Emisiile motoarelor diesel Reducerea emisiilor de oxizi de azot

- imbunatatirea combustibilului si a sistemului de injectie - utilizarea catalizatorilor

Reducerea emisiilor de particule Metode de indepartare simultana a NOx si PM Influenta calitatii combustibilului asupra emisiilor de NOx si PM Doua sunt problemele la aceste motore: emisiile de oxizi de azot si cele de particule 4.1 Reducerea emisiilor de oxizi de azot

3 4 5 6

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Em

isii

g/km

Standard EURO

HC Benzina HC Diesel NO Benzina NO Diesel PM Benzina PM Diesel

Limitele legale ale emisiilor motoarelor diesel sunt din ce in ce mai mici. In timp ce emisiile de CO si HC pot fi usor controlate (prin imbunatatirea arderii si a calitatii combustibilului, emisiile de NOx si de particule solide sunt mult mai problematice. Daca standardul Euro 4 a reprezentat o scadere la jumatate a emisiilor de NOx si de PM fata de Euro 3 , iar aceste reduceri au fost posibile fara utilizarea filtrului de particule, incepind cu Euro 5 este necesara utilizarea acestui filtru. La Euro 6, indeosebi pentru motoarele mari, se pune problema si a utilizarii unor aditivi (pentru reducerea catalitica selectiva a NOx). Standardele americane sunt mai severe decit cele europene:

o US Federal (standardele TIER 2) o California (standardele LEV II)

Norm Emisii [g/km] Durabilitate [km]

SUA

TIER 2 0.0435 193121

LEV II

0.0310 80467

0.0435 193121

UE Euro 6 0.0800 160000

1 2 3 4 5 60,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

CO

, g/k

m

Standard EURO

Benzina Diesel

4.1.1 Imbunatatirea combustibilului si a sistemului de injectie (valabil pina la Euro IV) Cresterea Cifrei Cetanice reduce timpul pina la aprindere, combustibilul se aprinde mai repede (chiar inainte de terminarea compresiei). O mica cantitate de combustibil se injecteaza chiar inaintea aprinderii si in acest fel se reduce putin temperatura maxima de ardere si se genereaza si radicali de hidrocarbura care pot reduce oxizii de azot la azot (macar partial). O mai mare influenta asupra concentratiei de oxizi de azot o are tipul injectiei: directa si indirecta (vezi fig 4.1). Motoarele cu injectie indirecta nu sunt insa utilizate pe scara larga datorita consumurilor mai mari (randamente mai mici).

Bmep=brake mean effective pressure (The definition of BMEP is: the average (mean) pressure which, if imposed on the pistons uniformly from the top to the

bottom of each power stroke, would produce the measured (brake) power output. Please note that BMEP is purely theoretical and has NOTHING to do with ACTUAL CYLINDER PRESSURES. It is simply a

tool to evaluate the efficiency of a given engine at producing torque from a given displacement.

Fig. 4.1 Influenta cifrei cetanice asupra emisiilor motoarelor diesel.

1.1.2. Metode de indepartare simultana a NOx si PM, (trecerea de la Euro IV la Euro V)

Procesele de formare a oxizilor de azot si al particulelor solide sunt interdependente. Cind conditiile de ardere sunt mai bune se reduce formarea particulelor solide dar creste formarea oxizilor de azot (aceasta creste exponential cu temperatura). Pentru a reduce simultan cele doua emisii trebuie controlate atit conditiile de ardere dar trebuie efectuata si tratarea gazelor.

In figura 4.2 se explica cele doua combinatii posibile de tratament. Punctul de plecare este reprezentat de emisiile caracteristice standardului Euro IV. Pentru a reduce concomitent emisiile de NOx si de PM se poate actiona pe doua cai: - Daca se imbunatatesc conditiile de ardere (prin cresterea presiunii de injectie,

atomizarea combustibilului este mai buna si el va arde mai complet si cu o temperatura mai mare) si se utilizeaza si un catalizator de oxidare vor scadea emisiile de CO, de HC si de PM dar vor creste emisiile de NOx (se ajunge in punctul 2), pentru a atinge nivelul de emisii caracteristic Euro V este nevoie de scaderea emisiilor de NOx (de ex. Prin reducere catalitica selectiva);

- Daca conditiile de ardere se modifica, prin recircularea partiala a gazelor de esapament, atunci este posibila scaderea emisiilor de NOx (are loc reducerea NOx de catre HC nearse din gazele de esapament recirculate). In acest caz insa conditiile de ardere nu sunt foarte eficiente si cresc emisiile de PM (se ajunge in punctul 3). Pentru reducerea emisiilor de PM va fi nevoie se utilizarea filtrelor de particule.

Fig. 4.2 Masuri de scadere concomitenta a emisiilor de NOx si de PM (trecerea dela Euro IV la Euro V).

4.1.3.Metode de micsorare a emisiilor de NOx (valabile incepind cu Euro VI) Motoarele diesel, comparativ cu motoarele pe benzin, datorit specificului arderii amestecului aer-combustibil, produc emisii mai mari de oxizi de azot i de particule. Acestea sunt emisii poluante cu efect nociv asupra mediului nconjurtor i a omului.

Normele de poluare au scopul de a reduce emisiile poluante ale autovehiculelor. n Uniunea European norma de poluare Euro 6 va intra n vigoare de la 1 Ianuarie 2015, pentru noile modele de automobile.

Fig. 4.3 Limita de emisii de NOx pentru automobile cu motoare diesel (g/km)

O caracteristic important a normei de poluare Euro 6 pentru motoare diesel de automobile este reducerea limitei de NOx de la 0.18 la 0.08 g/km. Pentru a ndeplini aceast norm motoarele diesel curente de automobile au nevoie de sisteme adiionale de post-tratare a gazelor de evacuare. Momentan sunt identificate dou tehnologii care pot fi aplicate motoarelor diesel Euro 6:

1. catalizator/filtru de NOx (en: NOx trap) 2. sistem de injecie de uree n evacuare (AdBlue)

Prima metod, catalizatorul de NOx, se aplic n general motoarelor diesel de cilindree mic i medie, cu capacitatea cilindric mai mic de 2 litri.

- primul sistem realizeaza oxidarea NO la NO2 si stocarea in interiorul catalizatorului sub forma unui compus chimic , azotat de bariu (NO2 + BaO = BaNO3), atunci cind catalizatorul se satureaza cu azotat de bariu, el trebuie regenerat. Regenerarea se realizeaza prin cresterea temperaturii catalizatorului si reactia oxizilor de azot care se formeaza prin descompunere azotatului cu hidrocarburi nearse: BaNO3 = NO2 + BaO NO2 + HC = N2 + H2O + CO2 ( este un mecanism ciclic asemanator cu cel intilnit la filtrele de particule de la motoarele diesel)

- al doilea tip de catalizator realizeaza reducerea catalitica selectiva a oxizilor de azot, pentru aceasta in gazele de ardere se adauga o solutie de uree, aceasta se descompune producind amoniac , care reactioneaza cu oxizii de azot.

Procesul de reducere a oxizilor de azot din gazele de evacuare, utiliznd o soluie pe baz de uree, se numete reducere catalitic selectiv. Denumirea consacrat a sistemul de injecie de AdBlue este SCR Selective Catalityc Reduction.

ntr-un sistem de injecie de uree (SCR) amoniacul este utilizat pentru reducerea oxizilor de azot (NOx). n stare liber amoniacul (NH3) este toxic. Din acest motiv se utilizeaz o soluie pe baz de ap i uree (CO(NH2)2), coninutul de uree fiind de aproximativ 32.5%. Acest soluie este stabil din punct de vedere chimic, punctul de nghe fiind la -11 C. Denumirea comercial, n Europa, a acestei soluii cu uree esteAdBlue.

Fig. 4.4 AdBlue soluie ce conine uree utilizat pentru reducerea emisiilor de NOx la motoarele diesel

Ureea CO(NH2)2 se obine prin procedee industriale, prin combinarea bioxidului de carbon (CO2) i a amoniacului (NH3) la temperaturi i presiuni nalte (150 C, 50 bari). Substana rezultat, ureea, este solid, sub form de cristale incolore, solubile n ap.

Sistemul de injecie cu uree este relativ complex i implic costuri adiionale relativ mari. Acest sistem conine un rezervor de uree, sistem de alimentare cu pomp electric, modul electronic de control (calculator), injector i catalizator. Adiional sistemul mai poate fi prevzut i cu un senzor de oxizi de azot dup catalizator, care msoar eficienta reducerii oxizilor de azot.

Utiliznd amoniacul (NH3) ca agent de reducere, sistemele SCR reduc semnificativ oxizii de azot din gazele de evacuare. n general, un motor diesel Euro 6 pentru a putea atinge limitele impuse emisiilor poluante, conine urmtoarele sisteme de post-tratare a gazelor de evacuare:

o catalizator de oxidare (reducerea emisiilor de CO, HC, conversie NO la NO2) o filtru de particule (reducerea emisiilor de PM) o catalizator SCR (reducerea emisiilor de NO, NO2) o catalizator de oxidare amoniac (eliminarea NH3 rezidual)

Fig. 4.6 Reaciile chimice complete ale unui sistem de injecie AdBlue (SCR)

n figura de mai sus filtrul de particule este omis deoarece, din punct de vedere chimic, nu are impact asupra componenei gazelor de evacuare.

n catalizatorul de oxidare au loc reaciile de reducere a hidrocarburilor (HC), monoxidului de carbon (CO) i a oxizilor de azot (NO).

2NO + O2 2NO2 monoxidul de azot (NO) combinat cu oxigenul (O2) este convertit n bioxid de azot (NO2)

2CO + O2 2CO2 monoxidul de carbon (CO) combinat cu oxigenul (O2) este convertit bioxid de carbon (CO2)

4HC + 3O2 2CO2 + 2H2O hidrocarburile nearse (HC) n prezena oxigenului (O2) sunt convertite n bioxid de carbon (CO2) i ap (H2O)

Dup catalizatorul de oxidare are loc injecia de Adblue (uree). Dup injector, gazele i soluia AdBlue trec printr-un mixer (sit metalic care are rolul de a omogeniza amestecul) i intr n catalizatorul de hidroliz. Acesta are rolul de a forma amoniacul (NH3) din soluia AdBlue.

Amoniacul (NH3) se obine prin dou reacii, una de piroliz i a doua de hidroliz:

CO(NH2)2 NH3 + HNCO (piroliz) ureea (CO(NH2)2) este descompus n amoniac (NH3) i acid izocianic (HNCO)

HNCO + H2O NH3 + CO2 (hidroliz)

acidul izocianic (HNCO) rezultat n urma reaciei de piroliz, prin combinaie cu apa (H2O), formeaz amoniac (NH3) i bioxid de carbon (CO2)

Catalizatorul SCR conine metale, n special cupru (Cu) i fier (Fe), n prezena crora au loc reaciile de reducere a oxizilor de azot (NO i NO2), cu ajutorul amoniacului (NH3). n urma reaciilor produsele rezultante sunt apa (H2O) i azotul (N2).

8NH3 + 6NO2 7N2 + 12H2O (1) 4NH3 + 4NO + O2 4N2 + 6H2O (2) 2NH3 + NO + NO2 2N2 + 3H2O (3)

Reacia (2) are loc la temperaturi joase, sub 300 C iar reaciile (1) i (2) la temperaturi mai nalte, de peste 550 C.

Catalizatorul de oxidare a amoniacului are rolul de a neutraliza, prin oxidare, amoniacul (NH3) care nu a reacionat n interiorul catalizatorului SCR. Altfel acesta ar fi fost eliberat n atmosfer cu impact toxic asupra mediului nconjurtor.

4NH3 + 3O2 2N2 + 6H2O

Fig. 4.7 Sistem de postratare a gazelor de evacuare motor diesel (pretabil Euro 6) Sursa: Johnson Matthey

1. catalizator de oxidare 2. filtru de particule 3. catalizator hidroliz 4. catalizator SCR + oxidare amoniac

Avantajul injecie de AdBlue pentru tratarea oxizilor de azot este rata de conversie foarte mare, de aproximativ 95%. Dezavantajul acestui sistem este complexitatea i costul ridicat.

Din acest motiv, pentru ndeplinirea normelor de poluare Euro 6, constructori vor echipa automobilele cu pre de fabricaie mai mic doar cu motoare pe benzin. O alt soluie mai ieftin, comparativ cu sistemul SCR, este utilizarea catalizatoarelor/filtrelor de NOx (en: NOx trap).

Micsorarea emisiilor de particule

Emisia de particule este o particularitate a motorului diesel, n comparaie cu motorul pe benzin. n funcie de procesul de ardere i punctul de funcionare al motorului, emisiile pot conine particule solide.

Particulele (PM)

Fig. 4.8 Particul solida din gazele de eapament ale automobilelor Sursa: cleartheair.nsw.gov.au

PM sunt alcatuite din dintr-un miez de carbon care se combin cu ali compui chimici (hidrocarburi, sulfii, azotai, metale) i n funcie de mrime formeaz fumul negru sau funinginea. Efectele particulelor asupra organismului uman sunt nocive, acestea provocnd alergii, iritaia ochilor precum i inflamarea cilor respiratorii.

Inhalarea pe termen lung a particulelor are efect cancerigen. Normele de poluare n vigoare (Euro 5) limiteaz doar cantitatea total de particule emise. Viitoarele norme de poluare (Euro 6) vizeaz, pe lng cantitatea total de particule, limitarea particulelor de dimensiuni mici (0,1 mm) deoarece aceste au un efect toxic mai pronunat. Particulele sunt emisii poluante cu impact nociv asupra mediului (miros urt, vizibilitate sczut, depuneri) i a sntii omului (efect cancerigen).

Datorit efectelor negative ale emisiilor de particule, organismele de reglementare a transportului rutier a impus reducerea progresiv a acestora. ncepnd cu normele de poluare Euro 1 pn la Euro 6 emisiile de particule au fost reduse de 28 de ori.

Fig. 4.9 Nivelul de emisii de particule [g/km] reglementat pentru comunitatea european Sursa: e-automobile.ro

Productorii, pentru a putea omologa i comercializa automobilele cu motoare diesel, au dezvoltat sisteme de reducere a polurii pre i post-ardere.

Emisia de particule se datoreaz arderii incomplete a combustibilului. Acest fenomen se poate diminua prin optimizarea procesului de injecie i ardere (pre-ardere) sau tratarea gazelor de evacuare (post-ardere).

n categoria post tratrii gazelor de evacuare intr i filtru de particule al unui motor diesel. Rolul filtrului de particule este de a separa particulele solide de gazele de eapament. Filtrul este montat pe galeria de evacuare a motorului i pentru a funciona corespunztor mai are nevoie de o serie de senzori i de un catalizator de oxidare. Utilizarea unui filtru de particule a devenit oarecum standard odat cu normele Euro 4 care a njumtit masa de particule emise comparativ cu normele Euro 3. Din acest motiv majoritatea automobilelor diesel Euro 4 sunt echipate i cu filtru de particule.

Fig.4.10 Diagrama curgerii gazelor de esapament printr-un filtru de particule Filtru de particule este de tip monolit, dar canalele nu sunt continui, gazele de esapament trec prin peretii canalelor (care au o grosime mica, de ordinul a 0,5 mm) pentru a se retine particulele solide. In structura filtrului sunt cuprinsi si catalizatorii care faciliteaza oxidarea PM.

Cerinele unui filtru de particule sunt extrem de severe:

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

Datorit procesului de reinere a particulelor dup un anumit numr de kilometri filtrul trebuie regenerat. . Dac regenerarea filtrului nu se produce ntr-un anumit interval de kilometri, cantitatea de particule poate depi un prag critic care atrage dup sine imposibilitatea regenerrii.

Regenerarea se poate realiza: discontinuu ( regenerarea activa) prin schimbarea temperaturii catalizatorului. Pentru cresterea temperaturii fie se incalzeste electric filtrul de particule, fie se schimba regimul de functionare al motorului ( acesta functioneaza la turatii ridicate cu injectie intirziata, astfel incit temperatura gazelor de ardere este sensibil mai mare) Filtrul trebuie sa contina un catalizator care sa faca posibila arderea particulelor la temperaturi nu foarte ridicate ( in absenta catalizatorului particulele ard la 900 oC, in prezenta catalizatorului temperatura poate fi scazuta la 500-600 oC) continuu (regenerarea pasiva) se realizeaza in doua feluri:

- inaintea filtrului de particule exista un reactor catalitic care oxideaza NO din gazele de ardere la NO2, in filtrul de particule, NO2 oxideaza particulele nearse la CO2 si H2O

- In combustibil se introduce un aditiv (compusi metalici) care la ardere formeaza mici particule metalice, acestea se depun impreuna cu particulele nearse in filtru de particule si constituie catalizatori pentru oxidarea particulelor solide formate indeosebi din carbon

Detalii despre regenerarea activa

Continuarea arderii n galeria de evacuare, n filtru, se poate face prin dou moduri:

o utilizarea unui injector adiional pe galeria de evacuare (al 5-lea injector) o divizarea injeciei de combustibil i ntrzierea post-injeciei

Sistemul cu al 5-lea injector utilizeaz un injector adiional care este montat naintea catalizatorului de oxidare. Cnd se dorete regenerarea filtrului se injecteaz motorin n galeria de evacuare care, datorit prezenei oxigenului din gazele arse i datorit catalizatorului de oxidare, ncepe s ard. Temperatura n filtru de particule ajunge n jurul valorii de 800 1000 C particulele fiind arse.

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

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

1. filtru curat 2. acumulare de particule 3. regenerarea filtrului

Pentru a permite regenerarea filtrului de particule motorul trebuie s se situeze ntre anumii parametrii. Temperatura gazelor de evacuare trebuie s fie peste o valoare minim, turaia motorului trebuie de asemenea s fie peste o valoare minim, pentru a asigura un anumit debit de gaze arse. Dac pragul de regenerare (cantitatea de particule stocat n filtru) a fost depit i motorul, datorit condiiilor de exploatare, nu intr n parametrii necesari, calculatorul de injecie poate comanda regenerarea filtrului chiar i la turaia de ralanti. n acest caz sarcina motorului va fi crescut, funcionarea se va face cu amestec mai bogat i turaia de ralanti crescut.

Frecvena regenerrilor depinde de modul de exploatare al motorului. Cu ct motorul va fi mpins mai des ctre zona de sarcin maxim, cu ct exploatarea se va face la temperaturi sczute cu att crete cantitatea de particule din filtru. Avnd n vedere c regenerarea filtrului presupune utilizarea unei cantiti adiionale de combustibil consumul automobilului va crete proporional cu numrul de regenerri.

5. Influenta calitatii combustibilului asupra emisiilor de NOx si PM