of 99 /99
Prof. univ. dr. ing. Florian IVAN DEPOLUAREA AUTOMOBILELOR Suport de curs 1

Curs Poluare

  • Upload
    qwer

  • View
    258

  • Download
    7

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Curs Poluare

Prof. univ. dr. ing. Florian IVAN

DEPOLUAREA AUTOMOBILELOR

Suport de curs

1

Page 2: Curs Poluare

Introducere

CUPRINS.............................................................................................................................................11. INTRODUCERE..............................................................................................................................2

1.1 Noţiuni introductive - poluarea..................................................................................................22. POLUAREA AUTOMOBILELOR. NORME DE POLUARE. NECESITATEA REDUCERII POLUĂRII...........................................................................................................................................6

2.1. Normele europene de poluare....................................................................................................82.2. Normele de emisii în Statele Unite ale Americii.....................................................................152.3. Legislaţia şi reglementările în India........................................................................................162.4. Norme de poluare în Japonia...................................................................................................172.5. Comparaţie între normele de emisii ale diferitelor regiuni din lume......................................18

3. STADIUL ACTUAL......................................................................................................................213.1 Catalizatorul.............................................................................................................................21

3.1.1. Catalizatorul cu 3 trepte...................................................................................................223.1.2. Catalizator cu 2 trepte.......................................................................................................233.1.3. Dezactivarea catalizatoarelor:..........................................................................................233.1.4. Date tehnice......................................................................................................................24

3.2. Senzori de temperatură (EGT – Exhaust Gas Temperature)...................................................253.3. Senzori de oxigen (Sonda Lambda)........................................................................................263.4. Senzori NOx.............................................................................................................................283.5. Filtru de particule....................................................................................................................283.6. Sistemul de recirculare a gazelor (EGR).................................................................................293.7. AdBlue.....................................................................................................................................31

3.7.1. AdBlue. O substanţă naturală, existentă în mediul înconjurător......................................313.7.2. Sistemul de evacuare pentru un motor EURO 5 cu AdBlue............................................32

4. TRASEUL DE EVACUARE.........................................................................................................364.1. Generalităţi..............................................................................................................................364.2. Descrierea şi elementele componente ale eşapamentului........................................................364.3. Acordarea eşapamentului cu motorul......................................................................................394.4. Diametrul mic al tuburilor traseului de eşapament.................................................................404.5. Diametrul mare al tuburilor traseului de eşapament:..............................................................40

5. EVACUAREA GAZELOR. GRADUL DE PERFECŢIUNE A EVACUĂRII............................41BIBLIOGRAFIE................................................................................................................................45

4

Page 3: Curs Poluare

1. INTRODUCERE

1.1 Noţiuni introductive - poluarea

Poluarea reprezintă contaminarea mediului înconjurător cu materiale care interferează cu

sănătatea umană, calitatea vieţii sau funcţia naturală a ecosistemelor (organismele vii şi mediul în

care trăiesc). Chiar dacă uneori poluarea mediului înconjurător este un rezultat al cauzelor naturale

cum ar fi erupţiile vulcanice, cea mai mare parte a substanţelor poluante provine din activităţile

umane. Sunt două categorii de materiale poluante (poluanţi). Poluanţii biodegradabili sunt

substanţe, cum ar fi apa menajeră, care se descompun rapid în proces natural. Aceşti poluanţi devin

o problemă când se acumulează mai rapid decât pot să se descompună. Poluanţii nondegradabili

sunt materiale care nu se descompun sau se descompun foarte lent în mediul natural. Odată ce apare

contaminarea, este dificil sau chiar imposibil să se îndepărteze aceşti poluanţi din mediu.

Compuşii nondegradabili cum ar fi Diclor-Difenil-Tricloretan (DDT), dioxine, difenili policrorurati

(PCB) şi materiale radioactive pot să ajungă la nivele periculoase de acumulare şi pot să urce în

lanţul trofic prin intermediul animalelor. De exemplu, moleculele compuşilor toxici pot să se

depună pe suprafaţa plantelor acvatice fără să distrugă acele plante. Un peşte mic care se hrăneşte

cu aceste plante acumulează o cantitate mare din aceste toxine. Un peşte mai mare sau alte animale

carnivore care se hrănesc cu peşti mici pot să acumuleze o cantitate mai mare de toxine. Acest

proces se numeşte bioacumulare.

3

Figura 1.1. Poluarea chimică a atmosferei [4]

Page 4: Curs Poluare

Introducere

Poluarea aerului

Contaminarea umană a atmosferei Pământului poate lua multe forme şi a existat de când

oamenii au început să utilizeze focul pentru agricultură, încălzire şi gătitul alimentelor. În timpul

Revoluţiei Industriale (sec.XVIII si XIX), poluarea aerului a devenit o problemă majoră.

Poluarea urbană a aerului este cunoscută sub denumirea de smog. Smogul este în general un

amestec de monoxid de carbon şi compuşi organici din combustia incompletă a combustibililor

fosili cum ar fi cărbunii şi de dioxid de sulf de la impurităţile din combustibili. În timp ce smogul

4

Figura 1.2.a. Sursă de poluare a aerului [7]

Figura 1.2.b. Sursă de poluare a aerului – gaze eşapate automobil

Page 5: Curs Poluare

Introducere

reacţioneaza cu oxigenul, acizii organici şi sulfurici se condensează sub formă de picături, înteţind

ceaţa. Până în secolul XX smogul devenise deja un pericol major pentru sănătate.

Un alt tip de smog, cel fotochimic, a început să reducă calitatea aerului deasupra oraşelor mari cum

ar fi Los Angeles în anii '30. Acest smog este cauzat de combustia în motoarele autovehiculelor şi

ale avioanelor a combustibilului care produce oxizi de azot şi eliberează hidrocarburi din

combustibilii "nearşi". Razele solare fac ca oxizii de azot şi hidrocarburile să se combine şi să

transforme oxigenul în ozon, un agent chimic care atacă cauciucul, răneşte plante şi irită plămânii.

Hidrocarburile sunt oxidate în substanţe care se condensează şi formează o ceaţă vizibilă şi

pătrunzătoare.

Majoritatea poluanţilor sunt eventual "spălaţi" de către ploaie, zăpadă sau ceaţă dar după ce au

parcurs distanţe mari, uneori chiar continente. În timp ce poluanţii se adună în atmosferă, oxizii de

sulf şi de azot sunt transformaţi în acizi care se combină cu ploaia. Aceasta ploaie acidă cade peste

lacuri şi păduri unde poate duce la moartea peştilor sau plantelor şi poate să afecteze întregi

ecosisteme. În cele din urmă, lacurile şi pădurile contaminate pot ajunge să fie lipsite de viaţă.

Regiunile care sunt în drumul vântului care bate dinspre zone industrializate, cum ar fi Europa şi

estul Statelor Unite şi Canadei, sunt cele mai afectate de ploi acide. Ploile acide pot să afecteze şi

sănătatea umană şi obiecte create de oameni; ele dizolvă încet statui istorice din piatră şi faţade din

Roma, Atena si Londra.

Una din cele mai mari probleme cauzate de poluarea aerului este încălzirea globală, o creştere a

temperaturii Pământului cauzată de acumularea unor gaze atmosferice cum ar fi dioxidul de carbon.

Odată cu folosirea intensivă a combustibililor fosili în secolul XX, concentraţia de dioxid de carbon

din atmosferă a crescut dramatic. Dioxidul de carbon si alte gaze, cunoscute sub denumirea de gaze

de seră, reduc căldura disipată de Pământ dar nu blochează radiaţiile Soarelui. Din cauza efectului

de seră se asteaptă ca temperatura globală să crească cu 1,4° C până la 5,8° C până în anul 2100.

Chiar dacă această tendinţă pare a fi o schimbare minoră, creşterea ar face ca Pământul să fie mai

cald decât a fost în ultimii 125.000 ani, schimbând probabil tiparul climatic, afectând producţia

agricolă, modificând distribuţia animalelor şi plantelor şi crescând nivelul mării.

Poluarea aerului poate să afecteze regiunea superioară a atmosferei numită stratosferă. Producţia

excesivă a compuşilor care conţin clor cum ar fi clorofluorocarbonaţii (CFC) (compuşi folosiţi până

acum în frigidere, aparate de aer condiţionat şi în fabricarea produselor pe bază de polistiren) a

epuizat stratul de ozon stratosferic, creând o gaură deasupra Antarcticii care durează mai multe

săptămâni în fiecare an. Ca rezultat, expunerea la razele dăunătoare ale Soarelui a afectat viaţa

acvatică şi terestră şi ameninţă sănătatea oamenilor din zonele nordice şi sudice ale planetei.

5

Page 6: Curs Poluare

Introducere

Dintre produşii chimici rezultaţi în urma procesului de ardere în MAI amintim pe cei care

sunt monitorizaţi atât pentru efectul direct cât şi pentru pericolul pe care îl reprezintă: [5]

Monoxidul de carbon (CO) – „rezultatul arderii incomplete”

- gaz color, cu miros caracteristic, monitorizat datorită toxicităţii deosebite

- efecte asupra omului: factor de risc pentru suferinzii de boli cardiovasculare,

expunerea pe termen îndelungat reduce capacitatea de muncă şi diminuează

dexteritatea manuală.

- [motivul pentru care a apărut catalizatorul]

- Surse: MAS 86%, MAC 5%, aeronave: 4%, nave maritime: 1%, căi ferate: <1%,

altele: 4% (incluzând dezastrele naturale, incendii, etc.)

Oxizii de azot (NOx)

- Gaz cu miros caracteristic având şi culoare specifică care face posibiă distingerea lui

în spectru luminos

- Monitorizat datorită efectelor dramatice asupra modificărilor de mediu pe care le

produce

- Efecte asupra omului: diminuarea capacităţilor respiratorii, 100ppm NOx inhalate

timp de o oră produce leziuni interne

Bioxidul de sulf (SO2)

- Rezultatul arderii combustibilului cu continut de sulf (motorină)

- Gaz cu miros şi culoare caracteristică

- Efecte asupra mediului: ploi acide, accelerarea efectului de seră

PM (Particulate Matter)

- Particule în suspensie

- Particule solide sau lichide de dimensiune mică, de ordinul micronilor

- PM10, PM25 (<2.5 microni, nu pot fi filtrate de sistemul respirator; intră în

organism şi nu se mai elimină)

Plumb şi oxizii pe bază de plumb

6

Page 7: Curs Poluare

Introducere

- În combustibilii obtinuţi prin tehnologii mai vechi (benzina cu plumb, ECO

Premium)

- Duce la aparitia daunelor neurologice grave

7

Page 8: Curs Poluare

2. POLUAREA AUTOMOBILELOR. NORME DE POLUARE. NECESITATEA REDUCERII POLUĂRII

În ultimii ani, odată cu creşterea numărului de autovehicule şi necesităţii de transport la

nivel global, consumul, respectiv cererea de petrol au crescut foarte mult. Proporţional cu

acestea este şi creşterea de emisii poluante. Chiar dacă industia auto nu are cea mai mare

contribuţie la emisiile poluante şi emisii de gaze răspunzătoare pentru efectul de seră şi

încălzirea planetară, măsuri trebuie luate în toate domeniile. Următoarele grafice şi diagrame

ilustrează nivelele actuale şi de acum caţiva ani ale cererii şi producţiei de petrol, precum şi

nivelul alarmant al emisiilor globale de poluanţi.

8

Figura 2.1. Evoluţia consumului (cererii) şi producţiei mondiale de combustibil petrolier [6]

Page 9: Curs Poluare

Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării

Graficele de mai sus prezintă evoluţia emisiilor de CO2 (principalul gaz responsabil pentru

efectul de seră) în ultimii 50 până la 150 de ani. Măsurătorile concentraţiei de CO2 din aerul

9

Figura 2.2. Producţia mondială de combustibil petrolier şi cererea viitoare

Page 10: Curs Poluare

Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării

atmosferic a fost efectuate de NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration - United

States Department of Commerce). În prezent nivelul emisiilor de CO2 (milioane de tone) este de 7

ori mai ridicat decât era in 1955. [8]

2.1. Normele europene de poluare

Normele europene de poluare EURO 1, EURO 2, EURO 3 şi EURO 4 nu au prevederi/limitări

clare în ceea ce priveşte emisiile de CO2. Se axează mai mult pe CO, NOx, HC, PM. [9]

Figura 2.5 prezintă nivelul concentraţiilor de NOx şi PM din gazele de evacuare ale

motoarelor cu aprindere prin scânteie conforme cu legislaţiile EURO 1 până la EURO 5. Se poate

10

Page 11: Curs Poluare

Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării

observa că pentru toate normele nivelul de PM este 0; Emisiile de particule erau specifice

motoarelor ce foloseau benzină cu plumb (tetraetil de plumb).

Norme EURO. Poluanţi monitorizaţi – MAC

Oxizii de azot (NOx) – fie sub formă de oxid de azot

(NO) sau dioxid de azot (NO2) – în timpul arderii când

oxigenul reacţionează cu azotul (N2) la temperaturi înalte

în prezenţa aerului. Daca se scade emisia de NOx,

consumul specific efectiv de combustibil creste. Chiar şi

asa importantele cercetări efectuate în domeniul

dezvoltării motoarelor, au reuşit atingerea unor emisii

scăzute fără a afecta consumul de combustibil.

Particulate Matter (PM) în gazele de evacuare sunt

reprezentate de particule fine de carbon şi hidrocarburi

care se formează în zone cu conţinut scăzut de oxigen ale

11

Figura 2.6. Analiza evoluţiei normelor de poluare de la non-EURO la EURO 5 - motoare diesel [9]

Page 12: Curs Poluare

Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării

flăcării. Prezenţa sulfului (S) în combustibilii diesel de calitate inferioară creste conţinutul de

particule din gazele eşapate. Din ianuarie 2009, an din care normele EURO 5 vor deveni obligatorii

pentru orice motor Diesel nou produs după aceasta dată, conţinutul maxim admis de particule din

gazele de eşapament va fi redus la 0.2 g/kWh.

Normele europene de emisie, definesc limitele acceptabile pentru emisiile gazelor de

evacuare a vehiculelor noi vândute în statele-membre ale UE. Standardele de emisie sunt definite

într-o serie de directive a Uniunii Europene de escală la introducerea progresivă a standardelor din

ce în ce mai stricte.

În prezent, emisiile de oxid de azot (NOx), hidrocarburi (HC), monoxid de carbon (CO) şi particule

(PM) sunt reglementate la cele mai multe tipuri de vehicule, inclusiv autoturisme, camioane,

trenuri, tractoare şi masini similare, barje, dar excluzând navele maritime şi avioanele. Pentru

fiecare tip de vehicul, se aplică diferite standarde. Respectarea este determinată de rularea

motorului în cicluri de încercări standardizate. Vehiculele neconforme nu pot fi vândute în UE, dar

noile standarde nu se aplică pentru vehiculele aflate deja în circulaţie pe drumurile publice. Nu

utilizarea de tehnologii specifice este necesară pentru a respecta standardele, deşi tehnologia

disponibilă la acel moment este folosită pentru stabilirea standardelor.

Transport şi încălzirea globală. Ţintă fixată la Protocolul de la Kyoto a fost o reducere de 8% a

emisiilor în toate sectoarele economiei faţă de nivelurile din 1990 până în 2008-2012.

12

Fig. 2.7. Poluanti monitorizaţi - motoare diesel [10]

Fig. 2.8. Limitele maxime admise pentru NOx şi PM prin normele de poluare EURO – analiza evoluţiei normelor de poluare pentru motoare diesel [11,12]

Page 13: Curs Poluare

Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării

Standardele europene de emisii pentru autoturisme (categoria M1) sunt prezentate în tabelul 1.

Tabelul 1 [9]:

Nivel Dată CO

[g/km] HC

[g/km] NOx

[g/km] HC + NOx

[g/km] PM

[g/km]

Motoare cu aprindere prin comprimare (alimentate cu motorină)

Euro 1 *** Iulie 1992 2,72

(3,16) -- -- 0,97 (1,13)

0,14

(0,18)

Euro 2 Ianuarie 1996 1.0 -- -- 0.7 0.08

Euro 3 Ianuarie 2000 0.64 -- 0.5 0.56 0.05

Euro 4 Ianuarie 2005 0.5 -- 0.25 0.3 0.025

Euro 5

(viitor)

Septembrie

2009 0.5 -- 0.18 0.23 0.005

Euro 6

(viitor)

Septembrie

2014 0.5 -- 0.08 0.17 0.005

Motoare cu prindere prin scânteie (alimentate cu benzină)

Euro 1 *** Iulie 1992 2,72

(3,16) -- -- 0,97 (1,13) --

Euro 2 Ianuarie 1996 2.2 -- -- 0.5 --

Euro 3 Ianuarie 2000 2.3 0.2 0.15 -- --

Euro 4 Ianuarie 2005 1.0 0.1 0.08 -- --

Euro 5

(viitor)

Septembrie

2009 1.0 0.1 0.06 -- 0.005 **

Euro 6

(viitor)

Septembrie

2014 1.0 0.1 0.06 -- 0.005 **

* Înainte de Euro 5, vehiculele de pasageri> 2500 kg au fost aprobate ca tip de vehicule comerciale uşoare N1 – I ** Se aplică numai la vehiculele echipate cu motoare cu injecţie directă *** Valori în paranteze sunt în limitele conformităţii producţiei (COP)

13

Page 14: Curs Poluare

Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării

Standarde europene de emisie pentru autovehicule comerciale uşoare, m < 1305kg (categoria

N1 – I), [g/km] sunt prezentate în tabelul 2.

Tabelul 2 [9]:

Nivel Dată CO HC NOx HC + NOx PM

Motoare cu aprindere prin comprimare (alimentate cu motorină)

Euro 1 Octombrie 1994 2.72 -- -- 0.97 0.14

Euro 2 Ianuarie 1998 1.0 -- -- 0.7 0.08

Euro 3 Ianuarie 2000 0.64 -- 0.5 0.56 0.05

Euro 4 Ianuarie 2005 0.5 -- 0.25 0.3 0.025

Euro 5 (viitor) Septembrie 2009 0.5 -- 0.18 0.23 0.005

Euro 6 (viitor) Septembrie 2014 0.5 -- 0.08 0.17 0.005

Motoare cu aprindere prin scânteie (alimentate cu benzină)

Euro 1 Octombrie 1994 2.72 -- -- 0.97 --

Euro 2 Ianuarie 1998 2.2 -- -- 0.5 --

Euro 3 Ianuarie 2000 2.3 0.2 0.15 -- --

Euro 4 Ianuarie 2005 1.0 0.1 0.08 -- --

Euro 5 (viitor) Septembrie 2009 1.0 0.1 0.06 -- 0.005 *

Euro 6 (viitor) Septembrie 2014 1.0 0.1 0.06 -- 0.005 *

* Se aplică numai la vehiculele cu echipate motoare cu injecţie directă

Standarde europene de emisii pentru autovehicule comerciale uşoare 1305kg < m < 1760kg

(categoria N1 – II), [g/km] sunt prezentate în tabelul 3.

Tabelul 3 [9]:

14

Page 15: Curs Poluare

Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării

Nivel Dată CO HC NOx HC + NOx PM

Motoare cu aprindere prin comprimare (alimentate cu motorină)

Euro 1 Octombrie 1994 5.17 -- -- 1.4 0.19

Euro 2 Ianuarie 1998 1.25 -- -- 1.0 0.12

Euro 3 Ianuarie 2001 0.8 -- 0.65 0.72 0.07

Euro 4 Ianuarie 2006 0.63 -- 0.33 0.39 0.04

Euro 5 (viitor) Septembrie 2010 0.63 -- 0.235 0.295 0.005

Euro 6 (viitor) Septembrie 2015 0.63 -- 0.105 0.195 0.005

Motoare cu aprindere prin scânteie (alimentate cu benzină)

Euro 1 Octombrie 1994 5.17 -- -- 1.4 --

Euro 2 Ianuarie 1998 4.0 -- -- 0.65 --

Euro 3 Ianuarie 2001 4.17 0.25 0.180 -- --

Euro 4 Ianuarie 2006 1.81 0.13 0.1 -- --

Euro 5 (viitor) Septembrie 2010 1.81 0.13 0.075 -- 0.005 *

Euro 6 (viitor) Septembrie 2015 1.81 0.13 0.075 -- 0.005 *

* Se aplică numai la vehiculele cu echipate motoare cu injecţie directă

Standarde europene de emisii pentru autovehicule comerciale uşoare 1760kg < m < 3500kg

(categoria N1 – III), [g/km] sunt prezentate în tabelul 4.

Tabelul 4 [9]:

Nivel Dată CO HC NOx HC + NOx PM

Motoare cu aprindere prin comprimare (alimentate cu motorină)

Euro 1 Octombrie 1994 6.9 -- -- 4.9 0.25

Euro 2 Ianuarie 1998 1.5 -- -- 0.96 0.17

Euro 3 Ianuarie 2001 0.95 -- 0.780 0.86 0.1

Euro 4 Ianuarie 2006 0.95 -- 0.39 0.46 0.06

Euro 5 (viitor) Septembrie 2010 0.74 -- 0.28 0.35 0.005

Euro 6 (viitor) Septembrie 2015 0.74 -- 0.125 0.215 0.005

Motoare cu aprindere prin scânteie (alimentate cu benzină)

Euro 1 Octombrie 1994 6.9 -- -- 1.7 --

Euro 2 Ianuarie 1998 5.0 -- -- 0.8 --

Euro 3 Ianuarie 2001 5.22 0.29 0.210 -- --

Euro 4 Ianuarie 2006 2.27 0.16 0.110 -- --

Euro 5 (viitor) Septembrie 2010 2.27 0.16 0.082 -- 0.005 *

15

Page 16: Curs Poluare

Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării

Euro 6 (viitor) Septembrie 2015 2.27 0.16 0.082 -- 0.005 *

* Se aplică numai la vehiculele cu echipate motoare cu injecţie directă

Standardele europene de emisii pentru autocamioane si autobuse, motoare Diesel, g/kWh

(fum -1) sunt prezentate în tabelul 5.

Tabelul 5 [9].

Nivel Dată Ciclu testare CO HC NOx PM Fum

EURO I 1992, <85 kW

ECE R-49

4.5 1.1 8.0 0.612

1992,> 85 kW 4.5 1.1 8.0 0.36

EURO II Octombrie 1996 4.0 1.1 7.0 0.25

Octombrie 1998 4.0 1.1 7.0 0.15

Euro III Octombrie 1999 numai EEV CES & ELR 1.0 0.25 2.0 0.02 0.15

Octombrie 2000

CES & ELR

2.1 0.66 5.0 0.10 0.13 *

0.8

Euro IV Octombrie 2005 1.5 0.46 3.5 0.02 0.5

Euro V Octombrie 2008 1.5 0.46 2.0 0.02 0.5

* Pentru motoarele de mai puţin de 0.75 dm ³ volum per cilindru şi o turaţie de putere nominală de mai mult de 3000 rot/min. EEV este "Enhanced environmentally friendly vehicle".

Standardele europene de emisii pentru vehicule mari de transport marfă, categoria N2, EDC

(2000 si peste) sunt rezumte in tabelul 6.

Tabelul 6 [9]:

Standard Dată CO (g/kWh) NOx (g/kWh) HC (g/kWh) PM (g/kWh)

Euro 0 1988-1992 12.3 15.8 2.6 niciunul

EURO I 1992-1995 4.9 9.0 1.23 0.40

EURO II 1995-1999 4.0 7.0 1.1 0.15

Euro III 1999-2005 2.1 5.0 0.66 0.1

Euro IV 2005-2008 1.5 3.5 0.46 0.02

Euro V 2008-2012 1.5 2.0 0.46 0.02

16

Page 17: Curs Poluare

Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării

2.2. Normele de emisii în Statele Unite ale Americii

În Statele Unite, standardele de emisii sunt gestionate la nivel naţional de către Agenţia de

Protecţie a Mediului (APM). Statele şi guvernele locale joacă un rol de filială. [13]

Faza 1 (1994-1999)

Reglementarile autorităţii naţionale de Nivel 1 s-au introdus în mod treptat, din 1994 până în

1997, şi sunt în curs de eliminare în favoarea nivelului de standard naţional 2, din 2004 până în

2009.

În California se difeneste un program pentru normele de emisie ale autovehiculelor, care

sunt mai stricte decât în SUA, iar unul dintre nivelele acestui program se numeşte LEV (Low

EmissionVehicle).

Standardul de emisii LEV a dat naştere la alte 5 categorii mari de emisii poluante, dupa cum

urmează:

TLEV – Transitional Low Emission Vehicle LEV – Low Emission Vehicle ULEV – Ultra-Low Emission Vehicle SULEV – Super-Ultra Low Emission Vehicle ZEV – Zero Emission Vehicle

Faza 2 (2004 şi mai târziu)

Standardul naţional Tier 2 intră in vigoare în perioada 2004 – 2009.

În loc să se bazeze în definirea limitei maxime a emisiilor pe greutate, standardul Tier 2 înglobează

11 subdiviziuni. Subdiviziunea 1 este cea mai curată (autovehicule cu emisii zero), iar

subdiviziunile 9, 10, 11 sunt temporare. Două subdiviziuni mai putin restrictive din punctul de

vedere al emisiilor de noxe 9 şi 10 au fost scoase din uz în anul 2006.

Reglementările Tier 2 prevăd de asemenea şi limitări ale conţinutului de sulf din carburanţi (benzina

şi motorina comercializate in SUA).

Reglementările sub Tier 2, Tier 1 şi diviziunile TLEV au fost scose în 2004, rămânând LEV,

ULEV şi SULEV care au devenit mult mai stringente, cunoscute fiind sub numele de LEV 2,

ULEV 2, respectiv SULEV 2.

Următoarele noi categorii au fost create:

ILEV – Inherently Low-Emission Vehicle

PZEV – Partial Zero Emission Vehicle

AT-PZEV – Advanced Technology Partial Zero Emission Vehicle

17

Page 18: Curs Poluare

Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării

NLEV – National Low Emission Vehicle

2.3. Legislaţia şi reglementările în India

Prima reglementare a emisiilor autovehiculelor în India a devenit activî în 1989. Aceste

reglementări au fost curând înlocuite de norme si standarde împărţite atât pentru automobilele

alimentate cu benzină (1991) cât şi pentru cele diesel (1992). După anul 2000, India a inceput

adoptarea normelor EURO pentru emisii de noxe. [13]

2.4. Norme de poluare în Japonia

Principalul poluant care pune serioase probleme in ţara soarelui răsare este NOx, Japonia

având unele dintre cele mai poluate metropole la nivel global. În 1992 pentru a face faţă

problemelor generate de poluarea aerului cu NOx Ministerul Mediului japonez a adoptat Legea

privind măsurile speciale ce trebuiesc luate pentru reducerea cantităţii de oxid de azot emisă de

motoarele automobilelor. În baza legii o serie de măsuri drastice au fost luate atât în ceea ce priveşte

maşinile noi cât şi cele aflate deja în circulaţie. În iunie 2001 legii i-a fost adus un amendament care

avea prevederi asupra controlului emisiei de PM (Particulate Matter). În octombrie 2002 aceste legi

au devenit standarde de emisii. Între anii 1997/1998 noile standarde pentru autovehicule au fost

aplicate retroactiv maşinilor vechi aflate deja in circulaţie. Proprietarii de automobile aveau deci 2

metode pentru a se adapta legii:

1. Înlocuirea vehiculelor vechi cu modele noi şi mai curate

2. Montarea pe vehiculele vechi a unor dispozitive de control şi reducere a NOx şi PM

18

Page 19: Curs Poluare

Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării

Vehiculele au o perioada de graţie cuprinsă între 8 şi 12 ani pentru a satisface legea. Perioadele de

graţie depind de tiupul de vehicule după cum urmează :

- Vehicule comerciale uşoare (MMA <= 2500kg): 8 ani

- Vehicule comerciale grele (MMA > 2500kg): 9 ani

- Microbuse (11-29 locuri): 10 ani

- Autobuse mari (> 30 locuri): 12 ani

- Vehicule speciale (bazate pe camioane de marfă sau autobuse): 10 ani

- Autoturisme diesel: 9 ani

[13, 14, 15]

2.5. Comparaţie între normele de emisii ale diferitelor regiuni din lume

În figurile următoare se prezintă comparativ toate standardele de emisii.

19

Page 20: Curs Poluare

Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării

Evoluţia standardelor de emisii diferentia pe poluanţi.

Monoxid de carbon (CO)

20

Figura 2.9. Comparativ între normele de poluare ale diferitelor regiuni din lume [15]

Page 21: Curs Poluare

Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării

Hidrocarburi (HC)

Oxid de azot (NOx)

21

Fig. 2.10. Evoluţia CO în timp – MAS [15]Fig. 2.11. Evoluţia CO în timp – MAC [15]

Fig. 2.12. Evoluţia HC în timp – MAS [15]Fig. 2.13. Evoluţia HC în timp – MAC [15]

Fig. 2.14. Evoluţia NOx în timp – MAS [15]Fig. 2.15. Evoluţia NOx în timp – MAC [15]

Page 22: Curs Poluare

Poluarea automobilelor. Norme de poluare. Necesitatea reducerii poluării

Particulate Matter (PM)

22

Fig. 2.16. Evoluţia PM în timp – MAC [15]

Page 23: Curs Poluare

3. STADIUL ACTUAL

3.1 Catalizatorul

Convertizorul catalitic este cea mai veche componentă a sistemului de depoluare. Este un

dispozitiv folosit pentru a reduce toxicitatea unui motor cu ardere internă.

Prima dată a fost introdus în producţia de serie pe automobilele de pe piaţa americană începând cu

anul 1975. Catalizatoarele sunt folosite cel mai des la sistemele de evacuare ale autovehiculelor, dar

mai poti fi utilizate şi la: echipamente de minerit, stivuitoare, trenuri şi alte vehicule echipate cu

MAI. În interiorul catalizatorului au loc reacţii chimice unde produşii rezultaţi în urma arderii sunt

convertiţi în produşi mai putin toxici.

Eficienţa unui catalizator poate ajunge până la 90%.

23

Figura 3.1.a. Convertizor catalitic Dodge Ram [17]

Page 24: Curs Poluare

Stadiul actual

3.1.1. Catalizatorul cu 3 trepte

Are 3 sarcini simultane:

1. Reducerea oxizilor de azot (NOx) în azot şi oxigen: 2NOx xO2 + N2

2. Oxidarea monoxidului de carbon (CO), care este un produs toxic, în CO2: 2CO + O2 2CO2

3. Oxidarea hidrocarburilor nearse în CO2 şi H2O: 2CxHy + (2x+y/2)O2 2xCO2 + yH2O

Aceste 3 reacţii chimice se produc atunci când motorul funcţionează putin peste raportul

stoechiometric, mai exact 14.8-14.9 kg aer la 1 kg combustibil.

Când există mai mult oxigen decât necesar amestecul este sărac şi se afla în condiţii de oxidare, caz

în care cele 2 reacţii cataltice, oxidarea CO si a HC sunt favorizate, iar reacţia de reducere nu se mai

produce. În cazul existenţei combustibilului în exces, amestecul este bogat, reacţia de reducere a

NOx este favorizată, iar reacţiile de oxidare a CO si HC nu mai au loc.

Dacă un motor ar putea fi tinut teoretic în limitele raportului stoechiometric, teoretic ar exista o

eficienţă de 100% a reacţiilor catalitice.

24

Figura 3.1.b. Catalizator Saab 9-5 [17]

Page 25: Curs Poluare

Stadiul actual

3.1.2. Catalizator cu 2 trepte

Are 2 sarcini simultane.

1. Oxidarea CO în CO2: 2CO + O2 2CO2

2. Oxidarea hidrocarburilor nearse sau parţial arse în CO2 şi H2O:

2CxHy + (2x+y/2)O2 2xCO2 + yH2O

Acest tip de catalizator este răspândit în specila la motoarele cu aprindere prin comprimare, având

rol de a neutraliza emisiile de HC şi CO.

3.1.3. Dezactivarea catalizatoarelor:

Catalizatoarele devin inactive fiind totodată ineficiente în prezenţa fumului. Aşadar

autovehiculele echipate cu catalizator trebuie alimentate doar cu combustibili fără plumb, astfel

fiind eliminată si poluarea cu PM (Particulate Matter), poluant care rezultă din arderea tetraetilului

de plumb. Dezactivarea catalizatoarelor se întâmplă atunci când substanţele din sistemul de

evacuare al autovehiculului se aşează pe suprafaţa elementului catalitic, împiedicând accesul

gazelor de evacuare prin „ochiurile” catalizatorului.

Substanţele care afectează funcţionarea sunt: plumb, zinc, sulf, magneziu, fosfor si fier.

Zincul, fosforul şi sulful provin din lubrifianţi antifricţiune.

Sulful si magneziu provin din impurităţi ale combustibililor sau din aditivi.

Siliciul este rezultatul avariei motorului precum uzarea garniturii de chiulasă permiţând accesul

lichidului de răcire în camera de ardere.

Eliminarea depunerilor de sulf de pe suprafaţa catalizatorului se poate face prin arderea acestuia,

încălzind gazele de evacuare, lucru care se face prin menţinerea motorului pe durată îndelungată la

sarcini mari.

O serie de situaţii pot cauza supraîncălzirea catalizatorului:

o existenţa uleiului de ungere în sistemul de evacuare cauzat de uzura pronunţată a motorului

(sau de nivelul uleiului în baie peste limita maximă )

o rateuri ale motorului

o o supapă de evacuare ruptă sau fisurată cauzează accesul combustibilului pe traseul de

evacuare

o utilizarea unui combustibil neadecvat motorului

25

Page 26: Curs Poluare

Stadiul actual

3.1.4. Date tehnice

Componenţa catalizatoarelor:

Convertizoarele catalitice sunt alcătuite din mai multe elemente:

Monolitul sau miezul este un metal preţios; în cazul catalizatoarelor moderne acesta este

regăsit sub forma unui fagure ceramic, dar sunt folosiţi de asemenea şsi faguri din oţel

inoxidabil; miezul este denumit suport catalitic.

Platina este cel mai activ metal, des utilizat la catalizatoare. Nu este folosită în toate cazurile

datorită unor reacţii adiţionale nedorite şi/sau costurilor ridicate.

Paladiul (Pd) şi rodiul (Rd) sunt alte metale preţioase folosite. Platina şi rodiul sunt folosite pe post

de catalizator reductor, în timp ce paladiul este folosit pe post de catlizator oxidant.

Mai sunt folosite cerium (Ce), fier (Fe), magneziu (Mg) şi nichel (Ni).

Start de protecţie (washcoat) este un amestec de siliciu şi aluminiu (silicon). Acest strat are

rolul de a separa, izola şi proteja monolitul de carcasa metalică într-o cavitate perfect etanşă.

Carcasa metalică este de obicei din metal inoxidabil.

26

Fig. 3.1.4.1. Secţiune printr-un catalizator cu miez metalic [17]

Page 27: Curs Poluare

Stadiul actual

3.2. Senzori de temperatură (EGT – Exhaust Gas Temperature)

Sunt folosiţi cu două scopuri:

- Rol de sistem de avertizare asupra temperaturii în cazul în care aceasta trece

peste temperatura de siguranţă de 750O C pentru catalizatoarele pe două căi şi

de 900O C pentru catalizatoarele pe trei căi cu paltină sau 925O C la cele cu

paladiu

- La monitorizarea funcţionării catalizatorului – de obicei se montează 2

senzori, unul înainte şi unul după catalizator pentru masurarea creşterii de

temperatură a miezului catalitic

Pentru fiecare 1% de CO din gazele de evacuare, temperatura acestora creste cu 100O C.

27

Fig. 3.1.4.2. Catalizator cu miez tip fagure ceramic [17]

Page 28: Curs Poluare

Stadiul actual

3.3. Senzori de oxigen (Sonda Lambda)

Asa numita sondă lambda sau senzor EGO (Exhaust Gas Oxigen) este defapt un mic senzor

introdus în sistemul de evacuare a unui motor cu aprindere prin scânteie pentru masurarea

concentraţiei de oxigen din gazele de evacuare şi astfel să permită unităţii electronice de control

ECU să controleze eficient procesul de ardere.

Senzorul de O2 este ataşat pe colectorul de evacuare în scopul determinării stării amestecului

aer-combustibil ce intră în motor, dacă este sărac sau bogat. Această informaţie este apoi trimisă

mai departe, iar managementul motorului ECU ajustează amestecul oferind motorului cea mai bună

economie de carburant şi emisii reduse.

În mod obişnuit

o sonda lambda cu un

singur fir atinge

temperatura optima de

28

Figura 3.2.1. Senzori de temperatură gaze evacuate (EGT)

Fig. 3.3.1. Sondă Lambda Volvo S40 [18]

Page 29: Curs Poluare

Stadiul actual

functionate in 3-5 minute. Senzorii mai scumpi (3-5 fire) ajung la temperatura optima de operare

intr-un minut.

Defectarea senzorului de O2, fie în condiţii normale fie datorită siliconilor sau silicaţilor în

urma utilizării combustibilului cu plumb duce şi la defectarea convertizorului catalitic, ceea ce

implică costuri ridicate.

29

Fig.3.3.2. Elemente componente senzor O2

Fig. 3.3.3. Diagramă zonă de lucru senzor O2

Fig. 3.3.4. Sondă lambda pe motor Honda R18A

Page 30: Curs Poluare

Stadiul actual

3.4. Senzori NOx

Au un preţ de cost ridicat şi sunt în general folosiţi numai când un motor MAC este dotat cu

convertizor catalitic selectiv sau convertizor catalitic de oxizi de azot – includem aici doar

motoarele diesel EURO 4 şi EURO 5.

3.5. Filtre de particule

Filtrul de particule este un dispozitiv menit să înlăture particulele diesel sau fumul din

gazele de evacuare ale unui motor diesel. Un FAP sau DPF (denumeri trademark PSA respectiv

VAG) prezintă o eficienţă de 85 %. Un autovehicul dotat cu filtru de particule nu va emite fum

vizibil la toba finală.

30

Figura 3.5. Filtru de particule FAP – Peugeot [17]

Page 31: Curs Poluare

Stadiul actual

3.5.1. Originea particulelor

Fata de emisiile existente in gazele de evacuare ale MAS, gazele produse de MAC cuprind

un poluant definit prin metoda de masurare, si anume particulele diesel, poluant a carui

monitorizare urmareste determinarea emisiilor solide si lichide din gazele de evacuare printr-un

procedeu de masurare mai riguros decat masurarea opacitatii fumului. Problema fundamentala a

particulelor din gazele de evacuare.

Particulele sunt definite implicit prin metoda de măsurare, ca totalitatea materiei colectate pe

un filtru de teflon la trecerea gazelor arse emise de motorul cu aprindere prin comprimare, gaze care

au fost diluate cu aer filtrat pentru menţinerea temperaturii acestora sub 520 C.

Extinderea definiţiei particulelor pentru MAS este formală nefiind impusă de prevederi

legislative concrete, datorită faptului că emisia de particule MAS este de 40-100 de ori mai mică

decât aceea a MAC, pentru motoare similare. Din punct de vedere a compoziţiei chimice,

particulele MAS conţin pe lângă carbon, Pb, P, aditivi organici din ulei şi benzină.

Revenind la cazul particulelor emise de MAC, se apreciază, din punct de vedere cantitativ,

că din cele 0,3% din gazele arse care sunt dăunătoare sănătăţii 0,005% sunt particule.

Particulele provin din procese similare cu cele ale genezei funinginei şi hidrocarburilor.

Funinginea

Se formează prin suprapunerea amestecurilor bogate la temperaturi înalte. Cu cât amestecul

este mai bogat sau cu cât temperatura este mai ridicată, cu atât creşte funinginea produsă din

carbonul existent în combustibil. Emisia de funingine este legată de cantitatea de combustibil

injectată în cea de-a doua fază a arderii, după perioada de întârziere la autoaprindere. Combustibilul

injectat înaintea aprinderii are timp să se amestece în condiţii mai sărace înainte ca temperatura să

crească.

Hidrocarburile HC

Provin din trei surse principale.

-amestecuri sărace neinflamabile;

-volumul sacului injectorului;

-amestecuri bogate formate târziu în ciclul motor;

Cea mai mare parte a combustibilului injectat este consumată de reacţiile rapide la valori ale

coeficientului de exces de aer apropiate de unitate, care practic nu generează hidrocarburi. Acestea

apar când temperaturile sunt prea mici sau există o lipsă locală de oxigen, când amestecul este prea

sărac sau prea bogat pentru a fi consumat de reacţiile rapide stoechiometrice.

31

Page 32: Curs Poluare

Stadiul actual

3.5.2. Compoziţia particulelor

Particulele sunt alcătuite din o fracţiune insolubilă de carbon, sub denumirea de funingine,

compuşi metalici şi o fracţiune solubilă, formată din combustibil şi ulei nears.

În figura de mai jos sunt prezentate compoziţia tipică şi provenienţa particulelor în gazele

de evacuare.

Compoziţia particulelor

Fracţiuni insolubile din combustibil

43%

Fracţiuni insolubile din ulei 5%

Fracţiuni solubile din ulei29%

Fracţiuni solubile din combustibil

10%

SO4 şi H2O13%

Fracţiuni insolubile din combustibil

Fracţiuni insolubile din ulei

Fracţiuni solubile din ulei

Fracţiuni solubile din combustibil

SO4 şi H2O

Compoziţia particulelor depinde de tipul constructiv al motorului, procentele componentelor

fiind prezentate în tabelul1.

Tabelul 1 Variaţia compoziţiei particulelor funcţie de tipul MAI

Compuşi Motor cu injecţie directă Motor cu injecţie indirectă

Carbon 31% 46%

Ulei nears 40% 28%

Combustibil nears 7% 6%

Sulfaţi asociaţi cu apă 14% 10%

Diverse 8% 10%

32

Page 33: Curs Poluare

Stadiul actual

3.5.3 Dimensiunile particulelor

Există mai multas referiri asupra dimensiunilor particulelor emise de motoarele Diesel:

Diametrul mediu 0,1-0,3µm, cele mici pot fi de 10nm;

Mai mult de 50% dintre particule au diametru mai mic de 1µm;

90% dintre particule au diametru mai mic de 1µm, iar 70% sub 0,3µm;

0,03-0,6µm conform distribuţiei tipice dimensionale; în plus, dimensiunile

particulelor emise de MAS sunt mai mici decât cele emise de MAC: 0,01-0,05µm

în cazul MAS cu catalizator şi 0,01-0,1µm în MAS fără catalizator.

Particulele emise de MAC sunt foarte mici şi nu au intrat până de curând în atenţia

legislatorilor, decât prin prisma măsurării fumului şi a compoziţiei chimice a gazului de eşapament.

Efectele asupra sănătăţii produse de particule depind de dimensiunile acestora, de modul în

care acestea pătrund în organism, ca şi de capacitatea organismului de a le elimina sau

neutraliza.Particulele MAC sunt suficient de mici pentru a se depune în traiectul respirator.

Particulele mai mari de 0,3µm sunt eliminate din traiectul respirator, în timp ce restul pot pătrunde

în plămâni. Tot materialul sub formă suspendată, solid sau lichid, poate fi denumit particule şi

clasificat după mărime. Particulele ultrafine, cunoscute sub denumirea de nanoparticule sau

particule submicronice care apar în număr foarte mare, dar în cele din urmă acestea au o contribuţie

mică asupra masei totale a particulelor. Particulele ultrafine sunt mai periculoase, din cauza

capacităţii acestora de a pătrunde adânc în sistemul respirator şi de a se depozita în zona alveolară a

plămânului.

Dimensiunile paticulelor variază cu regimul de funcţionare al motorulu, constatându-se că la

turaţie constantă creşterea sarcinii a dus la creşterea diametrului mediu al particulelor, iar la

creşterea turaţiei, diametrele medii au scăzut, datorită scăderii timpului de staţionare a particulelor

în motor şi a anihilării fenomenelor de aglomerare.

Pentru studiul dimensional al particulelor s-a folosit microscopia elecronică, cu ajutorul

căreia s-a analizat imaginea particulelor emise de motorul D2156 MTN 8, în regimul de funcţionare

caracterizat de 100% sarcină şi la turaţia de 1800 rot/min. Depunerea particulelor s-a făcut pe

pastile de aluminiu lustruite chimic, acestea fiind menţinute în curentul de gaze arse un timp foarte

scurt, pentru a se evita depunerile în straturi a particulelor. Fotografiile confirmă aspectul de

conopidă al particulelor.

33

Page 34: Curs Poluare

Stadiul actual

3.5.4. Tipuri constructive de filtre

Problema fundamentala a particulelor din gazele arse este ca sunt prea diluate pentru a putea

arde, de aceea cea mai raspandita metoda este concentrarea lor intr-un filtru. Funcţionarea filtrului

implică două faze de lucru:

Perioada de filtrare şi acumulare a particulelor;

Perioada de regenare, prin care particulele sunt fie oxidate, fie înlăturate, astfel încât filtrul

să poată lucra din nou;

Filtrele de particule sunt dispozitive proiectate încă de la sfârşitul anilor “70, în scopul reţinerii

şi oxidării particulelor conţinute în gazele de evacuare ale motoarelor diesel.

Clasificarea filtrelor

dupa procedeul de colectare a particulelor:

-prin retinere mecanica ( structuri celulare sau fibroase avand suprafete mari de

depunere si canalizatii inguste pentru trecerea gazelor arse );

-prin retinere electrostatica (prin procedeul efectului Corona, particulele electrizate

se aglomereaza si pot fi colectate);

dupa natura materialului filtrant:

-filtre metalice;

-filtre ceramice;

dupa tipul regenerarii:

-regenerare termica (cu aport de energie, in scopul cresterii temperaturii gazelor arse

pana la valori de 550…600 grade C);

-regenerare electrica cu rezistor de incalzire;

- regenerare cu microunde;

- regenerare cu arzator de combustibil suplimentar;

- regenerare cu obturarea admisiei;

- regenerare cu obturaea evacuarii;

- regenerare chimica ( cu reactii catalitice care produc oxidarea particulelor la

temperaturi mai scazute ale gazelor de evacuare );

- regenerare cu depuneri sau injectere de catalizatori in filtru;

- regenerare combinata ( termica si chimica );

- regenerare mecanica;

dupa periodicitatea regenerarii:

- regenerare periodica;

34

Page 35: Curs Poluare

Stadiul actual

- regenerare continua;

dupa locul de producere a regenerarii:

- regenerare externa ( oxidarea particulelor din filtru are loc dupa colmatarea acestuia

prin folosirea unui arzator extern);

- regenerare interna ( oxidarea particulelor are loc in filtru, prin actiunea sistemului

propriu de regenerare);

Filtrle de particule urmaresc retinerea particulelor, urmata de curatarea periodica prin

diferita procedee. Functie de procedeul de retinere a particulelor s-au dezvoltat mai multe tipuri de

filtre si procedee de regenerare, dintre care s-au dovedit mai eficiente in functionarea pe

autovehicule urmatoarele:

-filtre de particule cu retinere mecanica;

-filtru monolit ceramic;

-filtru cu fibre ceramice;

-filtru metalic poros;

-filtre electrostatice de particule;

35

Page 36: Curs Poluare

Stadiul actual

36

Page 37: Curs Poluare

Stadiul actual

Fig. 3.5.1. Filtre de particule la diferite motoare

3.5.5. Filtre de particule cu reţinere mecanică

In general filtrarea mecanica se imparte in filtrare bidimensionala si filtrare tridimensionala

(in volum). Daca dimensiunea particulei este mai mare decat cea a celulei filtrului, particula nu

poate trece prin porii filtrului. Ca rezultat, particulele sunt filtrate si exista numai pe suprafata

peretelui filtrului. Acesta este mecanismul filtrarii bidimensionale, care are o eficienta mare si o

cadere de presiune mare. In cazul filtrarii tridimensionale, desii dimensiunea particulei este mai

mica decat cea a poruluisi particula poate trece , ea este retinuta pe fibra filtrului din cauza fortei de

inertie specifice curgerii gazului. Particulele nu exista numai la suprafata, ci si pe suprafata

interioara a peretelui filtrului.

Functie de dimensiunea particulelor., exista trei mecanisme de captura a acestora:

- captura prin difuzie (particulele suficient de mici pentru a intra in miscare browniana

cauzata de ciocnirea cu moleculele de gaz);

-captura prin interceptie (particule considerate prea mari pentru a mai fi supuse miscarii

browniene, dar prea mici pentru a avea inertie proprie);

37

Page 38: Curs Poluare

Stadiul actual

-captura prin impact inertial (particule mai mari cu suficienta inertie);

Fig.3.5.2. Mecanisme de captare a particulelor

Mecanismele de captare a particulelor prin impact si difuzie sunt predominante la filtrele cu

fibre ceramice sau cu lana de sarma (wire mesh). Particulele mai mari aderă, dupa impact, cu

suprafata filamentelor sau cu depunerile de pe acestea. Unele dintre particulele mici migreaza ( prin

mecanismul de difuzie ) pe suprafetele filamentelor. Acest tip de filtru se mai numeste neblocabil

( gazele de evacuare pot razbate permanent spre iesire ). Filtrele au avantajul unei caderi mici de

presiune, dar dezavantajul unei eficiente relativ reduse.

Interceptia este principalul mecanism de captare in filtrele din matelial poros, iar difuzia

poate, la randul ei, sa sporeasca eficienta. Particulele mai mari ca diametru mediu al porilor sunt

deci interceptate si retinute de monolit. Aceste filtre se numesc blocabile, avand in consecinta o

cadere sporita de presiune si o viteza mai mare de crestere a acestei caderi de presiune.

FILTRUL MONOLIT CERAMIC

Filtrul ceramic pentru retinerea particulelor este format dintr-un corp ceramic cu sectiune

circulara sau ovala, care are aspect de fagure, datorita canalelor care il strabat. Materialul ceramic

din care este alcatuit se numeste cordierit si contine in principal oxid de mafneziu (MgO), oxid de

38

Impact(fibre ceramice sau lâna de sârmă ) filtru fără blocare

(monolit ceramic, fibre ceramice sau reţea de sârmă)

Intercepţie(monolit ceramic poros) filtrul se poate bloca (înfunda)

Page 39: Curs Poluare

Stadiul actual

aluminiu (Al2O3) si dioxid de siliciu (SiO2). Exista si o varianta de aliaj ceramic mai simplu, numit

mullit. Forma de fagure este data de un numar foarte mare de canale longitudinale, de sectiune

patrata

Fig.3.5.3. Sectiune prin filtru

Canalele longitudinale sunt obturate alternativ la capete cu obturatoare din ceramică, iar

reţinerea particulelor se realizează în momentul trecerii gazelor dintr-un canal în altul prin

străbaterea pereţilor poroşi ai monolitului – filtrare prin trecere prin perete – Wall Flow.

Treptat, suprafaţa interioară a canalelor se acoperă cu particule, afectând eficacitatea filtrului şi

mărind rezistenţele gazo-dinamice de pe traseul evacuării.

Din acest motiv se impune regenerarea filtrului, care înseamnă arderea particulelor depuse.

Matriţa ceramică necesită o tehnologie de execuţie specială, foarte costisitoare, în prezent existând

numai două firme care o produc. Montarea matriţei trebuie să se facă într-o reţea de ţesături

39

Intrare gaze arse

Page 40: Curs Poluare

Stadiul actual

metalice izolate în lână ceramică, pentru a micşora tensiunile mecanice şi pentru a asigura izolaţia

termică. Acest sistem de filtrare a particulelor asigură un grad de reţinere de până la 80-90%, cu un

consum suplimentar de energie de 2%. Tehnica regenerării solicită dispozitive electronice şi senzori

fiabili, căci există pericolul distrugerii monolitului la şocuri termice şi mecanice; de aceea se

studiază şi alte variante de monoliţi ceramici.

Din punct de vedere al eficienţei filtrării, filtrele se împart în filtre cu pori mari (diametrul

mediu al porului dp>15µm) si filtre cu pori mici (diametrul mediu al porului<15µ). Prin timp de

filtrare se înţelege timpul de funcţionare al filtrului până la atingerea unei Δp impuse, fiind practic

durata de funcţionare între două regenerări, acest parametru este de dorit să fie cât mai mare. Prin

dublarea grosimii pereţilor, timpul de filtrare se înjumătăţeşte pentru filtrele cu pori mici şi se

reduce la 1/5...1/10 pentru filtrele cu pori mari.

Dublarea lungimii filtrului semnifică dublarea suprafeţei de filtrare, iar timpul de filtrare

creşte. Capacitatea de încărcare a filtrului se determină prin cântărirea particulelor colectate în filtru

la atingerea Δp date. Practic, această mărime se determină prin diferenţa dintre valorile masei

filtrului încărcat si valorile filtrului curat.

FILTRE CU FIBRE CERAMICE

Pentru retinerea particulelor s-au dezvoltat in ultimul timp fibre din materiale

refractare, denumite generic filtre cu fibre ceramice, care rezista la temperaturi mari de 1000 grade

C si care asigura filtrarea buna a particulelor submicronice diesel. Aceste materiale se disting prin

urmatoarele proprietati:

rezistente si module de elasticitate ridicate (rezistenta creste cu micsorarea diametrului

fibrei);

temperaturi de lucru pana la 1000 grade C , in functionare de durata;

proprietati electrice care acopera domeniul de buni izolatori pana la materiale

conductibile;

rezistenta chimica foarte buna;

posibilitati de finisare a suprafetei si a structurii interne;

Principalele materiale din care se pot cofectiona astfel de fibre sunt: carbonul, carbonul

activ sticla, cuartul, materialele ceramice(mullitul), oxizii de aluminiu, carbura de siliciu. Fibrele

fara selectionate sunt apoi tricotate sau tesute, rezultand o structura volumica cu pori deschisi.

Impletitura este pretensionata in procesul de formare a ochiului tricotului.

40

Page 41: Curs Poluare

Stadiul actual

Fig 3.5.4. Filtru ceramic

Utilizarea acestor filtre la motoarele diesel se bazează pe următoarele caracteristici:

grad înalt de separare în domeniul submicronic;

repartizare uniformă a particulelor;

capacitate mare de înmagazinare a materialului inert;

rezistenţă la temperature înalte;

insensibilitate la şocuri termice;

amortizare bună a zgomotului;

uşurinţa regenerării passive;

41

Page 42: Curs Poluare

Stadiul actual

simplitatea carcasării;

Constructiv, există mai multe variante determinate de tipul autovehiculului. Pentru

autoturisme, la care spaţiul din instalaţia de evacuare este redus s-a dezvoltat un filtru cu fibre

ceramice de tipul “ţeavă în ţeavă” , în care gazele arse parcurg dinspre interior spre exterior un

tub perforat, pe suprafaţa căruia s-a înfăşurat o împletitură din fibre ceramice. Cartuşele filtrante

se pot configura în serie. La motoarele supraalimentate se recomandă plasarea filtrului de

particule înaintea turbosuflantei, nu numai din motivul temperaturii mai ridicate a gazelor, ci şi

datorită efectului considerabil mai mic al pierderii de presiune asupra consumului de

combustibil. Dezavantajul este dat de masa inerţial termică a filtrului, care este plasată înaintea

turbinei şi care înrăutăţeşte comportamentul acesteia la variaşia sarcinii. Pentru autoturisme

acest dezavantaj persistă, pentru autocamioane şi autobuze dezavantejul se diminuează

considerabil, datorită proprietăţii de înmagazinare termică a filtrului. Vulnerabilitatea filtrului

monolit la şocuri termice şi la încercări vibratorii înalte asigură un ascendent net al fibrelor cu

fibre ceramice.

FILTRUL METALIC

Monolitul ceramic are dezavantajul că se poate fisura sau topii în timpul regenerării, iar

filtrele metalice se pot coroda uşor şi au performanţe mai scăzute de captare a particulelor.

Ca alternativă la materialele tradiţionale din care se confecţionează filtrele de particule, s-a

experimentat un material metallic poros, denumit Celmet, un aliaj Ni-Cr, care elimină

dezavantajele. Filtrul este alcătuit din mai mulţi cilindrii concentrici, de aceeasi grosime, din

Celmet închişi într-o carcasă metalică, gazelle arse fiind forţate să treacă prin pereţii cilindrii.

Teoria filtrării tridimensionale se poate aplica filtrului metallic poros, obţinându-se o eficienţă a

filtrării de 60%, în condiţiile unei căderi de presiune duble faţă de cea obişnuită la filtrele

ceramice monolit. Reducerea pierderii de presiune, până la valori comparabile cu cele ale

monolitului ceramic, s-a reuşit prin variaţia mărimii porilor cilindrilor concentrici ( cilindrii

interiori, adică cei care sunt primii străbătuţi de gaze, au pori mai mari decât cei ai cilindrilor

exteriori). Astfel, acest tip de filtru ajunge să aibă toate avantajele filtrului monolit, dar şi o bună

rezistenţă la coroziune, la temperaturi înalte.

42

Page 43: Curs Poluare

Stadiul actual

Fig. 3.5.5. Filtru metalic

3.5.6. REGENERAREA FILTRELOR

Funcţie de procedeul de reţinere a particulelors-au dezvoltat mai multe procedee de

regenerare:

-regenerare termica (cu aport de energie, in scopul cresterii temperaturii gazelor arse pana la valori

de 550…600 grade C);

-regenerare electrica cu rezistor de incalzire;

- regenerare cu microunde;

- regenerare cu arzator de combustibil suplimentar;

- regenerare cu obturarea admisiei;

- regenerare cu obturaea evacuarii;

- regenerare chimica ( cu reactii catalitice care produc oxidarea particulelor la temperaturi mai

scazute ale gazelor de evacuare );

- regenerare cu depuneri sau injectere de catalizatori in filtru;

- regenerare combinata ( termica si chimica );

43

Page 44: Curs Poluare

Stadiul actual

- regenerare mecanica;

dupa periodicitatea regenerarii:

- regenerare periodica;

- regenerare continua;

dupa locul de producere a regenerarii:

- regenerare externa ( oxidarea particulelor din filtru are loc dupa colmatarea acestuia

prin folosirea unui arzator extern);

- regenerare interna ( oxidarea particulelor are loc in filtru, prin actiunea sistemului

propriu de regenerare);

Condiţiile impuse sistemului de regenerare sunt:

regenerarea filtrului trebuie să aibă loc automat, în funcţionarea normală fără a deranja

conducătorul sau fără a necesita intervenţia acestuia;

sistemul trebuie să evite recurgerea la piese aflate în mişcare în curenţi calzi;

modul de încălzire şi oxidarea încărcăturii trebuie să se facă cu minimum de energie şi de

poluare secundară;

sistemul trebuie să poată substitui toba de evacuare şi să producă aceeaşi atenuare sonoră

fără cădere de presiune exagerată.

Regenerare termică

O metodă de reducere a particulelor este oxidarea lor pe traseul evacuării; fiindcă gazele

conţin oxigen, particulele pot fi oxidate dacă temperatura este suficient de înaltă şi timpul de ardere

suficient de lung. Regenerarea necesită o anumită temperatură şi un anumit conţinut de oxigen

pentru a se iniţia,timpul de regenerare depinde de temperatura filtrului,care la rândul ei depinde de:

Cantitatea totală de particule acumulate;

Densitatea particulelor şi distribuţia lor în filtru;

Reactivitatea funinginei;

Debitul de gaze evacuate;

Pierderile de căldură ale filtrului.

În general, regenerarea depinde de temperatura gazelor, mai mare de 4800C, conţinutul de

oxigen, peste 2%, timp suficient pentru ardere completă. Creşterea temperaturii gazelor necesită o

cantitate mare de energie, energie care dacă nu poate fi recuperată, duce la consumuri inacceptabile.

44

Page 45: Curs Poluare

Stadiul actual

Regenerarea termica este specifică filtrului monolit şi se realizează prin oxidare sau piroliză,

care se amorsează la 500-6000C şi în condiţiile unui exces de O2.Piroliza trebuie controlată şi

amorsată, în cele mai multe cazuri temperatura gazelor arse nu atinge 550 0C, rămânând în jur

de300 0C.

Fig. 3.5.4. Regenerarea termica

La funcţionarea la sarcini mari se atinge această temperatură , dar gazele arse nu mai conţin

suficient oxigen pentru producerea oxidării. Cum cele două condiţii (temperatură înaltă şi prezenţa

oxigenului ) nu sunt îndeplinite niciodată simultan, s-au folosit metode de creştere a temperaturii

gazelor cum ar fi: încălzirea lor prin intermediul unui arzător cu motorină sau a unui rezistor electric

sau cu microunde, folosirea unei supape pe traseul de admisie sau evacuare, cu rol de a izola şi de a

menţine temperatura înaltă a evacuării după funcţionarea la sarcini mari.

Cea mai bună soluţie s-a dovedit a fi încălzitorul electric sau arzătorul cu motorină, care

duce la creşterea consumului de combustibil cu 1 - 2%, regenerarea fiind comandată când

comatarea filtrului o impune, în timpul funcţionării motorului. Controlul regenerării este dat de o

unitate electronică de comandă,care primeşte semnale electrice de le traductoarele de presiune şi de

temperatură montaţi în filtru.

Pentru perioada cât filtrul se regenerează, gazele arse sunt deviate printr-un by-pass în

conducta de evacuare nefiind filtrate. De aceea pentru motoarekle de autobuze, s-au construit

45

Page 46: Curs Poluare

Stadiul actual

sisteme de filtrare duble, astfel încât pe toată durata funcţionării autobuzului gazele arse să fie

filtrate. Pentru cercetarea procesului de regenerare, este interesantă variaţia parametrului ∆p.

Variaţia ∆p în procesul de regenerare este reprezentată în figura 5. După ce se ating condiţiile

staţionare de funcţionare prin conducta de by-pass gazul trece prin filtru ducând la o creştere a ∆p

pe filtru, fiindcă se încălzeşte în regimul de curgere în debit total. După aprindere, apare o scădere a

∆p. Este dificil de a aprecia care este timpul total al reacţiei mai ales la încărcări mici ale filtrului

sau la temperaturi de regenerare scăzute.

Fig. 3.5.5. Variaţia p în timpul regenerării

Durata procesului de regenerare este puternic influenţată de temperatura gazelor arse; pentru

un filtru dat, procesul de regenerare poate dura între 10 minute, la temperatura de 6500C şi 300 de

minute, la temperatura de 4500C; la temperatura cea mai probabilă a regenerării, de 5500C, durata

regenerării este de 95 de minute. Semnalarea regenerării se face prin scăderea presiunii şi prin

creşterea temperaturii în filtru, dar şi prin variaţia bruscă a CO şi O2.

Aprinderea particulelor depinde atât de temperatura gazelor, cât şi de conţinutul de oxigen;

pentru un filtru dat în funcţie de aceşti doi parametri se poate trasa curba aprinderilor care

delimitează zonele în care particulele se pot aprinde de cele în care ele nu se aprind. Astfel, dacă

temperatura nu poate fi crescută artificial, o metodă de asigurare a aprinderii este injecţia de oxigen

în filtru.

Regenerare catalitică

46

Temperatura gazelor arse (oF)

Concentratia de O2

(%)

Page 47: Curs Poluare

Stadiul actual

Această metodă urmăreşte începerea regenerării prin folosirea unei reacţii catalitice în filtru,

care are ca efect combustia particulelor la o temperatură mai scăzută. Există două tipuri de filtre de

particule care folosesc afectul catalitic:

Unul foloseşte catalizatori care sunt depuşi sau injectaţi în filtru,

Unul utilizează aditivi care sunt introduşi în combustibil;

Filtrele cu depunere de catalizatori nu au fost prea larg dezvoltate, datorită faptului că motoarele

ale căror gaze le filtrează trebuie să folosească motorină cu conţinut foarte mic de sulf şi efectul

catalitic nu a fost prea puternic, datorită contactului dintre catalizator şi particule. Un astfel de filtru

este folosit pentru reţinerea componentelor puternic mirositoare din gazele emise de MAC.

Metoda de obţinere a filtrului este:

Prepararea soluţiei pentru stratul intermediar prin măcinarea a 100 părţi de zeolit şi 80 părţi

de silică, împreună cu apă şi acid azotic;

Imersarea în soluţie a monolitului de cordierit;

Îndepărtarea surplusului prin suflarea monolitului cu aer condiţionat,

Uscarea şi coacerea monolitului în cuptor;

Acoperire cu un strat de zeolit;

Îmbibarea monolitului cu o soluţie apoasă de acetat de cupru,

O nouă uscare si coacere a monolitului în cuptor;

Componentele puternic mirositoare, precum aldehidele, având un punct de fierbere coborât sunt

absorbite de zeolit când temperatura gazelor arse este sub 2000C, reţinându-se totodată şi fumul alb

şi albastru. La valori mai mari ale temperaturii gazelor arse, componentele puternic mirositoare sunt

oxidate catalitic , transformându-se în compuşi mai puţin mirositori.

Regenerarea catalitică se aplică mai ales la filtre cu fibre ceramice, acestea având o serie de

proprietăţi care favorizează regenerarea pasivă.

O altă metodă este regenerarea catalitică prin aplicarea unui strat activ pe fibre. Acestea sunt

acoperite cu un catalizator CuO, care prin injectarea unui activator chimic (acetil-acetona), coboară

temperatura de piroliză a particulelor de la 6000C la 2000C. Pentru activarea catalizatorului se

injectează, după oprirea motorului, cu ajutorul unui sistem electronic de comandă şi după răcirea

filtrului 10ml acetil-acetonă. După pornirea motorului se începe regenerarea, la atingerea

temperaturii de 2500C.

Emisia de particule se reduce în proporţie de 80-90%, toate procesele decurg automat,

rezervorul de acetil-acetonă de 9 l ajunge pe o rută de 60000 Km sau pe durata de funcţionare de

mai mult de un an a autobuzului. Acest lichid activator, acetil-acetona, este responsabil de poluări

47

Page 48: Curs Poluare

Stadiul actual

secundare; şi pierderea de cupru este primejdioasă, deşi, în medie, ea este sub valoarea impusă de

legislaţie, concentraţia locală urbană este destul de mare şi poate pune sub semnul întrebării

imunitatea pietonilor.

Acest filtru este alcătuit din mai multe cartuşe filtrante care sunt tuburi din material

refractar, perforate şi înfăşurate cu fibre ceramice.Unul din capetele cartuşului este obturat forţând

gazele arse să treacă prin cartuş. Fibrele ceramice sunt fibre continue, robuste şi elastice, bobinate

pe tub cu respectarea unor parametrii specifici cum ar fi unghiul de bobinare, pasul, tensiunea de

înfăşurare. Fibra se înfăşoară pe suportul tubular alternând pentru două straturi succesive sub

unghiuri de ±45º fa’[ de generatoarea cilindrului metalic. Zona perforată este acoperită în întregime

de fibre.

Pentru ca sistemul să răspundă tuturor condiţiilor de încărcare termică şi mecanică,

rezistenţa fibrelor ceramice la temperaturi înalte este completată de utilizarea oţelurilor inoxidabile

pentru tuburile suport şi pentru carcasa filtrului. Toata aceste particularităţi constructive conduc la

obţinerea unui filtru cu rezistenţă remarcabilă la solicitările termice şi mecanice, cu eficienţă şi

durabilitate mari ca şi cu posibilitatea efectuării regenerării pe motor.

Regenerarea chimică cu aditivarea combustibilului permite oxidarea particulelor la o

temperatură relativ scăzută a gazelor arse. Oxidarea particulelor se face continuu , o data cu

depunerea lor in filtru, prin egalizarea vitezei de ardere regenerative cu viteza de retinere a

particulelor ; se obtin astfel valori constante ale presiunii in filtru.

In ultimii ani s-au studiat multi aditivi , fiind evaluate proprietatile acestora de a

reduce temperatura de aprindere a particulelor.

Principalele contributii ale aditivilor in procesul de regenerare catalitica sunt

urmatoarele:

-aditivii reduc temperatura de aprindere a funinginei pana la valori de 400ºC in conditii de

laborator;

-aditivii nu reduc temperaturile maxime de regenerare in acelasi mod;

-calitatea regenerarii nu este imbunatatita dupa depasirea unei anumite concentratii limita;

-activitatea catalitică a aceluiaş aditiv diferă substanţial cu tipul şi regimul motorului;

-temperatura de evacuare, concentraţia de oxigen şi conţinutul de HC sunt parametrii importanţi ai

procesului de regenerare.

Aditivii rămaşi în competiţie după multi ani de studiu sunt: cuprul, manganul, fierul şi

ceriumul.

48

Page 49: Curs Poluare

Stadiul actual

Regenerare aerodinamică

Regenerarea aerodinamică utilizează pulsuri scurte de aer comprimat, care parcurg filtrul în

sens invers gazelor evacuate; aerul este conţinut într-un rezervor de presiune de 4-6 atm şi presiunea

la intrare în filtru de 1-2 atm. Funinginea se colectează într-o cameră amplasată sub monolit şi care

se curăţă fie prin ardere, fie prin colectare într-un aspirator. Astfel de filtre cu regenerare

aerodinamică pot asigura un curent de gaze arse răcit necesar pentru recircularea gazelor arse.

Regenarea se efectuează periodic, când se atinge o valoare limită a căderii de presiune. Rezervorul

der aer comprimat este menţinut la 5 atm., iar la intrarea în filtru presiunea aerului este de 1,5 atm.

în timpul regenerării. Această ultimă valoare trebuie menţinută, căci la valori mai mici filtrul nu se

curăţă suficient de bine.

Funinginea este reţinută în incinerator şi particulele sunt arse sau extrase cu un aspirator

printr-un orificiu special.

3.6. Sistemul de recirculare a gazelor (EGR)

Primul sistem EGR a fost adăugat la un motor în 1973, iar astăzi cele mai multe motoare

au un sistem EGR.

O metodã foarte eficientã şi sigurã de reducere a NOx este recircularea gazelor de

evacuare (EGR - Exhaust Gasses Recirculation). Aceasta constã în realizarea unei ramificaţii în

galeria de evacuare, prin care o parte din gazele de evacuare sunt introduse în galeria de admisie şi

apoi în camera de ardere. Aceste gaze de evacuare, cu un conţinut extrem de scãzut de oxigen,

reduc reactivitatea amestecului admis în cilindru. Se reduc, astfel, varfurile de temperatura din

camera de ardere, care sunt rãspunzãtoare de aparitia oxidului de azot (NOx). Prin procedeul de

recirculare a gazelor, NOx poate fi redus, pentru motoarele pe benzinã, într-un procent de peste 50

%.

Cantitatea de gaze recirculate este limitatã de instabilitatea ce poate aparea in desfãsurarea

procesului de ardere. Acest fapt poate conduce chiar la imposibilitatea aprinderii amestecului

carburant şi, deci, la creşterea conţinutului de hidrocarburi nearse din gazele de evacuare.

Funcţionarea acestor sisteme constã în captarea unei cantitaţi de gaze de evacuare şi introducerea

lor, prin intermediul unei supape, în galeria de admisie. Supapa poate fi comandatã pneumatic sau

electric, funcţie de sarcina, turaţie şi temperatura motorului. Sistemele EGR cu actionare electrica,

in comparatie cu cele cu actionare pneumatica, prezintã o mai bunã precizie în dozarea cantitaţii de

gaze recirculate şi o mai bunã dinamicã a procesului de recirculare.

La mersul în gol, acest procedeu este intrerupt, datoritã conţinutului redus de NOx si

posibilitaţii de apariţie a instabilitaţii în funcţionare a motorului, prin utilizarea recircularii gazelor

49

Page 50: Curs Poluare

Stadiul actual

de evacuare. Un dezavantaj al acestor sisteme constã in apariţia depunerilor dure pe suprafaţa

supapelor şi suprafeţelor interioare ale conductei datorate particulelor conţinute în gazele de

evacuare, fapt ce duce la o reducere cantitatii de gaze recirculate.

Fig. 3.6. Electrovalva EGR de la GM

Fig. 3.6.1. Sisteme EGR (Ford stânga, VAG dreapta)

50

Page 51: Curs Poluare

Stadiul actual

51

Fig. 3.6.2. Valvă EGR de provenienţă VAG cu acţionare cu presiune negativă [19]

Page 52: Curs Poluare

Stadiul actual

Fig. 3.6.2.1. EGR de provenienţă VAG (completare la fig. 3.6.2)

Fig.3.6.3. Valvă EGR de provenienţă Ford

52

Page 53: Curs Poluare

Stadiul actual

3.7. AdBlue

Noi stimulente pentru emisii - autocamioane

Toate vehiculele înmatriculate începând cu 1 octombrie 2006 trebuie să respecte legislaţia

Euro 4. Euro 5 intră în vigoare pe 1 octombrie 2009.

Noile norme Euro pentru reducerea emisiilor poluante impun cerinţe stricte tuturor

producătorilor de vehicule. Diferenţa între cerinţele în materie de emisii poluante pentru motoarele

Euro 3 şi Euro 4 este considerabilă. Emisiile de oxizi de azot (NOx) trebuie reduse de la 5 la 3,5

g/kWh, o reducere de 30%. Emisiile de particule (PM) trebuie să scadă de la 0,1 la 0,02 g/kWh.

Acestea corespund unei reduceri cu până la 80%.

Stimulente guvernamentale

Mai multe ţări europene încurajează deja respectarea anticipată a standardelor Euro 4 şi

Euro 5 prin metode de stimulare precum taxe de drum mai reduse (spre exemplu 10 cenţi/km în loc

de 12 cenţi/km în Germania) sau rate de depreciere mai bune pentru vehiculele echipate

corespunzător (spre exemplu în Olanda). Se aşteaptă adoptarea şi în alte ţări europene a unor

metode de stimulare a utilizării acestei tehnologii ecologice.

Consum de combustibil

Graţie combustiei eficiente a motoarelor performante care respectă Euro 4 şi Euro 5

(stimilente), aceste agregate asigură cel mai redus consum de combustibil dintre toate tehnologiile

existente, ceea ce înseamnă un câştig atât financiar, cât şi în privinţa protecţiei mediului. Deşi

procesul de reducere catalitică are nevoie de un aditiv lichid denumit AdBlue, cu estimările curente

ale preţului aditivului AdBlue, costurile totale de exploatare nu vor creşte faţă de un motor care

respectă Euro 3.

3.7.1. AdBlue. O substanţă naturală, existentă în mediul înconjurător

Tehnologia SCR utilizează un aditiv denumit AdBlue injectat în gazele de evacuare, înainte

ca acestea să treacă printr-un catalizator SCR. În catalizator, oxizii de azot sunt transformaţi în azot

şi vapori de apă inofensivi - substanţe care se află deja în mod natural în mediul înconjurător.

53

Page 54: Curs Poluare

Stadiul actual

Substanţa activă a aditivului AdBlue - ureea - este extrasă din gaze naturale. Ureea este o

pudră cristalină de culoare albă care se găseşte şi în mediul înconjurător. Este o substanţă stabilă şi

inofensivă, fără restricţii la depozitare sau transport.

3.7.2. Sistemul de evacuare pentru un motor EURO 5 cu AdBlue

AdBlue este un lichid stabil, netoxic, nepericulos şi neinflamabil, asemănător apei, dezvoltat

pentru tratarea ulterioară a gazelor de eşapament ale autovehiculelor, camioanelor şi autobuzelor

diesel EURO 4 şi 5.

Tabelul 7 [20].

Lichidul este o soluţie lichidă compusă din carbamidă şi apă, în care procentul carbamidei

este cca. 32,5%. Adaosul AdBlue este destinat în special reducerii emisiunii de materiale nocive a

autoutilajelor (autocamioane şi autobuze), în particular reducerii monoxidului de azot. Sistemul

SCR, pulverizând în aer comprimat adaosul AdBlue, direct înaintea catalizatorului, dozează acesta

gazului cald de eşapament ieşind din compartimentele de ardere.

54

Page 55: Curs Poluare

Stadiul actual

La temperatură înaltă din carbamidă se formează amoniac. În a II-a treaptă monoxidele de

azot aflate în gazul de eşapament intră în reacţie cu amoniacul, pe suprafaţa catalizatorului SCR.   În

cursul acestui proces aceştia se transformă în apă şi în gaz de azot nevătămător, prezent în natură în

cantităţi mari. Avantajul tehnologiei SCR constă în faptul că este la fel corespunzător satisfacerii

exigenţelor standardelor Euro 4 şi Euro 5, privind emisiunea monoxidelor de azot. În vederea

satisfacerii prevederilor standardului Euro 4 o cantitate de adaos egală cu 3-5 %, iar în caz de Euro

5 – pe lângă un randament catalitic majorat – cu 5-7% a combustibilului este pulverizat în gazul de

eşapament condus la catalizator, în funcţie de starea de funcţiune a motorului.

MODUL DE FUNCŢIONARE A INSTALAŢIEI SCR

Transformă oxizii de azot (NOx) în azot – inofensiv pentru mediu – şi apă, prin intermediul unui

convertizor catalitic şi cu ajutorul unei cantităţi de AdBlue injectate în fluxul fierbinte de gaze de

esapament. În sistemul SCR arderea se face la temperaturi mari, producându-se o mare cantitate de

Nox, dar o cantitate mică de particule. Excesul de NOx este îndepărtat prin post tratamentul gazelor

de eşapament.

55

Fig. 3.7.1. Elemete componente ale sistemului de evacuare EURO 5 AdBlue [20]

Page 56: Curs Poluare

Stadiul actual

Procesul SCR este o serie de reacţii chimice care duc la reducerea NOx. Temperatura

optimă de lucru este de 180–350°. Sistemul este gestionat de DECU, înglobat în modulul pompă şi

ţine cont de turaţia motorului, de cuplul solicitat, temperatura gazelor de eşapament, temperatura

lichidului de răcire, cantitatea de NOx şi umiditatea aerului la admisie (fig. 2). Senzorul de

umiditate este situat pe galeria de ieşire din filtrul de aer. Acesta are rolul de a transmite la ECU

informaţia umidităţii prezente în aer, necesară pentru calculul emisiilor de azot.

Senzorul de temperatură gaze eşapament are funcţia de a transmite centralinei valorile de

temperatură ale gazelor de eşapament in punctele de intrare şi de ieşire din catalizator, pentru

calcularea cantităţii de AdBlue (uree) necesară pentru a fi injectată .

Fig. 3.7.2. Sistemul SCR si reactiile chimice ce au loc

56

Page 57: Curs Poluare

Stadiul actual

Fig. 3.7.3. Tratarea gazelor la diferite motoare

57

Page 58: Curs Poluare

Stadiul actual

Catalizatorul este echipat cu amortizoare de zgomot şi înlocuieşte actuala tobă de eşapament

.În interiorul lui, NOx reacţionează cu amoniacul, rezultând azot molecular şi vapori de apă. Pe

catalizator sunt montaţi şi senzorii de temperatură. Dacă este amestecat cu motorină şi injectat în

cilindru, aditivul AdBlue se va descompune şi va arde din cauza temperaturilor ridicate ale

procesului de ardere. În acest caz, nu se va produce formarea amoniacului, necesar pentru reacţia

catalitică. Iată de ce nu poate fi amestecat aditivul AdBlue cu motorina. Pompa preia AdBlue din

rezervor şi o trimite sub presiune la DECU, unde este amestecat cu aerul din sistemul pneumatic şi

introdusă de un injector înainte de catalizator. AdBlue se evaporă instantaneu, rezultând amoniac şi

dioxid de carbon. Temperatura gazelor scade până la cea necesară procesului , rezultând la sfârşitul

acestuia azot molecular şi apă. Introducerea ureei în sistemul SCR are loc doar în anumite condiţii

predefinite:

- temperatura motorului trebuie să fie mai mare de 65°C;

- temperatura catalizatorului trebuie să fie mai mare de 220°C;

- temperatura exterioară trebuie să fie mai mare de –20°C;

- turaţia motorului trebuie să fie mai mare de 1000 rpm.

În plus, nu trebuie să avem erori prezente în EDC lega-te de: injectoare, presiunea de

supraalimentare, presiunea de injecţie, senzorul de turaţie al motorului, senzorul de umiditate şi

senzorul de temeperatură atmosferică. De asemenea, nu trebuie să avem erori în DECU

(denoxtronic – centralina de comanda a sistemului SCR).

La temperaturi scăzute, AdBlue este păstrat în rezervoare încălzite. Furtunurile şi racordurile

sunt, de asemenea, încălzite pentru a asigura fiabilitatea sistemului. Dacă un camion este parcat o

perioadă mai lungă de timp la temperaturi foarte scăzute, lichidul va îngheţa, dar se va încălzi şi

dezgheţa de îndată ce motorul este pornit. De notat că pornirea motorului nu este afectată în niciun

fel. AdBlue face parte din sistemul de tratare a gazelor la ieşirea din catalizator, iar gazele de

evacuare nu sunt filtrate în întregime până când motorul şi sistemul de evacuare nu ating

temperatura normală de funcţionare. Indicatorul de control AdBlue se compune din: un set de

rezistenţe electrice, un plutitor, un senzor de temperatură şi o sepentină pentru încălzirea AdBlue cu

lichid de răcire din motor la temperaturi exterioare scăzute . Senzorul NTC controlează valva de

58

Page 59: Curs Poluare

Stadiul actual

deviaţie şi în funcţie de temperatură, închide şi deschide circuitul lichidului de răcire spre serpentină

(vezi fig. 3). În comparaţie cu motorina, AdBlue nu ocupă mult spaţiu. La un amestec de 4%, 1000

de litri de motorină necesită doar 40 de litri de AdBlue. Consumul de AdBlue rămâne întotdeauna

în proporţie fixă faţă de consumul de motorină. Rezervoarele pentru aditiv AdBlue sunt dis-ponibile

în variante cu capacitate de la 30 la 120 de litri. Rezervoarele sunt din aluminiu sau plastic. Pe

viitor, producătorii îşi vor adapta capacităţile de producţie la cererea pieţei. În prezent, împreuna cu

distribuitorii, işi stabilesc o reţea europeană de distribuţie. Două bine-cunoscute companii petroliere

– OMV şi Total – sunt pregătite să-şi dezvolte strategia pentru implementarea tehnologiei SCR

pentru vehiculele comerciale şi susţin activ testele finale cu noile sisteme. Şi alte companii şi-au

arătat interesul şi poartă discuţii cu oficialii din sectoarele chimic si din cel al vehiculelor

comerciale. Companiile petroliere şi producătorii de AdBlue formulează în prezent pachete extinse

de produse şi servicii pentru reţelele de distribuţie.

Mai presus de toate, aceasta înseamnă echiparea staţiilor publice de combustibili, care

operează în industria transportului european, cu pompe de alimentare SCR. Acestea acoperă o gamă

extinsă, de la pompe combinate diesel-AdBlue cu contoare separate (deja operaţionale în staţiile din

Berlin, Stuttgart şi Vomp/Tirol), până la staţii mici de alimentare ale unor companii sau oferte

pentru flote, cu rezervoare sau canistre.

Caracteristicile tipice fizice: [20]

Densitate1,087kg/m3 (la 20O C)

Viscositate 1,4 mPas

Temperatură de cristalizare             - 11O C

Caracterul produsului:

Adaosul AdBlue este un lichid compus din carbamidă şi apă distilată, necolorat, transparent,

de un miros uşor înţepător şi cu o concentraţie nominală de carbamidă de 32,5%. Carbamida este un

material prezent şi în formă naturală, stabil, netoxic şi neinflamabil, fără restricţii specifice privind

depozitarea acestuia. Adaosul AdBlue se cristalizează la o temperatură de -11O C, iar la o

59

Page 60: Curs Poluare

Stadiul actual

temperatură superioară de +35O C se începe decompunerea carbamidei. Pe când congelarea nu are

consecinţe deosebite, decompunerea însemnă degradarea produsului.

Folosinţa produsului AdBlue:

AdBlue este un adaos utilizat în cursul exploatării de motoare EURO 4-,5, construite pe

tehnologia SRC, prin containerul montat pe şasiul camionului conţinând soluţia AdBlue. Utilizarea

acestuia are ca bază asigurarea unui proces optimizat de ardere a motorului şi reducerea

semnificativă a nivelului monoxidelor de azot (NOx).

Cantitate dozată: Având în vedere proporţia de dozare de cca. 4 la sută, la 1000 litri motorină se

utilizează 40 litri de AdBlue.

Tabel 8. Metoda de depozitarea a AdBlue funcţie de distanţa parcursă şi numărul de maşini [20]

Utilizare în condiţii climatice de temperatură joasă:

După vărsarea produsului AdBlue în containerele vehiculelor, în cazul în care autocamionul

este parcat pentru o perioadă mai îndelungată la un loc de joasă temperatură, produsul se poate

congela, însă după pornirea motorului se încălzeşte şi se decongelează, deoarece depozitarea

acestuia se realizează într-un container încălzit, racordat sistemului SCR. Fiablitatea sistemului este

asigurat prin încălzirea furtunelor şi a racordurilor. Este important ca toate aceste să nu afecteze

calitatea de demarare a autovehiculului.

Avantaje:

fără limite de capacitate motor

folosinţa produsului, încă de la început asigură satisfacerea prevederilor standardului Euro 5

consum economic de combustibil

60

Page 61: Curs Poluare

Stadiul actual

reducerea cantităţii NOx de aproape 90%

reducerea cantităţii de combustibil de cca. 2-5%

consumul de AdBlue este de 3-4% a combustibilului, dacă se prevede respectarea

prevederilor standardului Euro 4. În caz de Euro 5 consumul de AdBlue este de 5-7%, preţul

actual al produsului AdBlue este 50% a combustibilului.

lichid necolorat, limped

formula chimică a acestuia: (NH2)2CO+H2O

valoare pH: 9.0-9.5

necesită întreţinere minimă şi este conceput pentru întreaga durată de viaţă a vehiculului.

tehnologia SCR nu afectează intervalele de service şi de schimb al uleiului la vehiculele pe

care este montată.

degradare lentă la temperatura camerei, descopunându-se în amoniac, gaz de dioxid de

carbon şi apă.

Tehnologia SCR este o tehnologie a cărei fiabilitate şi-a dovedit deja eficacitatea, fără a

limita puterea maximă. Acest lucru înseamnă că va fi optimizată în conformitate cu ultimele cerinţe

ale legii, inclusiv un sistem de diagnosticare pentru a monitoriza respectarea nivelurilor impuse

pentru gazele de evacuare.

Majoritatea constructorilor de autocamioane grele din Europa au hotărât în favoarea

adoptării tehnologiei SCR (Selective Catalytic Reduction - reducere catalitică selectivă) pentru a

produce motoare care să corespundă normelor de depoluare Euro 4 si Euro 5. Alături de Volvo

Trucks, DAF, Iveco, Mercedes-Benz si Renault Trucks au pus bazele unei colaborări cu scopul de a

contribui la un viitor mai curat în sectorul transportului rutier. Împreună, aceste companii reprezintă

aproximativ 80% din totalul pieţei europene de autocamioane.

61

Page 62: Curs Poluare

4. TRASEUL DE EVACUARE

4.1. Generalităţi

Rolul eşapamentului este acela de a evacua gazele produse de motorul unei maşini în timpul

funcţionării, într-o formă uman tolerabilă. De la apariţia primelor autoturisme cu o putere

semnificativă a fost subliniat pericolul incendiar al eşapamentului şi disconfortul generat de

zgomotul său. Studii recente asupra calităţii vieţii atrag atenţia asupra părţii de responsabilitate ce

revine motoarelor în poluarea atmosferică. Funcţia "Eşapament" trebuie să fie cunoscută şi pusă la

punct la fel de bine ca şi funcţia "Carburaţie".

Pe lângă numeroasele probleme ce se pot ivi, un sistem de complet eşapament de tip "cat-

back" (de la ieşirea catalizatorului până la capatul ţevii de ieşire din amortizorul de zgomot) prost

conceput poate diminua cu 4-5% puterea motorului iar un eşapament corect conceput şi acordat

poate aduce un spor de putere de până la 2,5%.

4.2. Descrierea şi elementele componente ale eşapamentului

Elementele componente ale unui sistem de eşapament sunt:

conductele de la chiulasă în aval de supapele de evacuare

colectorul de evacuare ("galeria") fixat pe chiulasă

capacitatile/camerele de rezonanta pe care gazele le străbat succesiv. În principal

acestea sunt: convertorul catalitic , camera de detentă sau detentorul ("toba de mijloc" sau "toba

intermediară") şi amortizorul de zgomot ("toba finală")

tuburile (ţevile) de legatură între camerele de rezonanţă şi în unele cazuri tuburile

(tevile) de ieşire din amortizorul de zgomot.

Ansamblul tuburilor, camerelor de detentă, amortizoarelor de zgomot etc, de la colectorul de

evacuare fixat pe chiulasă până la gura de ieşire în aer liber constituie traseul (linia) de evacuare. Ea

se întinde în lungimea vechiculului cu condiţia ca gazele arse să fie eşapate spre spate fără riscul de

a se infiltra în habitaclu. Dată fiind toxicitatea acestor gaze, toate scurgerile catre interior sunt

periculoase pentru pasageri. Eşapamentele ce echipeaza maşinile noi sunt prevazute cu ecrane de

protecţie între ele şi habitaclu.

62

Page 63: Curs Poluare

Traseul de evacuare

Fig. 4.2.1. Traseu esapament

Primul element al sistemului este colectorul de evacuare cu rolul de a prelua ieşirea din

chiulasă şi de a conduce gazele de eşapament către prima cameră de rezonanţă. În continuarea

colectorului de evacuare, la motoarele fără injecţie, se plasează o capacitate sau rezonator cu rolul

de a tăia acusticile libere. La motoarele cu injecţie dotate cu catalizator acest rezonator lipseşte,

funcţia acestuia fiind preluată chiar de convertorul catalitic.

Convertorul catalitic are forma unui amortizor clasic, eliptic sau rotund, în interiorul căruia

sa află un monolit ceramic sau metalic pe care sunt depuse metale nobile: Pt, Rh, Pd care

favorizează conversia gazelor poluante în gaze nepoluante. În convertorul catalitic au loc procese de

transformare a hidrocarburilor în dioxid de carbon (CO2 ) şi vapori de apa, a monoxidului de carbon

(CO) în dioxid de carbon (CO2) şi a oxidului de azot (NO) în nitrogen (N2) şi oxigen (O2). O

funcţionare normală a unui convertor catalitic corect dimensionat conduce la o transformare a

gazelor rezultate ca urmare a arderii combustibilului în gaze cvasiinofensive.

La ieşirea primului tronson tubular se gaseşte o capacitate numită cameră detentă sau

detentor unde gazul pierde o bună parte din temperatura acumulatp ca urmare a funcţionării

63

Page 64: Curs Poluare

Traseul de evacuare

motorului. Camera detentă este alcatuită din mai multe incinte acustice fiind elementul sistemului

de eşapament care tratează din punct de vedere acustic fluxul de evacuare.

Exigentele de reducere a zgomotului pentru incadrarea în regulamente şi pentru confortul

pasagerilor sunt asigurate de ultimul element al sistemului de evacuare denumit amortizor de

zgomot.

Fiecare capacitate, detentor sau amortizor, este locul unei modificări de stare (presiune,

volum) a gazelor care se exprimă prin reducerea entalpiei (energiei totale a gazelor) şi a

temperaturii. Capacităţile şi rezonatoarele plasate în general foarte aproape de supape de evacuare

sunt locul efectelor acustice atermice. Camerele de detentă care se găsesc în general în secţiunea

mijlocie a traseului, provoacă o scădere a presiunii endoterme. În amortizorul de zgomot se produce

o mişcare violentă a reţelei de gaze care provoacă o mare degajare de caldură. Suprafaţa lor

exterioară se comportă ca un radiator iar temperatura exterioară poate depăşi 200OC şi din acest

motiv trebuie izolate de planşeu. Amortizoarele plasate în majoritatea cazurilor la finalul liniei de

eşapament sunt în general de două tipuri: de tip absorbţie şi de tip reflexie. În cazul amortizoarelor

de tip absorbţie materialul fonoabsorbant izolând interiorul şi fluxul de gaze de invelisul exterior

conduce la diminuarea temperaturii exterioare şi deci la o mai bună rezistenţă în timp a produsului.

Amortizoarele de tip reflexie (cu mai multe tuburi interioare perforate - modelul eşapamentelor

pentru autoturismele Dacia) diminuează zgomotul printr-o reacţie de tip "spargerea undei".

Temperatura gazului de eşapament masurată sub vehicul este în funcţie de turaţia motorului

în plină sarcină şi de distanţa faţă de colectorul de evacuare. Având în vedere diversitatea situaţiilor

posibile şi a numărului foarte mare de modele existente vă prezentam spre informare masurătorile

de temperatură în axa sistemului de eşapament facute la un motor de 1600 cm3. Astfel, imediat după

galeria de evacuare temperatura poate varia între 700OC şi 900OC dacă turaţia motorului creşte

progresiv de la 1.500 la 5.000 rot/min. În acelaşi regim de lucru al motorului temperatura măsurată

la 2 metri de la galeria de evacuare poate varia intre 450OC si 650OC. La ieşirea sistemului de

eşapament, considerată a fi la 4 metri distanţă faţă de galeria de evacuare temperaturile înregistrate

în acelaşi regim de turaţii pot cadea până la 300OC şi 500OC. Măsurarea acestor temperaturi s-a

făcut în axa sistemului de eşapament (deci în mijlocul tuburilor şi al incintelor) ele diminuându-se

cu până la 250OC spre exteriorul traseului datorită curenţilor de aer şi soluţiei constructive alese

pentru sistemul de evacuare.

64

Page 65: Curs Poluare

Traseul de evacuare

4.3. Acordarea eşapamentului cu motorul

Cercetările care se fac în acordarea eşapamentului cu motorul maşinii au ca obiectiv

îmbunătăţirea performanţelor mai ales la regimuri înalte de funcţionare.

Principalele elemente care contribuie la realizarea unui eşapament acordat sunt:

lungimea tuburilor (tevilor)

diametrul tuburilor

dimensionarea capacităţilor (detentoarelor şi amortizoarelor) şi modul lor de amplasare pe

vechicul

Daca lungimea tuburilor este în cea mai mare parte dată de lungimea maşinii (putând alege

între un traseu direct sau unul mai sinuos cu restricţiile de spatiu generate de arhitectura plaşeului

maşinii) iar dimensiunea capacităţilor fiind aleasă pentru o cât mai bună îndeplinire a funcţiilor

sistemului de eşapament (în special cea de atenuare a zgomotului), diametrul ţevilor este elementul

asupra căruia se poate acţiona cel mai facil pentru îmbunatatirea performanţelor motorului unui

autoturism.

Vom prezenta în continuare influenţa diametrului tuburilor (diametrul ţevilor utilizate la

realizarea întregului traseu de eşapament "cat-back") asupra performanţelor evacuării.

Experimentele făcute pe bancul de probe au generat o serie de concluzii privind alegerea

diametrului tubului de eşapament, alegere care este un compromis între zgomotul rezultat ca urmare

procesului de evacuare şi performantele dorite ale motorului.

În mod uzual maşinile de putere mică şi foarte mică (incluzand aici şi Dacia Berlină sau

Dacia Autoutilitară fără injecţie, Tico, Matiz) au traseele originale pe diametru de 38-40 mm.

Maşinile de putere medie (spre exemplu Dacia SuperNova, Solenza, Autoutilitarele cu injecţie,

Cielo, VW Golf) sunt echipate cu trasee de eşapament de diametre cuprinse între 45-50 mm.

Maşinile echipate cu motoare foarte puternice pot avea un traseu de eşapament cu diametru de până

la 63,5 mm. În general, dar nu întotdeauna, sporirea cu 5-10 mm a diametrului traseului de

eşapament conduce la un plus de putere a motorului.

Singurul test edificator se poate face pe un stand de încercări dotat cu dinamometru,

sonometru şi analizor de gaze care să poată măsura în urma unor proceduri specifice, în diferite faze

şi cu diferite trasee de eşapament următorii parametrii: puterea motorului, cuplul, nivelul noxelor şi

65

Page 66: Curs Poluare

Traseul de evacuare

nivelul zgomotului. Compararea unui set de date rezultat în urma măsurătorilor făcute în diferite

faze utilizând un traseu de eşapament şi a altui set de date rezultat în urma măsuratorilor făcute în

condiţii identice dar cu un alt traseu de eşapament este singura posibilitate de decizie asupra

performanţelor. În funcţie de preferinţe se poate ajunge alegând un traseu de eşapament adecvat la o

limită inferioară de putere dar la obţinerea unui zgomot foarte redus, la o creştere semnificativă de

putere dar la un zgomot cu mult peste nivelul admis sau la un echilibru între putere-cuplu şi

zgomot-emisie de gaze. Montarea unui traseu complet neacordat cu cerinţele motorului poate

conduce la scăderea puterii motorului concomitent cu un nivel al zgomotului peste limită. Nu dorim

să intrăm în amănunte foarte complicate ce ţin de mecanica fluidelor.

4.4. Diametrul mic al tuburilor traseului de eşapament

La deschiderea supapei de evacuare tubul de eşapament de dimetru mic frânează ieşirea

gazelor arse. În timpul fazelor de "suprapunere a supapelor" (admisia şi evacuarea deschise în

acelaşi timp) lipsa de cădere de presiune incomodează intrarea gazelor. Suprapunerea supapelor

trebuie sa fie scurtă ceea ce este profitabil pentru regimurile joase dar defavorabil pentru regimurile

înalte. Tubul de eşapament de diametru mic generează o bună amortizare a vibraţiilor şi o reducere

a intesităţii zgomotului în defavoarea cuplului motor. La limită, un diametru foarte mic pentru

traseul de eşapament conduce la o accentuare a pierderii de sarcină şi la o prăbuşire a cuplului

motor.

4.5. Diametrul mare al tuburilor traseului de eşapament:

În cazul sporirii diametrului tubului de eşapament vârful de presiune cuprinde cea mai mare

lungime a tubului şi se amortizează mai lent în comparaţie cu un tub de diametru mai mic. Un

diametru mai mare asigură o cădere de presiune mai mare în lungul tubului, urmată de o creştere de

presiune, în schimb se permite o lărgire a suprapunerii supapelor foarte favorabilă pentru parametrul

putere-cuplu la regimurile înalte de funcţionare.

66

Page 67: Curs Poluare

5. EVACUAREA GAZELOR. GRADUL DE PERFECŢIUNE A EVACUĂRII

Evacuarea reprezintă partea din procesul de schimbare a gazelor în cursul căreia gazele de

ardere parasesc cilindrul.

La motorul cu admisiune normală, sistemul de evacuare este alcătuit din galeria de evacuare,

prevazută în chiulasa, din conducta de evacuare şi amortizorul de zgomot. Orificiul liber Op al

galeriei este controlat de supapa de evacuare. La motorul cu admisiune forţată, când

supraalimentarea se efectuează cu o turbosuflantă, sistemul de evacuare cuprinde în plus turbina,

pusă în mişcare de gazele evacuate din cilindru.

Evacuarea gazelor la motoarele rapide are loc în trei moduri denumite: evacuare liberă,

evacuare forţată, evacuare mixtă. Evacuarea liberă este partea din procesul de evacuare, în

cursul căreia gazele de ardere părăsesc cilindrul sub acţiunea diferenţei dintre presiunea p din

cilindru şi presiunea p0 a mediului ambiant sau pg e , din galeria de evacuare.

Analiza procesului de evacuare la motorul autoturismului Dacia 1300 arată următoarele (fig.

4): supapa de evacuare începe ridicarea de pe sediu spre finalul cursei de destindere, când presiunea

în cilindru este de câteva ori mai mare decât presiunea p0; pâna la pme , cursa de ridicare a

supapei ajunge la 58% din cursa maximă de ridicare (fig. 4, c), presiunea scade sensibil dar ramâne

încă la o valoare ridicată (2,4 daN/cm2); sub acţiunea diferenţei de presiune (p—p g e ) gazele

scapă în galerie, trec prin orificiul oferit cu o viteză de 600...700 m/s şi se deplasează prin galeria

de evacuare cu viteza de 50.. .250m/s; la inceputul evacuării presiunea pg e creste repede. [2]

Evacuarea forţată are loc numai sub actiunea pistonului, în ultima parte a cursei de

evacuare aproximativ pe 120° RAC, de la α = 600° RAC. Prin deplasarea pistonului, se menţine

diferenţa de presiune p-pg e sau p-p0 necesară pentru a învinge rezistenţele gazodinamice ale

orificiului oferit şi ale traseului de evacuare. La motoarele rapide de autovehicule, în prima parte

a cursei de evacuare , procesul se produce în acelaşi timp liber şi fortat de aceea această parte a

procesului se numeşte evacuare mixtă. Pe intervalul cuprins între α= 540... 600° RAC, diferenţa

de presiune p-pg e asigură scăparea gazelor simultan cu refularea lor de catre piston (fig. 4, a) .

In figura 4, c se arată masa de gaze evacuate mg e în procente, în funcţie de α° RAC, la

motorul autoturismului Dacia 1300. Se observă că în cursul evacuării libere, masa mg e ajunge la

30% din masa de gaze de ardere mga . Aceasta informaţie obtinută prin calcul arată că la motoarele

rapide evacuarea liberă are o pondere cu mult mai mică decât aceea evaluată la motoarele de

67

Page 68: Curs Poluare

Evacuarea gezelor.Gradul de perfecţiune al evacuării

turaţie mică, la care ajunge până la 60.. .70%. În momentul închiderii supapei de evacuare, în

cilindru mai ramân gaze de ardere — gazele reziduale de masa mgr sau numarul de kilomoli care

participă la efectuarea ciclului următor.

Fig. 5.1. Variaţia unor mărimi caracteristice în procesul de evacuare [2]

Se numeşte coeficientul gazelor reziduale γr , raportul:

[2]

Gradul de perfecţiune a procesului de evacuare se apreciază şi prin gradul de evacuare a cilindrului de

gazele de ardere η ev şi se defineste ca raportul:

[2]

68

Page 69: Curs Poluare

Evacuarea gezelor.Gradul de perfecţiune al evacuării

Se observă că η ev variază în sens invers cu γr. Se obişnuieşte să se evalueze perfecţiunea

procesului de evacuare prin gazele de ardere rămase în cilindru, de aceea se apelează frecvent la γr .

La motoarele în patru timpi cu admisiune normală, νg r se determină presupunând că masa

gazelor de ardere care ocupă volumul V c , când pistonul se află la pmi, la presiunea pg şi

temperatura Tg (punctul g din ciclu, fig. 4, c) , rămâne invariabilă până la închiderea supapei de

evacuare. În acest caz se aplică ecuaţia de stare în punctul g:

[2]

şi se determină γr împărţind relaţiile. Dacă se operează substituţia [2]

din care va rezulta:

[2]

Relaţia de mai sus evidenţiază faptul că γr este invers proporţional cu ηV , ceea ce explică

dezideratul general de a micşora pe γr pentru a obţine o valoare ridicată a lui ηV . Apoi se observă că

γr este direct proporţional cu pg şi invers proporţional cu Tg . În fine se observă că γr este invers

proporţional cu ε. Această dependenţă trebuie evaluată prudent deoarece, cu cât z este mai mare,

gazele de ardere se destind mai mult în cilindru şi Tg scade. Totuşi, la mărirea lui e produsul Tg(ε-

1) creşte, iar γr se micşorează. Astfel se explică de ce la MAC, γ r = 0,03. . .0,06 iar la MAS, γr =

0,08. . .0,12, prima clasă de motoare având raportul de comprimare de aproximativ doua ori mai

mare. Gazele reziduale nu micşorează numai volumul V s disponibil pentru fluidul proaspăt. Ele au

şi o consecinţă de natură cinetică deoarece fiind substanţe inerte chimic, micşorează viteza de

ardere a combustibilului. Acţiunea de inhibitor intervine cu o mare pondere mai ales la MAS, în

regimurile de sarcini parţiale. La aceste regimuri, prin obturare, ηV scade la 0 ,3 . . . 0,4 iar γr creşte

până la 0 ,3 . . . 0,35. Arderea se dezvoltă lent, funcţionarea devine instabilă, randamentul indicat

scade.

Sub aspect energetic perfecţiunea evacuării se determină prin lucrul mecanic consumat

pentru evacuarea gazelor de ardere. Parţial, efectul energetic se apreciază prin lucrul mecanic de

pompaj.

69

Page 70: Curs Poluare

BIBLIOGRAFIE

1. Băţăgă, N., Burnete, N., Barabas, I., Căzilă, Aurica, Filip, N., şi colab., Motoare cu ardere internă. Combustibili. Lubrifianţi. Materiale speciale pentru atutovehicule. Economicitate. Poluare., Cluj-Napoca, UTPress, 2000.

2. Grunwald, B., Teoria, calculul şi construcţia motoarelor pentru autovehicule rutiere, Bucureşti, Editura Didactică şi Pedagogică, 1980, pag. 67-70.

3. Stavrat, M., Dugănescu, M., Cartea Automobilistului, Bucureşti, Editura Tehnică, 19624. http://en.wikipedia.org/wiki/Air_pollution 5. http://en.wikipedia.org/wiki/Air_pollution#Pollutants 6. http://www.tutor2u.net/economics/revision-notes/as-markets-oil_clip_image002.gif 7. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b9/AirPollutionSource.jpg 8. http://www.noaa.gov/9. http://en.wikipedia.org/wiki/European_emission_standards 10. http://www.scania.com/11. http://www.volvo.com12. http://www.volvo.com/trucks/romanian-market/ro-ro/Home.htm13. http://en.wikipedia.org/wiki/Emission_standards 14. http://www.dieselnet.com/standards/jp/noxpmlaw.php 15. http://www.implats.co.za/market/emission_standards.asp 16. http://en.wikipedia.org/wiki/Catalytic_converter 17. http://en.wikipedia.org/wiki/Particulate_filter 18. http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b3/Lambda_sond_till_volvo240_etc.jpg19. http://www.forum-auto.com/les-clubs/section4/sujet365334.htm20. PUREM Abgassysteme GmbH & Co. KG: “New methods in SCR technology Selective Catalytic Reduction with aqueous urea solution “www.purem.de, March 2003. 21. D. Foerter, W. Jozewicz: “Cost of Selective Catalytic Reduction (SCR)”, U.S.

Environmental Protection Agency Office of Research and Development Washington , October 2001.

22. http://www.vegora.hu/vegora/Roman/adblue.html23. Ioan Dumitrescu - Poluarea mediului, Ed. Focus, 200024. Apostolescu N - Poluarea produsa de motoarele cu ardere interna, Universitatea Politehnica

Bucuresti, 199223.

70