standardele

CARB, deci reglementării lor au implicaţii largi în SUA. De asemenea politica CARB are

influenţă şi asupra standardelor privind emisiile din UE.

Automobilele şi camioanele uşoare (SUV-urile, camionetele, microbuzele) sunt tratate în

mod diferit în conformitate cu anumite standarde.

California încearcă să reglementeze emisiile gazelor cu efect de seră provenite de la

automobile, dar se confruntă cu probleme din partea instanţei guvernului federal. State încearcă

de asemenea să oblige APE să reglementeze emisiile de gaze cu efect de seră, dar se lovesc de

refuzul acesteia din anul 2007.

În viitorul apropiat se prevede că APE va adopta în mare măsură standardele California

privind emisiile de gaze cu efect de seră.

Uniunea Europeană are propriul set de standarde privind emisiile pe care toate

vehiculele noi trebuie să îndeplinească. În prezent, emisiile de oxizi de azot (NOx), de

hidrocarburi totale (THC), hidrocarburi non-metan (NMHC), monoxid de carbon (CO) şi pulberi

în suspensie (PM) sunt reglementate pentru majoritatea tipurilor de vehicule. Standarde nu se

aplică navelor maritime sau avioanelor.

Standardele europene de emisii definesc limitele acceptabile pentru gazele de evacuare

produse de autovehiculele noi vândute în statele membre UE. Standardele de emisii sunt definite

într-o serie de directive ale Uniunii Europene şi treptat se vor introduce treptat standarde din ce

în ce mai stricte. Vehicule neconforme nu pot fi vândute în UE, dar noile standarde nu se aplică

la vehiculele aflate deja pe şosele.

Standardele de emisii diferă în funcţie de ciclul de testare utilizat: R49 ECE (vechi) şi

CES (European Steady Cycle, din 2000).

Parlamentul European a sugerat introducerea unor standarde obligatorii de emisii de CO2

pentru a înlocui angajamentelor actuale de voluntariat de către producătorii auto. La sfârşitul

anului 2005, Comisia Europeană a început să lucreze la o propunere pentru o nouă lege de

limitare a emisiilor de CO2 provenite de la autovehicule. Comisia Europeană a primit sprijinul

Parlamentului European pentru propunerea sa de promovare a introducerii pe o piaţă a

vehiculelor curate şi eficiente energetic prin intermediul achiziţiilor publice.

În cadrul Uniunii Europene, transportul rutier este responsabil pentru aproximativ 20%

din toate emisiile de CO2, cu autoturismele care contribuie cu aproximativ 12%.

7

Ţinta stabilită prin Protocolul de la Kyoto a fost o reducere cu 8% a emisiilor în toate

sectoarele economiei, comparativ cu nivelurile din 1990 până în 2008-2012.

Emisiilor de CO2 provenind din transporturi au crescut rapid în ultimii ani, de la 21% în

1990 la 28% în 2004. Emisiile de CO2 datorate transportului rutier din UE au o pondere de

aproximativ 3,5% din emisiile totale de CO2 la nivel mondial.

În prezent sunt reglementaţi şapte poluanţi atmosferici: dioxidul de sulf SO2, particulele

în suspensie PM10, plumbul Pb, dioxidul de azot NO2, ozonul O3, oxidul de carbon CO,

benzenul C6H6, şi se poartă tratative pentru reglementarea următorilor poluanţi: hidrocarburi

aromatice policiclice HPA, cadmiu Cd, arsenic As, nichel Ni, mercur Hg.

1. Dioxidul de sulf

Emisiile de SO2 provin din instalaţii care ard combustibil fosil. O lungă perioadă de timp

autovehiculele dotate cu motoare diesel au contribuit la poluare cu SO2, dar odată cu reducerea

cantităţii de sulf din motorină s-a redus şi participaţia autovehiculelor la poluare.

Conţinutul de sulf din motorină e de 0,3…0,1% S, iar prin reglementări se doreşte să se

ajungă la 0,05% S. Noile autovehicule, echipate cu sisteme de reducere a poluării, nu mai emit

SO2 ci SO3.

Emisiile de SO2 afectează căile respiratorii la copii şi bolnavii de astm, iar dacă

expunerea este îndelungată afectează funcţionarea plămânilor. De asemenea emisiile contribuie

la formarea ploilor acide care afectează solul, produc deteriorarea clădirilor şi monumentelor,

reduc vizibilitatea atmosferică.

2. Dioxidul de azot

Mai mult din jumătatea emisiilor de NO2 sunt datorate traficului rutier, iar restul datorită

instalaţiilor industriale şi de încălzire.

NO2 are efect negativ asupra sănătăţii umane deoarece afectează căile respiratorii. El se

constituie ca precursor al formării ozonului de suprafaţă şi a acidului azotic ce are ca rezultat ploi

acide, acidificarea solului.

3. Particulele în suspensie,PM10

Particulele în suspensie reprezintă un amestec de particule solide şi picături de lichide

care se găsesc în suspensie în atmosferă. O serie dintre ele au dimensiuni mari şi au o culoare

închisă: fumul, funinginea, iar unele dintre ele sunt mici şi pot fi detectate doar cu microscopul.

Aceste particule reprezintă particulele fine şi au dimensiuni sub 2,5μm, PM2,5. Ele au ca

origine arderea în motor, instalaţii energetice, industriale şi de încălzire.

Particulele mai mici de 10μm, PM10, sunt generate de traficul pe străzi nepavate, la

manipularea unor materiale, operaţii de sfărmare şi măcinare, rafale de vânt. Acestea sunt emise

8

direct de la sursă sau rezultă prin interacţiunea cu SO, SO2, NOx sau compuşi organici volatili cu

compuşi aflaţi în aer rezultând particule fine.

4. Ozonul

Ozonul de suprafaţă este un poluant secundar care se formează prin reacţiile dintre NOx şi

compuşii organici volatili în prezenţa căldurii şi radiaţiei solare.

NOx sunt emişi de autovehicule, instalaţii energetice şi alte surse de ardere, iar compuşii

volatili sunt emişi de autovehicule, fabrici chimice, rafinării şi alte surse industriale.

Nivelul ridicat de O3 se găseşte în aglomeraţiile urbane şi la periferii. Expunerea pe

termen lung duce la schimbări ireversibile la nivelul plămânilor, afectează fauna şi flora,

producţiile agricole scad.

5. Monoxidul de carbon

Este un gaz incolor şi inodor cu grad ridicat de nocivitate. El este generat de arderea

incompletă a combustibililor fosili, de aceea traficul rutier reprezintă aproximativ 60% din

poluare globală cu CO.

În oraşe 95% din emisiile de CO sunt datorate autovehiculelor, iar maxima concentraţiei

de CO se atinge în lunile reci.

Prin inhalare monoxidul de carbon pătrunde în plămâni şi se compune cu hemoglobina

rezultând carboxil-hemoglobină şi astfel sângele nu mai poate transporta oxigen.

6. Benzenul

Benzenul este un constituent de origine al produselor petroliere. El poate apărea în gazele

de evacuare ale autovehiculelor chiar dacă nu se găseşte în compoziţia combustibilului utilizat.

Are un caracter cancerigen puternic, distruge sistemul imunitar, neurologic şi

reproducător. Efectele datorate expunerii la C6H6 apar după o perioadă mare de timp.

7. Plumbul

În trecut principala sursă de poluare cu plumb era reprezentată de autovehiculele

alimentate cu benzină aditivată cu compuşi ai plumbului. Plumbul era emis sub formă de aerosoli

şi odată inhalat nu se mai elimină din organism. Se acumulează în sânge, carne, oase şi afectează

ficatul, sistemul nervos. Expunerea prelungită la plumb determină apariţia retardului mintal şi a

sterilităţii.

Concentraţiile medii anuale ale emisiilor de plumb sunt sub 0,5μg/m3, iar zonele cu

concentraţie ridicată sunt cele din apropierea turnătoriilor şi fabricilor ce produc baterii.

8. Ploile acide

Ploile acide reprezintă căderi de compuşi cu caracter acid rezultaţi din reacţiile

atmosferice ale SO2 şi NOx cu H2O, O2 şi compuşi oxidanţi. Aceşti compuşi se formează şi sunt

transportaţi la distanţă de locul de formare, ei cad pe sol sau apă sub formă uscată sau umedă.

9

2.1 Reglementările Europene privind protecţia mediului - Normele EURO

Pentru autoturismele şi autoutilitarele uşoare, sub 3,5t, verificarea se face pe standul cu

rulouri pe baza ciclului Europa (urban) sau Europa NCCE (urban + interurban).

Primele reglementări asupra emisiilor poluante au fost introduse în anul 1970, şi ele se

refereau la emisiile de monoxid de carbon, hidrocarburi, oxizi de azot şi particule.

În anul 1992 începe reducerea sistematică a poluării prin introducerea normelor EURO.

Normele EURO 1 prevedeau tratarea post-combustie prin utilizarea catalizatorilor de

oxidare pentru CO şi NOx pentru ciclul de conducere Europa (urban). Au fost introduse la 1

ianuarie 1992 pentru omologarea de tip şi la 1 ianuarie 1993 pentru livrări pe piaţă.

Normele EURO 2 au fost introduse la 1 ianuarie 1996 pentru omologarea tip şi la 1

ianuarie 1997 pentru livrarea pe piaţă. Ele prevedeau tratarea post-combustie cu catalizator

pentru trei componente, apariţia sondei lambda pentru reglarea amestecului şi introducerea

injecţiei de benzină. Măsurarea emisiilor se făcea conform noului ciclu de încercare Europa

NCCE (urban + interurban).

Emisiile erau reduse cu 8-10 ori faţă de NON EURO.

Normele EURO 3 prevedeau o reducere cu 30-40% a valorilor limită pentru noxe şi 50%

pentru particule. Se utilizează ciclul de încercare Europa NCCE fără cele 40 de secunde pentru

încălzirea motorului.

Se introduc sistemele OBD (sisteme de diagnosticare la bord) şi se utilizează carburanţi

superiori.

Aceste norme au fost introduse la 1 ianuarie 2000 pentru omologări tip şi la 1 ianuarie

2001 pentru livrarea pe piaţă.

Normele EURO 4 au fost introduse la 1 ianuarie 2005 pentru omologări tip, 1

ianuarie2006 pentru livrarea pe piaţă. Ele prevăd o nouă reducere cu 55-77% a noxelor şi 75% a

particulelor, utilizarea carburanţilor superiori.

Normele EURO 5 presupun noi reduceri ale emisiilor poluante, în special asupra

emisiilor de particule, introducerea filtrelor pentru particulele ultra fine. Realizarea „vehiculelor

prietenoase cu mediul”. Introducerea normelor s-a făcut la data de 1 septembrie 2009 pentru

omologări tip şi 1 ianuarie 2010 pentru livrare.

În anul 2014 se prevede introducerea unui nou tip de norme, EURO 6, care vor avea

prevederi şi mai drastice în privinţa poluării.

10

Tab.1 Evoluţia privind poluanţii a normelor EURO

Fig.9 Emisiile de NOx şi PM pentru motoarele cu aprindere prin comprimare

Fig.10 Emisiile de NOx şi PM pentru motoarele cu aprindere prin scânteie

11

2.2 Ciclurile de încercare

În Europa primul ciclu de testare a fost introdus în anul 1969 la recomandarea Comisiei

Economice ONU. Acest ciclu simulează un parcurs prin Paris şi avea următoarele caracteristici:

Lungimea 1,013km, viteza medie 18,7km/h, durata 195 secunde, viteza maximă 50km/h, ciclul

se parcurge de patru ori.

Fig.11 Ciclul de încercare EUROPA

Ciclul european cu 13 moduri a fost elaborat pentru testarea motoarelor diesel pe stand,

un ciclu similar este si pentru SUA.

Tab.2 Ciclul de încercare cu 13 moduri

Ciclul de anduranţă european este aplicat echipamentelor de control al poluării. Acest

ciclu parcurge trei faze cu viteze de 70km/h, 100km/h şi 80% din viteza maximă, dar nu mai

mult de 130km/h. Durata fazelor este de 300s, cu faze de mers în gol de 15s. Pentru parcurgerea

ciclului se prevăd accelerări şi decelerări de 1,5m/s2. Parcursul echivalent este de 30000km, cu

opriri pentru alimentare şi reglaje.

Ciclul european NCCE are o lungime de 11km, viteza medie este de 32,5km/h, viteza

maximă 120km/h, iar durata este de 1200s.

Fig.12 Ciclul european de încercare NCCE

12

2.3 Echipamente pentru determinarea concentraţiei poluanţilor din gazele de evacuare

Echipamentele de evaluare a emisiilor poluante depind de caracteristicile poluanţilor ale

căror limite sunt legiferate.

Determinarea concentraţiei gazelor de evacuare se poate face prin colectarea acestora în

saci de plastic, urmând a fi supuse apoi analizei, sau prin măsurarea în mod continuu a acestora.

2.3.1 Măsurarea concentraţiei de CO şi CO2 din gazele de evacuare

Emisiile de CO şi CO2 pot fi determinate utilizând metoda absorbţiei energiei radiante

nedispersive prin spectrul de radiaţii infraroşu, care se bazează pe principiul absorbţiei selective

a energiei radiante în spectrul infraroşu la diferite lungimi de undă caracteristice fiecărei

substanţe. Metoda poate fi folosită şi pentru măsurarea concentraţiei de HC şi NOx.

Radiaţia infraroşie este absorbită de CO la lungimea de undă de 4,7μm, iar la CO2 la

lungimea de undă de 4,3μm.

Analizorul NDIR prezentat în figura de mai jos dispune de două tuburi paralele cu pereţi

reflectorizanţi şi care sunt străbătute de câte un fascicul de radiaţii infraroşu cu bandă largă de

lungimi de undă. Astfel proba de gaze analizată traversează tubul de măsură, iar tubul de

referinţă este traversat de azot. În funcţie de tipul gazului radiaţia este absorbită mai mult sau mai

puţin, diferenţa este transformată într-o diferenţă de presiune proporţională cu concentraţia

gazului analizat.

Fig.13 Sistemul Non Dispersive Infrared Radiation

2.3.2 Măsurarea concentraţiei NOx din gazele de evacuare

Concentraţia oxizilor de azot este determinată cu ajutorul analizorului cu

chemiluminiscenţă. Acest aparat funcţionează pe baza reacţiei dintre NO şi O3 în urma căreia

rezultă NO2 marcat electric, care prin descărcare produce o cuantă de lumină roşie. această

emisie luminoasă poate fi măsurată cu precizie.

Aparatul dispune de o cameră de reacţie în care se introduce gazul de analizat şi ozonul,

unde se generează molecule de NO2 încărcate electric şi unde are loc descărcarea. Senzorul

fotoelectric transformă impulsurile luminoase în curent electric.

13

Fig.14 Schema analizorului

În gazele de evacuare pe lângă NO există şi NO2, care poate fi măsurat deoarece

analizorul dispune de un reactor încălzit electric la temperatura de 650-700°C. La trecerea prin

reactor NO2 disociază în totalitate în NO şi astfel poate fi analizat.

2.3.3 Măsurarea concentraţiei de hidrocarburi din gazele de evacuare

Concentraţia de hidrocarburi se determină cu analizorul FID. Principiul de funcţionare se

bazează pe faptul că atomii de carbon pot fi separaţi la temperaturi înalte în ioni pozitivi şi

electroni liberi. Vapori de apă pot influenţa rezultatul măsurătorilor, de aceea proba de gaz se

încălzeşte până la 190°C, iar analizorul devine Heated Flame Ionozation Detection.

Fig.15 Sistemul de determinare a conţinutului de hidrocarburi

2.3.4 Măsurarea concentraţiei de particule din gazele de evacuare

Prin metoda gravimetrică se determină cantitatea de particule. Astfel gazele de evacuare

trec printr-un filtru, iar masa particulelor este determinată prin cântărirea filtrului gol şi cu

particule.

Filtrele sunt confecţionate din fibre de sticlă acoperite cu fluorcarbon sau teflon, sau sunt

filtre cu membrană din fluorcarbon. Acestea pot influenţa măsurătorile prin reţinerea vaporilor

de apă şi de hidrocarburi din gazele de evacuare.

14

La o măsurătoare se utilizează mai mult filtre montate în serie, dispuse la o distanţă de

maxim 100mm.

2.3.5 Măsurarea emisiilor de fum

Emisiile de fum pot fi determinate prin două metode:

1. Metoda filtrării gazelor, care constă în trecerea unei cantităţi de gaze arse printr-un

filtru care va fi supus unei analize optice. Valorile obţinute se încadrează în scara Bacharach ce

are 10 nivele de înnegrire a hârtiei de filtru.

Fig.16 Metoda filtrării gazelor

2. Metoda de măsurare a gradului de absorbţie a luminii. Se compară transparenţa

coloanei de gaz cu transparenţa coloanei de aer.

Fig.17 Fummetrul Hartridge

15

3 Formarea emisiilor poluante

În cazul emisiilor nocive datorate autovehiculelor, gradul de poluare are o dependenţă

liniară de intensitatea traficului, exprimată prin numărul de autovehicule care trec printr-un punct

de control în unitatea de timp.

În figura de mai jos este prezentată dependenţa dintre numărul de autovehicule pe oră şi

gradul de poluare.

Fig.18 Influenţa traficului rutier asupra emisiilor

Studiul naturii şi mecanismelor formării emisiilor poluante permite să se clarifice

direcţiile şi principiile pe care să se bazeze intervenţiile asupra procesului de ardere în vederea

micşorării concentraţiei substanţelor toxice din gazele de evacuare.

3.1 Formarea oxizilor de azot

3.1.1 Formarea oxidului de azot NO

În cazul motoarelor cu ardere internă formarea oxidului de azot este datorată prezenţei

azotului molecular în compoziţia aerului admis în motor, dar şi datorită micilor cantităţi de azot

prezente in compoziţia benzinei şi a motorinei.

Reacţiile de formare a oxidului de azot au loc în frontul flăcării şi în gazele care părăsesc

flacăra, zone cu amestec stoichiometric. Ele sunt următoarele:

În frontul flăcării se formează o mică parte din cantitatea de NO deoarece arderea în

motor are loc la presiune ridicată astfel că frontul flăcării are o grosime mică şi presiunea din

interiorul camerei de ardere creşte pe parcursul procesului de ardere ceea ce determină creşterea

16

temperaturii gazelor arse. Deci principala cantitate de NO se formează in gazele ce părăsesc

flacăra.

Fig.19 Formarea NO 2 la diferite temperaturi

În fig.19 este prezentată formarea NO în funcţie de nivelul de temperatură şi timp.

Cantitatea de oxizi de azot este influenţată de concentraţia de oxigen şi temperatură.

Odată cu creşterea temperaturii şi a cantităţii de oxigen cresc şi emisiile de NO.

3.1.2 Formarea dioxidului de azot NO2

În cazul motorului cu aprindere prin scânteie concentraţia de NO2 din gazele arse poate fi

neglijată în comparaţie cu cantitatea de NO, în condiţii de echilibru chimic. Însă la funcţionarea

motorului timp îndelungat la mers în gol determină o creştere a emisiilor de dioxid de azot.

La motoarele cu aprindere prin comprimare cantitatea de NO2 reprezintă 30% din

cantitatea totală de oxizi de azot emişi deoarece NO format în frontul flăcării este convertit in

NO2:

,

iar NO2 este convertit în NO: .

Funcţionarea motorului la sarcini reduse duce la creşterea concentraţiei de dioxid de azot

deoarece există numeroase zone reci ce duc la inhibarea procesului de conversie a NO2 în NO.

S-a constatat că la turaţii scăzute NO2 se formează în evacuare deoarece gazele arse

rămân un timp mai lung în prezenţa oxigenului.

3.1.3 Formarea protoxidului de azot N2O

La motoarele cu ardere internă emisiile de protoxid de azot ating o magnitudine de 3 până

la 8 ppm.

N2O rezultă din reacţia substanţelor intermediare cu NO. Mecanismul de formare este

limitat de reacţia de oxidare:

17

Protoxidul de azot este distrus cu ajutorul hidrogenului atomic:

3.1.4 Particularităţi ale formării NOx la motorul cu aprindere prin scânteie

În cazul motoarelor cu aprindere prin scânteie amestecul aer-combustibil este caracterizat

prin omogenitate deoarece procesul se desfăşoară în timpul cursei de admisie şi comprimare.

Cantitatea de NO formată în gazele arse la temperatură ridicată este bine determinată, aceasta

poate creşte peste valoare de echilibru dacă în timpul destinderii temperatura scade.

În timpul destinderii concentraţia de NO este influenţată de condiţiile de funcţionare ale

motorului şi de momentul iniţierii aprinderii. Astfel la amestecurile sărace formarea NO durează

puţin în destindere, rezultă descompunerea unei mici cantităţi de NO. Iar în cazul amestecurilor

bogate NO se formează pe toată durata procesului de ardere şi se prelungeşte în destindere, astfel

o cantitate de NO este descompusă.

Concentraţia emisiilor de oxizi de azot depinde de fracţiunea de amestec care arde prima.

Dacă amestecul aer-combustibil nu este supus unei mişcări organizate sau neorganizate în jurul

bujiei se formează cele mai importante concentraţii de oxizi de azot, iar în camera de ardere

apare un gradient al concentraţiei de NOx care urmăreşte gradientul de temperatură.

3.1.4.1 Influenţa dozajului

Performanţele energetice ale motorului sunt influenţate de dozaj, ştiut fiind faptul că

motorul dezvoltă puterea maximă la funcţionarea cu amestecuri bogate, deficit de aer. De

asemenea consumul minim de carburant se obţine la funcţionarea motorului cu amestecuri

sărace, surplus de aer.

Temperatura maximă a gazelor arse se obţine la funcţionarea cu amestecuri bogate,

λ≈0.9, moment în care concentraţia de NOx este redusă. Odată cu creşterea coeficientului de

exces de aer, efectul creşterii presiunii parţiale a oxigenului contrabalansează efectul reducerii

temperaturii gazelor arse, care tinde să reducă formarea oxizilor de azot.

Concentraţia maximă de oxizi de azot se obţine în zona amestecurilor uşor sărace, λ=1.1.

Dacă excesul de aer creşte atunci temperatura flăcării se reduce şi rata de formare a NOx scade.

18

3.1.4.2 Influenţa fracţiunii de gaze arse

Amestecul din camera de ardere este alcătuit din: aer, vapori de combustibil şi gaze arse.

Gazele arse pot fi gaze arse rămase în camera de ardere de la ciclul anterior sau pot fi gaze arse

introduse voit în camera de ardere, recirculate, pentru reducerea emisiilor poluante.

Cantitatea de gaze reziduale prezente în amestec depinde de sarcină, turaţie, raport de

comprimare, dozaj şi de fazele de distribuţie, durata de suprapunere a deschiderii celor două

supape. Cu cât durata de suprapunere a deschiderii supapelor este mai mare cu atât cantitatea de

gaze reziduale rămase în camera de ardere este mai mare şi deci emisiile de NOx mai reduse.

Gazele reziduale funcţionează ca un diluant pentru amestecul aer-combustibil, creşterea

cantităţii de gaze reziduale duce la scăderea temperaturii pe ciclu. O cantitate prea mare de gaze

arse prezente în amestecul ce urmează a fi ars duce la o funcţionare instabilă a motorului.

Fig.20 Influenţa recirculării gazelor arse asupra emisiilor de NO

3.1.4.3 Influenţa avansului la aprindere

Mărirea avansului la aprindere duce la creşterea emisiilor de oxizi de azot, pentru că o

cantitate importantă din amestecul carburant arde înainte de ajungerea pistonului în punctul mort

superior ceea ce duce la creşterea presiunii maxime a ciclului şi implicit creşterea temperaturii

ciclului.

Micşorarea avansului la aprindere produce scăderea temperaturii pe ciclu şi implicit

reducerea emisiilor de oxizi de azot. Nivelul temperaturii gazelor arse evacuate creşte, este

favorizată post-arderea hidrocarburilor, dra se înrăutăţeşte puterea specifică şi consumul de

combustibil.

Fig.21 Influenţa avansului la declanşarea scânteii electrice asupra emisiilor de NO

19

3.1.5 Particularităţi ale formării NOx la motorul cu aprindere prin comprimare

La motorul cu aprindere prin comprimare formarea oxizilor de azot este influenţată de

modul în care se realizează amestecul aer-combustibil şi de modul în care are loc procesul de

ardere.

Formarea amestecului are loc prin injecţia combustibilului la sfârşitul cursei de

comprimare ceea ce duce la o neuniformitate a amestecului în camera de ardere. Acest lucru

determină o puternică neuniformitate a temperaturii şi compoziţiei gazelor arse.

Procesele de formare a amestecului şi ardere sunt complexe şi sunt influenţate de o serie

de factori. În timpul arderii rapide, imediat după întârzierea la autoaprindere, arderea este

necontrolată, dozajul amestecului fiind stoichiometric, ca şi în cazul fazei de ardere difuzive.

Temperatura maximă influenţează formare oxizilor de azot, astfel fracţiunea de

combustibil care arde mai devreme, faţă de punctul mort superior, este determinantă deoarece

gazele sunt comprimate şi temperatura are tendinţă de creştere rezultând creşterea emisiilor de

NOx.

În destindere temperatura scade prin amestecarea gazelor fierbinţi cu aer sau gaze arse

reci. Acest fapt duce la stoparea procesului de formare a NOx, dar şi la scăderea tendinţei de

descompunere a NO. Deci perioada critică de formare a NOx este între începutul arderii şi un

punct aflat puţin după momentul atingerii presiunii maxime.

3.1.5.1 Influenţa dozajului

Concentraţia de oxizi de azot prezenţi în gazele de evacuare creşte odată cu mărirea

dozajului. Creşterea dozajului se realizează prin mărirea cantităţii de combustibil injectată, deci

concentraţia de NOx este dependentă de cantitatea de combustibil injectată.

Fig.22 Influenţa dozajului asupra emisiilor la MAC

La motoarele cu injecţie directă formarea NOx are loc în camera separată, aprox. 65%, şi

35% în camera principală. Camera separata este caracterizată de un amestec neuniform, λ=0,8-1,

vârful concentraţiei de NOx apare local în zonele cu amestec stoichiometric. Transferarea gazelor

arse din camera separată spre camera principală duce la oprirea formării oxizilor de azot

20

deoarece se produce o răcire a gazelor arse cu componente mai reci, dar şi datorită procesului de

destindere.

3.1.5.2 Influenţa fracţiunii de gaze arse

Prin diluarea amestecului cu gaze arse recirculate se reduce temperatura ciclului fapt ce

duce la diminuarea emisiilor de NOx.

Compoziţia gazelor de evacuare ale motorului diesel depind de sarcină, astfel la sarcini

mici în gazele de evacuare găsim concentraţii mici de CO2 şi H2O, căldura specifică a gazelor

fiind scăzută, iar la sarcini mari concentraţia de CO2 şi H2O creşte, creşte căldura specifică.

3.2 Formarea oxidului de carbon CO

Procesul de formare a emisiilor de CO este un proces intermediar în oxidarea

hidrocarburilor, produsul final este dioxidul de carbon. Acest proces este influenţat de raportul

aer-combustibil.

Procentul de oxidare a combustibilului depinde de concentraţia oxigenului disponibil,

temperatura gazelor şi de tipul de desfăşurare a reacţiilor.

Monoxidul de carbon rezultă în urma arderii incomplete a combustibilului datorită lipsei

oxigenului. Astfel că la amestecurile sărace sunt mai mari decât la amestecurile bogate.

3.2.1 Formarea monoxidului de carbon la motorul cu aprindere prin scânteie

Emisiile de CO sunt mari în cazul motoarelor cu ardere internă deoarece acestea

funcţionează la pornire şi la sarcini mari cu amestecuri bogate. Cantitatea de emisii poate fi

redusă prin controlul cantităţii de combustibil introduse în cilindri.

De asemenea cantitatea de monoxid de carbon poate fi redusă folosirea unor amestecuri

având nivel de temperatură ce generează disocierea dioxidului de carbon.

Nivelul monoxidului de carbon este mai mare în camera de ardere faţă de cel din gazele

de evacuare.

3.2.2 Formarea monoxidului de carbon la motorul cu aprindere prin comprimare

În cazul motoarelor diesel emisiile de monoxid de carbon sunt mai reduse faţă de motorul

cu aprindere prin scânteie deoarece acestea funcţionează cu amestecuri sărace.

Formarea amestecului şi arderea sunt caracterizate prin neomogenitate ridicată, lipsa

locală a oxigenului, variaţii ale temperaturii în camera de ardere şi timp insuficient pentru

21

desăvârşirea reacţiei de ardere. Aceste deficienţe duc la majorarea emisiilor de CO atunci când

motorul funcţionează la turaţie ridicată, sarcină mică sau maximă.

3.3 Formarea hidrocarburilor nearse

Arderea incompletă este factorul principal care determină emisiile de hidrocarburi şi

substanţe organice.

Gazele de evacuare conţin o varietate de hidrocarburi dintre care doar o parte sunt

cunoscute ca şi substanţe cancerigene sau reactive în smogul fotochimic, restul sunt substanţe

inerte.

Parafinice Olefinice Acetilenă AromaticeFără catalizator 33 27 8 32Cu catalizator 57 15 2 26

Tab.3 Compoziţia emisiilor de hidrocarburi la MAS

În tabelul de mai jos este prezentată scala reactivităţii ce caracterizează amestecul de

hidrocarburi nearse din gazele de evacuare.

Hidrocarburi parafiniceAcetilenăBenzen

0

Hidrocarburi parafinice cu masă moleculară mareMonoalchilul benzenOrto şi para dialchilul benzenHidrocarburi parafinice ciclice

2

EtilenaMeta dialchil benzenAldehide

5

OlefiniceDiolefiniceTri şi tetra alchil benzen

10

Ciclo olefinice 100Tab.4 Reactivitatea hidrocarburilor

Compoziţia emisiilor organice şi nivelul acestora sunt influenţate de compoziţia

combustibilului, astfel combustibilii ce au în compoziţie o cantitate ridicată de substanţe

aromatice şi olefinice produc o concentraţie apreciabilă de hidrocarburi reactive.

S-a constatat că în gazele de evacuare apar compuşi organici care nu se găsesc în

compoziţia combustibilului ceea ce denotă faptul că în timpul arderii au loc reacţii de piroliză şi

sinteză.

Compuşii oxigenaţi sunt prezenţi în gazele de evacuare, ei participă la formarea smogului

fotochimic, o parte din ei sunt urât mirositori şi iritanţi.

Aldehidele volatile sunt iritante pentru ochi şi aparatul respirator, iar formaldehidele

reprezintă 20% din totalul carbonililor (10% din totalul emisiilor la MAC).

Formarea hidrocarburilor nearse se realizează prin două metode: chimic şi prin stingerea

flăcării.

22

3.3.1 Mecanismul chimic

Prin arderea hidrocarburilor în motor se obţine dioxidului de carbon. Pentru a rezulta

CO2, hidrocarburile trec printr-o serie de etape de oxidare care generează produse intermediare

de oxidare.

Radicalii alchil, R˙, au un rol important în propagarea lanţului de radicali liberi şi sunt

formaţi prin ruperea legăturilor de tipul C-C şi C-H a hidrocarburilor. Oxigenul acţionează ca un

radical dublu pentru a forma radicalul hidroperoxid, HO2˙:

Radicalii alchil reacţionează uşor cu oxigenul formând radical alchil peroxid:

Reacţiile prezentate mai sus reprezintă treptele iniţiale de realizare a legăturilor dintre oxigen şi

hidrocarburi.

Formarea aldehidelor

Radicalul RO2˙ se combină cu hidrogenul care migrează în camera de ardere, după care

se descompune în aldehide şi radicalul hidroxil:

Radicalul RO˙format în timpul descompunerii termice a peroxidului de tipul ROOH de

aldehidă în cazul radicalului secundar prin spargerea legăturii C-C şi prin rearanjare:

şi cazul radicalului primar RO˙, radicalul aldehidă poate reacţiona cu oxigenul

Formarea cetonelor

Radicalul RO2˙ este implicat în formarea cetonelor:

Iar pentru radicalul terţiar formula este:

Formarea alcoolilor

Radicalii RO˙ pot extrage hidrogen din hidrocarburi formând alcooli:

Formarea acizilor organici

23

Radicalul acil RCO‧se formează prin îndepărtarea hidrogenului şi direct din

descompunerea aldehidelor. Acest radical se descompune uşor dând monoxidul de carbon şi un

radical liber de tipul R‧ ce se combină cu oxigenul rezultând un radical acid:

Radicalul peroxid , prin extragere de hidrogen din hidrocarburi poate da peracid:

Peracidul se poate descompune în radical carboxil RCO2‧:

3.3.2 Mecanismul stingerii flăcării

Stingerea flăcării are loc datorită modului de propagare al acesteia: normal, paralel sau

sub un anumit unghi faţă de peretele camerei de ardere; sau stingerea se produce la intrarea în

interstiţii înguste: zona dintre capul pistonului şi cilindru.

Datorită stingerii flăcării pe suprafeţele chiulasei, pistonului, cilindrului, supapelor,

spaţiile înguste rămâne un strat subţire de amestec carburant nears sau parţial ars. Grosimea

acestui strat depinde de: presiunea, densitatea şi temperatura amestecului, viteza de propagare a

frontului de flacără, conductivitatea termică, prezenţa depozitelor, forma şi temperatura pereţilor.

La motoarele cu aprindere prin scânteie distanţa de stingere a flăcării între două suprafeţe

plate este de 0,2-1 mm şi ea reprezintă distanţa minimă în care flacăra se poate propaga. Distanţa

minimă de stingere a flăcării este de 0,04-0,2 mm.

Fenomenul de stingere a flăcării se desfăşoară în două faze:

1. flacăra este stinsă la distanţă mică de perete, peretele rece preia căldura de la zona

caldă de reacţie şi se încălzeşte;

2. după stingerea flăcării are loc difuzia gazelor şi oxidarea acestora. Hidrocarburile care

nu au fost oxidate în timpul procesului primar de ardere vor fi oxidate în timpul cursei de

destindere şi evacuare, astfel se diminuează efectul stingerii flăcării.

3.3.3 Particularităţi ale formării emisiilor de hidrocarburi la motorul cu aprindere prin

scânteie

La motoarele cu aprindere prin scânteie emisiile de hidrocarburi sunt situate între 1000 şi

3000 ppm, echivalentul a 1…2,5% din combustibilul introdus în cilindrii motorului. Odată ce

amestecul carburant se îmbogăţeşte nivelul emisiilor creşte, iar în cazul amestecurilor sărace

24

calitatea arderii se înrăutăţeşte fapt ce duce la arderea incompletă ce are ca rezultat emisii

ridicate de hidrocarburi.

Emisiile de hidrocarburi apar ca rezultat al: stingerii flăcării la pereţii camerei de ardere,

stingerea flăcării la pătrunderea în interstiţii, absorbţiei şi desorbţiei peliculei de lubrifiant,

calităţii arderii, depozitelor din camera de ardere.

3.3.3.1 Stingerea flăcării la pereţii camere de ardere

Datorită existenţei unui strat rece de amestec în camera de ardere, în apropierea pereţilor,

cu o grosime de 0,05-0,4 mm, au loc procese de oxidare la temperaturi reduse. Concentraţia de

hidrocarburi scade rapid după ajungerea flăcării pentru că hidrocarburile nearse difuzează în

masa de gaze arse din camera de ardere unde sunt oxidate. Creşterea concentraţiei de

hidrocarburi mai târziu în ciclu arată că acestea au o altă origine decât stratul rece.

De asemenea rugozitatea suprafeţelor are o importanţă ridicată asupra concentraţiei de

hidrocarburi nearse. La o scădere cu 32% a rugozităţii s-a produs o reducere a cantităţii de

hidrocarburi nearse de 14%.

3.3.3.2 Influenţa interstiţiilor

Interstiţiile cu intrare îngustă la intrarea cărora flacăra se stinge reprezintă o sursă

importantă de emisii de hidrocarburi nearse.

Spaţiul cel mai important este zona delimitată de capul pistonului, segmentul de foc şi

oglinda cilindrului. Alte interstiţii: spaţiul creat de garnitura de chiulasă, spaţiul creat în jurul

supapelor de evacuare şi spaţiul creat în jurul bujiei.

În timpul curse de comprimare amestecul aer combustibil este forţat să ocupe volumul

interstiţiilor, care sunt caracterizate de un raport ridicat dintre suprafaţă şi volum ceea ce duce la

răcirea amestecului prin transferul de căldură spre pereţi.

În timpul arderii presiunea din camera de ardere continuă să crească şi în volumul

interstiţiilor continuă să intre hidrocarburi nearse. Amestecul reţinut în interstiţii poate fi ars în

întregime sau parţial prin pătrunderea flăcării în volum, numai dacă intrarea e suficient de largă

şi permite acest lucru, sau se produce stingerea flăcării la intrarea în aceste interstiţii.

După ce flacăra se stinge, o parte din gazele arse pot pătrunde în interstiţii până când

temperatura începe să scadă, moment în care o parte din gazele rămase în interstiţii revin în

camera de ardere.

Pentru reducerea emisiilor de hidrocarburi nearse este importantă configuraţia

segmenţilor şi modul de aranjare, deoarece interstiţiul creat de aceştia reprezintă 80% din totalul

emisiilor de hidrocarburi nearse. Interstiţiul creat de garnitura de chiulasă reprezintă 13% din

emisiile de hidrocarburi nearse, iar interstiţiul creat de bujie 5%.

25

De asemenea prin micşorarea interstiţiului creat de piston-segment-cilindru se poate

obţine o reducere a hidrocarburilor nearse de 47-74%.

3.3.3.3 Influenţa absorbţiei şi desorbţiei de hidrocarburi de către pelicula de ulei

Prezenţa uleiului în combustibil sau pe pereţii camerei de ardere determină o creştere a

emisiilor de hidrocarburi.

Creşterea nivelului de emisii este dependentă de solubilitatea combustibilului în ulei.

Temperatura uleiului influenţează invers proporţional solubilitatea vaporilor de combustibil în

ulei, astfel că la rece avem o cantitate mare de hidrocarburi nearse emise.

Absorbţia şi desorbţia de hidrocarburi de către pelicula de ulei se desfăşoară astfel: în

timpul procesului de admisie în cilindrii motorului pătrunde o cantitate de vapori de combustibil.

Filmul de ulei care acoperă pereţii cilindrului sunt saturaţi cu vapori de hidrocarburi la presiunea

mediului ambiant. În cursa de comprimare presiunea vaporilor de combustibil creşte şi astfel

procesul de absorbţie a vaporilor de combustibil continuă, chiar dacă uleiul a fost saturat de

vaporii de combustibil în cursa de admisie.

În timpul arderii concentraţia vaporilor de combustibil în masa gazelor din cilindru scade

către zero, moment în care vaporii de combustibil vor fi desorbiţi din pelicula de ulei în masa

produselor de ardere. Fenomenul de desorbţie va continua în timpul cursei de destindere şi de

evacuare.

O parte din vaporii desorbiţi sunt amestecaţi cu produse de ardere cu temperatură ridicată

şi sunt oxidaţi, iar cealaltă parte rămâne în stratul limită sau se amestecă cu gazele arse mai reci

mai târziu în ciclul motor. Astfel ele pot scăpa de procesul de ardere completă fapt ce duce la

creşterea emisiilor de hidrocarburi nearse.

Reducerea participării uleiului la producerea emisiilor de hidrocarburi nearse poate fi

obţinută prin utilizarea unor uleiuri sintetice cu efect de solvent scăzut.

Reducerea emisiilor se poate obţine şi prin realizarea unei răciri direcţionate: capul

pistonului să fie răcit normal, iar pereţii cilindrului sa fie răciţi la temperatura suportată de

pelicula de ulei.

3.3.3.4 Influenţa calităţii arderii

Stingerea flăcării în camera de ardere este datorată procesului de ardere defectuos. Acest

fenomen apare atunci când presiunea şi temperatura scad brusc: la mersul în gol, la turaţii şi

sarcini scăzute, atunci când cantitatea de gaze arse recirculate este prea mare şi aprinderea

amestecului este întârziată.

26

Îmbunătăţirea arderii se poate realiza prin utilizarea a două bujii când se utilizează o

recirculare înaltă de gaze arse pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot.

3.3.3.5 Influenţa depozitelor din camera de ardere

Depozitele de pe pereţii camerei de ardere produc o creştere a emisiilor de hidrocarburi

nearse. Utilizarea benzinelor aditivate cu compuşi ai plumbului determină creşterea emisiilor de

hidrocarburi cu 7-20%.

Eliminarea depozitelor de pe pereţii camerei de ardere reduce nivelul de emisii de

hidrocarburi nearse aproape de nivelul motorului curat.

Utilizarea unor benzine neaditivate cu compuşi ai plumbului provoacă depuneri cu o

compoziţie diferită, care determină o creştere a emisiilor de hidrocarburi compatibilă cu cea

determinată de creşterea numărului de ore de funcţionare a motorului. Depozitele de funingine

apar la funcţionarea motorului cu amestecuri bogate ceea ce duce la creşterea emisiilor de

hidrocarburi nearse.

Depozitele din camera de ardere acţionează asemănător absorbţiei şi desorbţiei peliculei

de ulei. Prezenţa depozitelor în interstiţii provoacă micşorarea volumului acestora, deci cantitatea

de hidrocarburi nearse prezentă în gazele de evacuare se reduce.

3.3.3.6 Influenţa post-arderii hidrocarburilor

Dintre hidrocarburile care scapă procesului primar de ardere numai o parte ajung în

gazele de evacuare restul se amestecă cu gazele de temperatură ridicată în timpul destinderii,

temperatura creşte şi apare procesul de destindere.

O mare parte din hidrocarburile din gazele de evacuare sunt produşi ai reacţiilor de post-

ardere. Evident că în sistemul de evacuare se desfăşoară reacţii de oxidare a acestora. În cilindru

gazele se află la o temperatură ridicată şi amestecarea hidrocarburilor nearse limitează reacţiile

de oxidare mai puternic decât cinetica acestor reacţii.

Prin studii experimentale s-a demonstrat că hidrocarburile reţinute în interstiţii pot fi

oxidate complet prin amestecarea cu gazele arse numai dacă acestea au o temperatură mai mare

de 1400K, astfel o parte din hidrocarburile din interstiţii şi cele desorbite de pelicula de ulei sunt

supuse unei oxidări parţiale.

Cantitatea de oxigen necesară reacţiei de oxidare a hidrocarburilor poate fi asigurată prin

injecţia de aer în poarta supapei.

Oxidarea secundară se poate obţine şi prin diminuarea pierderilor de căldură la supapa şi

colectorul de evacuare, prin acoperirea cu material ceramic.

În tabelul de mai jos sunt prezentaţi diferiţi factori ce contribuie la formarea

hidrocarburilor nearse şi emisia lor în gazele de evacuare.

27

1. Formarea HC 2. Amestecarea şi arderea în cilindru

a) Interstiţii1. Volumul interstiţiilor2. Plasarea interstiţiilor (faţă de bujie)3. Sarcina4. Temperatura pereţilor interstiţiilor5. Compoziţia amestecului

a) Rata de amestec cu gazele arse din camera de ardere1. Turaţia2. Raportul de vârtej3. Forma camerei de ardere

b) Filmul de ulei1. Consumul de ulei2. Temperatura pereţilor3. Turaţia

b) Temperatura gazelor arse pe durata destinderii şi evacuării

1. Turaţia2. Avansul la aprindere3. Compoziţia amestecului4. Raportul de comprimare5. Pierderile de căldură prin pereţi

c) Arderea incompleta1. Rata arderii2. Compoziţia amestecului3. Sarcina4. Avansul la aprindere

c) Concentraţia de oxigen din gazele arse 1. Raportul echivalent

d) Pereţii camerei de ardere1. Depozite2. Rugozitatea pereţilor

d) Temperatura pereţilor1. Importanta daca sursa de HC este

lângă perete2. Importanta depinde geometria

interstiţiilor

3. Fracţiunea de HC care părăseşte cilindrul 4. Oxidarea în sistemul de evacuare

a) Fracţiunea reziduală1. Sarcina2. Presiunea de evacuare3. Raportul de comprimare4. Suprapunerea deschiderii

supapelor5. Turaţia

a) Temperatura gazelor de evacuare1. Turaţia2. Avansul la aprindere3. Compoziţia amestecului4. Raportul de comprimare5. Debitul de aer secundar6. Pierderile de căldură din cilindri şi

evacuare

b) Debit spre cilindru în cursa de evacuare1. Suprapunerea deschiderii

supapelor2. Mărimea supapei de evacuare şi

localizarea acesteia3. Forma camerei de ardere4. Raportul de comprimare5. Turaţia

b) Concentraţia de oxigen 1. Raportul echivalent2. Debitul de aer secundar şi punctul de adiţionare

c) Timpul de rezidenţă1. Turaţia2. Sarcina3. Volumul critic al componentelor

sistemului de evacuare

d) Reactori de evacuare 1. Catalizator de oxidare2. Catalizator cu trei căi3. Reactor termic

Tab.5 Factorii care influenţează formarea hidrocarburilor nearse

28

3.3.4 Particularităţi ale formării emisiilor de hidrocarburi la motorul cu aprindere prin

comprimare

Arderea la motorul cu aprindere prin comprimare este polistadială:

1. Întârzierea la autoaprindere reprezintă durata scursă din momentul începerii

procesului de injecţie până la iniţierea autoaprinderii;

2. Arderea rapidă, arderea amestecurilor performante, reprezintă perioada în care arde

amestecul format în timpul întârzierii la autoaprindere;

3. Arderea controlată are un caracter moderat, pe parcursul ei arderea depinde de

formarea amestecului aer-combustibil în limitele de inflamabilitate;

4. Postarderea reprezintă faza în care degajarea de căldură continuă într-o măsură mai

scăzută decât în fazele anterioare. Această fază este generată de amestecarea gazelor reziduale

combustibile cu excesul de oxigen într-o cinetică a reacţiilor mult diminuată.

Formarea amestecului la motorul cu aprindere prin comprimare are loc în cilindrii

motorului şi se suprapune parţial cu procesul de ardere deoarece injecţia combustibilului are loc

la sfârşitul cursei de comprimare. Astfel amestecul rămâne în camera de ardere un timp scurt, iar

mecanismul de formare al hidrocarburilor nearse este diferit faţă de motorul cu aprindere prin

scânteie.

Datorită conţinutului de hidrocarburi cu puncte de fierbere ridicate şi cu greutate

moleculară mai mare decât a benzinelor, combustibili motoarelor cu aprindere prin comprimare

determină emisii de hidrocarburi nearse sau parţial arse cu o compoziţie mult mai complexă

decât la motoarele cu aprindere prin scânteie.

Procesul de oxidare poate fi evitat de hidrocarburi în două moduri:

1. Amestecul aer-combustibil poate fi prea sărac pentru a se autoaprinde sau frontul de

flacără să se propage;

2. În procesul de ardere primar amestecul aer-combustibil este prea bogat pentru a se

putea aprinde sau flacăra să se propage.

Deci combustibilul nears poate fi oxidat numai prin reacţii slabe de oxidare în cursa de

destindere după ce se amestecă cu aerul adiţional. Rezultă că hidrocarburile rămân neconsumate

datorită amestecării incomplete sau datorită răcirii procesului de oxidare.

29

Fig.23 Schematizarea proceselor care duc la arderea incompletă

Combustibilul injectat în timpul întârzierii la autoaprindere se amestecă cu aerul

rezultând amestecuri aer-combustibil într-o gamă largă de dozaje. Astfel o parte din combustibil

se amestecă rapid cu aerul formând amestecuri sărace sub limita de ardere, o parte se amestecă în

dozaje aflate la limita de inflamabilitate, iar o parte vor fi amestecuri prea bogate pentru ca să

ardă.

Amestecurile foarte sărace nu se pot autoaprinde şi nu permit propagarea flăcării în

condiţiile din cilindru, amestecurile performante vor arde acolo unde condiţiile locale sunt

favorabile autoaprinderii, unde se va consuma întreaga cantitate de amestec dacă flacăra nu este

răcită de stratul limită termic, iar în cazul amestecurilor foarte bogate arderea depinde de

amestecarea cu aerul a amestecului în timpul cursei de destindere.

În cazul injectării combustibilului după perioada de întârziere la autoaprindere rezultă o

ardere completă datorită amestecării rapide a aerului cu combustibilului, sau a produşilor de

piroliză. Dacă procesul de amestecare este lent rezultă amestecuri foarte bogate, sau reacţiile de

ardere sunt răcite, fapt ce duce la apariţia în gazele de evacuare a produşilor de ardere

incompletă, produşi de piroliză şi combustibil nears.

Modul de funcţionare a motorului are o puternică influenţă asupra emisiilor de

hidrocarburi nearse:

- funcţionarea la relanti determină emisii mai mari decât la funcţionarea la sarcină plină;

- depăşirea dozei optime de combustibil pe ciclu duce la creşterea emisiilor;

- amestecurile superbogate rezultate în timpul arderii datorită subamestecării reprezintă

mecanismul prin care combustibilul rămas în sacul pulverizatorului evită procesul de ardere fapt

ce duce la emisii puternice de hidrocarburi;

- emisiile de hidrocarburi sunt influenţate de temperatura pereţilor deoarece se poate

produce răcirea flăcării la perete ceea ce duce la arderea incompletă sau la lipsa aprinderii.

30

3.3.5 Influenţa amestecurilor supersărace asupra emisiilor de hidrocarburi

Începutul procesului de injecţie a combustibilului în camera de ardere este însoţit de

amestecul local al combustibilului cu aerul aflat în mişcare organizată sau neorganizată. O

anumită cantitate de combustibil se amestecă cu aerul într-un dozaj super sărac în afara limitei de

inflamabilitate, cantitate care creşte în timp .

Fig.24 Distribuţia dozajului în jetul de combustibil

În zona cu amestec uşor mai sărac decât amestecul stoichiometric se produce

autoaprinderea. Există cazuri când există numai două zone: amestec bogat şi amestec sărac care

nu se pot autoaprinde sau nu permit propagarea flăcării. Aceste amestecuri pot fi oxidate prin

reacţii termice de oxidare lente care sunt incomplete.

Cantitatea de hidrocarburi din aceste zone cu dozaj supersărac depind de cantitatea de

combustibil injectată pe durata întârzierii la autoaprindere şi condiţiile din cilindru.

Fig.25 Relaţia dintre hidrocarburile nearse şi întârzierea la autoaprindere

3.3.6 Influenţa amestecurilor superbogate asupra emisiilor de hidrocarburi

Amestecurile superbogate sunt generate de echipamentul de injecţie.

Emisiile de hidrocarburi rezultate datorită amestecurilor bogate au două surse:

1. Curentul de combustibil care părăseşte mai târziu pulverizatorul în timpul procesului

de ardere şi care se caracterizează prin viteze scăzute. Este influenţat de volumul sacului

pulverizatorului;

2. Excesul de combustibil care invadează camera de ardere.

31

După terminarea procesului de injecţie sacul pulverizatorului este plin cu combustibil,

combustibil care este încălzit şi începe să vaporizeze în timpul procesului de ardere şi destindere.

Vaporii de combustibil intră în cilindru, prin orificiile de pulverizare, cu viteză mică şi se

amestecă cu vaporii de aer, deci pot scăpa procesului primar de ardere. Dar în gazele de evacuare

nu se găseşte întreaga cantitate de combustibil prezentă în săculeţ.

Fig.26 Variaţia emisiilor de HC în funcţie de volumul sacului pulverizatorului

În cazul motoarelor cu injecţie directă emisia de fum limitează amestecul combustibil-aer

la raportul de 0,7, astfel la sarcini mici când injecţia combustibilului are loc cu viteză redusă

amestecul carburant nu este omogen şi astfel apar zone cu dozaje bogate. Atunci când motorul

funcţionează la regimuri tranzitorii poate apărea o injecţie excesivă de combustibil fapt ce duce

la crearea unor zone cu dozaj bogat chiar dacă per ansamblu amestecul este sărac.

Fig.27 Influenţa sarcinii asupra emisiilor de HC la MAC

3.3.7 Influenţa răcirii la perete şi lipsa arderii asupra emisiilor de hidrocarburi

Ca şi în cazul motoarelor cu aprindere prin scânteie, răcirea flăcării la perete are o

influenţă ridicată asupra emisiilor de hidrocarburi. Astfel pentru o creştere a temperaturii uleiului

şi a lichidului de răcire de la 40°C la 90°C, la motoarele cu injecţie directă, emisiile de

hidrocarburi s-au redus cu aproximativ 30%.

La motoarele diesel variaţia procesului de ardere de la un ciclu la altul este pronunţată şi

astfel apar variaţii substanţiale ale emisiilor de hidrocarburi de la un ciclu la altul.

32

Dacă pe o porţiune de ciclu de funcţionare a motorului lipseşte arderea atunci emisiile de

hidrocarburi sunt proporţionale cu fracţiunea de amestec nears, iar dacă arderea lipseşte cu

desăvârşire atunci apare fumul alb format din vapori şi picături de combustibil. Acest fenomen

poate apărea la pornirea la rece a motorului cu aprindere prin comprimare.

3.4 Formarea emisiilor de particule

3.4.1 Formarea emisiilor de particule la motorul cu aprindere prin scânteie

Cantitatea de emisii de particule în cazul motoarelor cu aprindere prin scânteie este

redusă şi nu este limitată prin regulament.

Clasele de particule se împart în: plumb, sulfaţi şi particule organice.

În cazul în care se utilizează combustibili aditivaţi cu compuşi ai plumbului, tetrametil de

plumb sau tetra etil de plumb, rata de emisie de plumb este cuprinsă între 100 şi 150 mg/km,

pentru un grad de aditivare de 0,15g/l Pb.

În gazele de evacuare apare numai o fracţiune de 10 până la 15% din cantitatea de plumb

introdusă în combustibil, restul rămânând depozitată pe pereţii camerei de ardere şi a sistemului

de evacuare.

Emisiile de sulfaţi pot apărea ca efect al utilizării unor amestecuri foarte bogate şi depind

de conţinutul de sulf al combustibilului. Aceste emisii sunt importante în cazul autovehiculelor

echipate cu catalizatori deoarece sulful se transformă în dioxid de sulf care poate fi oxidat de

catalizator rezultând SO3 care prin combinaţie cu apa duce la apariţia acidului sulfuric sub formă

de aerosoli.

Emisia de funingine poate rezulta ca efect al utilizării unor amestecuri foarte bogate, dar

ea nu constituie o problemă majoră în cazul motoarelor cu aprindere prin scânteie. Prin utilizarea

unor benzine neaditivate se reduc emisiile de particule cu 20mg/km.

3.4.2 Formarea emisiilor de particule la motorul cu aprindere prin comprimare

Particulele generate de motor în timpul arderii sunt compuşi ai materialelor carbonoase,

care au absorbit fracţiuni organice solubile (esteri, aldehide, lactone, eteri, acizi organici,

hidrocarburi aromatice), molecule condensate pe funingine, imediat după faza de ardere şi care

se pot constitui în precursori ai formării funinginii.

Compoziţia particulelor este influenţată de funcţionarea motorului şi de temperatura de

evacuare. Astfel la temperaturi de 500°C a gazelor de evacuare, particulele sunt agregate sferice

de funingine cu mici proporţii de hidrogen. Dimensiunea particulelor este de 15…30nm. Iar la

temperaturi sub 500°C particulele sunt acoperite cu fracţiuni organice solubile.

33

Particulele de funingine se formează în interiorul cilindrului, iar concentraţia lor depinde

de tipul combustibilului, numărul de atomi de carbon din hidrocarburile ce alcătuiesc

combustibilul şi raportul carbon/hidrogen.

În timpul arderii la motorul cu aprindere prin comprimare particulele nu se formează prin

polimerizarea şi piroliza picăturilor lichide.

Procesul de formare a funinginii are loc la temperaturi de 1000-2800K şi presiuni

cuprinse între 5 şi 10MPa. Procesul are loc chiar dacă există oxigen suficient astfel încât să

oxideze întreaga cantitate de combustibil.

La arderea difuzivă, unde amestecul este stoichiometric, funinginea se formează la

temperaturi de 2000-2400K şi prezintă un maxim la temperatura de 2100K. În afara acestor

intervale de temperatură cantitate de funingine rezultată este neglijabilă.

Formarea particulelor cuprinde trei procese ce se desfăşoară în paralel:

1. reacţiile de formare a funinginii în prima fază a arderii;

2. reacţiile de formare a funinginii în gazele arse, în timpul arderii difuzive;

3. oxidarea funinginii ce are ca rezultat monoxidul de carbon şi dioxidul de carbon.

Funinginea din motorul diesel este compusă dintr-o fază de carbon şi asociată cu

compuşii extraşi, fracţiuni organice solubile.

Principalele stadii ale formării hidrocarburilor policiclice aromatice şi ale fumului sunt:

1. Flacăra: locul în care are loc generarea hidrocarburilor policiclice aromatice. Ea

determină moderarea sau încetinirea formării funinginii;

2. Piroliza la temperaturi înalte: generează hidrocarburi aromatice policiclice, determină

intensificarea formării funinginii;

3. Piroliza la temperaturi mai scăzute: generează hidrocarburi aromatice policiclice şi

produşi oxigenaţi care diminuează formarea funinginii;

4. Vaporizarea combustibilului şi lubrifiantului: determină adăugarea de compuşi fără

ca aceştia să ducă la formarea de funingine.

Procesul de formare a funinginii în flacăra amestecurilor performante, arderea rapidă,

este mai puţin intens decât procesul de formare în flacăra difuză, arderea secundară.

3.4.2.1 Oxidarea funinginii

Procesul de oxidare a funinginii are loc în toate fazele de formare ale acesteia. Cantitatea

de funingine dezvoltată în cilindru este supusă unui proces de oxidare în cilindru înainte de

începerea procesului de evacuare.

Oxidarea este favorizată de raportul dintre suprafaţă şi volum, ea necesită o temperatură

minimă a gazelor de 700-800°C.

34

Ca rezultat al oxidării se obţine monoxidul de carbon, iar în conducta de evacuare se va

găsi doar o mică parte din funinginea formată în cilindrii, sub 10%.

3.4.2.2 Absorbţia şi condensarea

Procesul de formare al particulelor se închei cu absorbţia şi condensarea hidrocarburilor,

proces ce are loc după ce gazele au părăsit cilindrii motorului.

Absorbţia implică aderenţa moleculelor de hidrocarburi nearse la suprafaţa particulelor

de funingine datorită forţelor de natură fizică şi chimică.

Condensarea are loc când presiunea de vaporii a hidrocarburilor gazoase depăşeşte

presiunea vaporilor saturaţi.

3.5 Formarea mirosului la motorul cu aprindere prin comprimare

Gazele de evacuare conţin mai mult de o mie de compuşi organici cu punct de fierbere

mai mic de 260°C, dintre care mai puţin de o sută au miros distinctiv. Dintre care amintim:

aldehide de la C2 la C8, alchilbenzeni, furani; derivaţii alchil ai benzenului, indane şi naftalene

dau o nuanţă înţepătoare şi de ars mirosului gazelor; compuşii olefinici şi ciclici dau nuanţa de

ars a mirosului; compuşii oxigenaţi şi cei puternic nesaturaţi dau un miros greţos; acizii graşi dau

un miros înţepător.

Mirosul cu senzaţia de ulei şi kerosen e dat de prezenţa naftalenelor, alchilbenzenelor,

indanelor, tetralinelor şi indenelor.

Senzaţia de fum ars este dată de mai mulţi compuşi: hidroxi şi metoxi-indanone, metil şi

metoxifenoli, furani şi alchilbenzaldehide, alkenone, dienone, hidroxiciclocarbonili şi

hidroxiindanone.

O serie de compuşi au efect iritant: aldehide uşoare saturate (formaldehida, acetaldehida)

şi aldehide nesaturate (acroleina, crotonaldehida), dioxidul de sulf, acidul sulfuric, dioxidul de

azot şi fenolul. Dintre aceştia cei mai importanţi sunt formaldehida şi acroleina.

Compuşii mirositori şi iritanţi sunt compuşi organici nearşi. Concentraţia de compuşi

oxigenaţi se formează în zonele cu reacţii de oxidare lente unde se formează o cantitate ridicată

de produşi oxidaţi parţial.

Compuşii mirositori rezultaţi prin oxidarea normală a hidrocarburilor se formează mult

mai târziu şi o parte din ei pot supravieţui la temperaturi scăzute, în zonele răcite sau în zonele

în care dozajul e prea scăzut pentru a susţine arderea. Nivelul de miros în cazul motoarelor cu

injecţie directă e mult mai mare faţă de motoarele cu injecţie indirectă.

Modificarea condiţiilor de funcţionare ale motorului în gama normală nu influenţează

nivelul de miros. Acesta este influenţat de temperatura motorului deoarece se poate produce o

ardere incorectă ceea ce face ca hidrocarburile neoxidate să scape pe ţeava de evacuare.

35

Intensitatea mirosului este puternică la pornirea la rece, la relanti mirosul este puternic

deoarece arderea are loc în condiţii dificile, iar la o sarcină de 50% din sarcina plină mirosul este

minim.

În cazul funcţionării motorului cu amestecuri bogate, la sarcină şi turaţie mare, va fi un

miros ridicat.

Recircularea gazelor arse are efect negativ deoarece se intensifică mirosul, şi calitatea sau

compoziţia combustibilului influenţează mirosul.

Nivelul de miros poate fi diminuat prin:

- creşterea temperaturii la sfârşitul comprimării sau preîncălzirea amestecului la intrarea

în motor pentru a reduce întârzierea la autoaprindere, în detrimentul emisiilor de NOx;

- optimizarea avansului la injecţie în funcţie de sarcină şi turaţie pentru reducerea

întârzierii la autoaprindere;

- reducerea volumului rezidual al volumului pulverizatorului.

De asemenea prin utilizarea unor filtre catalitice care să reţină şi să ardă particulele duce

la reducerea concentraţiei produşilor mirositori, dar nu influenţează concentraţia produşilor

iritanţi.

4 Tehnologii active de reducere a emisiilor poluante

4.1 Tehnologii active de reducere a emisiilor poluante la MAS

Pentru reducerea emisiilor poluante la MAS se utilizează următoarele soluţii:

- se intensifică turbionarea amestecului în camera de ardere şi se măreşte durata şi

puterea scânteii electrice pentru mărirea domeniilor de funcţionare a motorului cu amestecuri

sărace;

- pulverizarea şi vaporizarea combustibilului se îmbunătăţeşte astfel încât să se asigure un

amestec omogen la toate regimurile de funcţionare;

- se măreşte temperatura pereţilor camerei de ardere şi se micşorează suprafaţa acesteia

pentru ca fenomenul de stingere a flăcării la pereţi să nu mai apară;

- reducerea volumului interstiţiilor care reţin amestec carburant şi în care flacăra nu

pătrunde;

- mărirea duratei şi puterii scânteii electrice pentru a asigura un domeniu larg de

funcţionare cu amestecuri sărace;

- controlul temperaturii maxime a ciclului şi recircularea gazelor arse pentru a reduce

emisiile;

- utilizarea amestecurilor stratificate.

36

4.1.1 Schimbul de gaze

Procesul de schimb al gazelor influenţează procesele din cilindrii motorului ceea ce

afectează parametrii energetici şi procesele de formare a poluanţilor atât la motoarele cu aspiraţie

naturală cât şi la motoarele supraalimentate. Îmbunătăţirea umplerii cilindrilor se poate realiza

prin următoarele tehnologii:

- utilizarea unor colectoare de admisie care să genereze supraalimentarea sonică;

- utilizarea mai multor supape pe cilindru;

- utilizarea distribuţiei variabile.

Colectorul de admisie rezonant poate avea lungimea fixă şi în acest caz el este "acordat"

la motor numai pentru un regim de turaţie (regimul puterii maxime) sau poate avea lungime

variabilă. Modificarea lungimii colectorului de admisie se realizează prin intermediul unei

clapete. În acest caz, colectorul de admisie este acordat cu motorul la regimul de turaţie al

cuplului maxim şi la regimul de turaţie al puterii maxime. Pentru motoarele cu două supape de

admisie pe cilindru se pot utiliza două colectoare de admisie rezonante acordate pentru regimuri

de turaţie diferite.

Sistemele de admisie rezonante introduc în cilindri unde de presiune care vor îmbunătăţi

procesul de formare a amestecului omogen aer-combustibil. În cazul tubulaturii de evacuare

utilizarea fenomenelor ondulatorii la curgerea gazelor trebuie să genereze în poarta supapei de

evacuare la sfârşitul procesului o undă de depresiune pentru a favoriza curgerea gazelor reziduale

existente în camera de ardere.

Fig.28 Supraalimentare acustică Porsche VarioRam

a) sub 5000rpm, b) între 5000-5800rpm, c) peste 5800rpm

Pentru îmbunătăţirea procesului de formare a amestecului se poate intensifica

turbionarea acestuia prin amplasarea pe peretele canalului de admisie a unei clapete comandate

funcţie de parametrii de funcţionare ai motorului.

37

Fig.29 Sistem de admisie variabil Toyota

Mărirea secţiunii de trecere a gazelor se poate realiza prim mărirea numărului de supape

atât pentru încărcătura proaspătă cât şi pentru gazele arse. Configuraţia utilizată este: două

supape de admisie şi două supape de evacuare pe cilindru.

Îmbunătăţirea parametrilor energetici şi minimizarea emisiilor poluante se pot realiza prin

deschiderea şi închiderea în momente optime ale supapelor de admisie şi evacuare în funcţie de

regimul de funcţionare (distribuţie variabilă).

Fig.30 Caracteristicile fazelor de distribuţie

Distribuţia variabilă a gazelor se poate realiza utilizând diferite soluţii tehnice cum ar fi:

sisteme de acţionare mecanice; sisteme de acţionare hidraulice; sisteme electromagnetice.

Pentru a realiza distribuţia variabilă s-au dezvoltat o multitudine de sisteme de acţionare

mecanice cum ar fi:

1. camă cu profil variabil spaţial longitudinal şi cu arbore cu came deplasabil longitudinal

în raport cu axa motorului;

2. utilizarea unor came cu profil variabil radial;

3. utilizarea unor dispozitive prin care camele îşi modifică poziţia unghiulară împreună cu

arborele faţă de poziţia arborelui cotit;

4. sisteme care utilizează două came.

Sistemele de distribuţie variabilă cu comandă hidraulică sunt asociate cu tachetul

hidraulic. Dezvoltarea unor sisteme electromagnetice de distribuţie variabilă permite controlul

38

distribuţiei gazelor prin intermediul unei unităţi electronice de control în funcţie de parametrii

funcţionali ai motorului.

Fig.29 Distribuţie variabilă: a) camă spaţială; b) Variocam Plus Porsche;

c) tachet hidraulic; d) BMW Valvetronic.

4.1.2 Utilizarea amestecurilor omogene

4.1.2.1 Injecţia de benzină

Sistemele de injecţie a benzinei datorită posibilităţilor de control precis al dozei de

combustibil pe ciclu, în funcţie de parametrii funcţionali ai motorului, s-au impus în faţa

carburatorului cu toate că acestuia i-au fost aduse importante modernizări prin controlul

electronic. Utilizarea sistemului de injecţie de benzină permite menţinerea dozajului amestecului

în limitele λ=0,99 - 1,01 pentru ca eficienţa de funcţionare a convertorului catalitic cu trei căi să

fie maximă.

Umplerea motorului se îmbunătăţeşte la utilizarea injecţiei de benzină datorită reducerii

pierderilor gazodinamice de pe traiectul de admisie. Puterea dată de motor este mai mare. La

utilizarea injecţiei de benzină se obţin reduceri importante ale consumului de combustibil atât în

regimurile stabilizate de funcţionare cât şi în regimurile tranzitorii datorită reglării cu precizie a

dozei de combustibil.

Sistemele de injecţie de benzină se pot clasifica după următoarele criterii:

1. Locul injecţiei: injecţie în colectorul de admisie (injecţie monopunct); injecţie în

porţile supapelor de admisie (injecţie multipunct); injecţie directă (în cilindru);

2. Presiunea de injecţie: injecţie de joasă presiune (0,5 - 0,7 MPa); injecţie de presiune

înaltă (4 - 5 MPa);

3. Durata injecţiei: injecţie continuă (pe întreg ciclul motor); injecţie discontinuă

(secvenţială);

4. Sistemul de comandă: mecanic; electric; hidropneumatic; electronic.

Cel mai utilizat este sistemul electronic de comandă şi control deoarece permite controlul

funcţionării optime a motorului la toate regimurile.

39

Pentru menţinerea amestecului omogen la un dozaj stoichiometric este necesar ca unitatea

electronică de control să primească informaţii de la "sonda λ" care detectează prezenţa

oxigenului din gazele de evacuare. Utilizarea amestecurilor omogene sărace este posibilă prin

utilizarea unor rapoarte ridicate de comprimare ale motorului, ε = 11-16, şi o turbionare intensă a

amestecului. În acest caz gazele conţin o cantitate ridicată de oxigen şi sistemele de tratare a

gazelor cu metale preţioase: Pt, Rh, Pd, nu mai au o funcţionare eficientă şi trebuie înlocuite cu

sisteme de tratare catalitică dezvoltate pentru arderea gazelor arse neoxidate.

4.1.2.2 Camera de ardere

Camera de ardere trebuie să fie minimă pentru reducerea procesului de formare a

compuşilor poluanţi şi pentru ca parametrii energetici ai motorului să fie maximi. Astfel camera

de ardere trebuie să permită amplasarea bujiei în centrul acesteia pentru ca distanţele parcurse de

frontul de flacără până la pereţi să aibă lungimi egale.

Regimului termic al camerei de ardere poate fi îmbunătăţit prin aplicarea unor acoperiri

termoizolante pe capul pistonului, suprafaţa supapelor de evacuare şi suprafaţa aferentă camerei

de ardere din chiulasă. Dacă suprafeţele sunt acoperite cu dioxid de zirconiu pe un strat

intermediar de Ni, Co, Cr, AlY se obţine o creştere a performanţelor motorului cu 10%, se reduc

emisiile poluante cu 20 - 50%, iar particulele cu până la 52%. De asemenea se produce şi o

reducere a emisiei sonore cu până la 3dB.

4.1.2.3 Utilizarea amestecurilor stratificate

Utilizarea amestecurilor stratificate presupune obţinerea în camera de ardere a unor

amestecuri cu dozaje diferite. Astfel în zona bujiei se organizează amestecuri bogate, în limita de

inflamabilitate iar spre pereţii camerei de ardere amestecul este din ce în ce mai sărac, stratul

limită este numai aer.

Avantajul principal al stratificării amestecului este reprezentat de utilizarea unor

amestecuri global sărace care în condiţii omogene s-ar aprinde cu dificultate şi ar crea probleme

la propagarea flăcării.

Amestecul bogat din zona bujiei se aprinde uşor iar frontul de flacără se propagă spre

amestecurile sărace datorită creşterii temperaturii gazelor din camera de ardere. În această zonă

se formează mici cantităţi de CO şi HC care vor fi oxidate pe durata procesului de ardere şi pe o

porţiune a cursei de destindere. De asemenea se formează mici cantităţi de oxid de azot datorită

deficitului de oxigen.

În cazul arderii amestecurilor sărace se formează cantităţi reduse de CO şi HC datorită

excesului de oxigen. Nivelul formării oxizilor de azot este redus datorită temperaturii scăzute la

care are loc arderea.

40

Amestecurile stratificate se pot obţine prin:

1. Utilizarea camerei de ardere divizate, la care există o separare fizică a celor două

camere care comunică printr-un canal.

La aceste motoare camera de ardere comportă două compartimente care sunt alimentate

cu amestecuri diferite din punct de vedere al coeficientului de exces de aer λ. Legătura dintre

cele două compartimente este realizată printr-unul sau mai multe canale de dimensiuni reduse.

Compartimentul cu volumul mai mic, antecamera, conţine bujia şi este alimentată cu amestec

bogat.

Amestecul parţial ars părăseşte antecameră sub formă de jeturi şi intră în camera

principală care este alimentată cu amestec sărac.

Soluţia a fost propusă de Ricardo în anii 20 şi dezvoltat ulterior în Rusia şi Japonia. Ea a

fost aplicată cu succes în producţia de serie. Utilizarea ei duce la obţinerea unei reduceri a

emisiilor de HC dar măreşte nivelul emisiilor de NOx.

Fig.30 cameră de ardere divizată

2. Realizarea de amestecuri stratificate în cameră unitară prin injecţie directă.

Motoare cu injecţie directă de benzină au fost construite încă din primii ani ai motorului

cu ardere internă. Primele aplicaţii au fost în domeniul militar, la motoarele pentru avioanele de

luptă germane. Mai târziu, injecţia directă a fost aplicată la motoarele pentru autoturismele de

înaltă performanţă.

Pentru mai multe decenii, injecţia directă a fost practic uitată. Aceasta, datorită

dificultăţilor în controlarea proceselor din motor, în special la turaţii mari, precum şi dificultăţii

de realizare a presiunii înalte în benzină. Introducerea acesteia la motoarele moderne a fost

posibilă datorită progreselor în domeniul electronicii, al controlului computerizat al motorului.

Datorită restricţiilor din ce în ce mai severe în domeniul poluării impuse motoarelor cu

ardere internă, injecţia directă reprezintă soluţia de formarea a amestecului spre care se îndreptă

toţi constructorii de motoare.

Utilizarea injecţiei directe aduce o serie de avantaje:

- coeficientul de exces de aer global poate fi supraunitar;

- arderea se realizează în condiţii ce defavorizează formarea NOx;

41

- cantităţile de CO şi HC produse la începutul procesului de ardere pot fi oxidate complet

în interiorul camerei de ardere;

- amestecul ce pătrunde în interstiţii este foarte sărac, se reduc emisiile datorate

interstiţiilor;

- controlul sarcinii motorului poate fi efectuat prin îmbogăţirea amestecului şi nu prin

obturarea admisiei, astfel se reduc pierderile prin pompare;

- amestecul care arde la sfârşit este foarte sărac, se evită apariţia fenomenului de detonaţie

deci se pot utiliza rapoarte de comprimare mai mari.

Utilizarea injecţiei directe presupune unele modificări ale motorului faţă de soluţia în care

se utilizează injecţia indirectă. Astfel trebuie modificat modul de organizare a mişcării

încărcăturii, formarea amestecului, modul de control al sarcinii şi echipamentul de injecţie.

Sistemul de injecţie conferă motorului avantajele substanţiale în domeniul economicităţii,

puterii şi emisiilor. Faţă de sistemele de injecţie indirectă acestea trebuie să fie comandate cu o

precizie mai mare şi să interacţioneze mult mai profund cu celelalte sisteme: aprindere,

supraalimentare, recirculare a gazelor arse, tratare a gazelor arse.

Din punct de vedere constructiv injectoarele folosite sunt diferite de cele pentru injecţia

indirectă, deoarece ele lucrează în condiţii grele de presiune şi temperatură. Principala problemă

este realizarea unei pulverizări cât mai fine fără o creştere exagerată a presiunii. Această

problemă este rezolvată prin configuraţia orificiului de pulverizare. Soluţia cu cel mai mare

potenţial ar fi utilizarea unor injectoare care imprimă jetului o puternică mişcare de swirl. Se

poate obţine o fineţe foarte bună a pulverizării la o presiune relativ joasă.

O soluţie şi mai interesantă este cea a injecţiei directe de amestec aer-combustibil.

Instalaţia de injecţie realizează o preamestecare a combustibilului cu o cantitatea de aer

realizându-se un amestec extrem de bogat sub forma unei emulsii care va fi apoi introdusă în

cilindrul motorului. Astfel se îmbunătăţeşte fineţea pulverizării şi se facilitează evaporarea.

Fig.31 Injector electromagnetic

Cu ajutorul injecţiei directe se obţine şi o reducere a consumului de combustibil

semnificativă faţă de injecţia indirectă.

42

Fig.32 Îmbunătăţirea consumului de combustibil

IDA-injecţie directă de amestec, ID-injecţie directă de benzină

Nivelul emisiilor de HC este cu 50% mai redus, la mersul în gol, datorită evitării udării

pereţilor, a pătrunderii combustibilului în interstiţii şi vitezei mare de ardere. Prin recircularea

gazelor arse apare o creştere substanţială a emisiilor de HC.

Emisiile de NOx ale motoarele cu injecţie directă sunt mai mari faţă de motoarele cu

injecţie indirectă la mersul în gol încet datorită amestecului local stoichiometric, care determină

viteze mari de degajare a căldurii. La sarcini parţiale avem o reducere a NOx de aproximativ

50% fără recircularea gazelor de evacuare şi de până la 90% cu recirculare. Datorită

coeficientului de exces de aer global supraunitar aplicarea catalizatorilor cu trei căi obişnuiţi este

neeficientă, motiv pentru care tratarea gazelor arse devine o problemă destul de dificil de

rezolvat, mai ales dacă considerăm şi nivelul redus al temperaturii acestora.

Utilizarea injecţiei directe presupune folosirea amestecurilor sărace şi stratificate, astfel

pentru încadrarea în normele de poluare privind emisiile de NOx, pentru tratarea gazelor arse

trebuie utilizate noi tehnologii. În acest sens se încearcă dezvoltarea unor noi căi pentru tratarea

gazelor: catalizatori de reducere cu zeoliţi şi metale preţioase, sisteme de filtrare şi stocare.

O soluţie este reprezentată de dispozitivele de stocare a NOx. Ele pot capta NOx când

gazele de evacuare sunt bogate în oxigen şi îi pot converti în timpul scurtelor perioade de

funcţionare cu amestecuri bogate. Problema constă în realizarea unei scurte perioade de

funcţionare cu amestec bogat în timpul regimurilor de funcţionare prelungită cu amestec sărac.

În timpul funcţionării cu amestec sărac, o îmbogăţire momentană a amestecului determină o

creştere de putere total neacceptabilă pentru autovehicul. Controlul creşterii de putere poate fi

realizat prin regalarea aprinderii cu întârziere mare, perioada de întârziere trebuie atent calibrată

pentru a menţine valoarea momentului motor. Din nefericire, sensibilitatea motorului cu injecţie

43

directă cu amestec stratificat faţă de momentele injecţiei şi aprinderii face practic imposibilă

aplicarea acestei metode.

O altă tehnologie care a fost investigată de Ricardo este un sistem cu plasmă care

realizează conversia NOx, HC şi CO. Sistemul dezvoltat comportă un flux de plasmă cu

temperatură, presiune şi energie scăzută, care se poate genera într-o incintă cu un volum similar

cu cel al unui catalizator convenţional. Un sistem prototip a fost montat la un motor experimental

cu amestec stratificat. Eficienţa conversiei este prezentată în graficul din figura de mai jos.

Puterea totală consumată de sistem în timpul testelor a fost de sub 0,5% din puterea dezvoltată de

motor. Un mare avantaj al sistemului este că poate funcţiona încă de la punerea contactului.

Fig.33 Tratarea gazelor arse cu plasmă.

Eficienţa conversiei pentru un amestec aer-combustibil 38:1

4.1.2.4 Instalaţia de aprindere

Pentru îmbunătăţirea procesului de ardere în cazul funcţionării motorului cu amestecuri

sărace este necesară o optimizare a aprinderii în sensul scăderii întârzierii la aprinderii şi a

probabilităţii de aprindere.

În continuare vor fi prezentate câteva soluţii constructive:

4.1.2.4.1 Aprinderea cu jet de flacără - sistemul PSJ

Aprinderea se produce într-o antecameră separată de camera principală de ardere de

deasupra pistonului. Comunicarea dintre cele două se face prin intermediul unuia sau mai

multora orificii.

Pe măsură ce flacăra se dezvoltă în antecameră, presiunea gazelor din acest compartiment

creşte, forţând gazul să iasă spre camera principală prin orificiul sau orificiile de legătură, sub

forma unuia sau mai multor jeturi turbulente de flacără. Jetul sau jeturile penetrează amestecul

din camera principală, aprinzându-l, iniţiind astfel arderea în camera principală de ardere.

Aprinderea în antecameră este de obicei realizată cu o bujie convenţională. Rolul

antecamerei este acela de transforma flacăra iniţială din jurul electrozilor bujiei în unul sau mai

44

multe jeturi de flacăra în camera principală, jeturi care au o suprafaţă substanţială şi care pot

aprinde amestecuri foarte sărace într-o manieră repetabilă. Antecamera poate fi baleiată sau nu.

Prin realizarea unei turbionări se produce creşterea vitezei iniţiale a frontului de flacără

imediat după producerea descărcării electrice a bujiei. Turbionarea se poate realiza cu ajutorul

unei cavităţi de turbionare în antecamera sau în corpul bujiei.

Fig.34 Sistemul de aprindere cu jet de flacără torch cell Fig.35 Cameră divizată nebaleiată

Fig.36 Cameră de ardere baleiată

Rolul acestor sisteme este de a extinde limita de funcţionare a motorului cu amestecuri

sărace. De exemplu, soluţia cu cameră nebaleiată şi fără sistem auxiliar de injecţie (fig.34) poate

funcţiona la sarcini medii cu un coeficient de exces de aer λ=1,25. Soluţiile cu amestec stratificat

pot funcţiona cu amestecuri mult mai sărace. Cel mai bun compromis între consumul de

combustibil şi performanţele ecologice se obţine pentru valori ale coeficientului de exces de aer

cuprinse între 1,1 şi 1,3.

Totuşi aceste sisteme de aprindere cu jet de flacără sunt dezavantajate de faptul că

pierderile de căldură către pereţi sunt ridicate, datorită creşterii raportului suprafaţă/volum al

camerei de ardere şi datorită creşterii vitezelor de curgere.

45

4.1.2.4.2 Aprinderea prin injecţia de radicali - sistemul APIR

Prin această metodă se încearcă combinarea avantajelor oferite de motoarele cu aprindere

prin scânteie şi motoarele cu aprindere prin comprimare.

Acest sistem a fost dezvoltat la Universitatea din Orleans din Franţa.

Fig.37 Dispozitivul APIR

Prin utilizarea acestui sistem se îmbunătăţesc performanţele de aprindere şi ardere, are loc

o diminuare a dispersiei ciclice, se extinde limita de funcţionare cu amestecuri sărace şi se

realizează o reducere a consumului de combustibil pentru funcţionarea la relanti şi la sarcini

reduse.

Marele dezavantaj al acestui sistem este constituit de cantitatea mare de emisii de

hidrocarburi nearse în comparaţie cu sistemele de aprindere convenţionale.

Utilizarea acestui sistem se datorează prezenţei antecamerei în care este introdus

amestecul bogat, apropiat de limita de inflamabilitate. Amestecul este benzină-aer sau gaz-aer.

În timpul cursei de comprimare o parte din amestecul sărac curge din camera principală

în antecameră. Astfel la momentul producerii scânteii amestecul din antecameră este puţin mai

sărac faţă de cel injectat iniţial. Important este ca gazele reziduale din antecameră să nu

deterioreze procesul de iniţiere a aprinderii.

Prin arderea incompletă a amestecului bogat din antecameră se produce o creştere

puternică a presiunii şi o varietate mare de produşi intermediari de ardere.

Fig.38 Aprinderea în anticameră

Diferenţa dintre APIR şi sistemul de aprindere cu jet de flacără este legată de

dimensiunea orificiilor de legătură între antecameră şi camera principală de ardere. Diametrul

acestora este de maxim 1 mm. Acest lucru este necesar deoarece:

46

- diametrul redus al orificiilor împiedică propagarea către camera principală şi previne

reapariţia flăcării în vârtejul jetului ce se formează la ieşirea din anticameră;

- datorită dimensiunilor reduse ale acestor orificii se permite creşterea numărului

acestora, până la aproximativ 10. Numărul mare de orificii permite o bună uniformizare a emisiei

de radicali către camera principală;

- menţinerea antecamerei în condiţii relativ independente faţă de condiţiile din camera

principală, prin limitarea curgerilor dinspre camera principală şi permiterea creşterii puternice a

presiunii pentru expulzarea radicalilor la mare distanţă în camera principală de ardere.

Numărul mare de orificii permite introducerea în camera principală a produşilor

intermediari de ardere din antecameră. Cursa de comprimare permite condiţii termodinamice şi

chimice satisfăcătoare în câteva zone preferenţiale în care se găsesc radicali. Introducerea

radicalilor este iniţiată de aprinderea din antecameră. Întârzierea dintre aprinderea din

antecameră şi autoaprindere este foarte scurtă, datorită vitezei cu care se desfăşoară procesele de

injecţie şi amestecare a radicalilor în camera principală. Astfel, momentul introducerii poate fi

controlat cu precizie. Sistemului APIR utilizează rapoarte de comprimare de 10 -14.

Fig. 39 Funcţionarea sistemului APIR: a) introducerea radicalilor; b) formarea mai multor nuclee

de aprindere; c) propagarea fronturilor de flacără multiple

Motoarele echipate cu sistemul APIR sunt diferite de motoarele cu aprindere prin

scânteie obişnuite deoarece arderea cantităţii principale de combustibil este realizată de mai

multe fronturi de flacără. De asemenea cursa de comprimare este absolut necesară pentru

autoaprindere şi ardere în camera principală de ardere. Calitatea arderii asigurată de dispozitivele

PJC şi de APIR pare a fi identică, comparativ cu rezultatele obţinute cu un sistem de aprindere

convenţional, cu bujie. Cu toate acestea, întârzierea aprinderii şi durata arderii sunt mai reduse la

folosirea stemului APIR faţă de sistemul PJC.

Orificiile cu diametrul sub 1 mm asigură o antecameră mai puţin sensibilă la variaţia

variabilelor termodinamice din camera principală de ardere şi, astfel, condiţii cu o mai bună

repetabilitate în antecameră.

Dispozitivul APIR este montat în locul unei bujii convenţionale. Volumul antecamerei

este stabilit între 0,5-1 cm3, aproximativ 1% din volumul camerei principale de ardere.

Antecamera este alimentată printr-o conductă cu un amestec aer-combustibil bogat. Coeficientul

de exces de aer pentru antecameră este între 0,48-0,66. Cu ajutorul lui se realizează o combinare

47

a stabilităţii şi sensibilităţii la detonaţie reduse a motorului Diesel cu nivelul scăzut de formare a

funinginii şi puterii specifice ridicate a motorului cu aprindere prin scânteie.

4.1.2.4.3 Aprinderea cu jet de plasmă

Prin utilizarea amestecurilor sărace la sistemele de aprindere convenţionale apar

probleme legate de inflamabilitatea amestecului. Pentru creşterea probabilităţii aprinderii

amestecului se realizează o creştere a aportului energetic a sistemului de aprindere prin folosirea

plasmei.

Bujia cu plasmă este executată dintr-o bujie normală la care se modifică forma

electrozilor. Astfel cel de masă este înlocuit cu o placă metalică cu un orificiu de 2mm, iar

electrodul central este parţial găurit pentru a forma în interiorul său un spaţiu cu volumul de 6-9

mm3.

Energia folosită, câţiva jouli, este foarte mare în comparaţie cu cea din cazul sistemelor

clasice. Se generează astfel un nucleu de plasmă semnificativ mai mare decât în cazul bujiei

clasice. Există variante când în volumul generat în electrodul central se injectează o mică

cantitate de combustibil.

Printre avantaje putem enumera: reducerea întârzierii la aprindere, posibilitatea aprinderii

amestecurilor sărace, implică modificări minore pentru aplicarea la motoarele de serie.

Principalul dezavantaj este constituit de durabilitatea scăzută a bujiei. Datorită

temperaturilor mari şi a energiei cinetice mari a jetului de plasmă se produce uzura electrozilor,

în special a celui de masă.

Fig.40 Bujie cu plasmă

4.2 Tehnologii active de reducere a emisiilor poluante la MAC

Tehnologiile de reducere activă a emisiilor poluante la motorul cu aprindere prin

comprimare vizează perfecţionarea proceselor ce au loc în motor: schimbul de gaze, formarea

amestecului, arderea, injecţia combustibilului. De asemenea supraalimentarea, răcirea

intermediară a încărcăturii proaspete şi recircularea gazelor arse duce la reducerea emisiilor

poluante.

48

4.2.1 Formarea amestecului şi arderea

Procesele de formarea a amestecului carburant şi ardere sunt greu de controlat datorită

perioadei scurte de timp în care acestea se desfăşoară şi datorită suprapunerii parţiale a acestora.

Formarea amestecului aer-combustibil se realizează prin injectarea combustibilului sub

formă de jet în aerul comprimat din cilindru. Procesul are pun caracter dinamic cu însemnate

variaţii ale parametrilor de control, cu schimbarea de la o fază la alta a condiţiilor optime de

desfăşurare a fenomenelor legate de formarea amestecului şi de apariţia autoaprinderii.

Procesele de formare a amestecului şi de ardere pot fi optimizate prin controlul nivelului

energetic al aerului, prin intensificarea mişcărilor organizate şi neorganizate, şi prin

caracteristicile procesului de injecţie: injecţie pilot, calitatea jetului de combustibil, durata de

injecţie, legea de injecţie, postinjecţie şi prin cantitatea de gaze arse recirculate. Managementul

acestor parametrii poate fi realizat cu ajutorul unităţii electronice de comandă.

4.2.1.1 Schimbul de gaze

Configuraţia canalului de admisie determină intensitatea mişcării tangenţiale a

încărcăturii proaspete, mişcarea de swirl, care influenţează nivelul energetic al procesului de

formare a amestecului aer-combustibil.

Pentru funcţionarea optimă a motorului este necesar ca la turaţii scăzute această mişcare

tangenţială să fie amplificată, în acest sens se utilizează canale de admisie elicoidale. Utilizarea

canalului de admisie elicoidal determină mărirea pierderilor gazodinamice şi micşorarea

coeficientului de umplere al motorului, în plus, la creşterea turaţiei motorului creşte şi

coeficientul de vârtej ceea ce poate afecta negativ procesul de formare a amestecului (prin

suprapunerea jeturilor de combustibil).

Fig.41 Mişcarea de vârtej generată de canalul de admisie elicoidal

49

Asigurarea unui raport de vârtej optim în funcţie de regimul funcţional al motorului se

poate realiza prin utilizarea a două supape de admisie pe cilindru. Una din supape este alimentată

printr-un canal de admisie tangenţial iar cealaltă printr-un canal de admisie elicoidal. În funcţie

de mărimea secţiunii de intrare a canalului elicoidal sau a celui tangenţial se poate controla

mişcarea de vârtej.

Prezenţa clapetei de control pe traiectul canalelor de admisie determină scăderea

coeficientului de umplere al motorului.

În figura de mai jos este prezentată variaţia raportului de vârtej şi a coeficientului global

al pierderilor gazodinamice în funcţie de ridicarea supapei şi de obturarea canalului.

Fig.42 Influenţa ridicării supapei şi a obturării unui canal de admisie

Mişcările turbulente sunt influenţate de rugozitatea suprafeţelor canalului de admisie,de

forma scaunului supapei şi de supapă. Controlul turbulenţei pe întreaga gamă a regimurilor de

funcţionare va avea un impact pozitiv asupra diminuării emisiilor poluante şi asupra

îmbunătăţirii parametrilor de putere şi de consum ai motorului.

Funcţionarea motorului şi diminuarea emisiile poluante pot fi optimizate prin utilizarea

distribuţiei variabile a gazelor.

Sistemele de distribuţie pot fi clasificate în funcţie de modul de acţionare a supapelor:

sisteme cu acţionare directă (electrică sau hidraulică) şi indirectă. Cele cu acţionare indirectă a

supapelor (cele cu camă) pot fi:

- cu camă variabilă sau profil variabil: cu faze variabile; cu rotaţie; cu camă spaţială; cu

două came diferite;

- cu tachet variabil: mecanic; hidraulic.

Fig.43 Sistemul Honda VTEC

50

Fig.44 Sistemul Delphi

Fig.45 Sistemul UNIAIR-Fiat

4.2.1.2 Camera de ardere

În cazul motoarelor cu injecţie directă se utilizează două tipuri de camere divizate:

antecameră şi camera de turbulenţă.

Motoarele cu cameră divizată prezintă numeroase limite în comparaţie cu motoarele ce au

cameră unitară. Aceste limite se referă la:

- pierderi mari de căldură prin pereţii camerei de ardere ceea, sunt necesare rapoarte mari

de comprimare;

- utilizarea unor coeficienţi de exces de aer inferiori motorului cu cameră unitară, valori

ridicate ale consumului de combustibil şi emisiilor de CO2;

- posibilităţi reduse de optimizare a proceselor din motor prin utilizarea de tehnologii noi.

Datorită consumului redus de combustibil, motoarele cu injecţie directă au fost

îmbunătăţite astfel încât să respecte noile norme privind poluarea.

Caracteristicile constructive şi de exploatare determină forma camerei de ardere a

motoarelor diesel cu injecţie directă, astfel ea poate varia în funcţie de firma producătoare. Cele

mai întâlnite forme sunt: sferică, cilindrică, pătrată şi în formă de "ω", predominantă datorită

mişcării de tor imprimate încărcăturii proaspete.

51

Fig.46 Tipuri de camere de ardere

Mişcarea încărcăturii proaspete depinde de: gradul de deschidere al camerei de ardere

definit prin raportul dintre diametrul de intrare al camerei de ardere şi alezajul cilindrului, forma

şi înălţimea deschiderii camerei de ardere, adâncimea camerei de ardere, forma interioară a

camerei de ardere, etc.

4.2.1.3 Injecţia de combustibil

Caracteristicile motoarelor diesel privind consumul şi emisiile poluante sunt influenţate

de echipamentul de injecţie.

Sistemul clasic de injecţie a combustibilului este alcătuit din: pompa de înaltă presiune cu

elemenţi în linie sau cu distribuitor rotativ şi injectoare care realizează pulverizarea

combustibilului în camera de ardere. În funcţie de caracteristicile constructive ale acestuia se

determină parametrii de calitate şi temporali ai jetului.

Jetul de combustibil pulverizat este caracterizat prin: fineţe, omogenitate, penetraţie şi

dispersie. Calitatea pulverizării depinde de: presiunea de injecţie, viteza combustibilului prin

orificiile de ieşire, diametrul şi lungimea orificiilor de pulverizare.

Parametrii temporali ai jetului depind de caracteristicile constructive ale pompei de

injecţie şi ale pulverizatorului injectorului. Ei se referă la momentul începerii procesului de

injecţie în raport cu ciclul motor, la durata procesului de injecţie şi la legea de injecţie.

52

Pentru sistemele clasice de injecţie caracteristica de injecţie poate fi corectată cu ajutorul

unor dispozitive, mecanice, hidraulice, pneumatice, după nişte legi simple. Aceste dispozitive au

elemente cu o inerţie ridicată iar forţele de frecare între elemente au valori ridicate. Pentru

combaterea acestor inconveniente s-a apelat la utilizarea sistemului de reglare a pompei de

injecţie electronic.

Odată cu dezvoltarea motoarelor diesel s-a constatat că injecţia clasică nu mai face faţă

cerinţelor legate de formarea amestecului aer-combustibil la funcţionarea motorului la diferite

regimuri.

Datorită acestor considerente s-a încercat în primă fază o îmbunătăţire a injectorului prin

modificarea numărului, diametrului şi lungimii orificiilor de pulverizare, eliminarea sacului

injectorului, micşorarea maselor în mişcare pentru a mări viteza de ridicare a acului

pulverizatorului, mărirea presiunii de deschidere a injectorului. Aceste măsuri au dus la

îmbunătăţirea calităţii pulverizării combustibilului.

După realizarea acestor modificări s-a realizat injectorul cu două arcuri la care injecţia

combustibilului se desfăşoară în două faze. Astfel datorită optimizării proceselor de formare a

amestecului şi de ardere se obţinea o reducere a emisiilor de hidrocarburi nearse cu 15-20%, a

oxizilor de azot de 10-15% şi o reducere considerabilă a zgomotului datorat arderii faţă de

motoarele echipate cu injectoare clasice.

Procesul de injecţie în două faze se desfăşura astfel:

- prima fază a injecţiei, numită injecţie pilot, începe prin învingerea rezistenţei primului

arc cu forţa corespunzătoare presiunii de injecţie de 16 până la 18 MPa şi o ridicare a acului de

0,02 până la 0,06 mm. Combustibilul injectat în această fază suferă transformări fizice şi chimice

constituind nuclee fizice de autoaprindere la injecţia dozei principale de combustibil;

- în a doua fază a injecţiei se învinge rezistenţa celui de-al doilea arc prin forţa dată de o

presiune de 32 - 35 MPa. Ridicarea acului injectorului în această fază este de 0,2 - 0,3 mm.

Fig.47 Injector pulverizator în două faze

53

Funcţionarea injectorului:

- în repaus: resortul superior menţine acul injector pe scaunul său;

- la pre-injecţie: la trecerea de 200 bari, presiunea pe ac exercită o forţă mai mare decât

arcul superior, acul se deplasează şi vine în contact cu inelul roşu;

- la injecţie: presiunea creşte până la 450 bari, ca şi forţa pe arc. Forţa celor două arcuri

este insuficientă pentru menţinerea acului injectorului, acesta se ridică şi împinge inelul roşu în

locaşul său.

Controlul injecţiei se realizează cu ajutorul sistemelor electronice de control care au un

volum de funcţii mult mai ridicat decât la sistemele clasice şi realizează separarea funcţiei de

dozare de funcţiile de reglaj. Funcţii de reglare folosite sunt:

- corectarea dozei de combustibil în funcţie de caracteristica de sarcină şi turaţie a

motorului;

- caracteristica debitului de injecţie este corectată în funcţie de temperatura lichidului de

răcire;

- valoarea debitului pe ciclu este bine stabilită;

- reglarea debitului regimului de mers în gol se face independent de încărcare;

- reglarea avansului la injecţie;

- reglarea debitului de gaze recirculate;

- reglarea debitului de combustibil în funcţie de presiunea de supraalimentare;

- corectarea debitului de combustibil în funcţie de amplitudine.

Fig.48 Pompa cu rotor distribuitor cu regulator electronic

Dezvoltarea continuă a echipamentului de injecţie a dus la apariţia sistemului de injecţie

cu rampă comună de înaltă presiune, sistem cunoscut sub numele de Common Rail. Presiunea

combustibilului din rampa comună este egală cu presiunea de injecţie, acest lucru fiind realizat

de pompa de înaltă presiune.

54

Procesul de injecţie nu mai depinde de forma camei, el este controlat de unitatea

electronică de control. Doza de combustibil şi parametrii procesului de injecţie sunt stabiliţi în

funcţie de parametrii funcţionali ai motorului.

Pentru îmbunătăţirea calităţii amestecului aer combustibil pe întreaga plajă a regimurilor

de funcţionare ale motorului trebuie ca şi jeturile de combustibil să îndeplinească condiţiile de

calitate în corelaţie cu mişcarea aerului din cilindrii şi cu forma camerei de ardere.

Una din măsuri o constituie mărirea presiunii de injecţie care la sistemele clasice este

dificil de realizat datorită complicaţiilor constructive. Pompa injector poate realiza condiţiile de

presiune ridicată însă nu poate beneficia de controlul electronic.

Fig.49 Variaţia presiunii maxime de injecţie în funcţie de turaţia motorului

În figura de mai sus este prezentată comparativ variaţia presiunii de injecţie a unei pompe

de injecţie cu distribuitor rotativ cu control electronic (Bosch VP37), o pompă de injecţie cu

pistoane radiale (Bosch VP44) şi un sistem cu rampă comună (Bosch Common Rail) în funcţie

de turaţia motorului. Din această figură se observă că sistemul de injecţie cu rampă comună oferă

presiuni de injecţie mai ridicate pe întreaga gamă de funcţionare a motorului şi că există

posibilităţi de creştere şi de menţinere la valori ridicate a presiunii de injecţie şi la turaţii reduse

de funcţionare ale motorului.

Sistemul de injecţie cu rampă comună are o structură mecanică relativ simplă (fig. 50).

Fig.50 Sistemul de injecţie Common Rail

55

Motorina este preluată din rezervorul de combustibil de către pompa de presiune şi

refulată în rampa comună. Pompa de presiune este prevăzută cu trei pistonaşe plonjoare dispuse

radial. Pistonaşele sunt acţionate de către o camă de înălţime mică prin intermediul unor tacheţi

cu rolă. Pistonaşele plonjoare au o dispunere simetrică pentru a se evita introducerea de unde de

presiune de amplitudine ridicată în volumul rampei comune. Pompa de presiune preia puterea

necesară comprimării combustibilului de la arborele cotit al motorului.

Pompa de înaltă presiune este prevăzută cu un regulator de presiune. Acesta are rolul de a

modifica nivelul presiunii combustibilului din rampa comună. Reglarea presiunii se realizează cu

ajutorul unei supape electromagnetice a cărei ridicare este în funcţie de intensitatea curentului de

alimentare comandat de către unitatea electronică de control.

Combustibilul sub presiune refulat de către pompa de înaltă presiune ajunge în rampa

comună. Volumul cuprins în tubulatura dintre pompa de înaltă presiune şi injectoare (conducta

de alimentare a rampei comune, rampa comună, conductele de alimentare ale injectorului)

serveşte drept acumulator de presiune. Acest volum are rolul de a amortiza undele de presiune

induse de către pompa de înaltă presiune. O valoare inferioară valorii optime a volumului

amplifică undele de presiune induse de către pompa de presiune, o valoare superioară valorii

optime a volumului măreşte timpul de răspuns la variaţiile de presiune cerute de funcţionarea

motorului la regimurile tranzitorii.

Rampa comună este prevăzută cu un senzor piezoelectric care emite un semnal spre

unitatea electronică de control (UEC) indicând nivelul de presiune din aceasta. UEC compară

valoarea semnalului primit cu valoarea memorată conformă cu regimul de funcţionare al

motorului. Dacă valoarea măsurată diferă de valoarea memorată, atunci UEC emite un semnal

spre regulatorul de presiune al pompei de înaltă presiune, unde un orificiu de descărcare poate fi

închis sau deschis după cum presiunea din rampa comună trebuie mărită sau micşorată.

Sistemul de injecţie cu rampă comună este prevăzut cu injectoare cu deschidere

electromagnetică. Circuitul electromagnetic de deschidere al injectorului este alimentat de către

unitatea electronică de control.

Fig.51 Injector cu deschidere electromagnetică

56

Momentul de început al injecţiei şi durata acesteia sunt stabilite de către UEC prim

compararea informaţiilor funcţionale ale motorului cu valorile memorate pentru aceleaşi

regimuri funcţionale.

Doza de combustibil pe ciclu este stabilită de către UEC pe baza valorii presiunii

combustibilului din rampa comună, durata injecţiei şi suprafaţa secţiunii echivalente de curgere a

combustibilului prin injector şi pulverizator.

Avantajul major al sistemului de injecţie cu rampă comună este flexibilitatea acestuia

care poate modifica legea de injecţie în funcţie de particularităţile regimului de funcţionare al

motorului.

Comanda electromagnetică a deschiderii injectorului poate asigura multiple injecţii în

diferite momente ale ciclului motor.

Fig.52 Profilul ridicării acului injectorului

Cu acest sistem se poate realiza injecţia pilot iar plasarea acesteia în ciclu este

independentă de caracteristicile sistemului de injecţie. Prin injecţia pilot se introduce în cilindrii

motorului o mică cantitate de combustibil, 1-5mm3, înaintea pulverizării dozei principale.

Combustibilul introdus în această fază suportă transformări fizice şi chimice asigurând centrii

activi ai procesului de autoaprindere la introducerea dozei principale.

Prin injecţia pilot se pot controla procesele de formare a poluanţilor chimici, se reduce

zgomotul datorat arderii amestecului carburant şi se îmbunătăţesc calităţile de pornire ale

motorului la temperaturi reduse.

Sistemul Common Rail are numai avantaje printre care putem enumera o reducere a

consumului de combustibil, o dublare a cuplului motor la turaţii mici şi o creştere cu până la

25% a puterii motorului. De asemenea acesta reduce nivelul sonor şi vibraţiile specifice

motoarelor cu aprindere prin comprimare.

Emisiile de CO2 sunt reduse cu până la 20%, nivelul monoxidului de carbon este redus cu

până la 40% iar hidrocarburile nearse s-au diminuat cu până la 50%.

57

4.2.1.4 Supraalimentarea

Prin supraalimentare se înţelege introducerea încărcăturii proaspete în cilindru la presiuni

mai mari decât presiunea ambiantă prin precomprimarea parţială sau totală a încărcăturii

proaspete înainte de intrarea în motor.

În cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare supraalimentarea este benefică pentru

procesul de aprindere şi ardere datorită temperaturii mai mari a aerului comprimat. Din acest

motiv în prezent se supraalimentează şi motoarele mici de 40..50 kW, supraalimentarea având ca

efect creşterea presiunii şi a densităţii încărcăturii proaspete fapt ce duce la îmbunătăţirea

parametrilor de putere şi consum.

Supraalimentarea poate fi fără agregat: acustică sau cu agregat: cu compresor volumetric

rotativ cu palete, cu rotor profilat, de tip G; cu compresor dinamic axial sau centrifugal.

Antrenarea poate fi mecanică, cu turbină cu gaze sau mixtă.

a. b. c.

Fig.53 Tipuri de agregate de supraalimentare: a) Compresor Roots,

b) Compresor Sprintex, c) Compresor Comprex

O modalitate eficientă de supraalimentare a motoarelor cu aprindere prin comprimare o

constituie utilizarea turbocompresorului.

Îmbunătăţirile tehnologice aduse turbinei cu gaze de presiune variabilă au condus la o

utilizare eficientă a energiei gazelor arse evacuate din motor pe întreaga gamă de regimuri de

funcţionare ale motorului.

O primă intervenţie a vizat utilizarea materialelor ceramice pentru rotorul turbinei.

Această modificare a permis reducerea inerţiei rotorului şi a dat posibilitatea utilizării gazelor

arse cu un nivel de temperatură mai ridicat.

O soluţie constructivă care permite utilizarea eficientă a energiei gazelor de evacuare la

orice regim de funcţionare al motorului îl constituie turbina cu gaze cu geometrie variabilă. La

acest tip de turbină ajutajul este paletat iar unghiul dintre palete poate fi modificat în funcţie de

regimul de funcţionare al motorului printr-un dispozitiv care primeşte semnalul de comandă de

unitatea electronică de comandă.

58

a) b)

Fig.54 a) Supraalimentare cu turbină, b) turbină cu geometrie variabilă

Prin supraalimentare presiunile şi temperaturile caracteristice ciclului motor au valori mai

ridicate comparativ cu cele ale ciclului motorului cu aspiraţie naturală. În consecinţă emisiile de

CO şi HC se reduc iar emisiile de NOx cresc. Emisia de particule este mai redusă datorită

oxidării acestora pe timpul cursei de destindere şi evacuare datorită nivelului de temperatură

ridicat al gazelor arse.

Pentru a contrabalansa nivelul crescut de emisii de NOx se realizează o răcire

intermediară a încărcăturii proaspete. Astfel se realizează o creştere a densităţii încărcăturii

proaspete, scade temperatura încărcăturii proaspete reţinute în cilindrii motorului şi se reduce

temperatura de ardere pe ciclu.

Răcirea aerului se face pe traiectul dintre compresorul de supraalimentare şi intrarea în

motor. Ea se poate realiza cu schimbătoare de căldură aer-aer sau aer-apă.

Fig.55 Răcirea încărcăturii proaspete

4.2.1.5 Recircularea gazelor arse

Motorul cu aprindere prin comprimare funcţionează cu amestecuri sărace, deci gazele de

evacuare sunt bogate în oxigen. Datorită conţinutului ridicat de oxigen, oxizii de azot nu pot fi

reduşi eficient în convertoarele catalitice pe baze de metale preţioase Pt, Rh, Pd.

Măsura prin care se poate frâna procesul de formare a oxizilor de azot prevede

reintroducerea în camera de ardere a unei cantităţi de gaze arse care în prealabil au fost răcite.

59

Gazele arse sunt inerte din punct de vedere chimic şi ele acţionează ca un diluant al

cantităţii de oxigen din camera de ardere, determinând modificări ale dinamicii procesului de

ardere şi în consecinţă micşorând temperatura de ardere.

Procesul de formare a oxizilor de azot este frânat pe de-o parte de diluţia oxigenului iar

pe de altă parte datorită reducerii temperaturii de ardere.

Cantitatea de gaze arse reintrodusă în cilindrii motorului este reglată de unitatea

electronică de comandă în funcţie de parametrii care caracterizează regimul de funcţionare al

motorului.

Fig.56 Dispozitivul de recirculare a gazelor arse

Recircularea gazelor arse are ca efect reducerea drastică a emisiilor de oxizi de azot şi

creşterea uşoară a emisiilor de CO, HC, particule. Emisii care pot fi diminuate cu dispozitive de

tratare a gazelor arse: convertor de oxidare şi filtru de particule.

5 Tehnologii pasive de reducere a emisiilor poluante

Reglementările privind emisiile poluante sunt tot mai restrictive de la an la an. Acest

lucru determină constructorii de autovehicule să optimizeze procesele ce au loc în motor, să

dezvolte noi tehnologii şi instalaţii pentru ca concentraţia compuşilor poluanţi din gazele arse să

se încadreze în limitele admisibile.

Primele reglementări prevedeau limitarea concentraţiei monoxidului de carbon şi a

hidrocarburilor nearse, astfel au fost realizate sisteme de oxidare care s-au aplicat la motoarele cu

aprindere prin scânteie. În cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare nu a fost necesară

introducerea niciunui sistem deoarece aceste motoare respectau prevederile privind emisiile

poluante.

Apariţia noilor reglementări ce prevedeau limite pentru emisiile de oxizi de azot a dus la

dezvoltarea unor sisteme care realizează simultan atât oxidarea CO şi HC cât şi reducerea NOx.

60

În cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare în primă fază s-au limitat emisiile de

particule, în acest scop s-au utilizat filtrele de particule.

Ideal ar fi ca după tratarea gazelor de evacuare să se obţină un amestec de gaze

atmosferice, adică O2, N2, vapori de apă şi CO2. La ora actuală se pune şi problema reducerii

emisiei de CO2 pentru diminuarea “efectului de seră”.

5.1 Proprietăţile fizico-chimice ale gazelor de evacuare

Proprietăţile fizico-chimice ale gazelor de evacuare depind de tipul motorului, cu

aprindere prin scânteie sau prin comprimare, şi sunt influenţate de turaţia şi sarcina motorului,

dozajul amestecului aer-combustibil.

Temperatura gazelor arse variază între 300-400°C la mersul în gol şi 900°C la sarcină

plină. Debitul gazelor evacuate are o fluctuaţie cuprinsă între 10 şi 150 m3/h în funcţie de

cilindree, de valorile turaţiei şi sarcinii motorului ca şi de condiţiile concrete de funcţionare,

accelerare sau decelerare. Iar compoziţia chimică depinde de condiţiile de funcţionare ale

motorului şi de amestecul aer-combustibil.

În cazul motoarelor cu aprindere prin scânteie avem următoarea compoziţie a gazele de

evacuare:

- compuşi chimici oxidanţi: O2 0,2…2% vol.; NO 0,01…0,4% vol., N2O <100 ppm;

- compuşi chimici reducători: CO 0,1…6% vol., H2 0,5…2% vol., HC 0,5…1% vol.;

- alţi compuşi: N2 70…75% vol., vapori de apă 10…12% vol., CO2 10…13% vol.,

SO2 15…60% ppm, alţi compuşi concentraţi ce depind de calitatea aditivilor din combustibil şi

ulei.

5.2 Dispozitive de tratare a gazelor de evacuare

5.2.1 Reactorul termic

Reactorul termic este un dispozitiv care, prin menţinerea gazelor de evacuare la

temperatură ridicată, favorizează oxidarea CO şi HC din gazele arse.

Constructiv, reactorul termic este un colector de evacuare fixat de chiulasa motorului, cu

volumul mărit, prevăzut la interior cu un sistem de tuburi care prelungeşte drumul parcurs de

gazele de evacuare prin reactor, în scopul creşterii duratei de menţinere a acestora la temperatură

ridicată.

Temperatura minimă necesară pentru oxidarea HC şi CO este de 600…700°C, mult mai

ridicată decât în cazul conversiei catalitice. Această temperatură nu este atinsă de gazele de

evacuare la toate regimurile de turaţii şi sarcini ale motorului, de aceea pentru a se realiza

61

reacţiile de oxidare trebuie să crească timpul de menţinere la temperaturi ridicate. Pentru a se

realiza acest lucru se utilizează frecvent soluţii de izolare termică a reactorului.

Fig.57 Reactorul izolat termic

Inerţia termică a reactorului trebuie să fie scăzută pentru a se putea încălzi rapid după

pornirea motorului, astfel reţeaua interioară de tuburi a acestuia este realizată din oţel refractar.

Eficienţa reactorului termic depinde de nivelul de temperatură, volumul său şi oxigenul

rezidual din gazele evacuate. Astfel temperatura atinsă în reactor este influenţată de temperatura

gazelor la intrare, de pierderile de căldură şi de cantităţile de HC, CO şi H2 care sunt arse în

interiorul acestuia. Prin arderea unei cantităţi de CO reprezentând 1 % din volumul reactorului se

produce o creştere a temperaturii din reactor cu 80°C.

În cazul oxidării CO şi HC provenite din arderea amestecurilor bogate, cantitatea de

oxigen necesară în reactor este introdusă prin injecţie de aer secundar în proporţie de 10...20%.

Dacă motorul funcţionează cu amestecuri sărace această injecţie de aer suplimentar nu mai este

necesară deoarece cantitatea de oxigen din gazele de evacuare este suficientă pentru oxidarea

compuşilor poluanţi, caz în care eficienţa reactorului este diminuată datorită temperaturii mai

reduse de lucru.

Injecţia aerului secundar implică utilizarea unui sistem ce conţine o pompă, compresor,

de aer antrenată de motor care să trimită printr-o canalizaţie specială un curent de aer în gazele

arse din zona supapei de evacuare. Aerul injectat în fluxul de gaze de evacuare aduce oxigenul

necesar oxidării cantităţilor de HC şi CO care părăsesc cilindrii motorului.

Sistemul injecţiei de aer adiţional trebuie să întrerupă aportul de aer în timpul decelerării

automobilului, pentru evitarea exploziilor din sistemul de evacuare. Întreruperea debitării aerului

secundar se realizează printr-o supapă “controlată” de presiunea negativă, prezentă în colectorul

de admisie la închiderea clapetei de acceleraţie; aerul debitat de pompă este direcţionat în acest

caz în afara sistemului de evacuare. Pompa de aer este protejată faţă de fenomenul întoarcerii

flăcării printr-o supapă.

62

Prin utilizarea reactorului termic nu se obţine o oxidare totală a cantităţilor de HC şi CO,

datorită variabilităţii condiţiilor de funcţionare ale motorului şi imperfecţiunilor constructive ale

reactorului.

Complexitatea constructivă, necesitatea prezenţei sursei de aer secundar antrenată de

motor, dependenţa directă a eficienţei reactorului termic faţă de variaţiile calităţii amestecului

aer-combustibil din cilindrii motorului, sunt elemente care au determinat limitarea utilizării

acestuia, preferându-se folosirea convertoarelor catalitice, acestea având în plus şi avantajul

diminuării concentraţiei compuşilor poluanţi din gazele de evacuare prin reacţii de reducere.

5.2.2 Convertorul catalitic

Funcţionarea sistemelor de conversie catalitică se bazează pe acţiunea catalitică a unor

metale preţioase: Pt, Rh,Pd, ce sunt capabile să diminueze energia chimică necesară reacţiilor de

reducere şi oxidare, mărind implicit viteza de desfăşurare a acestor reacţii. Accelerarea catalitică

a reacţiilor de oxidare şi/sau reducere are loc la o temperatură relativ scăzută a gazelor arse,

evacuate la diversele regimuri de funcţionare ale motorului.

Reacţiile ce au loc în convertorul catalitic:

- oxidarea hidrocarburilor:

- oxidarea monoxidului de carbon:

Datorită polarităţii puternice, molecula de monoxid de carbon este absorbită în stratul de

metal nobil al catalizatorului la o temperatură cuprinsă între 100 şi 200°C. Prin absorbţia

monoxidului de carbon locul rămas liber este ocupat de oxigen, molecula de oxigen disociază la

nivelul stratului catalitic, şi astfel au loc reacţii de oxidare ale monoxidului de carbon, urmate de

absorbţia dioxidului de carbon.

- reducerea oxidului de azot:

63

Viteza de desfăşurare a acestei reacţii exotermice se poate amplifica pe cale termică sau în

prezenţa metalelor catalitice. Deficienţa principală a materialelor încercate până acum: metale

preţioase, oxizi, etc. constă în disocierea moleculelor de NO absorbite de catalizator şi fixarea

acestor produşi de disociere pe suprafaţa catalizatorului. Desorbţia oxigenului format limitează

continuarea reacţiilor de reducere. Pentru restaurarea acţiunii catalitice este necesară ridicarea

nivelului temperaturii gazelor de evacuare sau prezenţa unui agent chimic reducător. Agenţii

reducători pot fi compuşi chimici care însoţesc NO în gazele de evacuare: CO, H2, şi

hidrocarburi nearse. Hidrogenul molecular poate rezulta din reacţia CO cu vaporii de apă, în

prezenţa catalizatorului:

Reacţiile de reducere a NO:

Oxidarea agenţilor reducători CO, HC şi H2 are loc prin utilizarea oxigenului rezultat din

disocierea NO sau a oxigenului molecular existent în gazele de evacuare. În cazul în care

tensiunea parţială a oxigenului molecular depăşeşte substanţial presiunea parţiala a NO, rata de

disociere a NO se diminuează considerabil. Acesta este motivul pentru care nu este posibilă

reducerea NO din gazele de evacuare ale motoarelor care funcţionează cu exces de aer: MAS cu

amestecuri sărace şi MAC.

La motoarele care funcţionează cu amestecuri bogate, agenţii reducători se găsesc în

cantităţi ridicate, iar azotul atomic rezultat din disocierea NO poate reacţiona cu aceşti compuşi.

Deci în urma acestor reacţii poate rezulta amoniacul:

64

5.2.2.1 Convertorul catalitic cu două căi

Dacă agenţii reducători sunt prezenţi în exces este necesară utilizarea a două reactoare

legate în serie pentru limitarea emisiei de amoniac.

Fig.58 Sistem cu reactoare legate în serie

În primul reactor se produce o reducere a NO, rezultă cantităţi variabile de amoniac, după

care amestecul de gaze intră în următorul reactor, unde au loc procesele de oxidare. Pentru

dezvoltarea acestui tip de reacţii, se introduce aer adiţional în gazele ce pătrund în reactorul de

oxidare. Amoniacul format în timpul reacţiilor de reducere ar trebui sa fie oxidat în al doilea

reactor după reacţiile:

sau

Cantitatea de NO formată după ultima schemă de reacţie depinde de tipul catalizatorului

folosit, de nivelul temperaturii şi de valoarea presiunii parţiale a oxigenului.

5.2.2.2 Convertorul catalitic cu trei căi

Convertorul catalitic cu trei căi poate reduce simultan trei compuşi din gazele de

evacuare: CO, HC, NOx. Acesta are randamentul maxim atunci când motorul funcţionează cu

amestecuri stoichiometrice. Dacă în motor sunt arse amestecuri sărace are loc o scădere a

eficienţei reducerii NO, iar dacă amestecul proaspăt este bogat atunci apare o reducere a

eficienţei reacţiilor de oxidare a HC şi CO.

Domeniul de variaţie a calităţii amestecului aer-combustibil, pentru care catalizatorul

funcţionează eficient este extrem de restrâns, ceea ce impune utilizarea unui sistem electronic de

control şi reglare a calităţii amestecului, pentru menţinerea acestuia în domeniul de eficienţă al

sistemului catalitic. Senzorul care culege informaţia relativ la cantitatea de oxigen remanentă în

65

gazele de evacuare este sonda λ. Mărimea timpului de răspuns al sistemului poate determina

oscilaţii ale dozajului la funcţionarea motorului în regimuri tranzitorii. În aceste cazuri, frecvenţa

semnalului de răspuns variază cu 0,5...5Hz, în jurul valorii fixate, ceea ce determina o variaţie a

coeficientului de exces de aer în intervalul [0,93...1,07]. Semnalul generat de sonda este transmis

unităţii electronice de comandă care după procesarea datelor determină ce acţiuni sunt necesare

pentru obţinerea unui amestec stoichiometric.

Fig.59 Eficienţa convertorului catalitic în funcţie de calitatea amestecului

Fig.60 Convertorul catalitic cu trei căi: poziţionare şi structură

Prin adăugarea de aditivi în compoziţia combustibilului se poate realiza o îmbunătăţire a

funcţionării convertorului catalitic cu trei căi.

Materialul catalitic utilizat la construcţia convertoarelor catalitice trebuie depus pe un

suport, suport ce trebuie să îndeplinească o serie de cerinţe: să permită depunerea stratului

catalitic prin minimizarea contactului dintre acesta şi suport, fără ca elementul catalitic să

sinterizeze cu materialul suportului, pentru a nu se diminua eficienţa reacţiilor catalitice ce au loc

la nivelul atomilor din stratul de suprafaţă al depunerii de element catalitic; să inducă un nivel de

contrapresiune cât mai redus pe traseul gazelor evacuate prin sistem, pentru a nu diminua

semnificativ performanţele energetice ale motorului; să asigure o cât mai mare suprafaţă de

contact între gazele arse şi stratul de compus catalitic, în scopul maximizării eficienţei

sistemului; să răspundă cât mai bine solicitărilor mecanice şi termice.

66

Astfel materialul suportului poate fi ceramic sau metalic, având o structură granulată sau

monolitică. La început se utilizau suporturi granulate, dar acum sunt răspândite cele cu structură

monolitică.

Suportul monolitic ceramic este realizat din cordierit care este un amestec de oxizi, Al,

Mg, Si, rezistenţi la temperaturi ridicate şi vibraţii. Materialele de bază sunt măcinate sub formă

de pulbere după care acestea sunt încorporate într-un agent liant (metilceluloza sau

carboximetilceluloza) cu un lubrifiant (etilenglicol) şi un agent fondant (hidroxizi ai

pământurilor alcaline) pentru a favoriza sinterizarea. Amestecul obţinut este sinterizat în forma

finală. Structura obţinută este introdusă apoi în cuptorul de sinterizare; în faza de presinterizare

sunt eliminaţi compuşii volatili, agenţii lianţi şi lubrifianţi. Secvenţele la temperaturi ridicate

(între 800 şi 1300 la 1450°C) determină nivelul de porozitate al materialului ceramic pe care se

va aplica stratul de material catalitic.

Monoliţii se extrudează ca volume cilindrice cu secţiunea circulară, eliptică sau “turf”.

Canalele de trecere a fluxului de gaze evacuate de secţiune triunghiulară sau pătrată sunt aranjate

sub formă de fagure. Volumul monolitului ia valori cuprinse între 0,2…0,3dm3 pentru fiecare

kW de putere efectivă a motorului. Secţiunea în formă de “turf” se utilizează la motoare cu puteri

de până la 100kW, pentru motoare cu puteri mai mari se folosesc doi monoliţi identici montaţi în

paralel. Valoarea diametrului suportului se constituie în factorul principal ce determină nivelul

căderii de presiune pentru un volum dat al monolitului, comparativ cu lungimea canalelor şi

numărul de canale pe unitatea de suprafaţă. Micşorarea grosimii pereţilor despărţitori reduce

inerţia termică a suportului şi diminuează nivelul presiunii gazelor de evacuare din amontele

sistemului catalitic.

Caracteristicile principale ale monoliţilor ceramici sunt următoarele:

- număr de canale pe cm2 - 46…62;

- grosime de perete - 0,1, 0,15 sau 0,3mm;

- porozitate - ≅ 30%;

- aria suprafeţei active a canalelor raportată la unitatea de volum - 2,19 sau 2,79m2/dm3;

- densitatea materialului ceramic - 1,68kg/m3;

- temperatura maximă de exploatare - 1100°C;

- mărimea macroporilor - 7000…10000Å;

- mărimea microporilor - 70…90Å.

Suportul monolitic metalic este realizat din oţel inoxidabil cu conţinut de crom şi

aluminiu, obţinându-se grosimi ale pereţilor canalelor de 40…50μm. Ca efect al conţinutului

relativ ridicat de aluminiu (aproximativ 4%) la suprafaţa monolitului se formează un strat

protector de alumină rezultată prin oxidare la temperatură ridicată.

67

Prin introducerea în compoziţia aliajului a 0,2÷0,3% zirconiu, rezistenţa monolitului la

solicitări caracteristice oxidării la temperaturi ridicate creşte; se împiedică, de asemenea,

fenomenul desprinderii de particule din structura monolitică metalică de bază. Adaosul de calciu

are efecte pozitive asupra adeziunii stratului de oxid la suprafeţele canalelor de trecere. În

proporţie de aproximativ 0,3%, introducerea ytriului în compunerea aliajului are ca efect

ridicarea durabilităţii materialului supus solicitărilor date de gazele fierbinţi. Deoarece ytriul este

un material scump, se utilizează în proporţie de maxim 0,05%, restul fiind înlocuit de un amestec

conţinând pământuri rare şi ceriu.

După recoacere la 1200°C, folia de tablă este ondulată într-un laminor special pentru a i

se asigura o configuraţie de suprafaţă sinusoidală sau trapezoidală. Asamblarea foliilor pentru

obţinerea structurii principale se poate realiza fie prin sudură cu flux de electroni, fie prin brazare

la o temperatură de maxim 1200°C, direct în carcasa suportului.

Brazarea este recomandată deoarece previne deformarea structurii sub acţiunea şocurilor

termice. Folia este răsucită în formă de spirală sau sub formă de "3", această ultimă aranjare

oferind o mai bună anduranţă mecanică.

Aria secţiunii transversale echivalente oferită pentru curgerea gazelor arse creşte de la

57%, în cazul monolitului ceramic, la 72%, în cazul monolitului metalic. Se reduce astfel, la

utilizarea monolitului metalic, contrapresiunea din sistemul de evacuare al motorului, ceea ce

determină o îmbunătăţire a performanţelor motorului. Spargerea curentului principal de gaze

arse, la intrarea în sistemul catalitic cu suport metalic, creşte intensitatea turbulenţei curgerii,

ceea ce conduce la un contact mai bun între gazele evacuate şi suprafaţa cu metal catalitic.

Efectul final este o creştere a eficienţei catalizatorului sau o posibilă diminuare a volumului şi

greutăţii suportului.

Acesta are avantajul că dimensiunea peretelui despărţitor este mai mică decât în cazul

celui ceramic şi atunci pe aceeaşi suprafaţă a secţiunii transversale se pot amplasa mai multe

canale, deci dimensiunea va fi mai mică, gabarit redus.

Caracteristicile principale ale monolitului metalic sunt:

- compoziţia materialului - 15÷20%Cr, 4÷5%Al, 0÷2%Si, 0,1÷0,3%Y, restul până la

100%Fe;

- număr de canale pe cm2 - 62 sau 93;

- grosime de perete - 0,05mm;

- aria suprafeţei canalelor - 3,2m2/dm3;

- densitatea materialului - 1,25kg/dm3;

- temperatura maximă de exploatare - 1100°C.

68

Alte caracteristici favorizante ale structurii metalice constau in: căderea de presiune din

sistemul catalitic mai mică cu 15÷20% faţă de suportul ceramic cu îmbrăcăminte activă depusă;

conductivitate termică ridicată ce împiedică supraîncălzirea locală şi eventuala topire zonală a

structurii; inerţie termică redusă, ceea ce asigură un timp minim de atingere a temperaturii

optime de funcţionare.

Ca şi în cazul suportului din material ceramic, suprafaţa canalelor se acoperă cu un strat

de Y alumină, înainte de impregnarea cu elementul catalitic.

Materialul activ ce este depus pe suportul catalizatorului este alcătuit din metale

preţioase, deoarece acestea au o intensă reactivitate chimică atât la temperaturi reduse cât şi la

temperaturi ridicate, ele rezistă foarte bine tendinţelor de sinterizare prin care se reduce aria

suprafeţei specifice de activitate.

Dacă s-ar utiliza oxizi metalici ca: CoO4, CuO, Cr2O3, ZnO, SiMnO2, singuri sau în

combinaţie prin alţi oxizi, ar fi necesară o cantitate dublă sau chiar de trei ori mai mare pentru a

realiza aceeaşi rată de conversie.

Elementele active utilizate de convertorul catalitic sunt platina, Pt, şi paladiul, Pd. Aceste

elemente pot fi utilizate separat sau în combinaţie. Pentru oxidarea CO2, hidrocarburilor olefine

sau pentanului, activitatea paladiului este mai intensă decât cea a platinei, iar pentru oxidarea

hidrocarburilor aromatice activitatea celor două metale preţioase este asemănătoare, în schimb,

oxidarea hidrocarburilor parafinice este mai eficient realizată de platină.

Reacţiile catalitice încep cu un stadiu de absorbţie prin care se impune dehidrogenarea

hidrocarburilor saturate. Platina este foarte eficientă in acest proces. La temperaturi cuprinse

între 600...900°C, într-un mediu oxidant, platina tinde să sinterizeze. Sinterizarea platinei este

mult diminuată într-un mediu reducător. Paladiul rezistă mai bine tendinţelor de sinterizare într-

un mediu oxidant şi, combinat cu stratul intermediar, prezintă aceeaşi durabilitate cu perechea de

metale platină-rodiu.

Prezenţa plumbului sau a fosforului blochează ireversibil suprafaţa activă a

catalizatorului, platina dezactivându-se mult mai uşor decât paladiul.

Rata de conversie a NOx şi CO este mult mai scăzută în cazul Pd, la regimuri de

funcţionare caracterizate de amestecuri bogate. Tendinţa actuală, în tehnologia sistemelor

catalitice, este de a înlocui perechea Pt-Rh cu perechea Pd-Rh deoarece au eficienţe comparabile

însă costul Pd este mai mic decât cel al Pt.

Pentru a îmbunătăţi reacţiile de reducere din convertorul catalitic cu trei căi este necesară

utilizarea rodiului pe lângă perechea de metale preţioase platină-paladiu deoarece prezenţa CO

face ca activitatea Pt şi Pd să fie insuficientă pentru reducerea NOx la N2.

69

Rodiul are o mai mare capacitate de a stoca oxigenul şi este imun la efectul de inhibiţie

determinat de CO producând şi mai puţin amoniac la funcţionarea motorului cu amestecuri

bogate. Pe de altă parte rodiul este foarte sensibil la contaminarea cu plumb şi fosfor.

La temperaturi ridicate, rodiul formează RhO3 care se poate combina sub forma unei

soluţii solide cu alumina din suport. Acest oxid are tendinţa de a acoperi cristalele de platină,

catalizatorul fiind astfel scos din funcţiune. Ruteniul este considerat drept cel mai bun catalizator

de reducere a NOx la N2, însă el nu este utilizat deoarece formează un oxid volatil în mediul

oxidant care nu a putut fi încă stabilizat într-un amestec de oxizi.

Prin adăugarea de aditivi în suportul intermediar, dar şi în stratul activ, se realizează

accentuarea efectului catalitic, stabilizarea chimică a suportului şi inhibarea procesului de

sinterizare a metalelor preţioase. Aceşti aditivi pot fi: Ni, Ce, La, Ba, Zr, Fe, şi Si.

Prin introducerea nichelului se intensifică activitatea Pt şi Pd de reducere a NO. Efect

similar are introducerea oţelului şi ceriului, ele având şi rolul de a preveni sinterizarea aluminei

din stratul intermediar. Procesul de reducere în mediul reducător al NO poate fi îmbunătăţit prin

adăugarea de lantariu, el previne desprinderea cristalelor de platină.

Fig.61 Structura convertorului catalitic

Aria suprafeţei canalelor oferite atât de suportul ceramic cât şi de suportul metalic este

insuficientă pentru aplicarea stratului activ de metale preţioase. Pentru a se mări suprafaţa de

depunere a catalizatorului, pereţii canalelor sunt îmbrăcaţi cu un material intermediar care de

cele mai multe ori este alumina. Masa stratului intermediar depus reprezintă 5…20% din masa

suportului iar aria suprafeţei canalelor este amplificată cu un factor de aproximativ 100.

Aplicarea stratului intermediar se face în trei etape: pregătirea lichidului precursor, un

amestec de Al2(OH)5Cl cu hidrosoli de alumină şi oxizi de siliciu sau zincroniu, pentru acoperire;

imersia suportului în acest lichid; uscarea şi sinterizarea combinaţiei precursoare pe suport. Prin

dublarea cantităţii specifice a materialului precursor se produce o creştere uşoară a căderii de

presiune în convector, iar rata de conversie a CO şi NOx se îmbunătăţeşte.

Prin imersia suportului in soluţia precursoare sau prin injecţia soluţiei în canalele

suportului are loc depunerea stratului intermediar pe suport. Surplusul de soluţie este eliminat cu

70

ajutorul aerului comprimat sau prin centrifugare. Uscarea stratului intermediar se realizează cu

ajutorul unui curent de aer cald, având temperatura de 100…150°C, ce parcurge canalele

monolitului.

Tehnologiile de depunere ale stratului activ se adoptă în funcţie de suprafeţele suportului

astfel încât să se asigure eficienţa maximă. Catalizatorul Pt-Pd se depune în raport de 15:1 până

la 3:1.

Stratul activ se depune prin imersie sau injecţie utilizând o soluţie de metale preţioase,

H2PtCl6 sau PdCl2 sau Rh(NO3)3; soluţii pe bază de acetonă conţinând (n-butil4N)2Rh(CO)2Br8

sau H2PtCl6-6H2O. Adâncimea de pătrundere a catalizatorului în suport este influenţată de

aciditatea mediului de impregnare. Adâncimea trebuie să fie redusă pentru a se obţine o suprafaţă

de spălare cu gaze arse a cristalelor de metal preţios cât mai mare, dar suficient de mare pentru a

preveni desprinderea cristalelor prin abraziune.

Unele tehnologii prevăd depunerea stratului intermediar şi a celui activ simultan sub

formă de hidrosol amestecat cu precursori catalitici, însă o parte din cristalele active sunt

acoperite de stratul intermediar, deci eficienţa conversiei este scăzută.

Fig.62 Montarea monolitului

Suportul impregnat cu cristale de metale preţioase este montat într-o carcasă metalică, din

oţel inoxidabil refractar austenitic sau feritic, ce are rolul de înveliş protector. Carcasa este

realizată din două semicarcase unite prin presare.

Convertorul catalitic se poziţionează pe conducta de evacuare ţinând seama că suportul

trebuie să se încălzească cât mai repede după pornire deoarece la temperatura mediului ambiant

el nu acţionează asupra emisiilor poluante. Pentru a funcţiona el trebuie să atingă o temperatură

de 200-300°C, deci el trebuie poziţionat cât mai aproape de motor dar la o distanţă sigură

deoarece temperatura poate ajunge până la 900°C.

Timpul necesar convertorului catalitic pentru a atinge eficienţa de conversie depinde de:

a) Proprietăţile catalizatorului

71

În cazul catalizatoarelor de oxidare Pd are o temperatură mai scăzută de intrare în

funcţiune decât Pt. La convertoarele cu trei căi, combinaţia Pt/Rh reduce temperatura de

acţionare faţă de combinaţiile Pt/Pd, Pd/Rh sau Pt/Pd/Rh.

Temperatura de intrare în funcţionare descreşte şi la creşterea dispersiei platinei pe

suprafaţa canalelor monolitului. Acelaşi efect se obţine şi prin creşterea concentraţiei de metale

preţioase.

b) Suprafaţa catalizatorului

Depozitele de metale şi metaloizi ca Pb, P, S, Zn, au efect ireversibil. Astfel depozitele de

impurităţi împreună cu efectele termice, sinterizare, determină intrarea în funcţiune a

materialului activ la o temperatură mai ridicată ceea ce duce la creşterea emisiilor poluante.

c) Aditivii din materialul suportului

Prin adăugarea de aditivi la materialul suportului se inhibă sinterizarea metalelor

preţioase, se încetineşte îmbătrânirea acestora şi se coboară temperatura la care catalizatorul intră

în funcţiune. Se utilizează ca aditivi: CeO2, Fe2O3, oxizii pământurilor rare.

d) Poziţia catalizatorului în instalaţia de evacuare a gazelor arse

Pentru ca temperatura gazelor de evacuare ce intră în catalizator să nu fie mai mare de

900°C, dar să nu fie nici prea mică pentru a se realiza oxidarea la pornirea la rece s-a adoptat o

soluţie de compromis ce presupune separarea convertorului catalitic în două componente: un

miniconvertor cu capacitate termică redusă care este amplasat cât mai aproape de colectorul de

evacuare unde este încălzit rapid şi atunci se iniţiază oxidarea CO şi HC, convertor cu monolit

metalic, şi un convertor catalitic principal amplasat la o distanţă sigură de funcţionare. Sau o altă

soluţie combină un microconvertor ca monolit amplasat în colectorul de evacuare cu un monolit

ceramic amplasat pe traiectul de evacuare pentru a se evita supraîncălzirea acestuia la sarcini

mari.

Pentru a aduce convertorul la temperatura de funcţionare se prevăd sisteme electrice de

încălzire a acestuia înainte de pornirea motorului.

e) Compoziţia gazelor de evacuare

La pornirea motorului conţinutul de CO, HC, O2, NO este variabil, el depinzând de gradul

de îmbogăţire a amestecului, temperatură şi presiunea mediului ambiant. Un conţinut ridicat de

O2, o concentraţie scăzută de CO şi prezenţa HC în gazele de evacuare determină scăderea

temperaturii de oxidare a catalizatorului.

f) Raportul aer-combustibil

72

Temperatura de intrare în funcţiune a catalizatorului creşte cu gradul de îmbogăţire al

amestecului la pornire în cazul catalizatoarelor de oxidare Pt/Pd, fără utilizarea aerului adiţional

sau amestecurilor sărace. Acest efect nu este important în cazul catalizatoarelor cu Rh deoarece

acesta este mai puţin sensibil la conţinutul de CO. Astfel la un convertor de oxidare cu Pt,

creşterea conţinutului de CO de la 0,5% la 7% determină creşterea temperaturii de conversie de

la 160°C la 300°C, pentru o conversie de 50% a emisiilor.

Menţinerea catalizatorului în limitele de funcţionare eficientă se face printr-un reglaj

optim al dozajului cu ajutorul sondei lambda.

5.2.2.3 Catalizatori pentru tratarea gazelor net oxidante

Dacă se utilizează catalizatorul cu trei căi pentru tratarea gazelor net oxidante se observă

că apare o scădere a eficienţei reducerii NOx şi apare oxidarea echivalenţilor reduşi ai CO şi HC.

În cazul motoarelor ce funcţionează cu amestecuri sărace se poate obţine o reducere a

emisiilor poluante numai dacă se dezvoltă noi catalizatori pentru reducerea acestor gaze de

evacuare net oxidante.

a) Reducerea selectivă non-catalitică SNR

Se utilizează în centralele termoelectrice şi agentul reducător este amoniacul sau ureea.

Reacţiile de reducere în cazul utilizării amoniacului au loc la temperaturi de 800-1000°C, iar în

cazul ureei intervalul de temperaturi e între 800-1100°C. Au fost încercări de reducere a emisiilor

cu ajutorul acidului cianuric, dar datorită intervalului strâns în care are loc procesul de reducere

şi datorită faptului că la temperaturi sub 310°C a gazelor arse cresc emisiile de NO, această

soluţie s-a abandonat.

b) Reducerea catalitică non-selectivă NCR

Reducerea catalitică non-selectivă presupune utilizarea catalizatorului cu trei căi şi a

agenţilor reducători reprezentaţi de metale nenobile.

În tabelul de mai jos este prezentată eficienţa conversiei NO a unor metale nenobile:

Tab.6 Eficienţa de conversie a NO

73

Pe baza cercetărilor experimentale efectuate pe motoarele cu aprindere prin scânteie care

au funcţionat cu amestecuri sărace, după ciclul FTP, au demonstrat că reducerea NOx este

dependentă de raportul dintre emisiile de hidrocarburi şi emisiile de oxizi de azot. Cea mai

ridicată rată de conversie a gazelor nitrate a fost de 45%. La pornirea la rece, deoarece nu s-a

atins temperatura optimă de reducere, rata a fost de 15%. În timpul fazei calde a ciclului rata de

reducere a NOx a fost de 30%. În faza de accelerare raportul NOx şi HC a fost defavorabil

reducerii NOx.

Utilizarea zeolitului drept catalizator la MAS este limitată de creşterea vitezei gazelor

prin catalizator, astfel pentru îmbunătăţirea funcţionării catalizatorului trebuie mărit volumul

acestuia.

La motoarele cu aprindere prin comprimare pentru a se putea utiliza acest catalizator

pentru reducerea NOx este necesar să se introducă agentul de reducere. Cercetările experimentale

au arătat ca prin introducerea a 4700 ppm etilenă rata de reducere s-a mărit cu 15%.

Convertorul cu catalizator zeolitic este ineficient pentru reducerea NOx la motorul cu

aprindere prin comprimare.

c) Reducerea catalitică selectivă SCR

Reducerea catalitică selectivă presupune utilizarea catalizatoarelor din metale nenobile

bazate pe TiO2/V2O5, zeoliţi şi cărbune activ. Soluţiile cu cărbune activ nu se utilizează pentru

reducerea emisiilor poluante în cazul autovehiculelor din cauza riscului incendiilor.

Agentul reducător utilizat poate fi amoniacul.

În convertor au loc o serie de reacţii paralele la care procentul depinde de temperatura

gazelor, concentraţia de oxigen, viteza gazelor prin convertor şi selectivitatea catalizatorului

utilizat.

Catalizatorii din zeolit care utilizează amoniacul ca agent reducător realizează conversia

NOx independent de concentraţia de oxigen pe întreaga gamă de temperatură. În plus, zeoliţii au

o mare capacitate de a absorbi amoniacul şi în acest fel convertorul stochează o cantitate relativ

ridicată de agent reducător. Stocarea unei cantităţi ridicate de amoniac duce la întârzierea intrării

în funcţiune a catalizatorului la temperaturi reduse.

În loc de amoniac se poate utiliza ureea care nu este la fel de toxică. Astfel se poate

reduce NO până la 100% în gama de temperaturi de 300-350°C. Reducerea NOx este direct

proporţională cu cantitatea de uree dată pe întreaga gamă de temperaturi de funcţionare. Peste

90% din NOx sunt reduşi când se utilizează un raport uree/NOx=0,5.

Convertorul utilizând drept catalizator zeolitul cu cuprul poate reduce o cantitate

superioară de NOx faţă de orice catalizator cu metale nobile într-o gamă foarte largă de

amestecuri aer-combustibil.

74

Utilizarea aluminei ca agent reducător pentru reducerea NOx la motorul Diesel prezintă o

excelentă durabilitate prin utilizarea metalonului ca agent reducător la temperaturi coborâte în

prezenţa unei concentraţii înalte de vapori de apă. Eficienţa de reducere a catalizatorului din

alumină poate fi mărită prin creşterea cantităţii de agent reducător. Prezenţa SO2 în gazele de

evacuare dezactivează catalizatorul prin acumularea sulfului pe suprafaţa aluminei, de asemenea

SO3 este suspectat că participă la acest proces de dezactivare.

Pentru MAS şi MAC care au gaze de evacuare net oxidante reducerea catalitică selectivă

rămâne deocamdată singura modalitate eficientă de reducere a NOx fără a afecta emisiile de CO

şi HC.

Reducerea catalitică selectivă a fost dezvoltată de Mazda pentru un autoturism echipat cu

un motor turbo diesel care oferă „performanţe remarcabile în ceea ce priveşte reducerea

emisiilor” şi respectă normele Euro V.

Sistemul SCR purifică gazele de evacuare prin pulverizarea cu AdBlue® o substanţă

apoasă pe bază de uree dintr-un rezervor special amenajat sub portbagaj direct în fluxul de gaze

din faţa convertorului catalitic. Acest proces determină o reacţie chimică prin care AdBlue®

transformă aproximativ 40% din NOx în azot, gaz inofensiv. Datorită designului compact acest

sistem nu ocupă din spaţiul destinat bagajelor. Consumul de AdBlue® se estimează ca fiind

suficient pentru parcurgerea a 20.000 de km în condiţii normale de condus, astfel reumplerea

rezervorului este necesară doar la reviziile programate.

Fig.63 Sistemul SCR Mazda

5.2.2.4 Contaminarea catalizatorului

Compoziţia combustibilului sau a lubrifiantului poate determina dezactivarea

convertorului catalitic. Rata de dezactivare depinde de activitatea chimică a elementelor prezente

în combustibil, astfel ele se pot combina cu faza activă a catalizatorului sau în activitatea

mecanică care duce la blocarea porilor catalizatorului împiedicând accesul gazelor la suprafeţele

active ale catalizatorului.

a) Contaminarea cu plumb

75

Diferiţi compuşi ai plumbului (oxizi, halogenaţi şi sulfaţi) sunt responsabili de otrăvirea

convertoarelor catalitice. Aditivii antidetonanţi pe bază de Pb conţin halogenuri, cloruri şi

bromuri, capabile să volatilizeze plumbul pe traiectul de evacuare. După arderea combustibilului

în camera de ardere, aceşti compuşi conduc la creşterea oxidului de plumb şi a acizilor HCl şi

HBr. Arderea moleculelor de sulf din combustibil şi a celor de fosfor din ulei generează dioxid

de sulf şi oxizi de fosfor. La nivelul înalt de temperatură din camera de ardere, posibilitatea de

combinare a acestor specii este limitată de termodinamica reacţiilor şi de stabilitatea chimică a

plumbului, oxidului de plumb şi a acizilor.

Transferul plumbului din camera de ardere spre convertorul catalitic începe cu oxidul de

plumb care se află în stare de vapori. Vaporii condensează rapid când gazele ating temperatura

de 850-900°C, generându-se particule fine care intră în curentul de gaze sau se depun pe pereţii

circuitului de evacuare. În timpul transferului particulele sau depozitele de oxid de plumb pot

reacţiona cu oxizii sulfului sau fosforului.

Efectul dăunător al plumbului poate fi datorat acoperirii catalizatorului sau înfundării

porilor suportului. La o depunere moleculară mai mică de 1% cu PbO la oxidarea CO nu-şi

manifestă efectul dăunător, din contră, poate duce la coborârea temperaturii de intrare în

funcţiune a catalizatorului. Depăşirea unui singur strat molecular de plumb va duce la inhibarea

reacţiilor de conversie a CO. În cazul concentraţiilor ridicate, peste 5% de PbO rata de conversie

a CO este inhibată de înfundarea porilor.

Efectul de otrăvire cu plumb este mai pronunţat la paladiu decât la platină în special la

temperaturi reduse. Catalizatorul contaminat poate fi regenerat prin încălzire la aproximativ

500°C într-o atmosferă fără plumb. Deschiderea porilor înfundaţi de către depozite de sulfaţi de

plumb se poate realiza prin încălzire la o temperatură mai mare de 900°C.

Convertoarele catalitice cu trei căi, bazate pe metale preţioase tind să reziste la prezenţa

plumbului dacă gazele de evacuare au un nivel de temperatură mai mare de 500°C şi nu conţin

compuşi halogenaţi.

Problema contaminării cu plumb a convertoarelor catalitice este eliminată prin utilizarea

benzinelor neaditivate cu compuşi ai plumbului.

b) Contaminarea cu fosfor

Fosforul apare în gazele de evacuare datorită impurităţii combustibilului şi/sau utilizării

aditivilor în lubrifiant. Conţinutul de fosfor din combustibilul neaditivat este de 0,02mg/l, iar în

ulei de 1,2g/l. Fosforul acţionează în sensul reducerii ratei de conversie a CO în comparaţie cu

rata de conversie a NO la arderea amestecurilor stoichiometrice. Amestecurile de oxizi ai

calciului şi zincului sau fosfaţii, se depun pe suprafeţele catalizatorilor sau înfundă porii

producând scăderea ratei de conversie a CO, HC şi NOx.

76

c) Contaminarea cu sulf

Metalele de tranziţie formează foarte uşor sulfaţi în comparaţie cu metalele preţioase.

Formarea sulfaţilor necesită oxidarea SO2 în SO3 care este uşurată de acţiunea catalitică a

metalelor preţioase. În cazul convertoarelor cu trei căi SO2 determină reducerea ratei de

conversie a CO, HC şi NOx. Disocierea SO2 în oxigen şi sulf duce la apariţia depozitelor de S pe

suprafaţa metalului preţios.

5.2.3 Reducerea nivelului noxelor la pornirea la rece a motorului prin utilizarea

hidrogenului degajat în motor pentru arderea gazelor de evacuare

Metoda prin care se poate realiza o reducere a emisiilor poluante la pornirea la rece a

motorului se numeşte EGI - Exhaust Gas Ignition. Funcţionarea sistemului se bazează pe reacţia

de postardere din sistemul de evacuare al autovehiculului. Această reacţie are rolul de a asigura

încălzirea rapidă a catalizatorului ce are ca rezultat intrarea acestuia mai rapid în funcţionare.

Arderea din sistemul de evacuare are două funcţii:

- reducerea emisiilor poluante;

- degajarea de căldură pentru a aduce catalizatorul în domeniul optim de funcţionare.

Reacţiile au loc într-un timp relativ scurt: la 10 secunde de la pornirea motorului

amestecul de HC şi CO generează elementele necesare arderii şi devine inflamabil.

Sistemul EGI se bazează pe utilizarea unui exces mare de combustibil introdus în motor

imediat după pornirea acestuia. Gazele de evacuare vor conţine cantităţi mari de HC nearse, NOx,

CO şi H2, datorită arderii incomplete a amestecului carburant. Limita de ardere a gazelor este

determinată de concentraţia elementelor prezente şi de nivelul de oxigen cu care funcţionează

motorul.

În figura de mai jos este prezentată zona în care trebuie să se situeze amestecul de gaze

arse pentru a putea fi ars.

77

Fig.64 Limita de inflamabilitate a gazelor arse

Punctul A de pe grafic este utilizat atâta timp cât se atinge temperatura necesară oxidării

CO şi HC din gazele de evacuare prin injectarea aerului în galeria de evacuare înainte de

catalizator. Punctul B este utilizat atunci când apare procesul de ardere şi care poate fi atins

atunci când gazele de evacuare au o anumită temperatură, devin reactive. Punctul C

caracterizează procesele ideale de ardere la temperaturi de regim constante şi amestecuri ideale

aer-gaze de evacuare, fapt ce nu are loc în realitate. Punctul D caracterizează arderea reală în

care hidrogenul depăşeşte 5% pentru a putea asigura o ardere eficientă şi sigură.

Prin utilizarea acestui sistem se reduc la minim emisiile deoarece se ard complet

hidrocarburile nearse înainte de a ajunge în atmosferă.

5.2.4 Filtrul de particule

Emisiile de particule pot fi diminuate prin amplasarea pe conducta de evacuare a filtrelor

de particule.

Filtrele de particule se clasifică după mai multe criterii:

- după principiul de reţinere a particulelor: mecanică, electrostatică;

- după materialul filtrant: ceramice, metalice;

- după metoda de regenerare: termică: cu arzător cu flacără, cu încălzire electrică sau

chimică: depunere de material catalizator pe suportul filtrant, aditivarea combustibilului,

injectare de aditiv în curentul de gaze arse sau combinată sau mecanică;

- după periodicitatea regenerării: periodică, continuă.

78

Filtrele utilizate în cazul autovehiculelor trebuie să îndeplinească o serie de cerinţe: să

aibă eficienţă ridicată, rezistenţă aerodinamică redusă, rezistenţă la solicitări mecanice şi vibraţii

şi nu în ultimul rând să aibă cost redus.

5.2.4.1 Mecanismele filtrării

Procesele ce au loc în filtrul de particule sunt: difuzia, intercepţia şi impactul inerţial.

Cele trei mecanisme acţionează diferit în funcţie de mărimea particulei. Astfel particulele

mici sunt reţinute prin difuziune deoarece ele intră în mişcarea browniană datorită ciocnirii cu

moleculele de gaz şi astfel particula este reţinută când ajunge în contact cu suprafaţa fibrei sau a

porului. Particulele de dimensiune medie sunt reţinute prin intercepţie deoarece ele urmăresc

curentul de gaz iar în momentul în care acesta ajunge pe suprafaţa porilor sau fibrelor particulele

sunt capturate. În cazul particulelor mari acestea au suficientă inerţie pentru a nu urmării curentul

de gaze, ele sunt capturate prin impact, pe suprafaţa care a determinat devierea curentului de

gaze.

Fig.65 Mecanismul filtrării gazelor arse

5.2.4.2 Filtrul cu reţinere mecanică

Funcţionarea filtrelor cu reţinere mecanică se bazează pe trecerea gazelor de evacuare

prin interstiţiile materialului filtrant unde particulele de dimensiuni mai mari pot fi reţinute la

intrarea în interstiţii, iar cele de dimensiuni reduse pot fi reţinute pe suprafaţa interstiţiilor sau în

spaţiile oferite în interiorul materialului filtrant prin inerţie la schimbarea sensului de curgere al

gazelor arse.

Filtrele cu reţinere mecanică pot fi filtre ceramice şi filtre metalice.

a) Filtrele metalice sunt confecţionate din aliaje de Ni-Cr pentru a rezista la acţiunea

corozivă a gazelor de evacuare. Ele sunt alcătuite din mai mulţi cilindri concentrici din material

poros. Mărimea porilor influenţează performanţele filtrului.

Aceste filtre prezintă o rezistenţă sporită la şocuri termice şi mecanice, durata de

funcţionare fără intervenţii asupra lor este mare.

Filtrele metalice pot fi realizate şi din fibre metalice din oţel inoxidabil acoperite cu

y-alumină. Aceste filtre au o eficienţă cuprinsă între 68-80%.

b) Filtrele ceramice pot fi construite sub formă de monolit, spumă şi fibre ceramice.

79

Filtrul monolit ceramic este realizat din cordierit, are secţiunea transversală circulară sau

ovală şi aspect de fagure datorită canalelor longitudinale de secţiune pătrată ce îl străbat.

Fig.66 Filtrul de particule Astra diesel

Canalele longitudinale sunt obturate alternativ cu capace din material ceramic pentru ca

gazele arse să fie obligate să treacă prin pereţii despărţitori poroşi. Mărimea porilor influenţează

eficienţa filtrului care poate fi între 40-90%.

Particulele se depun pe suprafaţa canalelor şi în interiorul porilor ceea ce determină

creşterea contrapresiunii în amonte de filtru fapt ce duce la scăderea performanţelor energetice şi

de consum ale motorului. De aceea periodic filtrul trebuie supus procesului de regenerare.

Filtrele din spumă ceramică sunt realizate sub formă de monolit din SiC sau cordierit.

Aceste filtre pot avea pori cu diametre de până la 500μm ce au formă de canale în adâncime.

Eficienţa filtrului este destul de redusă 60-70%.

Filtrele din fibre ceramice neţesute sunt alcătuite din fibre acoperite cu răşini. Structura

oferă un număr mare de pori fini cu diametrul 10μm, distribuiţi pe o suprafaţă şi adâncime mare.

Cartuşul filtrant se obţine prin înfăşurarea firelor realizate din fibre ceramice pe o conductă din

material ceramic sau oţel prevăzută cu orificii pentru trecerea gazelor arse. Grosimea înfăşurării

de fire ceramice este de 10-12mm. Gazele arse traversează înfăşurarea din fibre ceramice şi

astfel particulele sunt reţinute în pori.

Acest filtru rezistă mai bine la şocurile termice comparativ cu monolitul ceramic şi

eficienţa lui este peste 80%.

La construcţia elementului filtrant ţesut se utilizează fibre ceramice care folosesc ca

materiale carbonul, carbonul activ, sticla, oxizii de aluminiu, carbura de siliciu şi materiale

ceramice. Elementul filtrant se realizează prin ţesere sau tricotare, astfel rezultă o structură

volumică cu pori deschişi care poate fi pliată spiralat sau rulat.

80

Filtrul ceramic din fibre ceramice prezintă o serie de avantaje care îl recomandă a fi

utilizat la autovehicule: rezistenţă la temperaturi ridicate, eficienţă ridicată de reţinere a

particulelor de dimensiuni mici, reţinere uniformă a particulelor, rezistenţă la şocuri termice,

mecanice şi vibraţii, efect de reducere a zgomotului, uşurinţa regenerării.

5.2.4.3 Filtrul de particule electrostatic

În industrie este aplicată cu succes filtrarea electrostatică pentru reţinerea particulelor de

praf, această tehnologie poate fi aplicată şi în cazul autovehiculelor pentru reţinerea şi coagularea

particulelor din gazele de evacuare.

Formarea de noi poluanţi datorită acţiunii câmpului electric poate fi înlăturată prin

utilizarea la maxim a încărcării electrice naturale a particulelor, deoarece mai mult de 80% din

particule sunt încărcate electric. Rata de reţinere a particulelor se situează între 70-90% la o

tensiune electrică aplicată de 4000V.

Dezavantajul acestor sisteme e reprezentat de depunerile de carbon care pot duce la

scurtcircuitarea sistemului.

5.2.4.4 Regenerarea filtrelor

Carbonul, funinginea, reprezintă principalul constituent al particulelor conţinute de gazele

de evacuare ale motorului cu aprindere prin comprimare.

Prezenţa oxigenului în gazele de evacuare datorită funcţionării motorului cu amestecuri

sărace împreună cu nivelul ridicat al temperaturii gazelor de evacuare determină oxidarea

particulelor pe traiectul de evacuare. În realitate, datorită regimurilor tranzitorii la care

funcţionează motorul, temperatura gazelor de evacuare variază în limite largi fapt ce duce la

acumularea particulelor în filtre. Pentru a reda filtrului capacitatea de funcţionare, funinginea

trebuie îndepărtată printr-un proces care poartă denumirea de regenerare a filtrului.

Prin regenerare se asigură o funcţionare a filtrelor de până la 150000km, perioadă după

care acestea trebuie înlocuite datorită creşterii ireversibile a căderii de presiune datorată

înfundării cu materiale necombustibile, cenuşă metalică datorată aditivilor din lubrifiant şi

sulfului din combustibil.

a) Regenerarea termică pentru îndepărtarea depozitelor de funingine se realizează în

cazul în care temperatura gazelor de evacuare este de 550-600°C şi conţinutul de oxigen este

suficient. Conţinutul de oxigen determină temperatura la care are loc regenerarea, astfel pentru

un conţinut redus de oxigen este necesară o temperatură ridicată. În timpul regenerării filtrului

este necesară menţinerea motorului la un regim constant pentru a nu apărea modificări ale

temperaturii şi debitului gazelor arse.

81

Regenerarea termică se poate face prin creşterea nivelului temperaturii gazelor de

evacuare astfel:

- încălzirea aerului admis în motor se poate realiza prin utilizarea unor dispozitive

auxiliare electrice sau arzătoare cu flacără în cazul motoarelor cu aspiraţie naturală,iar în cazul

motoarelor supraalimentate cu turbină şi cu răcire intermediară se poate realiza printr-un circuit

care scurtcircuitează schimbătorul de căldură al aerului;

- întârzierea injecţiei combustibilului pe perioada regenerării. Pe perioada procesului

parametrii energetici, consumul şi emisiile se înrăutăţesc;

- obturarea admisiei duce la funcţionarea motorului cu amestecuri bogate şi astfel

temperatura gazelor creşte. Această metodă implică pierderi mecanice mari datorită amplificării

pierderilor prin pompaj;

- obturarea evacuării determină creşterea temperaturii gazelor de evacuare dar simultan

duce la scăderea randamentului de funcţionare al motorului.

De asemenea regenerarea termică se poate face cu ajutorul unor sisteme electrice:

- regenerarea utilizând rezistoare electrice presupune utilizarea unor sisteme de încălzire

cu rezistoare sub formă de spirală, bujie cu incandescenţă, rezistenţe sub formă de fir, sisteme ce

sunt introduse în interiorul filtrului. Aceste sisteme sunt incapabile să oxideze funinginea dacă

nu se introduc catalizatori în combustibil. În timpul regenerării filtrului prin acesta trece doar o

parte din gazele arse, cantitate reglată cu ajutorul unei supape, restul trecând printr-o conductă de

ocolire sau un alt filtru. Pentru o eficienţă maximă aceste rezistenţe ar trebui amplasate cât mai

aproape de intrarea în filtru, dacă nu chiar pe pereţii filtrului.

- regenerarea utilizând pierderi în dielectric se bazează pe utilizarea microundelor pentru

încălzirea selectivă a funinginii care le absoarbe cu un randament energetic cuprins între 60-70%

la o frecvenţă de 2,45GHz. Prin încălzirea cu microunde materialul ceramic nu este afectat, de

asemenea carcasa metalică constituie o barieră pentru microunde deoarece nu le permite

scăparea lor în exterior prin reflectarea lor către filtrul de particule.

- regenerarea termică utilizând sistemul electrostatic. În acest caz monolitul ceramic este

tubular iar canalele de trecere a gazelor sunt deschise la ambele capete ca în cazul monolitului

convertorului cu trei căi. În centrul monolitului se montează electrozii cu încărcare electrostatică.

Sistemul asigură oxidarea continuă a funinginii cu un randament de 90%. Tensiunea aplicată pe

electrozi este de 20-25kV, iar puterea de 2W pentru fiecare kW putere motor.

b) Regenerarea cu arzătoare cu flacără presupune utilizarea unor arzătoare ce au ca şi

combustibil propanul sau motorina şi pot fi cu aprindere prin scânteie sau aprindere catalitică.

Pentru regenerarea filtrelor pot fi utilizate aceleaşi arzătoare ca şi cele pentru condiţionarea

aerului sau încălzirea lichidului de răcire.

82

S-au dezvoltat mai multe scheme de dispunere a arzătorului şi a parcursului de gaze pe

timpul procesului: devierea debitului de gaze în afara filtrului pe timpul regenerării printr-o

conductă bypass; utilizarea a două filtre de particule în paralel, unul în serviciu şi altul în

regenerare; utilizarea arzătorului fără devierea curentului de gaze arse.

În primele două cazuri este nevoie de o supapă pentru devierea curentului de gaze în

timpul regenerării. Cele două filtre paralele nu funcţionează normal simultan pentru a oferi o

cădere de presiune cât mai redusă în sistemul de filtrare.

Arzătorul plasat în serie cu filtrul are o funcţionare complicată deoarece el trebuie să

funcţioneze în condiţiile regimurilor variabile ale motorului şi consumul de combustibil este mai

mare (3,8% în loc de 1,8% la sistemele cu bypass), deoarece trebuie să se ridice temperatura

întregului curent de gaze arse la o temperatură mai mare de 540°C. La sistemul cu arzător în

serie, cu utilizarea excesului de oxigen din gazele de evacuare, atât pentru arderea

combustibilului arzătorului cât şi pentru oxidarea funinginii, arzătorul poate numai să iniţieze

oxidarea funinginii din filtru în condiţiile reducerii cuplului oferit de motorul cu ardere internă.

La sistemele de regenerare cu arzător cu devierea curentului de gaze arse, condiţiile de

funcţionare ale acestora sunt independente de condiţiile de funcţionare ale motorului. Necesitatea

de oxigen este acoperită de o pompă care debitează aer pe timpul iniţierii şi oxidării particulelor

reţinute în filtru. Pentru a se evita vârfurile de temperatură obţinute în timpul oxidării

particulelor, puterea arzătorului se reduce după ce temperatura din filtru atinge 750°C, iar debitul

de aer se menţine constant.

Sistemul cu un singur filtru de particule cu sistem de deviere a gazelor arse pe timpul

regenerării va deversa în atmosferă gaze arse nefiltrate pe durata procesului. Se estimează că pe

timpul regenerării filtrului, aproximativ 9 minute, emisiile instantanee de particule vor creşte cu

26% iar cele de CO cu 17%.

c) Regenerarea catalitică poate fi realizată prin mai multe metode: depunerea de material

catalitic pe suprafaţa materialului filtrant, aditivarea combustibilului, injectarea intermediară de

material catalitic în gazele de evacuare în amonte de filtrul de particule.

Monoliţii ceramici impregnaţi cu un amestec catalizator pe bază de Pt, V, Ag coboară

temperatura de aprindere (oxidare) a particulelor la 400-450°C. Depunerile de metale preţioase

determină iniţierea reacţiilor de oxidare a funinginii la 380°C şi realizează şi oxidarea CO şi HC

nearse. Monoliţii impregnaţi cu metale de tranziţie în stare pură determină reducerea emisiilor de

particule şi convertesc emisiile de sulf în acid sulfuric în proporţie de 2-10%.

Acest tip de regenerare va determina creşterea emisiilor de sulfaţi, dar are avantajul

oxidării fracţiunilor organice solubile cu un randament de 50-80%, dacă temperatura gazelor e

mai mare de 200°C.

83

6 Concluzii

Evoluţia tehnologică a atras după sine şi dezvoltarea mijloacelor de transport, implicit

dezvoltarea autovehiculelor echipate cu motoare cu ardere internă care au o contribuţie

însemnată asupra poluării mediului înconjurător, afectând practic toate ecosistemele.

Acest lucru a dus la înăsprirea normelor referitoare la cantitatea de emisii poluante

acceptate la autovehiculele noi. Astfel constructorii de autovehicule sunt nevoiţi să dezvolte noi

tehnologii pentru reducerea emisiilor datorate arderii combustibilului în motor.

Reducerea emisiilor poluante se poate face începând cu optimizarea proceselor ce au loc

în motor.

Prin îmbunătăţirea procesului de schimb al gazelor sunt influenţate procesele din cilindrii

motorului ceea ce afectează parametrii energetici şi procesele de formare a poluanţilor atât la

motoarele cu aspiraţie naturală cât şi la motoarele supraalimentate. Reducerea considerabilă a

emisiilor se realizează prin utilizarea supraalimentării sonice, utilizarea mai multor supape pe

cilindru pentru a obţine o umplere mai bună şi prin utilizarea distribuţiei variabile. De exemplu

în cazul supraalimentării motoarelor se obţine o reducere a cantităţii de particule, monoxid de

carbon şi hidrocarburi nearse, dar apare o uşoară creştere a cantităţii de oxizi de azot.

84

Utilizarea amestecurilor omogene duce la scăderea consumului de combustibil şi implicit

la reducerea emisiilor poluante. Acelaşi lucru se obţine şi în cazul utilizării amestecurilor

stratificate ce permit motoarelor să funcţioneze cu amestecuri sărace aer-combustibil.

Procesul de ardere are o influenţă importantă asupra formării emisiilor poluante, de aceea

s-a dezvoltat instalaţia de aprindere pentru a se obţine o scădere a întârzierii la aprindere şi o

creştere a probabilităţii de aprindere.

În cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare introducerea sistemului common rail a

dus la scăderea cu 20% a emisiilor de CO2, cu 40% CO şi cu 50% emisiile de HC.

Un alt sistem introdus pentru ecologizarea motoarelor este sistemul de recirculare a

gazelor arse. Acesta face ca motorul să funcţioneze cu amestecuri sărace fapt ce duce la

reducerea procesului de formare a oxizilor de azot, dar cresc emisiile de CO, HC şi particule,

acestea putând fi reduse prin utilizarea convertorului catalitic şi a filtrului de particule.

Primele reglementări prevedeau limitarea concentraţiei monoxidului de carbon şi a

hidrocarburilor nearse, astfel au fost realizate sisteme de oxidare care s-au aplicat la motoarele cu

aprindere prin scânteie. În cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare nu a fost necesară

introducerea niciunui sistem deoarece aceste motoare respectau prevederile privind emisiile

poluante.

Apariţia noilor reglementări ce prevedeau limite pentru emisiile de oxizi de azot a dus la

dezvoltarea unor sisteme care realizează simultan atât oxidarea CO şi HC cât şi reducerea NOx.

Astfel au apărut reactoarele termice, dispozitive care menţineau gazele de evacuare la

temperatură ridicată fapt ce favorizează oxidarea CO şi HC din gazele arse.

Eficienţa reactorului termic depinde de nivelul de temperatură, volumul său şi oxigenul

rezidual din gazele evacuate. Astfel temperatura atinsă în reactor este influenţată de temperatura

gazelor la intrare, de pierderile de căldură şi de cantităţile de HC, CO şi H2 care sunt arse în

interiorul acestuia. Prin arderea unei cantităţi de CO reprezentând 1 % din volumul reactorului se

produce o creştere a temperaturii din reactor cu 80°C.

Prin utilizarea reactorului termic nu se obţine o oxidare totală a cantităţilor de HC şi CO,

datorită variabilităţii condiţiilor de funcţionare ale motorului şi imperfecţiunilor constructive ale

reactorului.

Complexitatea constructivă, necesitatea prezenţei sursei de aer secundar antrenată de

motor, dependenţa directă a eficienţei reactorului termic faţă de variaţiile calităţii amestecului

aer-combustibil din cilindrii motorului, sunt elemente care au determinat limitarea utilizării

acestuia, preferându-se folosirea convertoarelor catalitice, acestea având în plus şi avantajul

diminuării concentraţiei compuşilor poluanţi din gazele de evacuare prin reacţii de reducere.

85

Funcţionarea sistemelor de conversie catalitică se bazează pe acţiunea catalitică a unor

metale preţioase: Pt, Rh, Pd, ce sunt capabile să diminueze energia chimică necesară reacţiilor de

reducere şi oxidare, mărind implicit viteza de desfăşurare a acestor reacţii. Accelerarea catalitică

a reacţiilor de oxidare şi/sau reducere are loc la o temperatură relativ scăzută a gazelor arse,

evacuate la diversele regimuri de funcţionare ale motorului.

Convertorul catalitic cu trei căi poate reduce simultan trei compuşi din gazele de

evacuare: CO, HC, NOx. Acesta are randamentul maxim atunci când motorul funcţionează cu

amestecuri stoichiometrice. Dacă în motor sunt arse amestecuri sărace are loc o scădere a

eficienţei reducerii NO, iar dacă amestecul proaspăt este bogat atunci apare o reducere a

eficienţei reacţiilor de oxidare a HC şi CO. Acest sistem necesită introducerea unui senzor care

să măsoare cantitatea de oxigen din gazele de evacuare, sonda lambda.

Dacă se utilizează catalizatorul cu trei căi pentru tratarea gazelor net oxidante se observă

că apare o scădere a eficienţei reducerii NOx şi apare oxidarea echivalenţilor reduşi ai CO şi HC.

În cazul motoarelor ce funcţionează cu amestecuri sărace se poate obţine o reducere a emisiilor

poluante numai dacă se dezvoltă noi catalizatori pentru reducerea acestor gaze de evacuare net

oxidante. Astfel reducerea se poate face cu: SNR-reducerea selectivă non-catalitică; NCR-

reducerea catalitică non-selectivă; SCR-reducerea catalitică selectivă.

Compoziţia combustibilului sau a lubrifiantului poate determina dezactivarea

convertorului catalitic. Rata de dezactivare depinde de activitatea chimică a elementelor prezente

în combustibil, astfel ele se pot combina cu faza activă a catalizatorului sau în activitatea

mecanică care duce la blocarea porilor catalizatorului împiedicând accesul gazelor la suprafeţele

active ale catalizatorului. Contaminarea se datorează plumbului, fosforului şi sulfului.

Emisiile de particule pot fi diminuate prin amplasarea pe conducta de evacuare a filtrelor

de particule care se clasifică după mai multe criterii: după principiul de reţinere a particulelor,

după materialul filtrant, după metoda de regenerare, după periodicitatea regenerării.

Filtrele utilizate în cazul autovehiculelor trebuie să îndeplinească o serie de cerinţe: să

aibă eficienţă ridicată, rezistenţă aerodinamică redusă, rezistenţă la solicitări mecanice şi vibraţii

şi nu în ultimul rând să aibă cost redus.

Carbonul, funinginea, reprezintă principalul constituent al particulelor conţinute de gazele

de evacuare ale motorului cu aprindere prin comprimare. Pentru a reda filtrului capacitatea de

funcţionare, funinginea trebuie îndepărtată printr-un proces care poartă denumirea de regenerare

a filtrului. Regenerarea poate fi: termică, catalitică şi cu arzătoare cu flacără.

De asemenea pentru reducerea efectelor asupra mediului se pot utiliza autovehicule

curate, silenţioase şi economice. Astfel o atenţie deosebită trebuie acordată utilizării surselor

alternative de propulsie. În această categorie aflându-se combustibilii alternativi sau

86

biocombustibilii, dar şi autovehiculele electrice (motor electric şi baterii), hibride (motor termic

şi electric - rezervor de combustibil şi baterii de stocare), pile de combustie (motor electric

alimentat de la o pilă de combustie ce funcţionează cu hidrogen, metanol etc.).

Reducerea poluării datorate autovehiculelor este o problemă de notorietate căreia i se va

aloca o atenţie tot mai mare odată cu creşterea numarului de autovehicule.

7 Bibliografie

[1] BOBESCU, Gh. CHIRU, A. COFARU, C. ş.a. (2000) Motoare pentru automobile şi

tractoare, vol. III, Chişinău: Editura Tehnică-Info.

[2] BOBESCU, Gh. RADU, Gh. Al. COFARU, C. ş.a. (1989) Tehnici speciale pentru

reducerea consumului de combustibil şi limitarea noxelor la autovehicule, Braşov:

Reprografia Universităţii Transilvania.

[3] BOUBEL, W.R. FOX, L.D. TURNER, B.D. STERN, C.A. (1994) Fundamentals of

Air Pollution, ed. 3, California: Academic Press.

[4] COFARU, C. ISPAS, N. CHIRU, A. ş.a. (1999) Autovehiculul şi mediul, Braşov:

Editura Universităţii Transilvania.

[5] COFARU, Corneliu (2002) Legislaţia şi Ingineria Mediului în Transportul Rutier,

Braşov: Editura Universităţii Transilvania.

87

[6] GARRETT, T.K. NEWTON, K. STEEDS, W. (2001) The MotorVehicle, ed. 13,

Oxford: Butterworth-Heinemann.

[7] HEYWOOD, B. JHON (1988) Internal Combustion Engines Fundamentals, New

York: McGraw-Hill, Inc.

[8] NEGREA, V. D. SANDU, V. (2000) Combaterea poluării mediului în transporturile

rutiere, Bucureşti: Editura Tehnică.

[9] PULKRABEK, W. Willard (2003) Engineering Fundamentals of the Internal

Combustion Engine, New Jersey: Prentice Hall.

[10]www.atzonline.com

[11]www.opel.ro

[12]www.ştiriauto.ro

[13]www.wikipedia.org

88